YÜKSEK GEÇİŞ İLETKENLİ YENİ BİR CMOS FTFN GERÇEKLEMESİ

Transkript

1 YÜKSEK GEÇİŞ İLETKENLİ YENİ BİR CMOS FTFN GERÇEKLEMESİ Mustafa SAYGINER 1 Hakan KUNTMAN 2 1,2 Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Elektrik-Elektronik Fakültesi İstanbul Teknik Üniversitesi, 34469, Maslak, İstanbul 1 e-posta: saginer@itu.edu.tr 2 e-posta: kuntman@itu.edu.tr Anahtar söcükler: Akım Modlu Devreler, FTFN, Aktif Sügeçler ABSTRACT This paper presents a ne CMOS high-g m, Four Terminal Floating Nullor (FTFN) structure suitable for the applications here high g m is required to accomplish the eact behaivour of the overall sstem. Proposed structure is simulated and the performance of the CMOS FTFN is compared to ell-knon AD844 implementation of FTFN ith the currentmode 4th-order lo-pass active-rc filter topolog. 1. GİRİŞ Günümüde akım modlu devreler ile ilgili apılan çalışmalarda büük bir artış gölenmektedir. Öellikle akım modlu apıların daha geniş bandlı, üksek ükselme eğimli, daha doğrusal ve düşük güç tüketimli olarak gerçekleştirilebilmeleri, bu tip çalışmaa ugun apıların geliştirilmesi için birçok olanak sağlamıştır [1]. Akım modlu çalışmaa ugun olarak, işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA), çift çıkışlı işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (DO-OTA), akım taşııcı (CCII), çok çıkışlı akım taşııcı (DO- CCII) gibi aktif elemanlar geliştirilmiş ve eni eleman topolojileri de gün geçtikçe literatürde er almaktadır. Diğer bir akım modlu çalışmaa ugun eleman da dört uçlu üen nulör-four Teminal Floating Nullor (FTFN) adıla bilinen aktif elemandır. Bugüne kadar FTFN kullanılarak gerçekleştirilen apılar arasında kuvvetlendiriciler [2], akım modlu sügeçler [3-5], sinüsoidal osilatörler [6,7], üen empedans-admitans apıları [8] saılabilir. Aktif eleman kullanılarak gerçekleştirilen apılarda elemana ilişkin nulör eşdeğerleri gö önüne alındığında FTFN nin diğer aktif bloklar arasında daha esnek bir apı olarak karşımıa çıktığını görmektei [8]. Öellikle Bitişik devre dönüşümü - Adjoint Netork Transformation öntemile gerilim modlu çalışma ve akım modlu çalışma arasında dönüşüm gerçekleştirilirken FTFN in bağımsı üen uçları, dönüşüm işlemini kolalaştırmaktadır. Şekil 1 de FTFN e ilişkin nulör eşdeğeri ile sembolik gösterimi verilmiştir. FTFN elemanı idealde g m geçiş iletkenliği değeri sonsu olan çift çıkışlı işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA) olarak da düşünülebilir. (a) (b) Şekil 1. (a) FTFN nulör eşdeğeri. (b) FTFN sembolik gösterimi. FTFN elemanının uç bağıntıları aşağıda verildiği gibi gösterilebilir. V I I I I = V = I = I I I = 0 I I I I (1)

2 FTFN elemanında akım modlu çalışmaa ugun olarak çıkış ve uçları empedansları üksek olabileceği gibi nulör modele ugun olarak istenen herhangi bir değerde de belirlenebilir. 2. CMOS FTFN TASARIMI FTFN elemanını gerçekleştirmek için önerilen çeşitli öntemler mevcuttur. İki adet akım geri beslemeli AD844 elemanının Şekil 9 da gösterildiği gibi bağlanmasıla elde edilen FTFN, en çok ugulama alanı bulan FTFN gerçekleştirmesidir [3, 5, 10]. Literatürde CMOS FTFN gerçekleştirilmesi üerine çalışmalar er almakta ve gittikçe artan saıda eni CMOS apılar ortaa atılmaktadır [11-13]. Bu çalışmada ise FTFN için idealde sonsu olan g m geçiş iletkenliğinin üksek bir değerde elde edilebilmesine önelik bir CMOS apının gerçekleştirilmesi ve devre performansının ugun bir apıda incelenmesi öngörülmüştür. Buna önelik olarak da tasarımda ilenen ol; bir OTA katının belli bir geçiş iletkenliği değerinin kaskad bağlı bir akım işlemsel kuvvetlendiricisi (COA) ile üksek g m değerlerine çıkarılması esasına daanmaktadır. İlgili blok apı Şekil 2 de gösterildiği gibi olacaktır. FTFN A/V OTA Şekil 2. Kurulan FTFN modeli. VDD A/A COA Yukarıda tanımlanan basit modele ilişkin olarak tasarımı gerçekleştirilen CMOS apı ise Şekil 3 de verilmiştir. Buna göre devrede görülen M1-M22 tranistorları ile çok bilinen simetrik kaskod OTA apısı çift çıkış elde edilecek şekilde iç içe gerçekleştirilmiştir. Devrede görülen M23-M42 tranistorlarının oluşturduğu COA apısı [14] ile de OTA bloğunun sağladığı g m değeri çok daha üksek değerlere ükseltilerek FTFN performansı arttırılmaktadır. Devrede görülen C C kompanason kapasitesinin bağlı olduğu düğüm üksek empedanslı bir düğüm olup baskın kutup burada oluşmaktadır. Düğümün empedansı ise r 1+ g r ) // r (1 + g r ) olacaktır. o31( m31 o32 o28 m28 o27 Devre 0.35µm AMS BSIM3v3 SPICE parametreleri kullanılarak tasarlanmıştır. Besleme gerilimleri ±1.65V olup devrede kullanılan tranistorlara ilişkin boutlar Tablo 1 de verilmiştir. C C kompanason kapasitesi 4pF ve R C direnci 18kΩ olarak belirlenmiştir. Yapıda kullanılan kutuplama gerilimleri V b1 =V b2 =-1V, V b3 =0.5V V b4 =-0.8V olacak şekildedir. Toplam güç tüketimi 6.1mW olarak gerçekleşmiştir. Oluşturulan CMOS FTFN apısına ilişkin Geçiş iletkenliği-frekans karakteristiği Şekil 4 de gösterildiği gibidir. Görüldüğü gibi oluşturulan apı ile oldukça üksek değerli g m değerleri elde edilebilmektedir. Gene geniş bir frekans bandı içersinde g m değeri FTFN performansı açısından birçok ugulama için eterli saılabilecek değerlerde olmaktadır. M7 M8 M5 M6 M11 M12 M23 M27 M29 M25 Vb3 M9 M10 M3 M4 M13 M14 M24 M28 M30 M26 M37 M1 M2 M38 M39 Vb1 M43 Cc M15 M17 Rc M40 M41 M16 M18 M32 M34 M19 M21 M33 M35 Vb4 M42 M20 M22 M31 Vb2 M36 Şekil 3. Gerçekleştirilen üksek geçiş iletkenli CMOS FTFN apısı.

3 Geçiş İletkenliğ (gm), A/V [db] E+0 1.0E+1 1.0E+2 1.0E+3 1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8 1.0E+9 Frekans, H Şekil 4. CMOS FTFN apısına ilişkin g m -frekans ilişkisi. Yapıa ilişkin DC geçiş karakteristiği ve uçları için aşağıda Şekil 5 ile verilmiştir. 6.0E-4 4.0E-4 3. UYGULAMA PERFORMANSI Önerilen apının performans açısından sınanması için öellikle üksek geçiş iletkenliği gerektiren bir ugulamanın seçilmesi fadalı olacaktır. Bu duruma ugun bir apı için Moscht in gerilim modunda çalışan 4. dereceden alçak geçiren sügecin [15] bitişik devre öntemile akımmoduna dönüştürülüp FTFN ile gerçekleştirilmesi öngörülmüştür. Moscht in önerdiği gerilim modlu apı Şekil 6 da gösterilmiştir. İlgili eleman değerleri ine Tablo 2 de gösterilmiştir. Bitişik devre öntemine ugun olarak dönüştürülecek devrede, (i) Öncelikle tüm aktif elemanlar nulör eşdeğerleri ile erdeğiştirilir. (ii) Nulör eşdeğerinde noratör ile nulatör çifti karşılıklı olarak erdeğiştirilir. (iii) Devrede bulunan pasif elemanlarla ilgili herhangi bir işlemde bulunulma. (iv) Gerilim modlu apıda giriş gerilimi kısa devre edilerek eni apı için buradan akan akım çıkış akımı olarak kabul edilir. (v) Çıkış gerimine akım kanağı bağlanarak buranın giriş akımı olması sağlanır. [16] I Output, A 2.0E-4 0.0E+0-2.0E-4 I I Dönüşüm sonucunda, ilk devrenin düğüm admitans matrisi, elde edilen devrenin düğüm admitans matrisinin transpouna eşit olur ve bölece sonsu giriş empedanslı ve sıfır çıkış empedanslı gerilim modlu kuvvetlendirici apısından, sıfır giriş empedanslı ve sonsu çıkış empedanslı akım kuvvetlendiricisine geçilmiş olunur [17,18]. -4.0E-4-6.0E Vin, V Şekil 5. CMOS FTFN apısına ilişkin DC geçiş karakteristiği. Bitişik devre önteminin ugulanması sonucunda FTFN kullanılarak elde edilen eni akım modlu apı, çıkış akımının süülerek elde edilebileceği halile Şekil 7 de gösterilmiştir. Tranistor Adı L [µm] W [µm] M1-M M3-M M7-M M15-M M23-M M27-M M31 ve M M32-M M M38-M M40-M M M Tablo 1. Tranistor boutları Şekil Dereceden Alçak geçiren apı. Şekil Bitişik devre dönüşümü ile elde edilen eni apı.

4 Pasif Elemanlar R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 -R 6 C 1 -C 4 Değerler 15.6 kω kω kω 2.65 kω 1 kω 10pF Tablo dereceden Alçak geçiren sügeç pasif eleman değerleri [15]. Şekil 7 de elde edilen akım modlu eşdeğer devre, önerilen CMOS FTFN apısının performansının karşılaştırılabilmesi açısından anı amanda AD844 elemanı ile de oluşturulan FTFN apısıla benetim gerçekleştirilmiş ve ilgili benetim sonuçları birarada Şekil 8 de gösterilmiştir. 20 kuvvetlendirici aracılığı ile üksek mertebelere taşınması ve bölece baı öel ugulamalar için üksek g m değerinin olumlu performans katkısı sağlaması esası düşünülerek oluşturulmuştur. Önerilen apının performansı da ugun bir ugulama ile sınanarak doğrulanmıştır. Şekil 9. İki adet AD844 ile FTFN gerçekleştirilmesi. Kaanç, db Filtre Karakteristikleri İdeal AD844 FTFN CMOS FTFN 1.00E E E E E E+8 Frekans, H Şekil Dereceden Alçak geçiren sügeç apısına ilişkin FTFN performansları. Görüldüğü gibi önerilen CMOS apının klasik AD844 ile FTFN gerçeklemesine göre örnek ugulamada çok daha ii bir performans sergilediğini söleebilmektei. AD844 lü apıda olduğu gibi görece düşük g m değerli FTFN apılarının buna bener baı ugulamalar açısından istenen performansı veremeeceğini düşünebiliri. Örnek ugulamadaki ideal karakteristiğin daha doğru bir biçimde elde edilebilmesi, daha üksek geçiş iletkenliği mertebelerine ulaşılabilmesi ile mümkün olabilecektir. 4. SONUÇ Bu çalışmada saıları gittikçe artan ve ugulamaları çoğalan FTFN apıları için üksek geçiş iletkenliğine sahip bir CMOS apı önerilmiştir. Yapı temelde bir çift çıkışlı OTA elemanının geçiş iletkenliği değerinin, bir akım işlemsel KAYNAKLAR [1] C. Toumaou, F. J. Lidge ve D. Haigh, Analog IC Design: The current-mode approach, Eeter, UK, Peter Peregrinus, [2] J.H. Huijsing, Operational floating amplifier, IEE Proceedings, vol.137, Pt.G., pp ,1990. [3] U. Çam, O. Çiçekoğlu, H. Kuntman, A ne four terminal floating nullor based single-input three output current-mode multifunction filter, Microelectronics Journal, Vol.30, No.2, pp , [4] M.T. Abuelma'atti and H.A. Al-aher, Universal to input to-output current-mode active biquad using FTFNs, International Journal of Electronics, vol.86, pp , [5] Sagıner, M., Kuntman, H. "Realiation of First-Order All-Pass Filter Using Four Terminal Floating Nullor" Applied Electronics, Pilsen, [6] D.R. Bhaskar, Single resistance controlled sinusoidal oscillator using single FTFN Electronic Letters, vo1.35, pp.190, [7] S.L Liu, Single-resistance-controlled sinusoidal oscillator using to FTFNs, Electronic Letters, vo1.33, pp , [8] R. Senani, A novel application of fourterminal floating nullor, Proceedings of the IEEE, vo1.75, pp , [9] Higashimura, M., Fukui, Y. Realiation of immittance function using a single FTFN and its application to filters ISCAS '92. Proceedings., 1992 IEEE International Smposium on Volume 2, 3-6 Ma Page(s): vol.2 [10] U. Çam, A. Toker, O. Çiçekoğlu, H. Kuntman,Current-Mode High Output Impedance Sinusoidal Oscillator Configuration Emploing single FTFN, ANALOG INTEGRATED

5 CIRCUITS AND SIGNAL PROCESSING, 24, No.3, pp , [11] U. Çam, H.Kuntman, CMOS four terminal floating nullor (FTFN) design using a simple approach, Microelectronics Journal, Vol.30, No. 12, pp , [12] U. Çam ve H. Kuntman, A ne CMOS realisation of four terminal floating nullor (FTFN), International Journal of Electronics, Vol. 87, No.7, pp , [13] H. Alaher ve M. Ismail, "A CMOS Full Balanced Four-Terminal Floating Nullor", IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS I: FUNDAMENTAL THEORY AND APPLICATIONS, VOL. 49, NO. 4, APRIL 2002 [14] A. Ugur, H. Kuntman, Yüksek başarımlı bir cmos işlemesel kuvvetlendirici gerçekleştirilmesi ve aktif sügeç tasarımına ugulanması, Elektrik-Elektronik-Bilgisaar Müh. 10. Ulusal Kongresi Bildiri Kitabı, Cilt II, , İTÜ-EMO İstanbul Şubesi, İstanbul, [15] Jurisic, D.; Moscht, G.S.; Mijat, N. "Lo-sensitivit, lo-poer 4th order lo-pass active-rc allpole filter using impedance tapering" Electrotechnical Conference, MELECON Proceedings of the 12th IEEE Mediterranean Volume 1, Issue, [16] Roberts G. W., Sedra A. S, A General Class of Current Amplifier-Based Biquadratic Filter Circuits, IEEE Transaction on Circuit and Sstems- I: Fundamental Theor and Applications, 39, , [17] Svoboda J. A,, Current Conveors Operational Amplifiers and Nullors, Procedings of the IEE, 136, ,1989. [18] Alçı,M., Uunhisarcıklı,E. "UAE lerin Gelişimi Ve Bir Bgf Devresinin Voltaj Ve Akım Modunda FTFN İle Gerçekleştirilmesi " Elektrik, Elektronik ve Bilgisaar Mühendisliği 7. Ulusal Kongresi, 8-12 Elül 1997, Ankara.