yeni otra-tabanlı osilatör topolojileri

YENİ OTRA-TABANLI OSİLATÖR TOPOLOJİLERİ
1
Uğur Çam
2
Murat Aksoy
3
Oğuzhan Çiçekoğlu
4
Hakan Kuntman
1
Dokuz Eylül Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği,
Kaynaklar Kampüsü, Tõnaztepe, 35160 Buca, İzmir, Türkiye
[email protected]
2
Çukurova Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği,
Balcalõ , 01330 Adana, Türkiye
[email protected]
3
Boğaziçi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi,
Elektrik-Elektronik Mühendisliği, 80815, Bebek, İstanbul,Türkiye
[email protected]
4
Istanbul Teknik Üniversitesi , Elektrik-Elektronik Fakültesi,
Elektronik ve Haberleşme Bölümü, 80626 Maslak, İstanbul, Türkiye
[email protected]
Anahtar sözcükler: Osilatörler, OTRA, Analog Tümdevre Tasarımı
ABSTRACT
In this study, five new oscillator topologies are
proposed. The proposed topologies employ single
OTRA and minimum number of passive components.
Four of them can operate as single-frequency
oscillators. The other topology is a single-resistancecontrolled-oscillator. They have low passive
sensitivities. The oscillator circuits are insensitive to
parasitic input capacitances and input resistances due
to zero internally grounded input terminals of OTRA.
The proposed topologies are simulated PSPICE
program to verify the theoretical analysis using a
CMOS realization of OTRA with MIETEC 1.2µ
CMOS technology parameters.
1. GİRİŞ
Sinüsoidal osilatörler haberleşme devrelerinde,
kontrol istemlerinde ve ölçme sistemlerinde yaygõn
kullanõm alanõna sahiptirler. Literatürde osilatör
tasarõmõ için önerilmiş işlemsel kuvvetlendirici (OPAMP), akõm taşõyõcõ
(CCII), akõm-geribeslemeli
işlemsel kuvvetlendirici (CFOA), işlemsel geçiş
iletkenliği kuvvetlendirici (OTA) ve dört-uçlu-yüzennullor (FTFN) kullanarak tasarlanmõş çok sayõda
gerilim-modlu osilatör topolojileri önerilmiştir [1-3].
Bununla
birlikte,
işlemsel
geçiş
direnci
kuvvetlendiricisi
(Operational
transresistance
amplifier:OTRA)
ticari
olarak
Norton
kuvvetlendiricisi ismi ile üretilmesine rağmen son
birkaç yõla kadar analog devre tasarõmcõlarõnõn çok
fazla ilgisini çekmemiştir.
Akõm-modlu devrelerin son on yõlda çok hõzla
gelişmesi ve CMOS teknolojisinin analog devrelerde
daha çok kullanõlmaya başlamasõ ile OTRA elamanõna
olan ilgi artmaya başlamõştõr. OTRA elamanõn giriş
uçlarõnõn her ikisi de topraklanmõş olduğundan,
OTRA-tabanlõ devrelerin en önemli özelliği parazitik
kapasitelere ve dirençlere duyarsõz olmasõdõr. Ayrõca
OTRA-tabanlõ devrelerde kullanõlan dirençlerin,
OTRA elemanõnõn giriş uçlarõ akõm farkõ aldõğõndan
MOSFET transistorlardan oluşan direnç eşdeğerleriyle
(MRC) gerçeklenebilir olmasõ
OTRA elamanõ
özellikle analog tümdevre tasarõmõnda diğerlerine göre
daha avantajlõ hale getirmektedir [4-6] . Bu çalõşmanõn
esas amacõ tek OTRA kullanarak, minimum sayõda
pasif eleman içeren ayarlanabilir ve sabit frekanslõ
yeni osilatör topolojilerini önermektir..
2.ÖNERİLEN DEVRELER
OTRA elamanõn devre sembolü Şekil-1’de
görülmektedir. OTRA elamanõna ait tanõm bağõntõlarõ
1 numaralõ denklemdeki gibidir.
p
R1
OTRA
Vp
Ip
C1
p
OTRA
Vn
In
n
C2
Vz
z
Vo
z
R2
n
(a)
C1
R1
Şekil 1: OTRA elamanõn devre sembolü
éV p ù é 0
êV ú = ê 0
ê nú ê
êëV z úû êë Rm
0
0
− Rm
0ù é I p ù
0úú êê I n úú
0úû êë I z úû
p
(1)
OTRA elamanõn giriş uçlarõnõn her ikisi de düşük
empedans olarak tanõmlanmõştõr. Giriş uçlarõ
topraklanmõş devrelerin en önemli özelliği parazitik
kapasitelere duyarsõzlõğõdõr. İdeal çalõşmada Rm
yaklaşõk sonsuz olurken bu giriş akõmlarõnõn
eşitlenmesini sağlar. Bu yüzden OTRA ’lar işlemsel
kuvvetlendiriciler
gibi
geri-beslemeli
olarak
kullanõlmalõdõr [4-6].
OTRA
n
C2
R2
(b)
C1
OTRA-tabanlõ önerilen osilatör topolojileri şekil 2 de
verilmiştir.
Bu devreler için düğüm analizleri
sonucunda elde edilen osilasyon frekansõ ve osilasyon
koşulu bağõntõlarõ ise tablo 1 de verilmiştir.
Önerilen devreler literatürdeki eşdeğerleriyle ve kendi
aralarõnda karsõlaştõrõlmasõyla aşağõdaki sonuçlar elde
edilmiştir. Şekil 2 de verilen ilk üç devre sabit
frekanslõ osilatör tasarõmõ için çok uygundur.
Dördüncü osilatör devresinin
osilasyon koşulu
osilasyon frekansõnõ bozmadan tek bir direnç
yardõmõyla ayarlanabilmektedir. Beşinci
osilatör
devresinin osilasyon frekansõ osilasyon koşulunu
bozmadan tek bir dirençle ayarlanabilmektedir. Tüm
devreler kanonik yapõda olup (2-kapasiteli) ve
minimum direnç içermektedir.
Vo
z
p
OTRA
R1
n
C2
R2
(c)
z
Vo
3. SİMÜLASYON SONUÇLARI
R1
p
OTRA
Vo
z
n
R2
Önerilen osilatör devreleri CMOS OTRA yapõsõ
kullanõlarak
[7] nolu çalõşmadaki
transistor
geometrileri ve MIETEC 1.2µ MOS transistor
parametreleriyle simüle edilmiştir.
Sekil 4
ayarlanabilir osilatöre ait simülasyon sonuçlarõnõ
göstermektedir. Sekil 5 de ise aynõ devrenin osilasyon
frekansõnõõn bir direnç ile osilasyon koşulunu
bozmadan ayarlanõşõ gösterilmektedir.
C1
R3
C2
Tablo 1: Şekil 2 de önerilen OTRA tabanlõ devrelere
ait osilasyon koşulu (OK) ve osilasyon frekansõ (OF)
bağõntõlarõ
(d)
R2
Önerilen tüm devreler PSPICE programõ ile simüle
edilerek teorik sonuçlar bilgisayar simülasyonlarõyla
doğrulanmõştõr. OTRA elamanõ ticari tümdevre olarak
bulunmakla birlikte performanslarõ çok iyi değildir.
Çok geniş ölçekli tümleştirme için kullanõlacak bir
CMOS OTRA yapõsõ şekil 3 de verilmiştir [7]. Bu
devre akõm-farkõ alan tamponlanmõş kuvvetlendirici
(CDBA) olarak önerilmekle birlikte, bu çalõşmada
CDBA elamanõn z ucu acõk devre edildiğinde OTRA
elemanõ olarak çalõşabileceğinden hareketle aynõ
devre OTRA olarak kullanõlmõştõr.
n
OTRA
z
No.
OK
2.a
G1 (C1 + C2 ) = C1G2
2.b
G2 C1 + G1C2 = C1G1
ω0 =
G1G 2
C1C2
2.c
G1 (C1 + C2 ) = C2 G2
ω0 =
G1G 2
C1C2
G3(C1(G1 +G2) +C2G1)
ω0 =
G1G 2
C1C2
Vo
p
C1
R1
C2
R3
2.d
2.e
(e)
Şekil 2:Önerilen OTRA-tabanlõ osilatör devreleri
= C1G1G2
G1 (C1 + C2 ) = C2 G2
OF
GG
ω0 = 1 2
C1C2
ω0 =
G1 (G 2 + G3 )
C1C2
VDD
M8
M10
M14
M13
I0
M11
M3
M1
M4
M15
M5
n
M2
Vg1
Vw
M17
p
z
M16
M6
M19
M12
Vg2
I0
M7
M9
M18
M20
VSS
Şekil 3: Simülasyonlarda kullanõlan CMOS OTRA devresi
Şekil 4: Şekil 2.e deki osilatör devresinin PSPICE simulasyon programõ yardõmõyla elde edilen zaman domeni
davranõşõ (R1=2KΩ, R2=R3=1KΩ, C1=100pF, C2=100pF)
4E+6
[4]
Frequency(Hz)
3E+6
[5]
2E+6
[6]
1E+6
0.1
1
R3(K)
10
1E+2
Şekil 5: Şekil 2.e deki devresinin osilasyon
frekansõnõn bir direnç yardõmõyla osilasyon koşulunu
bozmadan ayarlanmasõ
4. SONUÇLAR
Bu çalõşmada, beş yeni OTRA-tabanlõ osilatör
devreleri önerilmiştir. Önerilen devrelerin hepsi tek bir
OTRA içermektedir. Pasif eleman sayõlarõ sabit
frekanslõ, ayarlanabilir frekanslõ ve ayarlanabilir
osilasyon koşullu devreler için minimum sayõdadõr.
Önerilen tüm osilatörler aktif elemanõn parazitik giriş
kapasiteleri ve dirençlerine karsõ duyarsõzdõr. PSPICE
simülasyonu sonucunda elde edilen sonuçlar teorik
analizleri doğrulanmõştõr. Önerilen yeni osilatörlerin
OTRA elemanlarõyla geçekleştirilebilecek muhtemel
analog tümdevre ve sistem uygulamalarõnda yararlõ
olabileceğini düşünmekteyiz.
TEŞEKKÜR
Bu çalõşma Dokuz Eylül Üniversitesi, Araştõrma Fonu
tarafõndan 02.KB.FEN.065 kodu ile kõsmen
desteklenmektedir. Verdikleri destek dolayõsõyla
teşekkür ederiz.
KAYNAKLAR
[1]
[2]
[3]
Çam U., Kuntman H., Acar C, On the
realisation of OTA-C oscillators, Int. Journal
of Electronics, vol. 85, pp. 313-326, 1998.
Celma S., Martinez P. A., Carlosena A.,
Minimal realization for single resistance
controlled sinusoidal oscillator using single
CCII, Electronics Letters, vol. 28, pp. 443444, 1992.
Çam U., Toker A., Çiçekoğlu O., Kuntman
H, Current-mode high output impedance
configuration employing single FTFN,
[7]
Analog Integrated Circuit and Signal
Processing, vol. 24, no. 3, pp. 231-238, 2000
Salama, K. N. and Soliman A. M., CMOS
operational transresistance amplifier for
analog signal processing applications,
Microelectronics Journal, vol. 30, pp. 235245, 1999.
Chen J., Tsao H., Liu S and Chui W,
Parasitic capacitance insensitive currentmode filters using operational transresistance
amplifier, IEE Proc. Circuit Devices and
Systems, vol. 142, no. 3, pp. 186-192, 1995.
Chen J., Tsao H. and Chen C., Operational
transresistance amplifier using CMOS
technology, Electronics Letters, vol. 28, no.
22, pp. 2087-2088, 1992.
Toker A, Özoğuz S., Çiçekoğlu O. and Acar
C., 'Current-mode all-pass filters using
current differencing buffered amplifier and
new high-Q bandpass filter configuration',
IEEE Transaction on Circuits and Systems-II:
Analog and Digital Signal Processing, vol.
47, pp. 949-954, 2000