DEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ FEN VE MÜHENDİSLİK DERGİSİ Cilt: 10 Sayı: 2 sh. 13-22 Mayıs 2008



Benzer belgeler
ANOLOG-DİJİTAL DÖNÜŞTÜRÜCÜLER

Kocaeli Üniversitesi {kudret.sahin1, oktay, Şekil 1: Paralel A / S dönüştürücünün genel gösterimi

SAYISAL TASARIM. Ege Üniversitesi Ege MYO Mekatronik Programı

Akım Modlu Çarpıcı/Bölücü

DENEY NO : 2 DENEY ADI : Sayısal Sinyallerin Analog Sinyallere Dönüştürülmesi

Deney 10: Analog - Dijital Dönüştürücüler (Analog to Digital Converters - ADC) Giriş

TIQ TABANLI 8 BİT FOLDING A/D DÖNÜŞTÜRÜCÜ TASARIMI

AREL ÜNİVERSİTESİ DEVRE ANALİZİ

ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ SAYISAL TASARIM LABORATUVARI DENEY 6 ANALOG/DİGİTAL DÖNÜŞTÜRÜCÜ. Grup Numara Ad Soyad RAPORU HAZIRLAYAN:

6. DİJİTAL / ANALOG VE ANALOG /DİJİTAL ÇEVİRİCİLER 1

ELEKTRONİK DEVRE TASARIM LABORATUARI-I MOSFET YARI İLETKEN DEVRE ELEMANININ DAVRANIŞININ İNCELENMESİ

ANALOG FİLTRELEME DENEYİ

EEM211 ELEKTRİK DEVRELERİ-I

DENEY 6- Dijital/Analog Çevirici (DAC) Devreleri

DENEY 6a- Dijital/Analog Çevirici (DAC) Devreleri

6. Bölüm: Alan Etkili Transistörler. Doç. Dr. Ersan KABALCI

ELM019 - Ölçme ve Enstrümantasyon 3

Op-Amp Uygulama Devreleri

Şekil 1. Geri beslemeli yükselteçlerin genel yapısı

Bölüm 10 D/A Çeviriciler

EEM220 Temel Yarıiletken Elemanlar Çözümlü Örnek Sorular

Algılayıcılar (Sensors)

Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

BİLGİSAYARLI KONTROL OPERASYONAL AMFLİKATÖRLER VE ÇEVİRİCİLER

SAYISAL TASARIM. Ege Üniversitesi Ege MYO Mekatronik Programı

SAYISAL-ANALOG (DAC) ANALOG-SAYISAL(ADC) DÖNÜŞTÜRÜCÜLER

TRANSİSTÖRLÜ YÜKSELTEÇLERDE GERİBESLEME

BÖLÜM 11 SAYISAL-ANALOG (DAC) ANALOG-SAYISAL(ADC) DÖNÜŞTÜRÜCÜLER SAYISAL TASARIM. Bu bölümde aşağıdaki konular anlatılacaktır.

Elektrik Devre Lab

Şekil 3-1 Ses ve PWM işaretleri arasındaki ilişki

Bu deneyde kuvvetlendirici devrelerde kullanılan entegre devre beslemesi ve aktif yük olarak kullanılabilen akım kaynakları incelenecektir.

ENDÜSTRİYEL ELEKTRONİK İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİLERİN LİNEER UYGULAMALARI HAKAN KUNTMAN EĞİTİM-ÖĞRETİM YILI

İşlemsel Yükselteçler

MİKROİŞLEMCİ İLE A/D DÖNÜŞÜMÜ

Bölüm 1 Güç Elektroniği Sistemleri

Doğrultucularda ve Eviricilerde Kullanılan Pasif Filtre Türlerinin İncelenmesi ve Karşılaştırılması

DENEY 6: MOSFET. Şekil 6.1. n ve p kanallı MOSFET yapıları

ELEKTRİK DEVRELERİ-2 LABORATUVARI VIII. DENEY FÖYÜ

Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

EEM220 Temel Yarıiletken Elemanlar Çözümlü Örnek Sorular

SAYISAL ANALOG DÖNÜŞTÜRÜCÜ DENEYİ

Deney 2: FARK YÜKSELTEÇ

RF MİKROELEKTRONİK GÜRÜLTÜ

A.Ü. GAMA MYO. Elektrik ve Enerji Bölümü GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ 10. HAFTA

DENEY 8 FARK YÜKSELTEÇLERİ

KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ ELEKTRONİK LAB 1 DERSİ İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ 1 DENEYİ. Amaç:

Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

8. FET İN İNCELENMESİ

Deney 1: Transistörlü Yükselteç

Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

6. TRANSİSTÖRÜN İNCELENMESİ

Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Elektronik Laboratuvarı I İŞLEMSEL YÜKSELTECİN TEMEL ÖZELLİKLERİ VE UYGULAMALARI

Bölüm 14 Temel Opamp Karakteristikleri Deneyleri

DENEY 5: İŞLEMSEL YÜKSELTEÇLER ve UYGULAMA DEVRELERİ

SCHMITT TETİKLEME DEVRESİ

Yeni Yüksek Başarımlı CMOS Üçüncü Kuşak Akım Taşıyıcı (CCIII)

ANALOG ELEKTRONİK - II. Opampla gerçekleştirilen bir türev alıcı (differantiator) çalışmasını ve özellikleri incelenecektir.

Değişken Doğru Akım Zaman göre yönü değişmeyen ancak değeri değişen akımlara değişken doğru akım denir.

Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

Deney 2: FET in DC ve AC Analizi

DC DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER

Hazırlayan. Bilge AKDO AN

Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

ADIYAMAN ÜNĠVERSĠTESĠ MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ DEVRE ANALĠZĠ LABORATUVARI-II DENEY RAPORU

ZENER DİYOTLAR. Hedefler

DENEY 1:JFET TRANSİSTÖR VE KARAKTERİSTİKLERİ

DENEY 1- LABORATUAR ELEMANLARININ TANITIMI VE DC AKIM, DC GERİLİM, DİRENÇ ÖLÇÜMLERİ VE OHM KANUNU

1. ANALOG MOS TÜMDEVRE TEKNİĞİ

OP-AMP UYGULAMA ÖRNEKLERİ

BÖLÜM X OSİLATÖRLER. e b Yükselteç. Be o Geri Besleme. Şekil 10.1 Yükselteçlerde geri besleme

MOSFET. MOSFET 'lerin Yapısı

Şekil 5.1 Opamp Blok Şeması ve Eşdeğer Devresi

Yükselteçlerde Geri Besleme

T.C. ONDOKUZ MAYIS ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK LABORATUVARI-II DENEY RAPORU

Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

DENEY 5: GENLİK KAYDIRMALI ANAHTARLAMA (ASK) TEMELLERİNİN İNCELENMESİ

BÖLÜM 2 İKİNCİ DERECEDEN FİLTRELER

Pasif devre elemanları (bobin, kondansatör, direnç) kullanarak, paralel kol olarak tasarlanan pasif

Bu deneyde alan etkili transistörlerin DC ve AC akım-gerilim karakteristikleri incelenecektir.

ELM202 ELEKTRONİK-II DERSİ LABORATUAR FÖYÜ

R 1 R 2 R L R 3 R 4. Şekil 1

ĐŞARET ĐŞLEME (SIGNAL PROCESSING)

Öğrenci No Ad ve Soyad İmza DENEY 3. Tümleşik Devre Ortak Source Yükselteci

T.C. ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK SİSTEMLER LABORATUVARI 1 OPAMP DEVRELERİ-2

ANALOG SAYISAL DÖNÜŞTÜRÜCÜ DENEYİ TÜMLEŞİK (ENTEGRE) ADC DEVRESİ İLE

LCR METRE KALİBRASYONU

Bölüm 9 A/D Çeviriciler

T.C. ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ TEMEL ELEKTRİK DEVRE LABORATUVARI

DC Akım/Gerilim Ölçümü ve Ohm Yasası Deney 2

ELEKTRİK DEVRE TEMELLERİ ÖDEV-2

ELM 331 ELEKTRONİK II LABORATUAR DENEY FÖYÜ

THEVENIN VE NORTON TEOREMLERİ. Bu teoremler en güçlü analiz tekniklerindendir EBE-215, Ö.F.BAY 1

KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ ELEKTRONİK LAB 1 DERSİ İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ - 2 DENEYİ

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Power Electronic Circuits (Güç Elektroniği Devreleri)

Mekatronik Mühendisliği Lab1 (Elektrik-Elektronik) Seri ve Paralel RLC Devreleri

DENEY FÖYÜ 7: Seri ve Paralel Rezonans Devreleri

Bölüm 12 İşlemsel Yükselteç Uygulamaları

Şekil 1. n kanallı bir FET in Geçiş ve Çıkış Özeğrileri

Geliştirilmiş ZCZVT-PWM DC-DC Yükseltici Dönüştürücü

Transkript:

DEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ FEN VE MÜHENDİSLİK DERGİSİ Cilt: 10 Sayı: 2 sh. 13-22 Mayıs 2008 AKIM ÇARPMA TEKNİĞİ KULLANILARAK 7-SEVİYELİ AKIM- MODLU ANALOG/SAYISAL DÖNÜŞTÜRÜCÜ TASARIMI (7-BIT CURRENT-MODE ANALOG/DIGITAL CONVERTER DESIGN BASED ON CURRENT MULTIPLICATION TECHNIQUE) Yavuz İNCE*, Özge ŞAHİN** ÖZET/ABSTRACT Akım modlu sinyal işleme yaklaşımı, düşük gerilim ve güç tüketimi gerektiren durumlarda, yüksek duyarlıklı direnç ve kapasite gereksinimi olmadığı için gerilim modlu sinyal işleme yaklaşımına karşı avantajlara sahiptir. Akım modlu sinyal işleme tekniğinin seçilmesinin bir nedeni de sıcaklık, resim algılayıcıları ve biomedikaldeki sinyal kaynaklarının akım olmasıdır. Bu alanlarda akım işleme yöntemi kullanıldığında akımdan gerilime çevirme yapılmayacak ve maliyet de düşecektir. Bu çalışmada, düşük güç tüketimi, küçük alan ve biomedikal kayıt gibi uygulamalar için iki tür Analog/Sayısal Dönüştürücü (ASD) geliştirilerek benzetimleri yapılmıştır. Bu analog-sayısal çevirici geliştirilmesi sırasında akım modlu sinyal işleme yaklaşımı kullanılmıştır. Current mode signal processing has some advantages over voltage mode signal processing in low voltage and low power applications because of not requiring precision resistors or capacitors. And one reason to be chosen current mode signal processing is many signal sources are current-type, such as temperature sensors, photo sensors and many others in biomedical. This study reports development and simulation of two types of Analog/Digital Converters (ADCs)for low-power and small area applications, such as implantable telemetric biomedical recording applications. In development of these analog-to-digital (AD) converters current mode signal processing is chosen. ANAHTAR KELİMELER/KEYWORDS Analog sayısal çevirici, Akım modlu yaklaşım, Akım aynaları, Akım çarpma Analog-digital converter, Current mode approach, Current mirror, Current multiplication * Grundig Elektronik R&D, Kemalpaşa Cad. No:54, 35060-02 Pınarbaşı, İZMİR ** DEÜ Mühendislik Fak., Elektrik ve Elektronik Müh. Böl., 35160 Buca, İZMİR

Sayfa No: 14 Y.İNCE, Ö.ŞAHİN 1. GİRİŞ ASD, analog bir işareti ayrık zaman aralıklarında sayısal koda çevirir. Örnekleme teoremine göre, giriş işaretinin bant aralığı, çakışmaları önlemek için, örnekleme frekansının yarısı ile sınırlıdır. Hızlı ASD ler, sürekli gelişim içindedir. Sayısal yöntemlerin üstünlüğü nedeniyle, ASD üretimi, bu yöntemlerle uyumlu olmalıdır. Akım-modlu, yani bilginin akım cinsinden işlendiği yöntemler bazı kolaylıklar sağlar. Birçok transistörün yapısındaki doğrusal olmayan akım-gerilim bağıntısı nedeniyle, giriş işaretinde veya kontrol gerilimindeki küçük bir değişim, çıkış akımında büyük değişimlere neden olur (Toumazou vd., 1990). Sabit bir gerilim kaynağı ile, akım modlu işaretlerin kullanılabilir değişim aralığı, gerilimmodlu işaretlere göre önemli ölçüde geniştir. Aynı zamanda, herhangi bir düğümden akan akımdaki değişim, bu düğümün geriliminde değişime neden olmaz. Parazitik kapasiteler, değişen gerilim seviyelerine bağlı olarak sık sık dolup boşalarak devrenin maksimum çalışma hızını düşürür. Akım-modlu devrelerde, düğüm gerilimlerinde değişim olmayacağından, çalışma hızı daha yüksek olur. Ayrıca, basit devre yapısına ve düşük güç tüketimine sahiptir (Tezel, 1999). Akım-modlu yöntemler, yükselteçler, çoklayıcılar, filtreler gibi işaret işleme devrelerinde ve farklı VLSI (Çok Geniş Ölçekli Entegre) devrelerinde kullanılmaktadır (Nairn ve Salama, 1988; Nairn ve Salama, 1990; Maloberti, 2001). Bu çalışmada, basit ve kaskad akım aynaları kullanılan akım çarpma yöntemine dayalı, iki farklı yöntemde ASD nün benzetimleri yapılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Karmaşıklığı ve güç tüketimini azaltmak için, örnekleme devresi olmayan, akım aynası kullanılan akımmodlu yöntemler kullanılmıştır. 2. AKIM ÇARPMA YÖNTEMİNE DAYALI AKIM-MODLU ASD Adından da anlaşılacağı gibi bu yöntem, referans işaretinin çarpımına ve referansların giriş işareti ile karşılaştırılması ilkesine dayanır. Bu yaklaşım, flash dönüştürücüye benzer. Dönüşümün temeli basit, uygulaması kolaydır. Bu uygulama ilk kez G.Rachmut tarafından kullanılmış, daha sonra H.Helble tarafından geliştirilmiştir (Helble, 2004). Referans akımı, flash dönüştürücüden farklı olarak, dirençler ile bölünmemekte, akım aynaları kullanılarak kopyalanmakta ve farklı seviyelerde akım değerleri elde edilmektedir. Başlangıçta referans akımı, istenen seviyede bir faktör ile çarpılır. Seviye sayısına göre, LSB (en az anlamlı bit) I ref değerine, onun N katı ise MSB (en anlamlı bit) değerine karşılık gelir. Burada N, dönüşüm seviyelerini gösterir. Sekiz dönüşüm seviyesi isteniyorsa, N değeri sekizdir. Dönüşümün temel algoritması Şekil 1 de gösterilmektedir. Doğrusal çarpım seviyeleri, dönüşümün de doğrusal olmasını sağlar. Akım çarpma yöntemine dayalı ASD nin en önemli özelliği, doğrusal dönüşüm karakteristiğine sahip olmasıdır. 7-seviyeli ASD de, referans akımı 10 µa olduğunda çarpım sonucunda oluşan akımlar 20 µa, 30 µa, vb. şeklinde doğrusal olarak değişir.

Fen ve Mühendislik Dergisi Cilt: 10 Sayı: 2 Sayfa No: 15 I in If (1* I Ref ) > I in LSB If (2* I Ref ) > I in If (3* I Ref ) > I in If (4* I Ref ) > I in If (5* I Ref ) > I in If (6* I Ref ) > I in If (7* I Ref ) > I in MSB Şekil 1. Akım çarpma yönteminin akış diyagramı 2.1. Akım Aynası Basit bir CMOS akım aynası Şekil 2 de görülmektedir. Kullanılan MOSFET ler N-tipi olduğundan akım aynası N-ayna olarak adlandırılabilir. Şekil 2. Basit CMOS akım aynası Her iki transistorün de aktif bölgede olduğu varsayılmaktadır. Transistörlerin sonlu çıkış empedansları ihmal edilir ve aynı boyutlarda olduğu varsayılırsa geçit-kaynak (gate-source) gerilimleri (V gs ) aynı olduğunda, M 1 ve M 2 nin üzerinden aynı akım geçecektir. Bununla

Sayfa No: 16 Y.İNCE, Ö.ŞAHİN birlikte, çıkış empedansları dikkate alındığında, hangi transistorün savak-kaynak (drainsource) gerilimi (V 1, V 2 ) daha büyükse, o transistörün akımı daha yüksek olacaktır. 2.2. Basit Akım Aynaları Kullanılarak Akım Çarpma Yöntemine Dayalı ASD Akım çarpma yöntemine dayalı, basit akım aynası kullanılarak oluşturulan tek seviyeli ASD devresi Şekil 3 te gösterilmiştir. Şekilde I 5, referans akımını (I ref ), I 4 ise, giriş akımını (I in ) göstermektedir. I ref akımı, dönüştürücüyü dış dünyadan yalıtmak için N-ayna ile kopyalanmıştır. Akım çeken (current sink) bir yapıdan akım basan (akım kaynağı) bir yapıya dönüştürmek için de P-ayna ile tekrar kopyalanmıştır. Akım aynalarının hataları ihmal edilecek olursa, referans akımı iki kez kopyalanmasına karşın değerini korumaktadır. Diğer hücrede giriş akımı da (I in ) önce N-aynadan geçerek akım çeken yapıya dönüşür. Akımın büyüklüğü aynı kalır; sadece yönü değişir. Şekil 3. Basit akım aynası kullanılan tek seviyeli ASD Basit akım aynalı, akım modlu ASD lerin avantajlarının yanında, kullanılan akım aynasının tipinden kaynaklanan bazı dezavantajları da vardır. Basit akım aynalarının bazı eksiklikleri şu şekilde özetlenebilir: 1- En önemli eksiklik, çıkış gerilimindeki değişimlere bağlı olarak çıkış akımının da değişmesidir. Bu etki, akım aynasının küçük işaret çıkış direnci R 0 ile belirtilebilir. Akım aynasının çıkışının Thevenin eşdeğerinde R 0 ve ona paralel olarak giriş akımı ile kontrol edilen bir akım kaynağı bulunur. Çıkış direnci, akım aynası kullanılan birçok devrenin performansını etkiler. Çıkış direncinin artmasıyla çıkış akımının, çıkış gerilimine bağımlılığı azalır. Bu nedenle istenen bir durumdur. 2- Diğer hata kaynağı ise, akım kaynağının kazancının ideal değerinden sapmasıdır. Sistematik kazanç hatası e, akım aynasında kullanılan tüm elemanların mükemmel

Fen ve Mühendislik Dergisi Cilt: 10 Sayı: 2 Sayfa No: 17 şekilde uyumlu olmasına karşın ortaya çıkan hatadır. Rastlantısal kazanç hatası ise, elemanların istenmeyen uyumsuzluklarından ortaya çıkar. 3- Akım aynasının girişine bir akım kaynağı bağlandığında, giriş akım kaynağı üzerindeki gerilimi düşüren pozitif bir gerilim düşümü V IN oluşur. V IN geriliminin en aza indirgenmesi, özellikle düşük besleme uygulamalarında önemlidir. 4- Çıkışta pozitif bir gerilim V OUT oluşması, çıkış akımının giriş akımına bağlı olması için pratikte gereklidir. Bu karakteristik, çıkış kolunda minimum V OUT üretilmesi şeklinde anlatılabilir. Çıkış geriliminin minimum olması, akım aynasının çıkış direncinin hemen hemen sabit kalabileceği çıkış gerilim aralığını genişletir (Gray ve Meyer, 2001). Bu kısıtlamalar nedeniyle basit akım aynalarının kullanımı sınırlıdır. Bunların üstesinden gelmek için yeni akım aynaları geliştirilmiştir. Çıkış direncinin artmasına karşılık dinamik aralıkları azalmıştır. Bu çalışmada kaskad akım aynalarının kullanılmasıyla akım modlu ASD nin performansının arttığı gözlenmiştir. 3. KASKAD AKIM AYNALARI KULLANILARAK AKIM ÇARPMA YÖNTEMİNE DAYALI ASD Sonlu çıkış direnci, akım aynalarının başlıca performans sınırlamasıdır. MOS transistörlerin yüksek çıkış direncine sahip olmalarına karşın bu yine de yüksek doğruluk için yeterli değildir. Çıkış direncini arttırmanın bir yolu, kaskad yapılar kullanmaktır. Kaskad akım aynası yapısı Şekil 4 te görülmektedir. Şekil 4. Kaskat akım aynası Şekil 4 te MOSFET Q 2 nin savak ucundan bakıldığında görülen çıkış empedansı r ds2 dir. Bu aynı zamanda basit akım aynasının analizindekine benzerlik gösterir. MOSFET Q 4 ü r ds2 için bir akım kaynağı olarak kabul edip çıkış empedansı hızlı bir şekilde bulunabilir. r r r g (1) out ds4 ds2 m4

Sayfa No: 18 Y.İNCE, Ö.ŞAHİN Görüldüğü gibi çıkış empedansı g m4 r ds2 kat artmış olur. Bu da transistörün tipine ve akımlara göre 10 ile 100 kat arasında değişir. Çıkış empedansındaki bu önemli artış, özellikle tek katlı, düşük frekanslı yükselteçlerde etkili olur. Ancak kaskat akım aynası kullanmanın da bir dezavantajı vardır. MOSFET ler triod bölgesine girmeden önce maksimum sinyal salınımı düşüktür (Johns ve Martin, 1997). Önceki tasarım basit akım aynaları kullanılarak yapılmıştır. ASD nin performansını arttırmak için bütün basit akım aynaları, kaskad akım aynaları ile değiştirilmiştir. Şekil 5 te kaskad akım aynaları kullanılarak çarpma yöntemine dayalı ilk 1-bitlik hücre yapısı görülmektedir. Şekil 5. Kaskat akım aynaları ile çarpma yöntemine dayalı 1-bitlik hücre yapısı I Ref akımı, M 1, M 2, M 7, M 8 ten oluşan kaskad yapıdaki N-ayna tarafından kopyalanmaktadır. Bu işlem aynı zamanda dönüştürücüyü dış ortamdan yalıtır. Akım çeken kaynaktan (current sink) akım basan kaynağa (akım kaynağı) dönüştürmek için, M 5, M 6, M 11, M 12 den oluşan P-ayna kullanılarak akım tekrar kopyalanır. Akım aynalarının hataları ihmal edilirse, iki kez kopyalanan akımın referans akımına eşit olması gerekir.

Fen ve Mühendislik Dergisi Cilt: 10 Sayı: 2 Sayfa No: 19 Hücreye giren diğer akım I In de N-aynadan (M 1, M 2, M 7, M 8 ) geçerek akım çeker duruma dönüşür. Değeri aynı, yönü farklıdır. Bu düğüm, P-aynanın (M 5, M 6, M 11, M 12 ) savak düğümüne bağlanarak I Ref akım kaynağının yalıtılmış hali elde edilir. Buna ek olarak, CMOS akım karşılaştırıcının girişi de bu düğüme bağlanır. Giriş akımı (sink), referans akımından (kaynak) büyük olduğunda 0 dan 1 seviyesine anahtarlama olacağı düşünülür. Giriş işareti üçüncü kez dönüştürülerek I In > I Ref olduğunda karşılaştırıcı çıkışının anahtarlanması sağlanır. 7-bitlik, akım çarpma yöntemine dayalı kaskad ASD oluşturmak için Şekil 5 teki hücre yapısı yedi kez kopyalanmalıdır. Kopyalama işlemi için, N-MOS transistörlerin geçit uçları, sürdükleri, I In için olan N-aynadaki ikinci transistorün geçit ucunu süren düğüme bağlanmalıdır. İkinci bit hücresinin girişi için I Ref akımının iki katı (2I Ref ) gereklidir. Birinci hücrede I Ref kopyalanıp N-aynada ikiye katlanır. Transistörlerin geçit uçları paralel bağlıdır. Üçüncü bit hücresinin girişi için 3I Ref gereklidir. Bunun için katlama işleminden yararlanılamaz. Bunun yerine 2I Ref ile I Ref akımları ayrı ayrı kopyalanıp toplanır. 4I Ref elde etmek için 2I Ref akımı ikiye katlanır. 5I Ref elde etmek için 2I Ref ile 3I Ref akımları kopyalanarak toplanır. 6I Ref için benzer şekilde 3I Ref akımı ikiye katlanır. 7I Ref ise, 6I Ref ile I Ref akımlarının kopyalanarak toplanmasıyla elde edilir. 4. BENZETİM SONUÇLARI Benzetimler, OrCAD 10.5 programı kullanılarak yapılmıştır. Transistör modelleri için MOSIS kütüphanesi kullanılmıştır. Öncelikle referans olarak, Helble tarafından 2004 yılında yapılmış olan basit akım aynalı yöntemin benzetim sonuçları doğrulanmış, daha sonra kaskad akım aynalı yöntem için benzer işlemler tekrarlanmıştır (Helble, 2004). Basit akım aynalarında dinamik aralığın geniş olmasına karşın çıkış empedansı, kaskad akım aynalarına göre düşüktür. Bu da doğruluğunun daha düşük olmasına neden olur. Kaskad akım aynalarında dinamik aralığın daha düşük olmasına karşın çıkış empedansı, basit akım aynalarına göre daha yüksektir. 4.1. Çıkış Gerilimleri Başlangıçta referans akımı 1 µa, giriş işaretinin frekansı 100 khz seçilmiştir. Bu referans akımı, yedi kata kadar çarpılmış ve testere dalga ile karşılaştırılmıştır. Birden yediye kadar her bitin 0 dan 1 seviyesine anahtarlanmasına bakıldığında doğrusallığın yüksek olduğu (yaklaşık 100 V/µs) olduğu görülmüştür. Kod kaybı olmadığı ve doğrusallığın basit akım aynalı yöntemden daha iyi olduğu Şekil 6 daki gibi gözlenmiştir. Şekil 6. 100 khz için kaskad akım aynası kullanılan akım çarpma yöntemine dayalı 7-bitlik ASD çıkışı

Sayfa No: 20 Y.İNCE, Ö.ŞAHİN Referans akımı 1 µa, giriş işaretinin frekansı 200 khz seçildiğinde, parazitik kapasite ve osilasyonlar nedeniyle, Şekil 7 den de görüleceği gibi, ASD çıkışında bazı bitler kaybedilmiştir. Frekansın artmasıyla, referans akımları üzerindeki osilasyonlar artmıştır. Bu durum, parazitik kapasitelerin, bant genişliği üzerindeki etkisini göstermektedir. Şekil 7. 200 khz için kaskad akım aynası kullanılan akım çarpma yöntemine dayalı 7-bitlik ASD çıkışı Frekans 500 khz seçildiğinde sürekli halde ortalama güç tüketiminin 7 mw olduğu söylenebilir. Düşük gerilim uygulamaları için bu çok uygun bir değerdir. Frekans 50 khz e düşürüldüğünde güç tüketimi benzer şekilde ortalama 3.5 mw değerine düşmüştür. Bu durum, beklenen bir sonuçtur. 4.2. INL ve DNL Sonuçları İntegral doğrusalsızlık (INL), dönüştürücünün transfer fonksiyonunun, tam skala aralığında ideal doğrusal çizgiden ne kadar saptığını gösterir. Genellikle tam skala yüzdesi veya LSB (en az anlamlı bit) cinsinden ifade edilir. INL VD V0 D, 0 < D < 2 N -1 (2) V LSB V D, sayısal çıkış kodu D nin karşılık geldiği analog değer, N, ASD çözünürlüğü; V 0, çıkış kodunun hepsi sıfır olduğu duruma karşılık gelen minimum analog değer; V LSB, ardışıl iki kod arasındaki gerilim değeridir. Türevsel doğrusalsızlık (DNL), transfer fonksiyonunun herhangi bir basamağındaki maksimum hatadır ve (2) bağıntısı ile ifade edilebilir. VD 1 VD DNL, 0 < D < 2 N -2 (3) V 1 LSB Benzetim sonuçlarından hesaplanan maksimum INL ve DNL değerleri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1 de görüldüğü gibi, INL değeri kaskat akım aynalı yöntemde 1.3 LSB den 0.6 LSB ye düşmüştür. Benzer şekilde, DNL değeri 2.3 LSB den 1.2 LSB ye inmiştir.

Fen ve Mühendislik Dergisi Cilt: 10 Sayı: 2 Sayfa No: 21 Çizelge 1. Akım çarpma yöntemine dayalı 7-bitlik ASD ler için INL ve DNL değerleri Maks. INL (LSB) Maks. DNL (LSB) Basit akım aynaları kullanılan, akım çarpma yöntemine dayalı 7-bitlik ASD 1.3 2.3 Kaskad akım aynaları kullanılan, akım çarpma yöntemine dayalı 7- bitlik ASD 0.6 1.2 5. SONUÇLAR VE YORUM Bu çalışmada akım aynalı ASD lerin akım çarpma yöntemine dayalı iki farklı çeşidi incelenmiştir. Basit ve kaskad akım aynalı yöntemler hakkında bilgi verilmiş, daha sonra OrCAD 10.5 programı kullanılarak 7-bit için bu iki yöntemin benzetimleri yapılmıştır. Kaskat akım aynalı yöntemde, çıkış empedansı daha yüksek olduğu için ASD nin perfoımansının arttığı gözlenmiştir. Helble tarafından basit akım aynaları ile geliştirilen tasarım, 25 na referans akımı ve 5 khz frekans koşullarında denenmiştir. Bu çalışmada ise referans akımı 1 µa, giriş işaretinin frekansı 100 khz e çıkartılarak gerek referans akımı, gerekse frekans önemli ölçüde arttırılmıştır. Akım aynalı, akım çarpma yöntemine dayalı ASD ler, ilk olarak tıbbi alanda ve düşük güç tüketimi gerektiren sistemlerde kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Kaskad akım aynalı yöntemde güç tüketimi 50 khz için 3.5 mw a kadar düşmüştür. ASD lerin performansında bir gösterge olan INL ve DNL değerleri hesaplanmış ve kaskat akım aynalı yöntemde, basit akım aynalı yönteme göre belirgin bir düşüş görülmüştür. Bu da hata oranının düştüğü ve doğrusallığın arttığı anlamına gelir. Akım modlu devreler yeni bir yaklaşım olmamakla birlikte, bu yaklaşımla tasarlanan devreler yaygın değildir. Akım modlu devrelerin gerilim modlu devrelere, özellikle sensörlerle uyumlu çalışma ve düşük gerilimli uygulamalar yönünden üstünlükleri vardır. İleriki çalışmalarda ASD seviyeleri arttırılabilir. VLSI uygulamasında transistörlerin uyumu iyileştirilerek ve boyutları küçültülerek sistemin hızı arttırılabilir. TEŞEKKÜR Dokuz Eylül Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Sayın Prof.Dr.Uğur ÇAM a çalışmalarımızda yol gösterdiği için teşekkür ederiz KAYNAKLAR Gray P. R., Meyer R. G. (2001): Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, John Wiley and Sons, Inc.. Helble H. (2004): Development of a CMOS A/D Converter for an Artificial Synapsis, Diploma Degree thesis, Fachhochschule Konstanz. Johns D., Martin K. (1997): Analog Integrated Circuit Design, John Wiley and Sons, Inc. Maloberti F. (2001): Analog Design for CMOS VLSI Systems, Kluwer Academic Publishers, Netherlands. Nairn D. G., Salama C. A. T. (1988): Current-Mode Algorithmic Analog-to-Digital Converter, International Symposium on Circuits and Systems, s. 2573-2576.

Sayfa No: 22 Y.İNCE, Ö.ŞAHİN Nairn D. G., Salama C. A. T. (1990): Algorithmic Analogue-to-Digital Converters Using Current-Mode Techniques, IEE Proceedings, Cilt. 137, s. 163-168. Tezel A. (1999): VLSI Implementation of Low Power Current Mode CMOS Algorithmic Analog to Digital Converters, MSc., Thesis. Middle East Technical University. Toumazou C., Lidgey F., Haigh D. G. (1990): Analogue IC Design: the Current-Mode Approach Peter Peregrinus Ltd., London.