Voltage Mode Second Order Filters Design with Inverting Current Conveyor

Transkript

1 ELECO ' Elektrik - Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, 9 Kasım - Aralık, Bursa erilim Modlu Eviren Akım Taşıyıcılı İkinci Derece Süzgeç Tasarımları Voltage Mode Second Order Filters Design with Inverting Current Conveyor M. Sıddık öçmen, Ahmet ökçen, Uğur Çam Elektrik-Elektronik Mühendisliği Mustafa Kemal Üniversitesi ms.gocmen@hotmail.com, agokcen@mku.edu.tr Elektrik-Elektronik Mühendisliği Dokuz Eylül Üniversitesi ugur.cam@deu.edu.tr Özet Son yıllarda akım taşıyıcılar ve bunların türevleri olan aktif yapı bloklarının, daha büyük band genişliklerine ve daha büyük çıkış genliklerine sahip olmalarından dolayı kullanım alanları hızla artmaya başlamıştır. Özellikle süzgeç devreleri başta olmak üzere aktif devre gerçekleştirmede bu yapı bloklarının kullanımının yaygınlaşması, değişik özelliklere sahip akım taşıyıcı türevlerinin geliştirilmesini de beraberinde getirmiştir. Bu çalışmada ikinci nesil eviren akım taşıyıcı kullanılarak yeni bir gerilim modlu tek aktif elemanlı ikinci dereceden süzgeç tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu topoloji ile alçak geçiren, yüksek geçiren, band geçiren, band söndüren ve tüm geçiren süzgeç fonksiyonları sentezlenmiştir. Teorik çalışmalar PSPICE benzetim sonuçları ile doğrulanmıştır. Abstract In recent years, the usage of the active building blocks as the current conveyors and their derivatives increases rapidly due to their larger band widths and larger output amplitudes. In particular, realizing the active circuits with these building blocks have brought the development of different characteristics in the current-conveyors and their derivatives. In this study, a configuration for the realization of voltage mode second order filters employing a single second generation inverting current conveyor as the active element is presented. This topology can synthesize lowpass, highpass, bandpass, notch and allpass filtering functions. Theoretical analysis is verified with PSPICE simulation results.. iriş Akım taşıyıcılar, düşük distorsiyon ve güç harcama, yüksek doğrusallık gibi özellikleri sayesinde gerek akım modlu gerekse gerilim modlu analog devre uygulamalarının vazgeçilmez yapı taşları haline gelmişlerdir []. Akım taşıyıcıların bu özellikleri, düşük güç harcayan ve az sayıda eleman gerektiren yüksek başarımlı devrelerin tasarlanmasına olanak sağlamaktadır. İlk akım taşıyıcı Sedra ve Smith tarafından literatüre sunulmuştur[]. Farklı özellikte ki akım taşıyıcıların gelişim sonucu son zamanlarda, akım taşıyıcıların yeni bir tipi olan ikinci nesil eviren akım taşıyıcı (ICCII) üzerine ilgi oldukça artmıştır []. Tek aktif eleman kullanılarak elde edilen aktif süzgeçler (single amplifier biquad-sab), düşük güç tüketimi gerektiren devrelerde özellikle kullanılmaktadır[4-6]. İşlemsel Kuvvetlendirici (OPAMP) kullanılarak tasarlanmış SAB yapısındaki süzgeç tasarımları, düşük yükselme eğimi ve sabit kazanç bant genişliği kısıtlamalarına sahiptirler. Bunun yanında literatürde çok sayıda akım taşıyıcı kullanılarak yapılmış SAB yapısında süzgeç devreleri mevcuttur. Fakat bunların bir kısmı birden fazla aktif eleman kullanırken, diğer bir kısmı da bütün filtre fonksiyonlarını gerçekleyememektedir [7-]. Bu çalışmada ICCII kullanarak yapılmış gerilim modlu bütün süzgeç fonksiyonları gerçekleyebilen topoloji öne sürülmüştür.. Devre Tanımlamaları İkinci nesil akım taşıyıcı elemanı şematik olarak Şekil de gösterilmiştir. V y V x I y I x ICCII Şekil : ICCII sembolü I z V z 5

2 ELECO ' Elektrik - Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, 9 Kasım - Aralık, Bursa Elemanın tanım bağlantıları matrissel olarak I y V x I z ± k V. I V y x z () Önerilen süzgeç topolojisi Şekil-'de görülmektedir. Topolojinin transfer fonksiyonu () numaralı denklem ile verilmiştir. V V çikiş () giriş şeklindedir. Bu matriste k nın veya olması sırasıyla ikinci nesil eviren akım taşıyıcının ICCII() veya ICCII(-) olduğunu göstermektedir. ICCII() Şekil : Önerilen süzgeç topolojisi Çizelge. İkinci dereceden süzgeçlerin doğal kesim frekansı ve Q faktörü Süzgeç Tipi Doğal frekans Kalite Faktörü(Q) A CC sc CC C C sc CC sc C CC C C sc CC sc B CC C C BS T sc sc CC CC C C C C C C 4C Uygun admitans kombinasyonunun denklem () için sağlanması sonucu, alçak geçiren (A), yüksek geçiren (), band geçiren (B), band söndüren (BS) ve tüm geçiren (T) süzgeçler elde edilebilmektedir. Çizelge de süzgeç fonksiyonlarına ait uygun admittans değerleri, doğal kesim frekansları ve kalite faktörleri belirtilmiştir. Sonuç olarak elde edilen süzgeç tasarımları Şekil te gösterilmiştir. BS ve T süzgeçlerin Çizelge de belirtilen değerlerine ek şart aşağıda verilmiştir. C C C (BS için) C C C C C (T için) 5

3 ELECO ' Elektrik - Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, 9 Kasım - Aralık, Bursa A Süzgeç R Süzgeç sc sc R ICCII() R ICCII() sc sc R B Süzgeç BS/T Süzgeç sc R sc ICCII() R sc R R ICCII() sc Şekil : ICCII süzgeç topolojileri. Benzetim Sonuçları Teorik çalışmayı doğrulamak amacıyla, benzetimler PSPICE programı ile yapılmıştır. Kullanılan CMOS ICCII yapısı [4] referans numarasıyla belirtilmiş olan CMOS DDCC yapısının ve uçlarının topraklanmasıyla elde edilmiştir. CMOS ICCII yapısı Şekil 4 te gösterilmiştir. Kaynak gerilimleri ±.5V olarak alınmıştır. Çizelge de CMOS ICCII yapısı için kullanılan.5µm TSMC MOSIS parametre seti verilmiştir. Benzetimlerde A süzgeç için R 4KΩ, R KΩ ve C C 6pF, süzgeç için R R KΩ ve C pf, C 6pF ve T süzgeç için R KΩ, R KΩ ve C 85pF, C 7pF olarak alınmıştır. B ve BS süzgeçler için ise R R KΩ ve C C 85pF. olarak alınmıştır. Şekil 5 te beş fonksiyona ait kazanç frekans eğrileri verilmiştir. Değerleri verilen pasif devre elemanlarını kullanarak doğal kesim frekansı f 97.8KHz olarak hesaplanırken, benzetimler sonucu f 95.5KHz lik doğal kesim frekansı elde edilmiştir. Sonuçlardan görüleceği üzere teorik sonuçlar ile benzetim sonuçları birbirleriyle uyum içindedir. Önerilen topolojinin güç tüketimi.4e- W dır. Çizelge :.5 µm TSMC CMOS model parametresi.model CMOSN NMOS (LEVEL TO 7.9E-9 NSUB E7 AMMA PHI.7 VTO DELTA UO ETA THETA KN.55786E-4 VMA E4 KAPPA.5748 RSH NFS E TP J E-7 LD.678E- WD 7.467E-8 CDO.8E- CSO.8E- CBO E- CJ E- PB MJ CJSW.77785E- MJSW.587 ).MODEL CMOSP PMOS (LEVEL TO 7.9E-9 NSUB E7 AMMA PHI.7 VTO DELTA UO.98 ETA E-4 THETA.774 KP E-5 VMA.855E5 KAPPA.5 RSH.7458 NFS E TP - J E-7 LD 5.E- WD.4987E-7 CDO.9E- CSO.9E- CBO E- CJ.4958E- PB.8575 MJ.5 CJSW 4.854E- MJSW.5 ) 54

4 ELECO ' Elektrik - Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, 9 Kasım - Aralık, Bursa Şekil 4: ICCII CMOS yapısı Sonuçlardan da görüleceği gibi önerilen devrenin geniş bir frekans bandı vardır. T Kazanç (db) - -4 BS A B Kazanç (db) E4 E5 E6 E7 E8 Frekans (hz) -6 Şekil 5:Süzgeç devrelerinin benzetim sonuçları Şekil 6 da BS süzgeç grafiğinin farklı R ve C değerleri için frekans bandı karakteristiği gösterilmiştir. Buna göre R R 5KΩ ve C C 85pF için f 7.8KHz ve R R KΩ ve C C 5pF için f.58mhz elde edilmiştir. Teorik sonuçlar ile benzetim sonuçları birbirleriyle uyum içindedir. E4 E5 E6 E7 E8 Frekans (hz) Şekil 6:BS süzgeç frekans bandı karakteristiği Şekil 7 de önerilen topolojinin A süzgeç için Toplam Harmonik Bozulma (THD) grafiği verilmiştir. Buna göre mv luk bir sinüzoidal giriş için THD %.98 seviyelerindedir. 55

5 ELECO ' Elektrik - Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, 9 Kasım - Aralık, Bursa THD( %) enlik (mv).9 Şekil 7:THD bozulma oranı 4. Sonuçlar Bu çalışmada ikinci nesil eviren akım taşıyıcı kullanılarak yeni bir gerilim modlu tek aktif elemanlı ikinci dereceden süzgeç topolojisi sunulmuştur. Tek aktif eleman kullanılarak yapılan SAB tipindeki süzgeç ile güç tüketimi en aza indirilmiştir. Sunulan topoloji ile alçak geçiren (A), yüksek geçiren (), band geçiren (B), band söndüren (BS) ve tüm geçiren (T) süzgeçler olmak üzere beş süzgeç fonksiyonu elde edilebilmektedir. Önerilen devrenin frekans bandı oldukça geniştir. Teorik analizler PSPICE benzetim programı ile doğrulanmıştır. 5. Kaynakça [] Toumazou, C., Lidjey, F. J. ve Haigh, D., Analog IC Design: The Current-Mode Approach Peter Peregrinus,UK, [] Smith, K. C., & Sedra, A. (968). The current conveyor: A new circuit building block. IEEE Proc., 56, [] Awad, A. ve Soliman, A. M., Inverting second generation Current conveyors: the missing building blocks, CMOS realizations and applications Int.J. Electronics, cilt. 86, syf. 4-4, 999. [4] Liu, S.I., Chen, J.J., Tsao, H.W. and Tsay, J.H., Design of Biquad filters with a single current follower, IEE Proceedings Circuits, Devices and Systems, vol. 4, pp.65-7, 99. [5] Liu, S.I. and Tsao, H.W., The single CCII biquads with high-input impedance,ieee Transactions on Circuits and Systems, vol. 8, pp , 99. [6] Haslet,J.W., Noise performance limitations of single amplifier RC active filters, IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. CAS-, pp , 975. [7] Soliman A. M. Kerwin Huelsman Newcomb circuit using current conveyors. Electron Lett 994;:9. [8] Senani R, Singh V. K., KHN-equivalent biquad using current conveyors. Electron Lett 995;:66 8. [9] Higashimura M, Fukui. Universal filter using plustype CCIIs. Electron Lett 996;:8. [] Chang C. M. Multifunction biquadratic filters using current conveyors. IEEE Trans Circuits Syst II:Analog Digital Signal Process 997;44: [] Chang C. M, Lee M. J. Voltage - mode multifunction filter with single input and three outputs using two compound current conveyors. IEEE Trans Circuits Syst I :Fund Theory Appl 999;46:64 5. [] Chang C. M, Al-Hashimi B. M, Wang C. L, Hung C. W. Single fully differential current conveyor biquad filters.iee Proc Circuits Devices Syst ;5:94 8. [] Horng J. W. High output impedance current mode universal biquadratic filters with five inputs using multi output.cciis. Microelectronics Journal, 4 () [4] Ibrahim, M. A., ve Kuntman, H., High Linearity CMOS Differential Difference Current Conveyor (DDCC), Proc. of ICM : the 4th International Conference on Microelectronics, syf. 6-9, December -,, Beirut, Lebanon. 56