Analog Sinyal İşleme İçin Yeni Alternatif Elemanların Cmos Gerçeklemesi Ve Uygulamaları

Abstract

Elektronik devre tasarımının önemli ve vazgeçilmez bir yapı grubu olan analog tümdevre yapı bloklarının oluşturulmasında, yüksek performanslı çözümler üreten CMOS teknolojisi yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde, karışık (sayısal ve analog) sinyal işleyen sistemlerin iç içe çalışmasını sağlayan CMOS teknolojisi ekonomik açıdan da büyük faydalar sağlamaktadır. Son yıllarda, hızlı analog sinyal işleyebilen yeni aktif yapı blokları ile yapılan çalışmalar dikkat çekmektedir. Klasik aktif filtrelerin yanında modern haberleşme sistemlerinin giriş bloklarını oluşturan yüksek doğruluklu süzme, örnekleme ve tutma devreleri, osilatörler vb., bu çalışmaların temelini oluşturmaktadır. Analog işaret işleyen devrelerin tasarımında, akım modlu devre elemanları her geçen gün daha fazla ilgi uyandırmaktadır. Gerilim modlu devrelerle karşılaştırıldığında akım modlu devreler genellikle daha geniş band genişliğine ve daha iyi bir dinamik aralığa sahip olabilmektedir. Bu yüzden çok sayıda akım modlu devre önerilmekte ve gerilim modlu alternatiflerine göre üstün yanları gösterilmektedir. Son zamanlarda, analog işaret işleme için birçok sayıda akım modlu yeni alternatif aktif eleman tanıtılmıştır. Bu tezde üç değişik tip yeni alternatif aktif elemanın CMOS gerçeklemesi sunulmaktadır. Bunlar; z-kopyalı gerilim farkını alan tamponlanmış kuvvetlendirici (ZC-VDBA), z-kopyalı gerilim farkını alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (ZC-VDTA) ve z-kopyalı gerilim farkını alan akım taşıyıcı (ZC-VDCC)’dır. Bu yeni aktif elemanlardan ilk ikisi (ZC-VDBA ve ZC-VDTA) literatürde bulunan akım farkını alan tamponlanmış kuvvetlendirici (CDBA) ve akım farkını alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisine (CDTA) alternatif olarak, ZC-VDCC ise tamamen yeni bir eleman olarak önerilmiştir. Tezin giriş kısmından sonra yeni alternatif elemanların CMOS iç yapılarını oluşturan temel yapıtaşları ele alınmıştır. Bu yapılar sırasıyla, işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA), üçüncü kuşak akım taşıyıcı (CCIII), gerilim tamponu, çift çıkışlı ikinci kuşak akım taşıyıcı (DO-CCII) bloklarıdır. Tezin bu kısmında, temel yapı bloklarına ait bazı genel bilgi ve özellikleri, devre tanım bağıntıları ve CMOS iç yapılarından bahsedilmiştir. İlk olarak CMOS OTA yapıları incelenmiştir. OTA idealde sonsuz giriş ve çıkış empedansına sahip, gerilim kontrollü akım kaynağı özelliği gösteren bir devre elemanıdır. Bu kısımda simetrik OTA, kaskot OTA ve yeniden düzenlenen Arbel-Goldminz çıkış katı olmak üzere üç farklı OTA yapısı incelenmiştir. OTA yapıları yeni alternatif aktif elemanların giriş katlarında kullanılmıştır. Akım taşıyıcılar, akımın çok farklı empedans seviyelerindeki kapılar arasında taşındığı aktif devre elemanları olarak tanımlanabilir. Yeni alternatif aktif elemanların Z terminallerinden akan akımın sezilip, ekstra bir Z kopya (ZC) ucuna aktarılmasında Fabre tarafından önerilen CCIII kullanılmıştır. İki farklı CMOS CCIII yapısına ait matematiksel ifadeler ve temel karakteristikler incelenmiştir. Bu yapılardan ilki temel olarak translineer döngüden oluşan devre yapısıdır. İkinci olarak ise DO-CCII’nin eviren çıkışı Y terminaline kısa devre edilerek gerçeklenen yapıdır. ZC-VDBA’nın çıkış katını oluşturan gerilim tamponu yüksek empedanslı terminalden düşük empedanslı bir çıkış terminali elde edilirken kullanılmıştır. Temelde, farksal kuvvetlendirici ve kaynak izleyici bir geribesleme transistöründen oluşan CMOS yapı bu kısımda incelenmiştir. ZC-VDCC’nin çıkış katında kullanılan DO-CCII yapısı yine bu kısımda incelenmiştir. Bir sonraki aşama olarak, bu alternatif yeni aktif elemanlar baz alınarak oluşturulan tasarım uygulamaları sunulmuştur. İlk olarak ZC-VDBA tabanlı yeni bir akım modlu Kerwin-Huelsman-Newcomb (KHN) süzgeç yapısı önerilmiştir. Merkez frekansı 10 MHz ve kalite faktörü 0.707 olacak şekilde eleman değerleri seçilmiştir. Önerilen süzgeç yapısı, akım modlu giriş ve çıkış uçlarıyla birlikte alçak geçiren, band geçiren ve yüksek geçiren geçiş fonksiyonlarını eş zamanlı sağlamaktadır. Ayrıca süzgecin band geçiren ve alçak geçiren çıkışları ZC uçlarında elde edilmiş olup bağımsız bir yüke aktarılabilmektedir.Tasarlanan süzgeç, iki aktif eleman ve tüm devre tasarımı açısından önem arz eden topraklanmış iki kapasite içermektedir. Aktif ve pasif elemanların kalite faktörü ve açısal frekansa göre duyarlılıkları eşit ve genlik olarak 0.5’tir. Tezde ikinci uygulama olarak, üçüncü dereceden alçak geçiren eliptik süzgeç prototipi, bobin yerine kullanılan yüzen aktif endüktans benzetimi ile gerçeklenmiştir. Aktif endüktans benzetimi ZC-VDTA ve bir adet topraklanmış kapasite ile yapılmıştır. Alçak geçiren süzgecin kesim frekansı 5 MHz olacak şekilde eleman değerleri seçilmiştir. Aktif endüktans benzetimi ile yapılan süzgecin, bobinle kurulan devre ile örtüştüğü faz ve frekans yanıtlarında gözlenmiştir. Son uygulama örneği olarak, gerilim modlu tek-giriş çift-çıkışlı yeni süzgeç yapıları önerilmiştir. Önerilen iki süzgeç yapısı da ZC-VDCC ve dört adet pasif elemandan oluşmaktadır. Önerilen süzgeçlerin kalite faktörü ve açısal frekansları birbirlerini etkilemeden elektronik olarak kontrol edilebilmektedir. Önerilen süzgeç yapılarından ilki, 100 MHz merkez frekansına ve 0.5 kalite faktörüne sahip olacak şekilde eleman değerleri seçilmiş, ideal ve tasarlanan karakteristiklerin uyuştukları gözlenmiştir. Üç yeni alternatif aktif eleman için önerilen yeni uygulamaların benzetim sonuçları, bu yeni yapıların yüksek doğrulukla çalıştığını göstermektedir. Tezin son ve en önemli aşamalarından birisi de alternatif yeni elemanlar için serim ve serim sonrası benzetimleridir. Bütün serim aşamaları tasarım kütüphanesi(AMS HIT-Kit 4.01) tarafından sağlanan kurallara uygun şekilde gerçekleştirilmiştir. Elemanların serimleri yapılırken ilk olarak temel yapıtaşlarının tasarım kurallarına uygun bir şekilde serimleri gerçekleştirilmiş daha sonra bu bloklar uygun şekilde birleştirilmiştir. Serim sonrası benzetimler ve eleman davranışını modelleyen karakteristikler, parazitik direnç ve kapasiteleri çıkarılmış netlistler üzerinden yapılmıştır. Bu kısımda yeni alternatif aktif elemanlara ait temel karakteristiklerin şematik ve serim sonrası sonuçları aynı grafikte gösterilmiştir. Yeni alternatif elemanlara ait şematik ve serim sonrası performans parametrelerini içeren tablolar yine bu kısımda verilmiştir. Serim sonrası benzetim sonuçları incelendiğine kesim frekanslarının düştüğü gözlense de önerilen uygulamalar için gerekli frekans bandlarında elemanların hâlâ çalışabildiği görülmektedir. Tezin son kısmında yapılan tüm araştırmalar, devre tasarımı, serim çizimleri ve benzetim sonuçları kısaca incelenmiştir. Yeni alternatif aktif elemanlar, AMS 0.18 µm CMOS teknolojisinde tasarlanmıştır. Önerilen devrelerin performansları göstermek için Cadence Spectre benzetim programı kullanılmıştır. Benzetim sonuçları ile teorik sonuçların birbirlerine yakın olduğu gözlenmiştir. Yeni alternatif aktif elemanlar için önerilen CMOS yapıların devre tasarımcıları için yeni olanaklar sağlayabileceği düşünülmektedir.

In the recent times, various novel alternative active elements for analog signal processing are introduced. This thesis presents three different types of new alternative active elements which are z-copy voltage differencing buffered amplifier (ZC-VDBA), z-copy voltage differencing transconductance amplifier (ZC-VDTA) and z-copy voltage differencing current conveyor (ZC-VDCC). This thesis also focused on current and voltage mode design examples based on these new active elements. All of the above active elements were designed in AMS 0.18 µm CMOS process. First of all, some general information, features, circuit description and CMOS structure of fundamental building blocks such as operational transconductance amplifier (OTA), third generation current conveyor (CCIII), voltage buffer, dual-output second generation current conveyor (DO-CCII) were mentioned. These basic building blocks are then used for designing new alternative active elements. As the next phase, design applications based on the new alternative active elements are presented. A new current-mode KHN filter topology is proposed. The proposed filter simultaneously provides all the low-pass, band-pass and high-pass transfer function with the current input and outputs. Designed filter has low active and passive sensitivities, contains two active elements and two grounded capacitors which is important for integration. This thesis is also focused on replacement of inductor by active floating inductance simulator ones in a third-order elliptic filter prototype. A novel circuit configuration for the realization of the voltage mode single-input dual-outputs filters are also presented. As a last and important step in this thesis, layout and post-layout simulation phases are also done for the new alternative active elements. All layout design steps were done with respect to rule sets provided by the design kit. Post-layout simulations and main characteristics of these new active elements were obtained for full resistor and coupled capacitor extracted netlists. To demonstrate the performance of proposed circuits, Cadence Spectre simulator is used. Simulation results are found in close agreement with theoretical results. Employing these new alternative active elements for analog design and using CMOS technology for implementation the circuit designers can obtain new possibilites to solve their problems.