C M O S E C C II ile Y ü k sek D ereced en A yarlan ab ilir A k tif S ü

[email protected]
Onur Korhan SAYIN
[email protected]
H. Hakan KUNTMAN
(Design of High-Order Active Filters Employing CMOS ECCIIs)
CMOS ECCII ile Yüksek Dereceden Ayarlanabilir
Aktif Süzgeç Tasarımı
¾ kolay tasarım prosedürüne sahip olmalarındandır. [1-11]
¾ daha büyük yükselme e÷imine sahip olmalarından
¾ daha düúük besleme gerilimlerinde çalıúabilmelerinden
¾ yüksek frekans cevabına sahip olmalarından
ƒ Çalıúmada aktif eleman olarak CMOS ECCII kullanılmasının nedeni
akım modlu devre elemanlarının, gerilim modlu devre elemanlarına göre
olarak iúarete göre ayarlanamaktadır. Bu da sügeç karakteristiklerinin
elektronik olarak ayarlanmasını gerektirmektedir. Bu çalıúmada CMOS
ECCII ile yüksek dereceden ayarlanabilir aktif süzgeç tasarlanması
amaçlanmıútır.
ƒ Bazı iúaret iúleme uygulamalarında süzgecin karakteristikleri dinamik
Giriú:
katsayının
ƒ Kullanılan pasif elemanlarının tümünün topraklı olması, tüm devre
gerçeklemesi için önem taúımaktadır [11].
ƒ Devrenin en büyük avantajlarından biri, istenilen
di÷erlerinden ba÷ımsız olarak de÷iútirilebilmesidir.
ƒ Seçilen süzgeçin kalite faktörü (Q), köúe frekansı (wo) ve kazanç (K)
de÷erleride yine kontrol akımın de÷iútirerek ayarlanabilmektedir.
ƒ Alçak geçiren, yüksek geçiren, band geçiren, band söndüren vs.
süzgeçler sadece kontrol akımını de÷iútirerek elde edilebilmektedir.
edilebilen süzgeç devresinin transfer fonksiyonunun herbir katsayısı,
ECCII’nın kontrol akımını de÷iútirerek ayarlanabilmektedir. [12]
ƒ Bu çalıúmada önerilen yüksek dereceden elektronik olarak kontrol
vy
r kiz
vx
iz
(1)
ƒ ECCII yapısı bir gerilim izleyici ve bir küçük iúaret akımı kuvvetlendiricisinden
oluúmaktadır. Akım kuvvetlendiricinin yapısı ùekil-2’de verilmiútir.
ƒ ECCII, k büyüklü÷ü negatif ise eviren ECCII, pozitif ise evirmeyen ECCII
olarak adlandırılır.
ƒ Tanım ba÷ıntısındaki k büyüklü÷ü, de÷eri elektronik yoldan kontrol edilebilen
akım transfer oranıdır.
ùekil-1: ECCII Sembolü
0
iy
akım ya da bir gerilimle de÷iútirilebilen bir akım taúıyıcı düzenidir. ECCII sembolü
ùekil-1’de gösterilmektedir. ECCII'nin tanım ba÷ıntıları (1)’de verilmiútir.
ƒ Elektronik olarak kontrol edilebilen akım taúıyıcı yapısı, akım transfer oranı bir
ECCII Yapısı:
T1
T6'
ùekil-2
'
T1'
'
olur.
i o = I1 I 2
§ nIB ·
¨
¸.i
©2IA¹
ki
olmak üzere [13], devrenin çıkıú akımı:
| I B | + | i |d 4 I A
( I B - i )2
I2 = 2 I A+
8IA
( I B + i )2
I1 = 2 I A+
8IA
W / LT5 /W / LT4 W / LT5 /W / LT4
T2
T2'
IB-i
I2
IB+i
T6
IO
I2
T4'
T3'
I2
I1
T5 T5'
T3
I1
T4
(6)
(5)
(4)
(3)
n (2)
-VSS
T7
T8
Vref
IA
+VDD
ƒ (5) úartı uyarınca, kazancı
arttırmak üzere IB büyüklü÷ü
istenildi÷i kadar büyütülemez.
ƒ (6)
ba÷ıntısından
fark
edilebilece÷i gibi, küçük iúaret
akımı, de÷eri elektronik yoldan
de÷iútirilebilen bir k çarpanıyla
çarpılarak çıkıúa yansımaktadır.
ƒ Bütün tranzistorların doymada
çalıútıkları ve T5 ile T5’ dıúındaki
tranzistorların tümünün eúit W/L
oranlarına sahip oldukları kabul
edilsin.[12]
ƒ T7, T8 tranzistorları ve IA akım
kayna÷ı, T3 ve T3’ tranzistorlarına
kutuplama gerilimi sa÷layan akım
kontrollu bir gerilim referansı
devresi oluútururlar.
ƒ Bu devrede T1, T2 ve T3
tranzistorlarından oluúan yapı
grubu ile T1’, T2’ ve T3’ den
oluúan yapı grubu, kare alan birer
devre olarak davranırlar.
ùekil-3: ECCII yapısı
ƒ Devrede kullanılan ECCII yapısının tümü ùekil 3’de verilmektedir. [12]
(8)
§ IB ·
i ZN = ¨ ¸.i X
© IA¹
olur [13].
(7)
§ IB ·
=
i ZP ¨ ¸.i X
© IA¹
ƒ Akım kuvvetlendiricisinde kullanılan akım aynalarının kazancı n, iki eú
transistörün bazlarının ve savaklarının ortak noktalara ba÷lanması ile 2
yapılmıútır. Böylece n=2 için
ƒ (IB+iX) akımı M6 ve M7 transistörleri oluúturdu÷u akım aynası ile akım
kuvvetlendicisine taúınır. (IB-iX) akımı, M50 ve M51 transistörlerininn toplam
savak akımı olan 2IB’den M9 transistörünün savak akımı olan (IB+iX)’in
çıkartılması ile elde edilir ve M10 ,M12 transistörleri tarafından kopyalanarak akım
kuvvetlendiricisine verilir.
ƒ M1-M4 ‘e kadar olan transistörler ve IC gerilim izleyici olarak çalıúır ve VX’i
VY’yi izlemeye zorlar. M5 akım izleyici olarak çalıúır ve X ucunun düúük çıkıú
empedanslı olmasını sa÷lar [12].
ƒ ZN çıkıúı eviren çıkıú, ZP çıkıúı evirmeyen çıkıú vermektedir.
a n s n a n 1 s n 1 ......... a1 s 1 a 0
s n bn 1 s n 1 .......... .... b1 s 1 b0
(9)
ƒ ECCII bloklarının kazançları ve hangi katsayıyı kontrol etti÷i
üzerlerinde belirtilmiútir. Pozitif kazançlı olanlar evirmeyen ECCII
blokunu, negatif kazançlı olanlar ise eviren ECCII blokunu
simgelemektedir. Devrenin transfer fonksiyonu (10)’da verilmiútir.
hareketle elde edilen devre ùekil-4’de verilmektedir..
ƒ Bu transfer fonksiyonuna karúı gelen iúaret akıú diyagramından
T (s)
Vo
Vi
tarafından önerilen yöntemden yararlanılmıútır [11]. n. dereceden bir
süzgecin transfer fonksiyonu (9)’da verilmiútir:
ƒ ECCII tabanlı yüksek dereceden süzgeç tasarımında Anday ve Güneú
Yüksek Dereceden Süzgeç Tasarımı :
T (s)
s k bn 1 s
n
n 1
......... k b1 s k b0
k an s n k an 1 s n 1 ......... k a1 s k a0
ùekil-4: Yüksek dereceden ayarlanabilir aktif süzgeç devresi
(10)
................... (G4 ...G2 n1C1k b1 ) s (G2 G3 ..G2 n1k b0 )
(C1C 2 ...C n1C n ) s n (G2 n C1C 2 ...C n1k bn 1 ) s n1 ......
(11)
ƒ Devrenin transfer fonksiyonunun paydası eleman de÷erlerine göre
yazılımı (11)’de gösterilmektedir. [11]
ƒ n. dereceden bir süzgeç için 3n ECCII, 3n-2 direnç ve n+1 kapasitör
kullanılmıútır.
(bn-1bn-2.....b1b0) katsayıları birbirinden ba÷ımsız olarak kontrol akımı ile
de÷iútirilebilmektedir.
ƒ Transfer fonksiyonundan (10) görüldü÷ü gibi (anan-1an-2.............a1a0) ve
(12)
level 3 modeli kullanıldı. Kutuplama akımları IA=200PA, IB=200PA ve
IC=100PA olarak ayarlanmıútır.
ƒ Transistör boyutları (W/L)=(5/1) olarak alındı. Simülasyon için SPICE
T ( s)
k a2 s 2 1
1
k a1 s 2 2 k a0
RC
RC
1
1
s2 kb1 s 2 2 kb0
RC
RC
süzgeç devresi kurulmuútur. Devrede tüm direnç ve kapasiteler eúit
seçilmiútir. Devrenin transfer fonksiyonu (12)’de verilmiútir:
ƒ Benzetimler için önerilen yapıdan hareketle 2. dereceden aktif bir
Benzetim Sonuçları :
ùekil-5: Alçak geçiren süzgecin kazancının ayarlanması, IB = 100PA, 200PA ve 300PA
süzgeç alçak geçiren olarak çalıútırılmıútır. Süzgecin köúe frekansı 150KHz
olarak seçildi .(R=10K: ve C=100pF) ka0 süzgeç kazancı, ilgili ECCII’nın
kontrol akımı IB ’nin sırasıyla 100PA, 200PA ve 300PA’e ayarlanması ile 0.5, 1
ve 1.5 olarak de÷iútirilmiútir. SPICE benzetimi sonuçu ùekil-5’de gösterilmiútir.
ƒ ølgili ECCII’lerin kontrol akımları IB=0 yapılarak, ka2=0 ve ka1=0 yapılmıú ve
ùekil-6: Band geçiren süzgecin kazancının ayarlanması, IB = 100PA, 200PA ve 300PA
süzgeç band geçiren olarak çalıútırılmıútır. Süzgecin merkez frekansı 150KHz
olarak seçildi. (R=10K: ve C=100pF) ka1 süzgeç kazancı, ilgili ECCII’nın
kontrol akımı IB ’nin sırasıyla 100PA, 200PA ve 300PA’e ayarlanması ile 0.5, 1
ve 1.5 olarak de÷iútirilmiútir. SPICE benzetimi sonuçu ùekil-6’da gösterilmiútir.
ƒ ølgili ECCII’lerin kontrol akımları IB=0 yapılarak, ka2=0 ve ka0=0 yapılmıú ve
ùekil-7: Band geçiren süzgecin merkez frekansının ayarlanması, IB = 100PA, 200PA ve 300PA
kb0 , ilgili ECCII’nın kontrol akımı IB ’nin sırasıyla 100PA, 200PA ve 300PA’e
ayarlanması ile 0.5, 1 ve 1.5 olarak de÷iútirilerek süzgecin merkez frekansı
kaydırılımıútır. SPICE benzetimi sonuçu ùekil-7’de gösterilmiútir.
ƒ Ayrıca band geçiren süzgecin, ka1 süzgeç kazancı 1’e eúitlenmiú ve bu sefer
ƒ Tüm dirençlerin ve kapasitörlerin topraklı olması, tüm devre
gerçeklemesi için önem taúımaktadır.
ƒ Simülasyon sonuçları öngörülen teorik sonuçlara yakındır.
ƒ Devrede aktif eleman olarak ECCII, pasif eleman olarak direnç ve
kapasitör kullanılmıú.
ƒ Tasarım prosedürü esnek ve basittir.
taúıyıcıları (ECCII) kullanılarak yüksek dereceden ayarlanabilir aktif
süzgeç tasarımı sunulmuútur.
ƒ Bu çalıúmada, elektronik olarak kontrol edilebilen ikinci kuúak akım
Sonuç :
ƒ [13] Bult, K. and WallıngA, H.,"A class of analog CMOS circuits based on the square-law characteristic of a MOS transistor
in saturation", IEEE J.Solid-State Circuits,1987,SC-22, pp 357-364
ƒ [12] Surakampotorn, W. and Kumwatchara, K.: "CMOS-based electronically tunable current conveyor", Electronics
Letters,1992,Vol. 28, No:14, pp 1316-1317
ƒ [11] Anday, F. and Günes,E. O. : "Realisation of nth-order voltage transfer function using CCII+", Electronics Letters,
1995,Vol. 31, No:13, pp1022-1023
ƒ [10] Acar C. and Kuntman, H, "Limitations on input signal level in voltage-mode active-RC filters using current conveyors",
Microelectronics Journal, Vol.30, No. 1, pp.69-76, 1999.
ƒ [9] Çıçeko÷lu, O., Kuntman, H., Berk, S., "Allpass Filters using a single current conveyor", International Journal of
Electronics, 86, No.8, pp.947-955,1999
ƒ [8] Chang, C.M., Chen, P.-C., "Realization of current-mode transfer function using second-generation current conveyors",
Int. J. Electronics, 71, 809-815, 1991.
ƒ [7] Çam, U., Kuntman, H., "A new CCII-based sinusoidal oscillator providing fully independent control of oscillation
condition and frequency", Microelectronics Journal, Vol.29, Nos.11, pp.913-919, 1998.
ƒ [6] Kamptorn, W.S. , Riewruja, V., Cheevasuvit, F., "Integrible CMOS-base realization of current conveyors", Int.J.
Electronics, 71, 793-798, 1991.
ƒ [5] Sedra, A.S., Roberts, G.W., Gohh, F., "The current conveyor: History, Progress and New Results", IEEE Proc., 137, 7877, 1990.
ƒ [4]. Chang, M.C, Toumazou, C., "3V MOS current conveyor for VLSI technology", Electronics Letters, 29, 317-318, 1993.
ƒ [3] Lıu, S.-I., Tsao, H.-W., Wu, J. and -K.Lin, "MOSFET capacitor filters using unity gain CMOS current conveyors",
Electronics Letters, 26, pp.1430-1431, 1990.
ƒ [2] Tek, H. and Anday, F., "Voltage transfer function synthesis using current conveyors", Electronics Letters, 25, 15521553, 1989.
ƒ [1] Sedra, A. and Smith, K.C., "A second generation current conveyor and its applications", IEEE Trans. on Circuit Theory,
1970, CT-17, pp.132-134
Kaynakça:
TEùEKKÜRLER