TÜMDEVRE RADYO ALICILARINDA AKIM MODLU ALICI TEMEL BANT KATI TASARIMI

Transkript

1 TÜMDEVE ADYO ALIILAINDA AKIM MODLU ALII TEMEL BANT KATI TAAIMI Fevzi Erdal KAAAĞAÇ Ali TOKE İstanbul Teknik Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Fakültesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü 866, Maslak, İstanbul e-posta: Anahtar sözcükler: Aktif üzgeçler, Akım Modlu Devreler, Değişken Kazançlı Kuvvetlendiriciler ABTAT In this study, order to herit the known advantages of the current-mode operation, a currentmode baseband architecture is proposed for tegrated F receivers. The baseband circuitry is composed of a filter, a variable ga amplifier (VGA), and an analog-to-digital converter (AD). However, AD is not the scope of our study. In the proposed architecture, the voltage-to-current conversion is performed durg lowpass filterg the first stage, where some variable ga is also provided. Thus, lowpass filter and variable ga amplifier is merged the same stage. The followg stage is a lowpass biquad that performs further filterg of the undesired signals. The simulation results show that the proposed architecture is suitable for low-voltage, low-power applications.. GİİŞ Çok geniş ölçekli tümleştirme (VLI) teknolojisdeki gelişmeler büyük ölçekteki sayısal devreler verilen silisyum alanına sığdırılmasına olanak vermekte ve bu durumda güç tüketimi sınırlamak amacıyla, düşük besleme gerilimlerde çalışma zorunlu olmaktadır. Öte yandan analog ve sayısal sistemler aynı tümdevre içerisde gerçeklenmesi durumunda düşük besleme gerilimlerde çalışma analog kısmın damik aralığını düşürmektedir []. Bu sorunu çözebilmek iç işaret gösterimi gerilim yere akım olarak değiştirilmelidir. Çünkü, genelde akım modlu devrelerde düğüm empedansları düşük olduğundan gerilim salınımları da azalmakta ve işaret aralığı artık besleme gerilimi ile sınırlı olmamaktadır [,3]. Ayrıca düşük empedans düğümleri nedeniyle, akım modlu devreler yükselme eğimi sınırlamalarından da neredeyse bağımsızdırlar ve bu sayede yüksek hız gerektiren uygulamalar iç de uygundurlar [4,5]. Bu çalışmada, akım modlu çalışmanın bu avantajlarını tümdevre radyo alıcılarının temel bant katında kullanılabilmek amacıyla Şekil- deki devre yapısı önerilmiştir. Bu yapının ilk katı, F karıştırıcı çıkışındaki gerilim işareti akıma dönüştürmekte ve gerilimden akıma alçak geçiren süzgeç (AG) işlevi görmektedir. Bu süzgece aynı zamanda değişken kazanç sağlama işlevi de üstlendirilmiştir. Böylece Şekil- deki ilk iki kat aslında tek bir blok olarak gerçekleştirilmektedir. Bir sonraki kat ise daha fazla filtreleme yapmak amacıyla tasarlanan akım modlu ikci dereceden alçak geçiren süzgeç devresidir. onuç olarak dördüncü dereceden süzgeç ile kısmi kanal seçimi öngörülmektedir. Şekil- Önerilen akım modlu alıcı temel bant yapısı. Bölüm- de temel bant aktif süzgeci oluşturan ikci dereceden alçak geçiren devreler celenmiştir. Bölüm-3 de süzgeç devrelerde kullanılan aktif eleman yapısı ve akım modlu değişken kazançlı kuvvetlendirici (DKK) yapısı verilmiştir. Benzetim sonuçları Bölüm-4 de sunulmaktadır. Bölüm-5 ise sonuç bölümüdür.. TEMEL BANT AKTİF ÜZGEİ Şekil- de verilen klasik allen-key bant geçiren süzgec birim kazançlı kuvvetlendirici ile gerçekleştirilmesi durumunda, geribesleme direnci ( ) akımı alçak geçiren özelliktedir ve bu akım devre yüklenmemişken aynı zamanda tampon devren çıkış akımıdır. Şekil- Klasik allen-key bant geçiren süzgeç. Bu özellikten yararlanarak ve aktif eleman olarak sembolü ve tanım bağıntısı Şekil-3 de verilen ikci

2 nesil akım taşıyıcı (II) kullanmak suretiyle Şekil-4 deki gerilimden akıma ikci dereceden alçak geçiren süzgeç yapısı oluşturulmuştur. Şekil-3 de verilen II nın tanım bağıntısında β y-x arasındaki gerilim kazancını, ise x-z arasındaki akım kazancını ifade etmektedir. Akım kazancının işarete göre II pozitif veya negatif olarak adlandırılmaktadır [6]. Şekil-3 II sembolü ve tanım bağıntısı. kullanılırsa, gerilimden akıma dönüştürme işlemi oldukça leer bir şekilde gerçekleştirilebilir. Ayrıca bu devren pasif eleman duyarlıkları allen- Key bant geçiren devren pasif eleman duyarlıkları ile aynıdır. Yalnızca, devren D geçiş iletkenliğe ait duyarlıklar kende özgüdür ve (5) ile (6) denklemleri ile verildiği gibidir. H 3 H H ve H (5) H ve + H (6) + Temel bant süzgeç yapısının son katını oluşturan akım modlu ikci dereceden alçak geçiren devre Şekil-5 de görülmektedir [7]. Bu devren akım transfer fonksiyonu ise, ve β iç, (7) denklemi ile verilmektedir. Devren doğal frekansı ω ve kalite faktörü Q ya ait bağıntılar (8) ve (9) ile verildiği gibidir. Şekil-4 Gerilimden akıma alçak geçiren süzgeç. Şekil-4 deki devrede y-x birim kazançlı hücre gerilim tampon devresi olarak çalışmakta, üzerdeki akım ise birim kazançlı akım hücresi ile x ucundan z ucuna taşınmaktadır. Böylece yüksek çıkış empedanslı, bir başka ifadeyle akım modunda kaskat bağlamaya uygun bir transadmitans süzgeç elde edilmektedir. Bu devren transfer fonksiyonu β iç () bağıntısı ile verilmektedir. Bu bağıntıdan da görüleceği üzere II nın akım kazancı, transfer fonksiyonunun sadece pay polomunda yer almaktadır. Dolayısıyla, değiştirilerek AG n karakteristiği bozulmadan değişken kazanç elde edilebilir. Iout 3 V( s) s + s () Bu devren doğal frekansı ω, kalite faktörü Q ve D geçiş iletkenliği H ile ilgili bağıntılar sırasıyla (), (3) ve (4) denklemleri ile verildiği gibidir. ω + 3 () 3 Q (3) + Ho + (4) (4) bağıntısından anlaşılacağı üzere, eğer ve dirençleri iç leer poli-silisyum dirençler Şekil-5 Artarda bağlanabilir akım modlu alçak geçiren süzgeç. I I out (7) s + s + + ω (8) Q (9) + Şekil-5 den bu devren de birbiri ardına bağlanmaya elverişli olduğu görülmektedir. Bu devreye ait pasif eleman duyarlıkları () ve () denklemleri ile verilmiştir [7]. Q Q () Q Q () + Devrede kapasite değerleri eşit seçilirse kalite faktörünün kapasitelere duyarlığının sıfır olacağı () bağıntısından görülebilir. Bu durumda devren pasif eleman duyarlıkları oldukça iyi olmaktadır.

3 Tablo- DET sistemi iç Şekil-4 ve Şekil-5 deki süzgeçler eleman değerleri. Şekil-3 Şekil-4 6.kΩ 3.kΩ.46kΩ 6.38kΩ kΩ 5.85pF 34.55pF 7.75pF 34.55pF Şekil-4 ve Şekil-5 deki süzgeç devreleri DET sistemi iç kesim frekansları 7kHz olacak şekilde tasarlanmış ve eleman değerleri Tablo- de verilmiştir. 3. DKK DKK, analog ve sayısal sistemler bir arada olduğu tümdevrelerde toplam sistem damik aralığını artırmak iç kullanılan otomatik kazanç kontrolü (OKK) çevrim çekirdeği oluşturmaktadır [8-]. Telsiz haberleşme sistemlerde alıcının hareketli olmasından dolayı alınan işaret gücü vericiden uzaklığa göre değişmektedir. adyo alıcılarında OKK n görevi temel bant devrelerde yaklaşık olarak sabit bir işaret seviyesi elde etmek iç alıcı yolundaki kazancı ayarlamaktır [8,9]. Şekil-6 Bölüm- deki süzgeç yapılarında kullanılan A sınıfı II Şekil-7 Akım taşıyıcının değişken kazanç sağlayan çıkış katı Bölüm- de verilen süzgeç yapılarında kullanılan II devresi Şekil-6 da verilmiştir []. Akım modlu devrelerde akım toplamanın kolaylığından ve () ile verilen eşitlikten yararlanarak Şekil-6 daki akım taşıyıcının çıkış katı Şekil-7 deki gibi modifiye edilebilir. Burada çıkış kaskot devreler yansıtma

4 oranlarının çıkış tarafına paralel transistorlar bağlanarak artırılması esasına dayalı bir kazanç kontrol mantığı öngörülmektedir. Bu sayede çok basit bir şekilde transadmitans filtrede görev yapan akım taşıyıcının çıkış katında aynı zamanda DKK işlevi gerçekleştirilmektedir. out n I I ( ) I 3 n () MN-MN6 transistorları anahtar olarak çalışan NMO transistorlardır. V-V3 kontrol işaretleri, ilgili kollardan gelen akımların çıkış akımına eklenmesi veya eklenmemesi kontrol etmektedirler. Akım yansıtma oranı n olan transistorlar kullanmak yere n adet eş boyutlu transistor paralel bağlanarak akım kazancındaki hassasiyet arttırılmıştır. Bu sayede, log6db lik kazanç aralıkları ile en fazla 8dB lik değişken kazanç elde edilmektedir. Daha yüksek akım kazancı gereksimlerde daha fazla sayıda eş transistorun paralel bağlanması devren çıkış direnci düşürecektir. Dolayısıyla, kazancı arttırmak iç çıkış katına paralel transistorlar ilave etmek bir dereceye kadar geçerlidir. Bunun yere Şekil-7 deki çıkış katı Şekil-8 de verilen devren çıkışına bağlanırsa 6dB aralıklarla toplam 8dB kazanç sağlayabilen bir akım kuvvetlendiricisi elde edilir. Bu kuvvetlendiriciden gerektiği kadarı kaskat bağlanarak istenilen büyüklükte kazanç elde edilebilir. aralığının yeterce geniş olmaması durumunda kırpılmadan dolayı devren damiği azalacaktır. Tablo- Şekil-6 da kullanılan transistor boyutları. ihaz W(u)/L(u) ihaz W(u)/L(u) ihaz W(u)/L(u) M.75/ M8.5/. M5 3.3/. M 5/ M9 6.5/. M6 4.6/. M3 5/ M 6.5/. Mc 4.7/.3 M4.75/ M 3/. Mc 4.7/.3 M5.5/. M 3/. M4c 3.4/.3 M6.5/. M3 3.3/. M5c 3.4/.3 M7.5/. M4 3.3/. Şekil-9 da akım taşıyıcının y ucuna bağlanan gerilim kaynağının D değeri süpürülerek elde edilen D gerilim geçiş karakteristiği verilmiştir. Görüldüğü gibi oldukça büyük bir aralıkta x ucundaki gerilim y ucundaki gerilimi izlemektedir. Şekil-9 Şekil-6 daki akım taşıyıcının D gerilim izleme eğrisi (x-ucu X 8.57k ile yüklü iken). Şekil-8 Akım kuvvetlendiricis giriş katı. 4. BENZETİM ONUÇLAI Benzetim PPIE ile AM.35µ teknolojisi BIM3v3 model parametreleri ile yapılmıştır. Besleme gerilimi ±.65V olarak alınmıştır. Şekil-6 daki II+ devrese ait transistorların boyutları Tablo- de verildiği gibidir. Tümdevre radyo alıcılarında yüksek kalite faktörlü ayrık elemanlar bulunmadığından yeterce bastırılmamış güçlü bozucu işaretler zayıf istenen işaret ile birlikte temel banda dirilmektedir. Bu yüzden temel bant devreler doğrusallığı büyük önem taşımaktadır. Bölüm- de verilen süzgeç yapılarında kullanılan akım taşıyıcının giriş gerilim Şekil- Şekil-6 daki akım taşıyıcının gerilim kazancının frekans cevabı. Şekil- Şekil-6 daki akım taşıyıcının akım kazancının frekans cevabı.

5 Şekil-6 daki akım taşıyıcının gerilim ve akım kazançlarının frekans cevapları sırasıyla Şekil- ve Şekil- de verilmiştir. Şekil-6 da verilen akım taşıyıcı kullanılarak önerilen temel bant devres değişken kazanç ile birlikte tam benzetim sonucu ise Şekil- ile verilmektedir. Şekil- Temel bant devres çeşitli kazançlardaki frekans eğrileri (çıkış L 8.57k ile yüklü iken). Devren çıkış akımı 6dB lik kazanç adımlarını görebilmek amacıyla ilk kattaki gerilimden akıma dönüşümü sağlayan toplam direnç miktarı üzerden tekrar gerilime dönüştürülerek verilmiştir. Böylece, kazanç 6dB, db ve 8dB olarak Şekil- de görülmektedir. Önerilen devren, en fazla kazanç sağladığı 8dB kazanç durumunda, benzetim sonucu güç tüketimi 5mW tır. 5. ONUÇ Bu çalışmada, kırmık üstü modern radyo alıcılarının temel bant katı, düşük güç ve düşük besleme gerilim kriterleri dikkate alınarak akım modlu olarak tasarlanmıştır. Bu tasarımla sağlanan temel avantajlar, akım modlu devreler gerilim modlu devrelere göre temel avantajlarının yanı sıra gerilimden akıma çevirme işlem ilk aktif filtre katında gerçekleştirilmesi ile DKK n de bu kata ait akım taşıyıcının çıkış katında birleşik olarak geçekleştirilmeleri olarak özetlenebilir. Bu şekilde hem güç tüketimi hem de kırmık alanından tasarruf sağlanması mümkün olacaktır. üzgeç dereces artırılması ise ikci derece transadmitans filtre olarak çalışan ilk kata yeterli sayıda akım modunda çalışan ikci derece süzgeçler kaskat bağlanarak yapılabilmektedir. onuç olarak, tasarlanan devre hebyshev karakteristiğe sahip dördüncü dereceden alçak geçiren süzgeçtir. Ye düşük güç tüketimi ve daha az kırmık alanı gereksimi kriterleri dikkate alınarak bütün aktif filtreler tek kuvvetlendiricili yapılar olarak tasarlanmıştır. Tasarlanan devreler tamamı standart MO proseslere uygun olarak gerçekleştirilmiş ve devreler her türlü benzetimleri bilgisayar ortamında yapılarak teorik öngörüler doğrulanması sağlanmıştır. Güç tüketim daha da azaltılmasının gerekli olduğu uygulamalarda standart n-kuyu MO teknolojisi ile gerçekleştirilebilecek AB sınıfı çalışan II yapıları kullanılabilir. KAYNAKLA [] oberts, G.W., edra, A.., All urrent-mode Frequency elective ircuits, ELETONI LETTE, Vol. 5, No., pp , 989. [] Kaulberg, T., A MO urrent-mode Operational Amplifier, IEEE J. OLID TATE IUIT, Vol. 8, No. 7, pp , 993. [3] Pennisi,., Low-Voltage MO urrent Operational Amplifier with lass AB Input tage, Proc.:8th IEEE Int. onf. Electronics, ircuits, yst. (IE ), Vol. III, pp , Malta, -5sept.,. [4] Toumazou,., Lidgey, F.G., Haigh, D.G., Analogue I Design: The urrent-mode Approach, Peter Peregrus, London, 99. [5] Palmisano, G., Palumbo, G., Pennisi,., MO urrent Amplifiers, Kluwer Academic, Boston, 999. [6] edra, A.., mith, K.., A econd Generation urrent-onveyor and Its Applications, IEEE TAN. IUIT THEOY, T-7, pp. 3-34, 97. [7] Liu,.I., Tsao, H.W., Wu, J., ascadable urrent-mode gle II Biquads, ELETONI LETTE, Vol. 6, No. 4, pp. 5-6, 99. [8] Elwan, H., Ismail, M., Digitally Programmable Decibel-Lear MO VGA For Low Power Mixed-ignal Applications, IEEE TAN. İUIT AND YTEM-II: ANALOG AND DİGITAL IGNAL POEING, Vol. 47, No. 5, pp ,. [9] Elwan, H., oliman, A.M., Ismail, M., A MO Norton Amplifier-Based Digitally ontrolled VGA For Low Power Wireless Applications, IEEE TAN. IUIT AND YTEM-II: ANALOG AND DIGITAL IGNAL POEING, Vol. 48, No. 3, pp ,. [] ijns, J.J.F., MO Low-Distortion High- Frequency Variable-Ga Amplifier, IEEE J. OLID TATE IUIT, Vol. 3, No. 7, pp. 9-34, 996. [] Motamed, A., Hwang,., Ismail, M., A Low- Voltage Low-Power Wide-ange MO Variable Ga Amplifier, IEEE TAN. IUIT AND YTEM-II: ANALOG AND DIGITAL IGNAL POEING, Vol. 45, No. 7, 8-8, 998. [] El-Adawy, A.A., oliman, A.M., Elwan, H.O., Low Voltage Fully Differential MO Voltage Mode Digitally ontrolled Variable Ga Amplifier, MIOELETONI JOUNAL, Vol. 3, No., pp ,.