Yeni Aktif Devre Elemanlarıyla Analog Devre Tasarımı

Abstract

Hayatımızın her alanının vazgeçilmezi olan elektronik düzenlerin tasarımı temel olarak sayısal devre tasarımı ve analog devre tasarımı olarak iki grupta incelenir. Sayısal devrelerin kullanımı analog devrelere kıyasla gün geçtikçe daha da artmaktadır. İnsanın ve kainatın yaratılışı gereği analog işaret işleyen devre ve sistemler kaçınılmazdır. Bu kaçınılmazlığın sebebi evrende var olan tüm varlıkların ve insanın duyularının analog işaretleri algılayabilmeleridir. Bu da bize sayısal sistem ve devrelerin yaygınlığının artmasına rağmen analog işaret işlemenin ve analog işaret işleyen devre ve sistemlerin tasarlanmasının kaçınılmaz olduğunu göstermektedir. Analog işaret işleyen sistemler çalışma prensibi bakımından gerilim modlu veya akım modlu devreler olarak iki ana grupta incelenebilir. Gerilim modlu devrelerde giriş işareti ve çıkış işareti gerilimdir. Akım modlu devrelerde ise giriş işareti ve çıkış işareti akımdır. Akım modlu çalışma denilince devrede sadece akım bağıntılarının var olduğu akla gelmemelidir. Elbetteki akım modlu devrelerde gerilim, gerilim modlu devrelerde de ise akımdan söz edilebilir. Temel olarak akım modlu devrelerde işaret akım ile taşındığı için düşük empedanslı düğümler vardır. Düşük empedanaslı düğümler zaman sabitini küçülttüğü için işaret daha hızlı taşınabilmektedir. Temel olarak bu sebepden dolayı akım modlu devreler gerilim modlu devrelere kıyasla daha yüksek bir performans ile çalışmaktadır. Bu çalışmadaki tasarımlar akım modlu uygulamalar ile test edilmiştir. Transistorun keşfedilmesiyle elektronik devrelerin tasarlanması kolaylaşmış bir o kadar da elektronik devrelerin boyutu küçülmüştür. 2013 yılı itibariyle 20nm geçit uzunluğunda CMOS üretimi yapılabilmektedir. Ancak sayısal devre tasarımında kolaylıkla kullanılabilen küçük boyutlu tüm devre teknolojileri analog devre tasarımlarında yaygın olarak kullanılamamaktadır. Bunun temel sebebi düşük besleme gerilimleri ile çalışan küçük boyutlu MOS transistorlar ile tasarlanan analog işlem bloklarında besleme gerilimi bütün transistorların doymada çalışmasına olanak sağlamamasıdır. Oysa analog işaret işleyen devrelerde bütün transistorların doymada çalışması gerekmektedir. Bu sebeple mevcut analog işlem bloklarının yeniden düzenlenilerek küçük boyutlu teknolojilere uygun hale getirimesi gerekmektedir. Biz çalışmalarımızda 0.18µm AMS parametrelerinden yararlanarak benzetimlerimizi gerçekleştirdik. Çalışmada temel olarak yakın zamanda önerilmiş analog işlem blokları olan ZC-CDTA (Z kopyalı akım farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi) ve ZC-CDBA (Z kopyalı akım farkı alan tamponlanmış kuvvetlendirici) ve ZC-CG-CDBA (Z kopyalı kazancı kontrol edilebilir akım farkı alan tamponlanmış kuvvetlendirici) elemanları için CMOS iç yapısı önerildi ve önerilen iç yapılar uygulama devreleri ile test edildi. ZC-CDTA, ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA aktif elemanları CDTA (akım farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi) ve CDBA (akım farkı alan tamponlanmış kuvvetlendirici) yapılarından geliştirilmişlerdir ve CDTA ile CDBA’nın evrenselliğini artırmaktadırlar. Önerilen ZC-CDTA, ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA analog işlem bloklarının yapısını oluşturan CDU (farksal akım bloğu), CCIII (üçüncü nesil akım taşıyıcı), ECCII (elektronik olarak kontrol edilebilen ikinci nesil akım taşıyıcı), OTA (geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi) ve gerilim tamponunun başarımları CADENCE ortamında denemiş ve başarımları çalışmanın ikinci kısmında sunulmuştur. ZC-CDTA, ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA’nın giriş katı akım farkı alan blokdan oluşur. Bu kısımda iki farklı akım farkı alan CMOS iç yapı ve başarımları verildi. OTA yapısı olarak kullanılan yüzen akım kaynağı ZC-CDTA’nın çıkış katında, gerilim tamponu ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA’nın çıkış katında kullanıldı. ZC-CDTA, ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA analog işlem bloklarının yapısındaki Z kopyayı elde etmek için Alain Fabre tarafından önerilen CCIII (üçüncü nesil akım taşıyıcı) kullanılmıştır. ECCII ise akım kazancını kontrol etmek için kullanıldı. Üçüncü kısımda ise negatif ve pozitif geribeslemeden bahsedilmiştir. Pozitif ve negatif geri beslemenin giriş direncine etkisi incelenmiştir. İdealde giriş direnci sıfır olan bu elemanların giriş direnci pozitif geri besleme yardımıyla ideale yakın azaltıldı. Tasarlanan uygulama devrelerini daha küçük değerli dirençler ile gerçekleyerek daha az alan kaplayan tüm devre yapılarının tasarlanabilmesine olanak sağlanmış oldu. Bu kısımda ikinci kısımda verilen akım farkı alan bloklar ile pozitif geri besleme ile gerçeklenen CMOS yapıların başarımları kıyaslandı. Çalışmanın dördüncü bölümünde analog alt bloklar bir araya getirilerek ZC-CDTA, ZC-CDBA ve ZC-CG-CDBA analog işlem bloklarının yapısı oluşturulmuştur. Çalışmanın beşinci bölümde ZC-CDBA ve ZC-CDTA CMOS yapılarının serimi verişmiştir. Bu kısımda ZC-CDBA CMOS gerçeklemesinde Z akımını kopyalamak için üçüncü nesil akım taşıyıcı yerine klasik akım aynası kullanılmıştır. Çalışmanın son kısmında uygulama devreleri ile yeni analog işlem bloklarının başarımı test edimiştir. ZC-CDTA (Z kopyalı akım farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi) ile iki tane ikinci derecede süzgeç yapısının ardarda bağlanılmasıyla dördüncü derece süzgeç yapısı elde edilmiştir. ZC-CDBA (Z kopyalı akım farkı alan tamponlanmış kuvvetlendirici) CMOS iç yapısı performansı ikinci derece KHN süzgeç yapısı ile test edilmiştir. Yine ZC-CDBA CMOS iç yapısı elektronik olarak kontrol edilebilen ikinci nesil akım taşıyıcı yardımıyla ZC-CG-CDBA (Z kopyalı kazancı kontrol edilebilir akım farkı alan tamponlanmış kuvvetlendirici) yapısına dönüştürülmüştür. ZC-CDBA için tasarlanan ikinci derece KHN süzgeç yapısı ZC-CG-CDBA ile tekrar gerçeklenmiştir. Bu şekilde kutuplama akımı ile kesim frekansı değişebilen frekans atik süzgeç yapısı elde edilmiştir. Aynı kısımda ZC-CG-CDBA ile elde edilen frekans atik süzgeç yapısının eksik yönleri değerlendirilmiştir. Son bir uygulama olarak ZC-CDTA ikinci derece süzgeç yapısı geri besleme kullanılarak frekans atik süzgeç yapısına dönüştürülmüştür. Alain Fabre ve ekibi tarafından önerilen gerilim modlu geri besleme yapısı akım modlu yapıya dönüştürülmüştür. Akım modlu olarak tasalanan kurgulanabilir süzgeç yapısı merkez frekansı ECCII yardımıyla akım ile kontrol edilebilmektedir. Tasarlanan frekans atik süzgeç yapılarının kavramsal radyo, şifreli haberleşme, geniş kapsamlı konumlandırma sistemleri gibi uygulama alanlarında kullanılabileceği öngörülmüştür. Tasarım kütüphanesi tarafından önerilen tüm testler ve benzetim setleri serim sırasında ve serim sonrası benzetimlerde uygulanmıştır. Önerilen yapıların analog tasarımcılar için alternatif oluşturacağı düşünülmektedir.

The design of electronics which are indispensable for every area of our lives, are mainly studied in two groups as analog circuit design, digital circuit design. The use of digital circuits compared to analog circuits is increasing day by day. Due to the creation of man and the universe, analog signal processing circuits and systems is inevitable. This is the reason inevitability of all beings in the universe and the human senses are analog signals. This inevitability shows us analog signal processing and analog signal processing circuits and systems are unavoidable despite the increase in the prevalence of digital systems and circuits. Analog signal processing systems can examine in two main groups as voltage-mode or current-mode circuits, in terms of operating principles. The voltage-mode circuits input signal and the output signal is voltage. The input signal and the output signal is current in current mode circuits. Current-mode circuits work with a better performance compared to voltage-mode circuits. Designs of this study have tested with current-mode applications. The design of electronic circuits facilitated with the discovery of the transistors. Nowadays, the sizes of electronic circuits are much smaller. CMOS 20nm gate length production can do as of 2013. However, the small size integrated circuit technologies that can be used to easily digital circuit design are not widely available in analog circuit design. The main reason for this; power supply which is designed analog processing blocks with small sized MOS transistors working with low supply voltages, not provide to run all the transistors in saturation mode. However, all of the analog signal processing circuit transistors must work in saturation mode. For this reason, the existing analog signal processing building blocks adapted to small size technologies. These work simulations performed with 0.18μm AMS parameters. In this work, the CMOS internal structure is proposed for ZC-CDTA (Z-Copy Current Differencing Transconductance Amplifier), ZC-CDBA (Z-Copy Current Differencing Buffered Amplifier) and ZC-CG-CDBA (Z-Copy Controlled Gain Current Differencing Buffered Amplifier) which recently recommended as analog building blocks. Input stage of the ZC-CDTA, ZC-CDBA and the ZC-CG-CDBA consist of current differencing unit. Different current differencing unit CMOS structures are used in the current study. Ideally, these elements of ZC-CDTA, ZC-CDBA and ZC-CG-CDBA input resistance were reduced with the help of positive feedback structure close to ideal. Designed application circuits by exploiting with a smaller value resistors allow the design of integrated circuit structures occupying less area. COA (current operational amplifier), CCIII (third generation current conveyor), ECCII (electronically controllable second generation current conveyor), OTA (operational transconductance amplifier) and voltage buffer which form the structure of proposed ZC-CDTA, ZC-CDBA and ZC-CG-CDBA analog building blocks performances tested in CADENCE and the performances of this sub-circuits was presented in the first chapter of the current study. In the second chapter of the thesis, negative and positive feedbacks were discussed. The effect of positive and negative feedback to the input resistance were also examined. The structure of the ZC-CDTA, ZC-CDBA and ZC-CG-CDBA are proposed by putting together the analog sub-circuits in the third chapter of the current study. The CCIII (third generation current conveyor) recommended by Alain Fabre was used to obtain Z copy which being in the structure of ZC-CDTA, ZC-CDBA and ZC-CG-CDBA.