YÜKSEK BAŞARIMLI İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ TASARIMI VE UYGULAMALARI

Transkript

1 YÜKSEK BAŞARML İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ TASARM VE UYGULAMALAR Gaye GÜNGÖR Hakan KUNTMAN Sem ÇİFTÇİOĞLU 3, 3 Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Elektrik-Elektronik Fakültesi İstanbul Teknik Üniversitesi, 8066, Maslak, İstanbul e-posta: gungorgaye@hotmail.com e-posta: kuntman@ehb.itu.edu.tr 3 e-posta: sem@ehb.itu.edu.tr Anahtar sözcükler:devreler ve Sistemler, Aktif Süzgeçler, İşlemsel Kuvvetlendiriciler ABSTRACT n this study, high performance operational amplifier topology was realised and this topology was applied to active filter circuits. What differs from the realised topology from conventional two stage operational amplifier is makg approximations to reduce output impedance order to make the circuit capable of drivg high capacitive and low resisitive loads. t was aimed to obta high output signal swg range and high ga, high ga bandwidth and high slew rate the realisation processes of the operational amplifier circuit. Results of SPCE simulations showed that it is possible to obta above-mentioned factors. Simulation results also showed that realised topology can drive 50pF capacitive output load without facg a stability problem. Sce a low supply voltages were used, power dissipation was considerably low. Filter topologies utilizg these proposed operational amplifier were realized and simulated. The comparison of the results with the examples given the literature was a good agreement.. GİRİŞ Günümüzde her ne kadar sayısal devreler ön plana çıkmış olsa da analog yapılar da önemi sürdürmektedir. Bunun başlıca nedeni doğadaki işaretler analog olması ve analog devreler dış dünya ile sayısal devreler arasında bir köprü oluşturmasıdır. Bu nedenle analog ve sayısal devreler birlikte kullanılarak günümüzün elektronik cihazları üretilmekte, yüksek başarımlı sayısal devrelerle uyum sağlayabilecek analog devreler tasarımı büyük önem kazanmaktadır. Analog yapı bloklarının en önemlilerden birisi olan işlemsel kuvvetlendiriciler geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bu nedenle işlemsel kuvvetlendirici tasarımı oldukça önemlidir. Ancak klasik işlemsel kuvvetlendiriciler beraberde getirdiği bazı kısıtlamalar elektronik düzenler başarımlarını düşürmektedir. Bu sebeple yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendiricilere ihtiyaç vardır. Yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendiriciler, yüksek kazanç, yüksek değerde kazanç band genişliği çarpımı, büyük yükselme eğimi elde etmek üzere gerçeklenen yapılardır. Bu çalışmada büyük yükselme eğime sahip, büyük kazanç band genişliği çarpımı olan ve aynı zamanda büyük değerli kapasitif yükleri, düşük empedanslı yükleri sürebilen, büyük çıkış işaret salınım aralığı olan işlemsel kuvvetlendirici gerçeklenmiştir. Büyük değerli kapasitif yükleri, düşük empedanslı yükleri sürebilmek iç işlemsel kuvvetlendiric çıkış direnci küçültülmüştür. Bu çalışmada önerilen işlemsel kuvvetlendirici yapısı SPCE benzetim programı yardımıyla simule edilmiştir. Benzetim sonuçları celendiğde hedeflenen sonuçlara ulaşıldığı gözlenmektedir. Ayrıca gerçeklenen işlemsel kuvvetlendirici devresi düşük besleme gerilimleriyle çalıştığından güç tüketimi azalmıştır. Oluşturulan iç yapının başarımları süzgeç yapıları kullanılarak sunulmuştur. Elde edilen simulasyon sonuçlarına bakıldığında önerilen yapının ideal yapı ile büyük bir uyum içde olduğu görülmektedir.. ÖNERİLEN DEVRE TOPOLOJİSİ Önerilen işlemsel kuvvetlendiric giriş katı olarak bir işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA) kullanılmıştır. Çıkış katı AB sınıfı tamamlayıcı kaynak izleyicisi (Şekil ) ve sözde kaynak izleyici (Şekil 3) iki katın birleştirilmesden oluşmaktadır.

2 Şekil Çıkış katında hata kuvvetlendiricisi kullanılarak önerilen devre Transistör boyutları: M,M,M5,M6,MO8,M=5u; M3,M4,M5, M6,M7,M8,M9,M0=3u; M,M, M3,M4, M5,M6,M7,M8,M9=.5u; M,M, M9, M30=3u;M3,M4,M3,M3=5u; MO5,MO5, M=0u; M7,M8=40U; MO6,MO9=85u; MO7,MO0=50u; MO=46u. Bütün transistörler eş uzunluktadır (L=u) geçerlidir. Bu şekilde geçit-kaynak gerilimi daha iyi kontrol edilebilmektedir çünkü gerilim MO9 ve MO0 den akan ve etkili değişim gösteren büyük çıkış akımı yere MO6 ve MO7 den akan akıma bağlıdır. V gs düşümü transistör boyutlarını ayarlamak koşuluyla olabilecek en küçük şekilde ayarlanarak çıkış salınımının artırılması sağlanır. Ayrıca çıkış gerilimi V o, V DD ve V SS beslemelere M ve M transistörler kullanılmasıyla ulaşabilmektedir. Sonuç olarak beslemeden beslemeye çıkış salınımı elde edilebilmektedir. Şekil AB sınıfı kaynak izleyicisi Şekil 3 Sözde kaynak izleyici Çıkış katı iki hata kuvvetlendiricisi ve iki transistör içeren (MO5-MO) ortak kaynak devresi (sözde kaynak izleyici) tarafından sürülmektedir. Hata kuvvetlendiricileri arasında küçük bir ofset gerilim oluşturulmasıyla, çıkış katı sükunette çalışırken çıkış taransistörleri olan MO5 ve MO kesime gider böylece M, M ve MO5-MO0 transistörleri kapsayan kaynak izleyici V O düğümünü sürer. Çıkış işaret salınım aralığı MO9 ve MO0 transistörler geçit-kaynak gerilimleriyle sınırlanmaktadır. Bu sınırlama tamamlayıcı ortak kaynak devres varlığıyla iyileştirilmektedir. Hata kuvvetlendiricis doğal toprak özelliğden dolayı MO7 ve MO0 transistörler geçit-kaynak gerilimleri eşittir ve bu durum MO6 ve MO9 iç de 3. İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİNİN AC VE DC KARAKTERİSTİK ÖZELLİKLERİ Şekil de önerilen devren, 0.5µm METEC CMOS proses model parametreleri kullanılarak SPCE programında benzetimi yapılmıştır. Şekil de verilen yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici yapısı iç besleme gerilimleri V DD =.5V ve V SS = -.5V olarak seçilmiştir. Şekil 4 de işlemsel kuvvetlendirici devres DC gerilim geçiş eğrisi verilmiştir. Burada işlemsel kuvvetlendirici n evirmeyen ucundan (-.5V,+.5V) aralığında bir gerilim taraması yapılmıştır ve çıkıştaki gerilim kırpılma limitleri V O(maks) =.5V ve V O(m) = -.5V olarak belirlenmiştir.işlemsel kuvvetlendiric giriş dengesizlik gerilimi V OS değeri 8.79 µ V olarak belirlenmiştir. Şekil 5 de yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici yapısı iç çıkışta 50pF lık yük kapasitesi varken kompanzasyon kapasiteleri C C =pf, C C =.5pF, C C3 =.5pF iken AC kazanç eğrisi verilmiştir. İşlemsel kuvvetlendirici devres açık çevrim

3 kazancı 8dB olarak, kazanç band genişliği çarpımı 3.93MHz, 3dB kesim frekansı.96khz olarak Şekil 6 da yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici yapısı iç çıkışta 50pF lık yük varken faz karakteristiği görülmektedir. Faz payı 69 o olarak Şekil 7 de yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici yapısı iç çıkış açık devre iken AC kazanç eğrisi verilmiştir. Bu durumda işlemsel kuvvetlendirici devres, kazanç band genişliği çarpımı.957mhz olarak Şekil 8 de yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici yapısı iç çıkış açık devre iken faz karakteristiği görülmektedir. Faz payı 73 0 olarak Şekil 6 Yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici devresi iç faz eğrisi (C L Şekil 9 da yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici yapısı iç buffer konfigürasyonunda çıkışta 50pF lık yük kapasitesi varken devren basamak cevabı görülmektedir. V O(maks) =.49V, V o(m) = -.5V olarak Şekil 0 da yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici yapısı iç çıkış empedansının frekansla değişim eğrisi görülmektedir. Çıkış direnci R O = 0.685kΩ olarak Şekil 7 Yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici devresi iç kazanç eğrisi (C L =0) Şekil 4 Yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici yapısı iç DC gerilim geçiş eğrisi Şekil 8 Yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici devresi iç faz eğrisi (C L =0) Şekil 5 Yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici devresi iç kazanç eğrisi (C L Şekil 9 Yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici devresi iç basamak cevabı (C L

4 w O( AG) =B + () Q AG = + (3) Girişi ve çıkışı akım olan akım modlu ikci dereceden çok işlevli süzgeç yapısı Şekil de görülmektedir. Şekil 0 Yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici devresi iç çıkış direnc frekansla değişim eğrisi 4. UYGULAMA DEVRELERİ Geçmişte pasif olarak gerçekleştirilen süzgeç yapıları günümüzde entegre devre teknolojisde meydana gelen gelişmelerle birlikte aktif olarak çip üzerde gerçekleştirilebilmektedir. Bu amaçla, gerçekleştirilen işlemsel kuvvetlendirici devresi sadece aktif elemanlar kullanılarak oluşturulmuş alçak geçiren süzgeç ve ye sadece aktif elemanlar kullanılarak oluşturulmuş çok amaçlı süzgeç yapılarında kullanılacaktır. Girişi ve çıkışı gerilim olan gerilim modlu ikci dereceden alçak geçiren süzgeç yapısı Şekil de görülmektedir. Şekil Alçak geçiren süzgeç yapısı Şekil deki alçak geçiren süzgeç devrese ilişk transfer fonksiyonu T AG (s) = S ( + ( + + ) B () ) BS + ( + ) B olarak elde edilir. () de yer alan B büyüklüğü işlemsel kuvvetlendiric kazanç band genişliği çarpımı, g m ve g m büyüklükleri de süzgeç yapısında kullanılan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA) yapılarının geçiş iletkenlikleri göstermektedir. Yukarıdaki ifadeden süzgec açısal kesim frekansı w O ve kalite faktörü Q aşağıdaki gibi bulunur. Şekil İkci dereceden çok işlevli süzgeç yapısı Şekil deki ikci dereceden çok işlevli süzgeç devrese ilişk transfer fonksiyonları AG T AG (s)= = B B 4 (4) T BG (s)= T YG (s)= T BS (s)= BG YG BS = 5 = = 3 B s (5) s (6) s + BB (7) =s +B s+b B (8) Yukarıdaki ifadelerde yer alan B ve B büyüklükleri işlemsel kuvvetlendiric kazanç band genişliği çarpımını, g m,g m, g m 3, g m 4 ve g m 5 büyüklükleri de süzgeç yapısında kullanılan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA) yapılarının geçiş iletkenlikleri göstermektedir. Yukarıdaki ifadeden süzgec açısal kesim frekansı w O ve kalite faktörü Q aşağıdaki gibi bulunur. w O = B B (9) w O =B (0) Q

5 Q= B () B 5. SİMÜLASYON SONUÇLAR Oluşturulan AG süzgeç yapısı iç kazanç eğrisi Şekil 3 de verilmiştir. İ.şlemsel kuvvetlendiric kompanzasyon kapasitesi değiştirilerek süzgeç kesim frekansı istenilen değere ayarlanmıştır. İşlemsel kuvvetlendirici iç C C = 0.5pF, C C = 0.5pF ve C C3 = 0pF seçilerek, işlemsel kuvvetlendiric B değeri.98mhz olarak elde edilmiştir. (5.) bağıntısı kullanılarak yapılan teorik hesaplama sonucunda f 0 =.8MHz olarak elde edilmiştir. Yapılan benzetim sonucunda ise f 0 = 3.4MHz olarak bulunmuştur. Şekil 4 Çok işlevli süzgeç iç kazanç eğrileri 6. SONUÇ Bu çalışmada, yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendirici devresi ortaya konmuştur. Yüksek başarımlı işlemsel kuvvetlendiriciler, yüksek değerde birim kazanç band genişliği (kazanç-band genişliği çarpımı) ve yükselme eğimi elde etmek üzere kullanılan yapılardır. Bu çalışmada da amaçlanan, devre tasarımcılarına büyük yükselme eğimli, büyük kazanç band genişliği çarpımına sahip ve büyük kazançlı bir yapı sunmaktır. Ayrıca yapıda besleme gerilimler küçük tutulmasıyla güç tüketimi de düşmektedir. Şekil 3 Alçak geçiren süzgeç iç kazanç eğrisi Oluşturulan çok işlevli süzgeç yapısı iç kazanç eğrisi Şekil 4 de verilmiştir. İşlemsel kuvvetlendiric kompanzasyon kapasitesi değiştirilerek süzgeç kesim frekansı istenilen değere ayarlanmıştır. İşlemsel kuvvetlendirici iç C C =0.5pF,C C =0.5pF ve C C3 =0pF seçilerek, işlemsel kuvvetlendiric B değeri.98mhz olarak elde edilmiştir.(5.) bağıntısı kullanılarak yapılan teorik hesaplama sonucunda f 0AG, f 0YG, f 0BG, f 0BS.98MHz olarak elde edilmiştir.yapılan benzetim sonucunda ise f 0AG =.8MHz, f 0YG =.45MHz, f 0BG =.06MHz, f 0BS =.96MHz olarak bulunmuştur. Oluşturulan iç yapının başarımları uygulama devreleri kullanılarak sunulmuştur. Elde edilen simülasyon sonuçlarına bakıldığında, önerilen yapının ideal yapıyla büyük bir uyum içde olduğu görülmektedir. KAYNAKLAR [] Kuntman H., 99, Analog Tümdevre Tasarımı, Sistem Yayıncılık. [] Kuntman H., 997, Analog MOS Tümdevre Tekniği, İTÜ Elektrik-Elektronik Fakültesi, Ofset Baskı Atölyesi, İstanbul. [3] Uygur A., Kuntman H., 003, A High Performance CMOS Opamp and A LP Filter Design Example for Video Applications, WSEAS Transactions on Circuits and Systems, İssue, Vol. [4] Allen P.E., Douglas R.H., 987, CMOS Analog Circuit Design, Oxford University Press. [5] Hogenvorst R., Tero J.P., Huijsg J.H., 996, Compact CMOS Constant- Rail to Rail nput Stage with -Control by an Electronic Zener Diode, EEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 3, No. 7, [6] Moldovan L., Harry H., 997, A Rail to Rail Constant Ga Buffered Op-Amp for Real Time Video Applications, EEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 3, No.,