elektronik ayarlanabilir logaritmik ortam osilatöründe mos yapı

5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
ELEKTRONİK AYARLANABİLİR LOGARİTMİK ORTAM OSİLATÖRÜNDE
MOS YAPI KULLANILARAK TOPLAM GÜÇ TÜKETİMİNİN AZALTILMASI
REDUCED TOTAL POWER DISSIPATION IN ELECTRONİCALLY
TUNABLE LOG DOMAIN OSCILLATOR USING MOS STRUCTURE
Hamdi ERCANa, *, Sezai Alper TEKİNa ve Mustafa ALÇIa
a
Erciyes Üniversitesi, Kayseri, Türkiye
E-posta: [email protected], [email protected], [email protected]
Özet
Bu çalışmada, akım modlu elektronik ayarlanabilir
logaritmik ortam osilatör devre yapısının toplam güç
tüketiminin azaltılması amacıyla devrenin bir kısmında
MOS yapı kullanılmıştır. Kısmi MOS yapı kullanılarak
oluşturulmuş olan osilatör devresinde toplam güç tüketimi
bu yeni tasarımla yaklaşık olarak
% 50 oranında
azaltılmıştır. Ayrıca devrenin geçiş analizi toplam harmonik
bozulmanın % 0.37 değerinde olduğunu göstermektedir.
MOS devre yapısı, BJT elemanına göre daha düşük
besleme
voltajına
gereksinim
duyması
ve
tümdevreleştirmeye uygun olması gibi özeliklerinden dolayı
bu çalışmada tercih edilmiştir.
Anahtar kelimeler: akım modlu devreler, logaritmik ortam,
düşük güç tüketimi
Abstract
In this paper, MOS structure is used partially in current
mode electronically tunable log domain oscillator for
reducing total power dissipation. Total power dissipation is
reduced about 50 percent with this proposed circuit. Also,
the transient analysis of the circuit shows that the total
harmonic distortion is 0.37%. MOS circuit topology is
prefered in this study, owing to the fact that it has lower
source voltage and more proper as integrated circuit
manufacturing than BJT structure.
Keywords: current mode circuits, log domain, low power
dissipation
1. Giriş
Logaritmik ortam devrelerinin düşük güç, yüksek
doğrusallık, geniş bant aralığı ve yüksek çalışma frekansı
gibi üstünlükleri 1990’lı yılların başından günümüze kadar
yapılan araştırmalarda ortaya çıkmıştır [8]. Logaritmik
ortam devrelerinde işaretin doğrusal olmayan ortamda
işlenmesine karşın, giriş ile çıkış arasında doğrusal bir ilişki
mevcuttur. Logaritmik ortam devrelerinin önemli uygulama
alanlarından biri de osilatör devreleridir. Kollektör akımı ile
eklem gerilimi arasındaki ilişkinin üssel olmasından dolayı
genellikle yapılan tasarımlarda bipolar transistör teknolojisi
kullanılmaktadır.
Bu çalışmada, daha önce tasarlanmış olan logaritmik
ortamda çalışan bir osilatör devresinde [9] temel devre
transistörleri olarak MOS elemanının kullanılmasıyla yeni
bir devre yapısı önerilmiştir. Önerilen devre yapısında
MOS elemanların kullanımıyla devrenin toplam güç
tüketimi önemli ölçüde azaltılmıştır. Devrenin analiz ve
benzetimleri PSpice benzetim programı yardımıyla
gerçekleştirilmiştir.
Kısmi
MOS
yapı
kullanılarak
oluşturulmuş olan yeni devre yapısı, tümüyle BJT
kullanılarak tasarlanmış olan osilatör yapısı ile kıyaslanmış
ve toplam güç tüketiminde azalmanın meydana geldiği
benzetim sonuçları doğrultusunda ortaya konulmuştur.
2. Önerilen Devre Yapısı
Temel devre transistörleri olarak MOS elemanının
kullanımıyla oluşturulmuş olan devre yapısı Şekil 1’de
görülmektedir [10].
Tasarlanmış olan devrede prensip olarak, transistörlerin
eklem voltajı ile kollektör akımı arasındaki üssel ilişki
kullanılmıştır. Bir BJT transistördeki bu ilişki Denklem
(1)’de verilmektedir.
Son yıllarda akım modlu devreler her geçen gün daha
fazla ilgi uyandırmış ve aktif süzgeç, osilatör gibi analog
devre bloklarının gerçekleştirilmesinde geleneksel gerilim
modlu devrelerin yerini almaya başlamıştır [1]. Akım modlu
devreler büyük bantgenişliği, yüksek değişim hızı, daha
geniş doğrusallık ve dinamik saha, düşük güç tüketimi ve
basit
devre
yapısı
gibi
karakteristik
özellikler
taşıdıklarından gerilim modlu devrelere rağmen geniş
uygulama alanı bulmuşlardır [2,3].
Burada IS transistörün ters yöndeki doyum akımını, VBE
eklem voltajını, VT ise ısıl gerilimi ifade etmektedir. Isıl
gerilim oda sıcaklığında yaklaşık olarak 26 mV
değerindedir.
Elektronik devre uygulamalarında osilatörler ile ilgili
yapılmış birçok çalışma mevcuttur. Osilatör devreleri
gerilim modlu ve akım modlu olmak üzere işlemsel
kuvvetlendirici, akım taşıyıcı ve işlemsel geçiş iletkenliği
kuvvetlendiricisi gibi elemanlar kullanılarak tasarlanmıştır
[4-7].
Şekil 1’de görülen devrede osilasyon işleminin
başlayabilmesi için devreye başlangıçta uyarma akımı
uygulanmaktadır. Fark alan yapı gereği giriş işaretinin L
(left-sol) ve R (right-sağ) tarafı için iki kısma ayrılması
gerekmektedir. Bu işlem akım ayırıcı devre ile
gerçekleştirilmektedir [11].
© IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
 VBE
I C ≅ I S  e VT






(1)
Ercan, H., Tekin, S.A. ve Alçı, M.
L ve R tarafı için simetrik olarak gerçekleştirilen alt devreler
ile akım ayırıcı devre bütün olarak Şekil 1’de
görülmektedir. Şekilde Q17-Q23 akım ayırıcı devrenin
transistörleri, Q24 ve Q25 L ve R tarafı için sırasıyla çıkışın
elde edildiği transistörleri göstermektedir. Q5, Q6 ve Q15,
Q16 transistörleri sırasıyla birinci ve ikinci durum denklemi
için Seevinck tipi geçici girişlerdir [12].
I1
ve If =10 µA değerindedir [9]. Başlangıç uyarma akımı (u),
I9 ve I11 akım kaynakları dışında kalan akım kaynakları If
olarak tanımlanmaktadır. Çıkış işareti 24 ve 25 nolu
transistörlerin fark akımı olarak elde edilmektedir.
Benzetimlerde AT&T tarafından üretilen CBIC-R tipi
transistörler kullanılmıştır [8]. Devreye 1µA’lik başlangıç
uyarma akımı uygulanmıştır. Yaklaşık 450 KHz frekans
değerine sahip olan çıkış işareti (I) Şekil 2’de görüldüğü
gibidir.
I3
20
Q1
Q2
Q3
Q4
10
Q25
I5
I6
C1
I4
10uA
0
0A
C2
Q6
Q5
I (µA)
Q24
I2
20uA
-10
-10uA
Vm
Vm
-20
-20uA
0s
I11
I17
I9
0
Vm
Vm
10us
I(R)+8u
20us
30us
40us
40
20
Q20
Q17
Q22
M11
I18
I10
Q18
Q21
Q23
I12
u
I7
Q8.2
Q13.2
I15
C3
Q15
Q16
100us
100
Q14
I16
I8
90us
Tablo 1. Osilatör devresinin kısmen MOS’lu yapı
kullanılmasıyla performans parametrelerinin değişimi.
I13
I14
Devre
Yapısı
C4
Şekil 1. MOS yapı kullanılan logaritmik ortam osilatör
devresi.
MOS
transistörler
düşük
besleme
gerilimi
ile
çalışabildiğinden dolayı I9 ve I11 akım kaynakları ve MOS
transistörlerin besleme gerilimleri düşük değerlerde
tutulmuştur [10].
Ayrıca devrenin If akımının (BJT transistörlerin kutuplama
akımları) değerinin değiştirilmesi ile osilasyon frekansı
değiştirilebilmektedir.
Devre
tasarımında,
devre
parametresinin değişimi ile osilasyon frekansının elektronik
olarak ayarlanabilmesi ve daha düşük güç tüketiminin
sağlanması
önemli
üstünlüklerdendir.
Osilasyon
frekansının If kutuplama akımına bağlı olarak değişim
göstermesi devrenin akım modlu olduğunun bir
göstergesidir.
3. Benzetim Sonuçları
Tümüyle BJT transistör kullanılan osilatör devresinin ve
Şekil 1’de görülen MOS yapı kullanılarak tasarlanmış olan
logaritmik ortam osilatör devresinin analizi PSpice
benzetim programı kullanılarak yapılmıştır. Teorik olarak
450 KHz çalışma frekansı için C1=C2=C3=C4=123.1 pF
BJT’li
Osilatör
Devresi [9]
Q7
80us
80
Logaritmik ortam osilatör devresinin kısmen MOS’lu yapı
kullanılmasıyla performans parametrelerinin değişimi Tablo
1.’de verilmiştir.
Q13.1
Q8.1
70us
Şekil 2. Kısmi MOS yapı kullanılan logaritmik ortam
osilatör devresinin çıkış işareti.
M12
Besleme
Gerilimi
(V)
VCC= 5
Akım
Kaynağı
(µA)
If = 10
Osilasyon
Frekansı
(KHz)
THD
TPD
(%)
(mW)
451,22
0,429
2,69
400
4,58
2,31
400
4,53
2,29
400
4,53
2,27
400
4,53
2,25
386,68
4,25
1,36
399,99
3,72
1,33
406,64
2,74
1,31
420
0,37
1,29
I9, I11= 10
VCC = 5
Vm = 5
VCC = 5
Kısmen MOS’lu Osilatör Devresi
M10
60us
60
t (µs)
Q19
M9
50us
Time
Vm = 4
If = 10
VCC = 5
I9, I11= 1
Vm = 3
VCC = 5
Vm = 2
If = 10
I9, I11= 1
If = 10
VCC = 3
I9, I11= 0,9
Vm = 2
If = 10
I9, I11= 0,8
If = 10
I9, I11= 0,7
Tabloda görülen Vcc ve Vm değerleri sırasıyla BJT ve MOS
transistörlerin besleme gerilimleridir. Tablo 1’de devreye
uygulanan farklı besleme gerilimi ve farklı akım değerleri
için devrenin osilasyon frekansı, toplam harmonik bozulma
Ercan, H., Tekin, S.A. ve Alçı, M.
1.35
tüketiminin azaltılması amacıyla devrenin bir kısmında
MOS yapı kullanılmıştır. Önerilen devre yapısı PSpice
benzetim programı kullanılarak analiz edilmiş ve sonuçlar
BJT elemanı kullanılarak oluşturulmuş olan osilatör yapısı
ile karşılaştırılmıştır. Önerilen devre yapısında toplam
harmonik bozulma nispeten artmasına rağmen, devrenin
toplam güç tüketiminin 2,69 mW değerinden 1,29 mW
değerine ve toplam harmonik bozulmanın % 0,37 değerine
düşürüldüğü benzetim sonuçları doğrultusunda ortaya
konulmuştur. Buna göre, önerilen devre yapısının özellikle
daha düşük güç tüketimi gerektiren elektronik devre
uygulamalarında elverişli bir temel yapı olarak
kullanılabileceği düşünülmektedir.
1.34
Kaynaklar
(THD) oranı ve toplam güç tüketimi (TPD) değerleri
verilmiştir. MOS’lu yapı kullanıldığında devrenin toplam
harmonik bozulma oranı ve toplam güç tüketiminde dikkate
değer ölçüde azalma görülmüştür. Burada MOS
transistörler düşük besleme voltajı ve düşük kutuplama
akımı uygulanarak zayıf evirtim bölgesinde çalıştırılmıştır.
Şekil 3’de I9 ve I11 akım kaynakları ile toplam güç
tüketiminin değişimi görülmektedir.
TPD (mW)
1.36
1.33
1.32
1.31
1.3
1.29
1
0.95
0.9
0.85
I9, I11 (µA)
0.8
0.75
0.7
Şekil 3. MOS transistörlerin kutuplama akımları ile toplam
güç tüketiminin değişimi.
Şekil 3’de görüldüğü gibi MOS transistörlerin kutuplama
akımlarının değişimi ile devrenin toplam güç tüketimi
önemli ölçülerde azaltılmıştır.
Şekil 4’de I9 ve I11 akım kaynakları ile toplam harmonik
bozulmanın değişimi görülmektedir.
4.5
4
3.5
THD (%)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
1
0.95
0.9
0.85
I9, I11 (µA)
0.8
0.75
0.7
Şekil 4. MOS transistörlerin kutuplama akımları ile toplam
harmonik bozulmanın değişimi.
Şekil 4’de görüldüğü gibi MOS transistörlerin kutuplama
akımlarının değişimi ile devrenin toplam harmonik bozulma
oranı önemli ölçülerde azaltılmıştır. Ayrıntılı değerler Tablo
1’de görülmektedir.
4. Sonuç
Bu çalışmada, akım modlu elektronik ayarlanabilir
logaritmik ortam osilatör devre yapısının toplam güç
[1] Palmisano, G., Palumbo, G. ve Pennisi, S., CMOS
Current Amplifiers, Kluwer Academic Publishers,
Boston (MA), p.1-9, 1999.
[2] Schmid, H., Approximating the Universal Active
Element, IEEE Transaction on Circuit SystemsII:Analog and Digital Signal Processing, Vol: 47 (11),
p.1160-1169, 2000.
[3] Tokmakçı, M., Alçı, M., Uzunhisarcıklı,E., "CCII-Based
Defuzzification Circuit for Fuzzy Logic Controllers", Int.
Fuzzy Systems Association World CongressIFSA’2003, 29 June- 2 July 2003.
[4] Çam, U., Aksoy, M., Çiçekoğlu, O., Kuntman, H., Yeni
Otra-Tabanlı Osilatör Topolojileri, ELECO 2002,
Bursa, Türkiye, 2002.
[5] Uzunhisarcıklı, E., Alçı, M., Voltaj ve Akım Modlu
Devreleri Birbirine Dönüştürme Yöntemi ve Osilatör
Uygulamaları, ELECO 2002, Bursa, Türkiye, 2002.
[6] Özoğuz, S., Simple Log-Domain Chaotic Oscillator,
Electronics Letter, 37(23), 1378-1379, 2001.
[7] Thanachayanont, A., Pookkaiyaudom, S. and
Toumazou, C., State Space Synthesis of Log Domain
Oscilators, Electronics Letters, 31(21), 17971799,1995.
[8] Frey, D. R., Log-domain filtering: An approach to
currentmode filtering, IEE Proc. Pt. G, Vol: 140 (6), pp.
406-416, 1993.
[9] Ercan H., Arslanalp R, Alçı M., Tola A. T., Elektronik
Ayarlanabilir AB Sınıfı Fark Alan Tip Logaritmik Ortam
Osilatörü, IEEE 14. Sinyal İşleme ve İletişim
Uygulamaları Kurultayı (SİU’06), Antalya, 2006.
[10] Ercan, H., Logaritmik Ortamda Çalışan Elektronik
Devrelerin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Erciyes
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri, 2007.
[11] Tola, A. T., A Study of Nonideal Log Domain and
Differantial Class AB Filters, PhD. Dissertation, Lehigh
University, PA, 2000.
[12] Tola, A. T. and Frey, D. R., A Study of Different Class
AB Log Domain First Order Filters, Analog Integrated
Circuits and Signal Processing, 22, 163-176, 2000.