xyzwxyzw - IATS`09 - Karabük Üniversitesi
advertisement
5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye TRANSLİNEER DİRENÇ YAPISI KULLANILARAK FTFN TABANLI BİR KUVVETLENDİRİCİ KAZANCININ ELEKTRONİK OLARAK AYARLANMASI ELECTRONICALLY ADJUSTING GAIN OF FTFN-BASED AMPLIFIER USING TRANSLINEAR FLOATING RESISTOR STRUCTURE Sezai Alper TEKİNa, *, Hamdi ERCANa ve Mustafa ALÇIa a Erciyes Üniversitesi, Kayseri, Türkiye E-posta: [email protected], [email protected], [email protected] Özet Bu çalışmada, FTFN (dört uçlu yüzen nullor) tabanlı bir kuvvetlendiricinin kazancının elektronik olarak ayarlanabilmesi için akım kontrollü translineer bir yüzen direnç yapısı kullanılmıştır. Translineer prensibi, bipolar transistörlerdeki akım-gerilim arasındaki üssel ilişkiye dayanmaktadır. Devrede kullanılan direnç yapısı kutuplama akımı ile elektronik olarak ayarlanabilmektedir. Böylece FTFN tabanlı kuvvetlendiricinin kazanç kontrolü harici olarak kolaylıkla yapılabilmektedir. Anahtar kelimeler: akım modlu devreler, translineer, FTFN Abstract In this paper, current controlled translinear floating resistor is used for adjusting gain of FTFN (four terminal floating nullor)-based amplifier. Translinear principle is based on exponential relation between current and voltage in bipolar junction transistor. In this circuit used resistor structure can be adjustable electronically by the bias current. Finally, the gain of proposed FTFN-based amplifier can be controlled easily and externally. vx vy ix x z iz iy y w iw Şekil 1. FTFN’in sembolik gösterimi. Şekil 1’de görülen FTFN yapısının tanım bağıntısı Denklem (1)’de verilmektedir. ix = i y = 0 (1) i z = ±iw vx = v y FTFN elemanını gerçekleştirmek için önerilen çeşitli yöntemler mevcuttur. İki adet akım geri beslemeli AD844 elemanının Şekil 2’de gösterildiği gibi bağlanmasıyla elde edilen FTFN, en çok uygulama alanı bulan temel FTFN devresidir [4-6]. x + AD844 Keywords: current-mode circuits, translinear, FTFN z - 1. Giriş Akım modlu devreler büyük bant genişliği, yüksek değişim hızı, daha geniş doğrusallık ve dinamik saha, düşük güç tüketimi ve basit devre yapısı gibi karakteristik özellikler taşıdıklarından gerilim modlu devrelere rağmen aktif süzgeç, osilatör, kuvvetlendirici gibi temel analog devre bloklarının gerçekleştirilmesinde, geniş uygulama alanı bulmuşlardır [1]. FTFN elemanının yaygın kullanım alanlarına sahip olması sebebiyle işaret işleme uygulamalarında FTFN ile ilgili yapılmış birçok çalışma mevcuttur. Gerilim modlu ve akım modlu devrelerde kullanılabilen FTFN devreleri işlemsel kuvvetlendirici, akım taşıyıcı ve işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi gibi elemanlar kullanılarak tasarlanmıştır [2]. FTFN’in gerilim modlu işlemsel yükselteçlere göre daha iyi avantajlar sunmasından ve özellikle yüksek frekans performansından dolayı son zamanlarda kullanımı artmıştır [3]. FTFN yapısının sembolik gösterimi Şekil 1’de verilmektedir. © IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye AD844 y w + Şekil 2. İki adet AD844 ile FTFN gerçekleştirilmesi. Elektronik olarak ayarlanabilen yüzen ve topraklanmış direnç yapıları, kuvvetlendiriciler, filtreler ve osilatörler gibi birçok analog programlanabilir devrelerde önemli bir rol oynamaktadır [7-9]. Topraklanmış dirençler nadiren kullanılmasına rağmen ayarlanabilir kuvvetlendirici uygulamaları için yeterlidir [10]. Diğer taraftan, ayarlanabilir yüzen dirençler birçok devre uygulamalarında kullanılmaktadır [11]. Bu çalışmada, FTFN tabanlı bir kuvvetlendiricinin kazancının elektronik olarak ayarlanabilmesi için akım kontrollü translineer bir yüzen direnç yapısı kullanılmıştır. Önerilen devre yapısında kutuplama akımı ile direnç değeri ayarlanabilmekte, böylelikle kuvvetlendiricinin kazancı kontrol edilebilmektedir. Devrenin teorik analizi yapılarak, Tekin, S.A., Ercan, H. ve Alçı, M. PSpice programı yardımıyla benzetim işlemi gerçekleştirilmiştir. Benzetim sonuçlarının teorik sonuçları doğruladığı görülmüştür. 2. Önerilen Devre Yapısı Akım kontrollü translineer bir yüzen direnç ve iki adet AD844 akım taşıyıcı kullanılarak oluşturulmuş olan FTFN (dört uçlu yüzen nullor) tabanlı kuvvetlendiricinin yapısı blok olarak Şekil 3’de görülmektedir. Rf RAB vi x vo z FTFN y 2VT I0 Şekil 3’de görülen kuvvetlendiricinin kazanç Denklem (2)’de verilmektedir. ifadesi R v0 =− f vi RAB Burada I0 kutuplama akımını, VT ise ısıl gerilimi ifade etmektedir. Isıl gerilim oda sıcaklığında yaklaşık olarak 26 mV değerindedir. Yüzen direncin değeri kutuplama akımı ile kolaylıkla değiştirilebilmektedir. Böylece, FTFN tabanlı kuvvetlendirici yapısının kazancı yüzen direnç değerine bağlı olarak kontrol edilebilmektedir. Ayrıca devre kazancının kutuplama akımına bağlı olarak doğrusal bir değişim göstermesi devrenin akım modlu olduğunun bir göstergesidir. Şekil 4’de görülen elektronik olarak ayarlanabilen translineer temelli yüzen pozitif direnç devresinin analizi PSpice benzetim programı kullanılarak yapılmıştır. Devrelerin benzetimlerinde NR100N ve PR100N transistor tipi kullanılmıştır [13]. Besleme voltajı olarak ± 2.5 V kullanılmıştır. Devrenin kutuplama akımı ile direnç değerinin değişimi Şekil 5’de gösterilmiştir. 10 (2) Devrede kuvvetlendiricinin giriş direnci olarak yüzen direnç (RAB) kullanılmıştır. Elektronik olarak ayarlanabilen translineer temelli yüzen direnç devresinin iç yapısı Şekil 4’de gösterilmiştir [12]. V+ I0 Q1 Q2 Q9 Q10 Q3 IA Q4 Q11 Q12 IB VX Q5 Q6 Q 13 Q14 Q7 Q8 Q 15 Q 16 I C7 I0 10 10 10 I C1 VA Direnç (Ohm) 10 I0 (3) 3. Benzetim Sonuçları w Şekil 3. Yüzen direnç kullanılarak oluşturulmuş elektronik olarak ayarlanabilen FTFN tabanlı kuvvetlendirici. AV = R AB ≅ 6 5 4 3 2 1 10 -1 10 10 0 1 10 Kutuplama Akımı (µA) 10 2 3 10 Şekil 5. Kutuplama akımı ile direnç değerinin değişimi. VB I0 V- Şekil 4. Elektronik olarak ayarlanabilen translineer temelli yüzen pozitif direnç. Şekil 4’de görülen direnç yapısının değeri Denklem (3)’ de görüldüğü gibi kutuplama akımı ile ayarlanabilmektedir [12]. Şekil 3’de görülen yüzen direnç kullanılarak oluşturulmuş elektronik olarak ayarlanabilen FTFN tabanlı kuvvetlendirici devresinin analizi PSpice benzetim programı kullanılarak yapılmıştır. Şekil 3’de görülen devredeki FTFN’in besleme voltajı olarak ± 5 V ve Rf değeri 100 KΩ alınmıştır. RAB direnci ise kutuplama akımı ile 100 Ω ile 100 KΩ arasında değiştirilmektedir. Şekil 6’da kutuplama akımı ile devrenin kazancının değişimi görülmektedir. Tekin, S.A., Ercan, H. ve Alçı, M. 10 benzetimlerde elde edilen sonuçlar teorik yaklaşımı kısmen doğrulamaktadır. 3 4. Sonuç Kazanç, |Av| 10 2 benzetim teorik 10 10 1 0 1 20 40 60 80 100 Kutuplama Akımı (µA) Şekil 6. Kutuplama akımı ile kazancın değişimi. Şekil 6’da görüldüğü gibi kutuplama akımı ile devrenin kazancı elektronik olarak ayarlanabilmektedir. Benzetimlerde elde edilen sonuçlar teorik yaklaşımı kısmen doğrulamaktadır. Teorikte kutuplama akımının 1 µA ile 150 µA arasındaki değişimi için kazanç 1.92 ile 200 değerleri arasında değişirken, benzetim sonuçlarına göre kazanç 1.91 ile 198.5 arasında değişim göstermektedir. Şekil 6’da görüldüğü gibi kutuplama akımının bazı değerlerinde benzetim sonuçları kısmen teorik sonuçtan farklı değerler almaktadır. AD844’lü yapı kullanılarak oluşturulmuş olan FTFN yapısının düşük geçiş iletkenliği (gm ) değerine sahip olması devrede istenen performansın sağlanamaması durumunu ortaya koymaktadır. Önerilen uygulamadaki ideal karakteristiğin daha doğru bir biçimde elde edilebilmesi, daha yüksek geçiş iletkenliği mertebelerine ulaşılabilmesi ile mümkün olabilecektir [14]. Şekil 7’de farklı geribesleme dirençlerinde (Rf), kazanç değerinin değiştiği görülmektedir. 100 Kazanç, |Av| 90 80 70 60 teorik benzetim 50 40 30 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Rf (K Ohm) Şekil 7. Farklı geribesleme dirençlerinde kazancın değişimi. Şekil 7’de görüldüğü gibi geribesleme direncinin değişimiyle devrenin kazanç değeri değişmektedir. Bu değişim Denklem (2)’yi doğrulamaktadır. Ayrıca Bu çalışmada, FTFN tabanlı bir kuvvetlendiricinin kazancının elektronik olarak ayarlanabilmesi için akım kontrollü translineer bir yüzen direnç yapısı kullanılmıştır. FTFN yapısı iki adet AD844 akım taşıyıcının uygun devre bağlantısıyla oluşturulmuştur. Önerilen devre yapısı PSpice benzetim programı kullanılarak analiz edilmiştir. Öncelikle direnç değerinin kutuplama akımı ile ayarlanabilirliği benzetim sonuçları ile gösterilmiştir. Benzetim sonuçlarına göre kutuplama akımının 0.52 µA ile 150 µA sahasındaki değişimleri için, ayarlanabilir direnç değerinin 100 Ω – 100 kΩ aralığında değiştiği görülmüştür. Devrenin kazancı bu direnç aralığında 1.02 ile 470.04 arasında değişim göstermektedir. Böylelikle önerilen kuvvetlendirici yapısının kazanç kontrolünün elektronik olarak yapılabildiği benzetim sonuçları doğrultusunda ortaya konmuştur. Buna göre, önerilen devre yapısının özellikle kazanç kontrolü gerektiren elektronik devre uygulamalarında elverişli bir temel yapı olarak kullanılabileceği düşünülmektedir. Kaynaklar [1] Schmid, H., Approximating the Universal Active Element, IEEE Transaction on Circuit SystemsII:Analog and Digital Signal Processing, Vol: 47 (11), p.1160-1169, 2000. [2] Huijsing, J.H., Operational floating amplifier, IEE Proceedings, vol.137, Pt.G., pp.131-136,1990. [3] Günay, E., Uzunhisarcıklı, E., Kılıç, R., Alçı, M., A Realization of SC-CNN-Based Circuit Using FTFN, third int. Conference on Electrical and Electronics Engıneering, pp 102-107, Bursa, Turkey, 2003. [4] Çam, U., Çiçekoğlu, O., Kuntman, H., A new four terminal floating nullor based single-input three output current-mode multifunction filter, Microelectronics Journal, Vol.30, No.2, pp.115- 118, 1999. [5] Saygıner, M., Kuntman, H. Realization of First-Order All-Pass Filter Using Four Terminal Floating Nullor Applied Electronics, Pilsen, 2006. [6] Çam, U., Toker, A., Çiçekoğlu, O., Kuntman, H., Current-Mode High Output Impedance Sinusoidal Oscillator Configuration Employing single FTFN, Analog Integrated Circuits And Signal Processing, 24, No.3, pp.231-238, 2000. [7] Barthelemy, H., and Fabre, A., 20–90 MHz CurrentControlled Sinusoidal Oscillator", in Proc. 22nd European Solid-State Circuits Conf., Neuchâtel, pp. 56–59, Switzerland, Sept. 17–19, 1996. [8] Senani, R., and Singh, V. K., Comment: Synthesis of Canonic Single-Resistance-Controlled-Oscillator Using a Single Current-Feedback-Amplifier, Proc. Inst. Elect. Eng., vol. 143, no. 1, pp. 71–72, 1996. [9] Al-Ruwaihi, K. M., A Floating Voltage-Controlled Resistor and its Application to Active RC Filters, Int. J. Electron., vol. 82, no. 5, pp. 483–498, 1997. [10] Saaid, O., and Fabre, A., Class AB Current Controlled Resistance for High Performance Current Mode Applications, Electron Lett., vol. 32, pp. 4–5, 1996. [11] Bhola, S. C., Russell, H. T., Carter, R. L., Davis, W. L., Haque, A.K.M.S., "Design and Analysis of an Tekin, S.A., Ercan, H. ve Alçı, M. Improved Translinear Floating Resistor for a Variable Gain Amplifier", Region 5 Conference, IEEE, , pp. 1-5, 17-20 April 2008. [12] Tekin, S.A., Ercan, H., Alçı, M., Elektronik Olarak Ayarlanabilen Translineer temelli Yüzen Pozitif Direnç, ELECO’2008: Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, EMO Bursa Şubesi, s.4-7, Bursa, 26-30 Kasım 2008. [13] Frey, D. R., Log-domain filtering: An approach to currentmode filtering, IEE Proc. Pt. G, Vol: 140 (6), pp. 406-416, 1993. [14] Saygıner, M., Kuntman, H.,Yüksek geçiş iletkenli yeni bir CMOS FTFN gerçeklemesi, ELECO’2006: ElektrikElektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, EMO Bursa Şubesi, Bursa, 6-10 Aralık 2006.
