İkinci Nesil Tersleyen Akım Taşıyıcı Kullanılarak Yapılmış Frekansı
advertisement
Fırat Üniversitesi-Elazığ İKİNCİ NESİL TERSLEYEN AKIM TAŞIYICI KULLANILARAK YAPILMIŞ FREKANSI ELEKTRONİK OLARAK AYARLANABİLEN OSİLATÖR Ahmet Gökçen1, Uğur Çam2 2. Elektrik - Elektronik Mühendisliği Bölümü Dokuz Eylül Üniversitesi 1. Elektrik - Elektronik Mühendisliği Bölümü Mustafa Kemal Üniversitesi [email protected] [email protected] elemanlar sayesinde bu etkiler tolere edilebilmekte ve tümdevre özellikleri üzerinde ayarlamalar yapılabilmektedir. ÖZET Bu çalışmada, osilasyon frekansı elektronik olarak ayarlanabilen osilatör devresi sunulmuştur. Sunulan devre, önceden literatüre kazandırılmış olan topoloji üzerinde yapılmış değişiklik ile elde edilmiştir. Osilatör devresi bir adet ikinci nesil tersleyen akım taşıyıcı, iki kapasitör, iki direnç ve bir NMOS transistörden oluşmaktadır. Osilasyon frekansı NMOS transistörün kapı geriliminin değiştirilmesiyle kontrol edilebilmektedir. Devrenin en önemli özelliği, osilasyon frekansının osilasyon koşulundan bağımsız olarak elektronik ayarlanabilme niteliğine sahip olmasıdır. SPICE benzetimleri teorik sonuçları doğrulamaktadır. Modern CMOS teknolojisinde, tümdevre alanının olabildiğince az olması istenir. Oysa dirençler ve kapasitörler tümdevre üzerinde geniş alanlar kaplamaktadırlar. Tümdevre alanını azaltmak için dirençler, MOS transistörler ile gerçeklenebilmektedir. Tsividis, MOS transistörlerin direnç olarak kullanılmasında akımdaki lineer olmayan terimlerin yok edilmesi üzerine çeşitli teknikler sunmuştur [7]. Bu tekniklerden biri de lineer bölgede çalıştırılan bir adet MOS transistör ile gerçeklenebilen tekniktir. Şekil 1’ de görüldüğü gibi, uçları arasındaki gerilim birbirine eşit fakat zıt işaretli olan bir direnç, bir MOS transistör ile gerçeklenebilmekte ve lineer olmayan terimler yok edilebilmektedir. Anahtar Kelimeler : Analog Tümdevreler, Osilatörler, MOSFET Tabanlı Dirençler 1. Vc GİRİŞ vx i Osilatörler, kontrol ve sinyal işleme devrelerinde, ölçüm ve iletişim sistemlerinde sıklıkla kullanılmaktadırlar. Bu sebeple, literatürde çok sayıda işlemsel kuvvetlendirici (OPAMP), akım taşıyıcı (CCII), akım geri beslemeli işlemsel kuvvetlendirici (CFOA) veya dört uçlu yüzen nulör (FTFN) gibi tek aktif eleman kullanılarak yapılmış aktif RC osilatör devreleri mevcuttur [1–4]. Bu osilatör devrelerinden op-amp. tabanlı olanlar sınırlı bant genişliği ve düşük yükselme eğiminden dolayı tercih edilmemektedirler. Diğer taraftan akım taşıyıcılar, yüksek bant genişliği, yüksek doğrusallık, geniş dinamik aralık, basit devre yapıları ve düşük güç tüketimlerinden dolayı oldukça avantajlı yapıya sahiptirler [5]. Akım taşıyıcılar, biri yüksek (idealde sonsuz), diğeri düşük (idealde sıfır) olmak üzere iki adet girişe ve bir yüksek empedanslı çıkışa sahip olmalarından dolayı hem gerilim hem de akım modlu devreler için uygun yapıya sahiptirler [1]. Son zamanlarda, akım taşıyıcıların yeni bir türü olan ikinci nesil tersleyen akım taşıyıcı (ICCII) literatüre sunulmuştur [6]. 2. iL R − vx i vx − vx iN Şekil 1: Lineer olmayan terimleri yok ederek MOSFET’ in direnç modellemesi Direnç üzerindeki i akımı iL ve i N olarak adlandırılan, sırasıyla lineer ve lineer olmayan iki akımın farkından i = i L − i N oluşur. W i L = µC ox (VC − VT )2v x L MOSFET TABANLI DİRENÇLER (1) 3 3 1 2 W 2 iN = µCox γ (VR + vx ) 2 − γ (VR − vx ) 2 − γVR 2 2vx 3 L 3 Elektronik olarak ayarlanabilme tümdevre teknolojisinin önemli özelliklerinden biridir. Zamanla, devre içinde kullanılan elemanların parazitik etkiler, ısı, yaşlanma ve tolerans değerleri gibi sebeplerden dolayı özelliklerini yitirdikleri görülmektedir. Elektronik olarak ayarlanabilen (2) i N akım denklemindeki γ ifadesi, gövde etkisi katsayısını göstermektedir ve görülmektedir ki i akımındaki lineer 33 Fırat Üniversitesi-Elazığ olmayan terimler bu katsayının sıfır yapılmasıyla tamamıyla yok edilecektir. NMOS transistordeki altkatman ucunun kaynak ucuna bağlanmasıyla gövde etkisi yok edilir. Sonuç olarak denklem (3) elde edilir. Vy Vx W i = µC ox (VC − VT )(2v x ) L Iy Ix Y ICCII Iz Z Vz X (3) Şekil 2: ICCII devre sembolü Literatürdeki osilatör devresi Şekil 3’ te görüldüğü gibi bir ICCII(-), iki kapasitör ve üç dirençten oluşmaktadır [9]. Böylece Şekil 1’ de gösterilen zıt kutuplu uçlara bağlanmış direncin NMOS transistor eşleniğinin direnç değeri denklem (4)’ teki gibi olacaktır. R= 2v x 1 = W i µC ox (VC − VT ) L C2 (4) y ICCII(-) R1 Burada W ve L sırasıyla kanal genişliği ve boyunu, VT eşik gerilimini, µ n kanal içindeki serbest elektron taşıyıcılarını, Cox birim alandaki oksit kapı kapasitansını göstermektedir. VC kontrol geriliminin değiştirilmesiyle MOSFET direncinin değeri değiştirilebilmektedir. C1 Awad ve Soliman tarafından sunulan ikinci nesil tersleyen akım taşıyıcı bu tip bir MOS gerçekleme için en uygun yapıya sahiptir [6]. Bu teknikle uygun yapıdaki her direnç bir adet MOS transistör ile gerçeklenerek düşük tümleşik devre alanı, güç tüketimi ve parazitlik elde edilmiş olunur [8]. x R3 R2 Şekil 3: ICCII tabanlı osilatör topolojisi [9] Yapılan analizler sonucu karakteristik denklem aşağıdaki gibidir. Literatürde sunulmuş osilatör devrelerinin birçoğu gerilim kontrollü elektronik olarak ayarlanabilen osilasyon frekansına sahip değildir. Bu çalışmada osilasyon frekansı, osilasyon koşulunu etkilemeden elektronik olarak ayarlanabilen osilatör devresi sunulmuş ve devre topolojisi, daha önceden yapılmış konfigürasyon üzerinde yapılan değişiklik ile elde edilmiştir [9]. 3. Vçıkış z s 2 C1C 2 + s[C1G3 + C 2 G3 − C 2 G2 ] + 2G1G3 = 0 (6) Denklem (6)’ya göre osilasyon frekansı (f0) ve osilasyon koşulu (OK) sırasıyla aşağıda verilmiştir. DEVRE AÇIKLAMALARI İkinci nesil akım taşıyıcı elemanı şematik olarak Şekil 2’ de gösterilmiştir. Elemanın tanım bağlantıları matrissel olarak I y 0 0 V x = − 1 0 I z 0 ± k 0 V y 0. I x 0 V z f0 = 1 2π 2G1G3 C1C 2 C1G3 + C 2 G3 = C 2 G2 (7) (8) (5) Görüleceği gibi osilasyon frekansı (f0), osilasyon koşulunu (OK) etkilemeden R1 direnci ile değiştirilebilmektedir. şeklindedir. R1 direnci yerine NMOS transistörün bağlanmasıyla Şekil 4’ te görülen elektronik olarak ayarlanabilir osilasyon frekansına sahip osilatör elde edilmektedir. Bu matriste k’nın +1 veya -1 olması akım taşıyıcının tersleyen veya terslemeyen akım taşıyıcı olduğunu göstermektedir. 34 Fırat Üniversitesi-Elazığ 4. C2 y Vc ICCII(-) x M1 C1 Teorik çalışmayı doğrulamak amacıyla, osilatör devresi PSPICE benzetim programıyla simule edilmiştir. Pasif eleman değerleri R2 = 5KΩ, R3 = 10KΩ, C1 = 407 pF, C2 = 400 pF seçilmiş ve C2 kapasitörüne 20mV.’luk başlangıç koşulu uygulanmıştır. SPICE benzetimlerindeki CMOS ICCII yapısı [10] referansında verilen DDCC‘nin Y1 ve Y3 uçlarının topraklanmasıyla elde edilmiştir. Benzetimde 0.35µm TSMC MOSIS model parametre seti kullanılmıştır. Kaynak gerilimleri VDD = 2.5V ve VSS = -2.5V alınmıştır. W=4.2µm, L=1.4µm ve Vc =1.75V değerleri için elde edilen elektronik olarak ayarlanabilir direnç değeri R≈1.8kΩ’ dur. Buna göre osilasyon frekansı 133.4KHz elde edilmektedir. Osilatörün çıkış dalga formu Şekil 5’ te gösterilmiştir. Vçıkış z R2 BENZETİM SONUÇLARI R3 Şekil 4: Elektronik olarak ayarlanabilir frekanslı osilatör devresi M1 transistörünün kontrol geriliminin değiştirilmesiyle elde edilen değişken osilasyon frekansı eğrisi Şekil 6’ da gösterilmiştir. Şekil 5: Osilatör çıkış dalga formu 5. SONUÇ Bu çalışmada, ikinci nesil akım taşıyıcının farklı kullanım alanlarından birini göstermek amacıyla elektronik olarak ayarlanabilen osilatör devresi sunulmuştur. Devre bir ICCII(-), iki adet topraklı kapasitör, iki adet direnç ve bir NMOS transistörden oluşmaktadır. NMOS transistörün kapı geriliminin elektronik olarak değiştirilmesiyle osilasyon koşulu etkilenmeden osilasyon frekansı ayarlanabilmektedir. Teorik analizler ile SPICE benzetim sonuçları birbirleri ile uyuşmaktadır. 6. KAYNAKÇA [1] Toumazou, C. and Lidjey, F. J. and Haigh, D., Analog IC Design:The Current-Mode Approach. Exeter, Peter Peregrinus, UK, 1990. [2] Soliman, A. M. , “On the generation of CCII and ICCII oscillators from three Op Amps oscillator” Microelectronics Journal, 41, 680–687, 2010. [3] Senani, R. and Singh, V. K., “Synthesis of canonic single resistance controlled oscillators using a single current feedback amplifier” IEE Proc. Circuit Devices and Systems, 143(3), pp. 71–72, 1996. Şekil 6: Osilasyon frekansının farklı Vc değerlerindeki değişimi 35 Fırat Üniversitesi-Elazığ [4] Hou, C. L. and Yean, R. and Chang, C. K., “Single element controlled oscillator using single FTFN.” Electron. Letters. 32, pp. 2032–2033, 1996. [5] Soliman, A. M., “Generation of three oscillator families using CCII and ICCII”, Int. J. Electron. Commun. (AEÜ) 64, 880–887, 2010. [6] Awad, A. and Soliman, A. M., “Inverting secondgeneration current conveyors: the missing building blocks, CMOS realizations and applications”, International Journal of Electronics, vol. 86, no. 4, pp. 413-432, 1999. [7] Tsividis, Y. and Banu, M. and Khoury, J., “ContinuousTime MOSFET-C Filters in VLSI”, IEEE J. Solid-State Circuits, SC-21, No. 1, 1986. [8] Toker, A. and Zeki, A., “Tunable active network synthesis using ICCIIs“, International Journal of Electronics, 94:4,335–351, 2007. [9] Toker, A. and Kuntman, H. and Cicekoglu O. and Discigil, M., “New oscillator topologies using inverting second-generation current conveyor” Turk. J. ELEC. Engin., vol. 10,No.1, 2002. [10] Ibrahim, M. A. and Kuntman, H., “High Linearity CMOS Differential Difference Current Conveyor (DDCC)”, Proc. of ICM’2002: the 14th International Conference on Microelectronics, pp.6-9, December 1113, 2002, Beirut, Lebanon. 36
