Variable Gain Amplifiers

Abstract

Günümüzde haberleşme sistemlerinin gelişmesiyle birlikte artan veri transferi ve iletişim hızları bu sistemlerde kullanılan elektronik donanım ve sistemlerinin de ihtiyaca cevap verecek şekilde geliştirilmesi ihtiyacını doğurmuştur. Örneğin kablosuz haberleşme standardını kullanan bir çok sistemde yüksek frekanslarda veri alışverişi yapabilen düşük gürültülü alıcı verici yapılarının gene geniş bir dinamik aralıkta çalışabilmesi gerekmektedir. Bilginin işaret genliğinde saklı tutulduğu haberleşme sistemlerinde ve yine işaret genliğinin değişkenlik gösterebildiği veri depolama birimlerinde genlik bilgisinin kontrol edilebilir ve gürültü eşiğinin üzerinde tutulabilir olması önemlidir. Kazancı ayarlanabilen kuvvetlendiriciler, otomatik genlik kontrolünün gerçekleştirildiği devrelerin en önemli alt yapı bloğudur. Bu çalışma kapsamında, başlangıç olarak literatürde önerilen kazancı ayarlanabilen kuvvetlendiriciler çalışma prensipleri ve devre gerçeklemeleri açısından sınıflandırılarak incelenmiştir. Ek olarak kaskod sınıfındaki kuvvetlendirici yapılar aynı CMOS proses içinde yeniden tasarlanıp başarımları görece karşılaştırılmıştır. İkinci aşama çalışmalarda ise mevcut yapılara ek olarak yeni model ve devre yapıları önerilmiştir. Önerilen ilk devrede üç katlı kaskad yapı ile 61dB dinamik aralık ve 1.2GHz ile 2.2GHz arasında çalışma frekansı 0.35μm salt CMOS yapıdan elde edilmiştir. İkinci sunulan devre yapısında ise tek katlı kazancı ayarlanabilen kuvvetlendirici bloğu için kontrol geriliminin farklı iki aralığı için ayrı fonksiyonları gerçekleştiren bir kontrol devresi, dinamik aralığı arttıracak şekilde tasarlanmıştır. Önerilen yapı ile 36.7dB dinamik aralık 716MHz ile 795MHz arasındaki band genişliğinde elde edilmiştir. Bunun dışında, yeni bir sözde üstel yaklaşım fonksiyonu Taylor serisinde ikinci dereceden terimlerinin katsayıları optimize edilerek elde edilmiştir. Önerilen yaklaşımı kullanan kontrol devresi ile tek katta 90dB dinamik aralığın elde edilebileceği gösterilmiştir. Son olarak da yeni bir kazancı ayarlanabilen kuvvetlendirici modeli geçiş iletkenliği kuvvetlendiricileri kullanılarak oluşturulmuş ve deneysel olarak LM13700 geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi kullanılarak önerilen modelin başarımı gösterilmiştir.

Nowadays, as a result of developing communication systems, increasing data transfer rates and communication speeds require sufficient electronic hardware and systems to be developed. For instance, many systems using wireless communication standards need high frequency and low noise transceiver structures which are also required to handle a wide dynamic range of signal amplitude. Controlling of the signal amplitude, while keeping above the noise level, is a necessity when concerning with the amplitude modulated communication systems and data storage environments such as disk drivers. Variable gain amplifiers are the key sub-block of the automatic gain control loops. In the scope of this thesis work, at first, variable gain amplifiers are classified in terms of the operating principles and circuit realizations. Moreover, the author implemented and simulated various variable gain amplifiers employing cascade gain structures given in the literature by using 0.35μm CMOS process for a performance comparison. Secondly, two new variable gain amplifier topologies and a new gain model are proposed. The first proposed structure is composed of three cascaded variable gain amplifiers and designed in 0.35μm CMOS process providing 61dB dynamic range. Operating frequency of the circuit is between 1.2GHz and 2.2GHz in the control voltage range. The second proposed circuit structure is composed of one variable gain amplifier and two separate control blocks where there are two control voltage range. The circuit provides nearly 36.7dB dynamic range and the cut off frequency changes 716MHz to 795MHz in the control voltage range. Moreover, a new pseudo exponential approximation function is obtained by optimizing the coefficients of terms of the second order Taylor series expansion. It is shown that 90dB dynamic range is possible to be obtained with the control circuit by using the new proposed approximation. Finally, a new variable gain amplifier model is constructed with using operational transconductance amplifiers and the proposed model is experimented on circuit board to verify the model performance. LM13700 operational transconductance amplifiers are used to verify proposed model and performance metrics of the proposed model has been measured.