BAS T VE KULLANI LI B R AKIM LEMSEL KUVVETLEND R C S TASARIMI

Transkript

1 BAST VE KULLANILI BR AKIM LEMSEL KUVVETLENDRCS TASARIMI Atilla UYGUR Hakan KUNTMAN, Elektronik ve Haberleme Mühendislii Bölümü Elektrik-Elektronik Fakültesi stanbul Teknik Üniversitesi, 34469, Maslak, stanbul e-posta: e-posta: Anahtar sözcükler:devreler ve Sistemler, Akım lemsel Kuvvetlendiricisi, Akım Modlu Devreler ABSTRACT This paper presents a current mode operational amplifier (COA) which utilizes a simple and straight forward design approach. The COA circuit is also very compact and has shown good characteristics in SPICE simulations. In order to show the functionality of the COA proposed, the circuit is used for realization of a previously reported second order current mode low pass filter.. GR Son yıllarda akım modlu devreler üzerine yapılan çalımalar younlamakta, analog devre bloklarının gerçekletirilmesinde gerilim modlu devrelerin yerlerine yeni akım modlu devre çözümleri önerilmektedir. [-6]. Buna paralel olarak, ilemsel geçi iletkenlii kuvvetlendiricisi (OTA), çift çıkılı ilemsel geçi iletkenlii kuvvetlendiricisi (DO-OTA), akım taıyıcı (CCII), dört uçlu yüzen nulör (FTFN), çok çıkılı akım taıyıcı (DO-CCII) gibi akım modlu olarak çalıan yeni aktif elemanlar da güncel hale gelmekte, bu aktif elemanları kullanan yeni devre yapıları öne çıkmaktadır. Akım modlu devre uygulamalarının bir dier örnei ise akım ilemsel kuvvetlendiricisi (COA) olarak adlandırılan klasik ilemsel kuvvetlendiricinin akım modlu eleniidir. Bu bildiride fark girili, simetrik çıkılı bir akım ilemsel kuvvetlendiricisi n-kuyulu 0.5µm CMOS teknolojisi kullanılarak tasarlanmıtır. Tasarlanan devrenin baarımı, daha önce literatürde yayınlanmı olan ikinci dereceden bir alçak geçiren süzgeç yapısı üzerinde gösterilmitir.. COA TANIM BAINTILARI ekil- de akım ilemsel kuvvetlendiricisi ematik olarak verilmitir. Eleman ematik olarak ekil-'de gösterilmitir. Fark girili, simetrik çıkılı bir akım ilemsel kuvvetlendiricisinin tanım baıntıları matrissel olarak öyle ifade edilir: () Bu baıntılarda K açık çevrim akım kazancıdır; VIN+, VIN-,IIN+, IIN-büyüklükleri giri uçlarının, VO+, VO-, IO+, IO- büyüklükleri de çıkı uçlarının gerilim ve akımlarını göstermektedir. ekil COA sembolü 3. CMOS AKIM LEMSEL KUVVETLENDRCS Akım ilemsel kuvvetlendiricisi elde etmenin deiik yolları bulunmaktadır. Fakat bunlardan bir geçi direnci ve bir de geçi iletkenlii kazanç katının ardı ardına balanması ile akım ilemsel kuvvetlendiricisi elde etme yöntemi basitlii ve iki katlı yapılara uygunluu bakımından bu çalımada tercih edilmitir. Böyle bir akım ilemsel kuvvetlendiricisinin blok diyagramı ekil- de verilmitir.

2 ekil ki katlı COA blok diyagramı Rm geçi direnci katı akım olarak aldıı girilerin farkını alıp kuvvetlendirir ve bunun yanında akım iareti ara düümlerde gerilime çevrilip çıkıta gerilim olarak geçi iletkenlii kuvvetlendirici kata aktarılır. Geçi iletkenlii kuvvetlendirici kat bu gerilim iaretini alıp dengeli iki akım çıkıına çevirir ve böylece akım ilemsel kuvvetlendiricisinin istenen ilevleri yerine getirmesi salanmı olur. Ara düümdeki Cc kapasitesi ise kompanzasyonu salar [7]. ekil 3 ki katlı fark girili simetrik çıkılı akım ilemsel kuvvetlendiricisi Aaıda devrede kullanılan transistorlara ilikin boyutlar verilmitir. Tablo-. Transistor boyutları M=0u/4u M=50u/u M=50u/u M=0u/4u M3=50u/u M3=50u/u M4=50u/u M4=50u/u M5=50u/u M5=500u/u M6=50u/u M6=50u/u M7=50u/u M7=50u/u M8=50u/u M8=50u/u M9=50u/u M9=50u/u M0=50u/u M0=30u/u Tasarlanan devrede ilk olarak göze çarpan devrenin basitlii ve fazladan transistor kullanılmamasıdır. Böylece hem kırmık alanından kazanılmı hem de ek transistorların getirecei parazitik etkilerden kurtulunmutur. Devre daha önce anlatıldıı gibi bir geçi direnci katı ile bir geçi iletkenlii kuvvetlendiricisinin ardı ardına balanmasından olumutur. M-M4 transistorları devrede geçi direnci katını olutururlarken M5-M0 transistorları klasik Arbel ve Goldmitz [8] geçi iletkenlii kuvvetlendirici katı olutururlar. Geçi direnci katı giri fark akımlarını ara bir gerilime çevirip bu gerilimle çıkı katını sürer. Devrede bu ara nokta M5 transistorunun savaının balı olduu düümdür. Dikkat edilirse devredeki tek baskın kutupta bu düümden gelmektedir. Çünkü burası yüksek empedanslı bir düümdür ve devrenin kazancında da etkilidir. Bu nokta A ile gösterilip bu noktanın empedansı RA ile bu noktaya balı kompanzasyon kapasitesi CA ile gösterilecek olursa devrenin fark kazancı ve bu düümden gelen kutup ile ilgili eitlikler devredeki kaskod akım aynalarının akım yansıtma oranlarının bir olduu da göz önünde bulundurularak aaıdaki ekilde verilir [9]. K f gm 6 gm R 8 A R C dm () p (3) A A

3 3. BENZETM SONUÇLARI Bu bölümde devreyle ilgili SPICE benzetim sonuçlarına yer verilmitir. Devre 0.5µm MIETEC parametreleri ile gerçeklenmitir. Besleme gerilimleri ±.5V olarak alınmıtır. Kutuplama gerilimleri Vb=+.V, Vb=-.V dur. Devrenin ilk olarak DC ve AC karakteristikleri verilmi daha sonra sinüs ve darbe yanıtları gösterilmitir...5a. 500uA 0.5A.0Hz 00Hz 0KHz.0MHz 00MHz 0GHz I(Io) I(Iin) I(Io) ekil 7 Kompanzasyonlu ve kompanzasyonsuz durumda kapalı çevrim frekans erileri 0M -500uA -600uA I(Io) I(Io) -400uA -00uA 0uA 00uA 400uA 600uA I_Iin ekil 4 DC geçi erisi 80M 500uA 40M 0.0Hz 00Hz 0KHz.0MHz 00MHz 0GHz Zo ekil 8 Devrenin çıkı empedansı 00uA -500uA -600uA I(Iin) I(Io) -400uA -00uA 0uA 00uA 400uA 600uA I_Iin ekil 5 DC giri çıkı karakteristii 50uA.0GA -50uA.0MA.0KA. -00uA 0s I(Io) I(Iin) 0.5us.0us.5us.0us Time ekil 9 Devrenin sinüs cevabı.0ma.0hz 00uA I(Io) I(Io) 00Hz 0KHz.0MHz 00MHz 0GHz ekil 6 Devrenin AC karakteristii 0MA 50uA. SEL>>.0mA 0d M(I(Io)) -00d -400d.0Hz 00Hz 0KHz.0MHz 00MHz 0GHz P(I(Io)) ekil 8 Devreye ilikin Bode diyagramı, modül ve faz erileri -50uA 0s I(Iin) I(ıo) 0.5us.0us.5us.0us Time ekil 0 Devrenin darbe cevabı

4 Benzetim sonuçlarından devrenin yüksek kazançlı, geni bandlı ve yüksek çıkı dirençli olarak davrandıı görülmektedir. Grafiklerden görüldüü gibi devre giriine uygulanan MHz frekanslı tepeden tepeye 00µA genlikli sinüs iareti düzgün bir ekilde izlemektedir. Devrenin giriine 00uA lik bir darbe iareti uygulandıında ise devrenin ileri yönde yükselme eimi 00µA/ns olmaktadır. Aaıda devrenin benzetim sonuçları verilmitir. fark edilebilecei gibi, Devre beklenen alçak geçiren süzgeç karakteristiini düzgün bir biçimde salamaktadır. Tablo- Benzetim sonuçları Besleme +.5V -.5V Kompanzasyon ( adet) 0.6pF kapasitesi Birim kazanç band 60MHz genilii Faz payı 68 Açık çevrim kazancı 3dB Giri akımı salınımı +00µA -400µA Giri dengesizlik akımı -0.µA Güç tüketimi 4.7mW Yükselme eimi 00µA/ns Giri Direnci k Çıkı Direnci 5M. 0.5A ekil 0 Alçak geçiren süzgeç devresi 4. ALÇAK GEÇREN SÜZGEÇ DEVRES Bu bölümde, tasarlanan devre Kılınç ve Çam tarafından daha önce önerilmi olan bir alçak geçiren süzgeç devresine uygulanmı [0] ve SPICE benzetim sonucu verilmitir. Akım ilemsel kuvvetlendiricisi ile oluturulan ikinci dereceden alçak geçiren süzgeç devresi ekil-0 de görülmektedir [0]. Bu devre ile ilgili eitlikler aaıda gösterilmitir: H ( s) G G CC s GCs GG (4) G G o (5) CC G C G C Q (6) Devre transfer fonksiyonun verildii gibi olabilmesi için gerekli koul C C) G ( G C (7) olmasıdır. Devrede R=k, R=k, C=0.5n, C=0.5n olarak alınmıtır. kinci derece süzgeç için SPICE benzetim programı ile elde edilen frekans karakteristii ekil- de verilmitir. ekil- den.0hz 0Hz 00Hz.0KHz 0KHz 00KHz.0MHz 0MHz 00MHz ekil kinci dereceden alçak geçiren süzgecin frekans erisi 5. SONUÇ Yapılan çalımada basit ve kullanılı bir devre topolojisi kullanarak bir akım ilemsel kuvvetlendiricisi tasarlanmı devrenin baarımı SPICE benzetimi ile gösterilmitir. Devre özellikle akım modlu yapıların gerçeklenmesi için son derece uygundur. Ayrıca devre alçak geçiren bir süzgeç yapısında kullanılmı ve buna ilikin SPICE benzetimi de gösterilmitir. 6. KAYNAKLAR [] Senani R., New Current-Mode Biquad Filter, INTERNATIONAL JOURNAL OF ELECTRONICS, Vol 73, Iss 4, pp , 99. [] Horng J. W., Lee M. H., Hou C. L., Universal Active-Filter Using 4 OTAs and One CCII, INTERNATIONAL JOURNAL OF ELECTRONICS, Vol 78, Iss 5, pp , 995. [3] Abuelma'atti M. T., Shabra A. M., A Novel Current Conveyor-Based Universal Current- Mode Filter, MICROELECTRONICS JOURNAL, Vol 7, Iss 6, pp , 996.

5 [4] Chang C. M., Novel Universal Current-Mode Filter with Single-Input and 3 Outputs Using Only 5 Current Conveyors, ELECTRONICS LETTERS, Vol 9, Iss 3, pp , 993. [5] Abuela'atti M. T., Al-Qahtani M. A., Current- Mode Universal Filters Using Unity-Gain Cells, ELECTRONICS LETTERS, Vol. 3, no., pp , 996. [6] Güne E. O., Anday F., Realisation of Current- Mode Universal Filter Using CFCCIIps, ELECTRONICS LETTERS, Vol 3, Iss, pp. 8-08, 996. [7] Eyad Abou-Allam and Ezz I. El-Masry, A 00 MHz Steered Current Operational Amplifier in.-µm CMOS Technology, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol 3 no, February 997. [8] A.F. Arbel and L.Goldminz, Output Stage for Current-feedback amplifiers, theory and Applications, Analog Integrated Circuits and Signal Processing,, pp 43-55, 99 [9] Kuo-Hsing, Cheng, Huei-Chi Wang, Design of Current Mode Operational Amplifier with Differrential Input and Differential- Output, IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 997 June 9- Hong Kong. [0] S.Kılınç, U.Çam,Akım modlu alçak ve yüksek geçiren süzgeçlerin akım ilemsel kuvvetlendiricisi ile gerçeklenmesi Elektrik- Elektronik-Bilgisayar Müh. 0. Ulusal Kongresi Bildiri Kitabı, Cilt II, 34-37, 8- Eylül, 003 stanbul,