BASøT VE KULLANIùLI BøR AKIM øùLEMSEL

BASøT VE KULLANIùLI BøR AKIM øùLEMSEL
KUVVETLENDøRøCøSø TASARIMI
Atilla UYGUR1
Hakan KUNTMAN2
1,2
Elektronik ve Haberleúme Mühendisli÷i Bölümü
Elektrik-Elektronik Fakültesi
østanbul Teknik Üniversitesi, 34469, Maslak, østanbul
1
2
e-posta: [email protected]
e-posta: [email protected]
Anahtar sözcükler:Devreler ve Sistemler, Akım øúlemsel Kuvvetlendiricisi, Akım Modlu Devreler
ABSTRACT
This paper presents a current mode operational
amplifier (COA) which utilizes a simple and straight
forward design approach. The COA circuit is also
very compact and has shown good characteristics in
SPICE simulations. In order to show the functionality
of the COA proposed, the circuit is used for
realization of a previously reported second order
current mode low pass filter.
gösterilmiútir. Fark giriúli, simetrik çıkıúlı bir akım
iúlemsel kuvvetlendiricisinin tanım ba÷ıntıları
matrissel olarak úöyle ifade edilir:
1. GøRøù
Son yıllarda akım modlu devreler üzerine yapılan
çalıúmalar yo÷unlaúmakta, analog devre bloklarının
gerçekleútirilmesinde gerilim modlu devrelerin
yerlerine yeni akım modlu
devre çözümleri
önerilmektedir. [1-6]. Buna paralel olarak, iúlemsel
geçiú iletkenli÷i kuvvetlendiricisi (OTA), çift çıkıúlı
iúlemsel geçiú iletkenli÷i kuvvetlendiricisi (DO-OTA),
akım taúıyıcı (CCII), dört uçlu yüzen nulör (FTFN),
çok çıkıúlı akım taúıyıcı (DO-CCII) gibi akım modlu
olarak çalıúan yeni aktif elemanlar da güncel hale
gelmekte, bu aktif elemanları kullanan yeni devre
yapıları öne çıkmaktadır.
Akım modlu devre uygulamalarının bir di÷er örne÷i
ise akım iúlemsel kuvvetlendiricisi (COA) olarak
adlandırılan klasik iúlemsel kuvvetlendiricinin akım
modlu eúleni÷idir.
Bu bildiride fark giriúli, simetrik çıkıúlı bir akım
iúlemsel kuvvetlendiricisi n-kuyulu 0.5µm CMOS
teknolojisi kullanılarak tasarlanmıútır. Tasarlanan
devrenin baúarımı, daha önce literatürde yayınlanmıú
olan ikinci dereceden bir alçak geçiren süzgeç yapısı
üzerinde gösterilmiútir.
2. COA TANIM BAöINTILARI
ùekil-1’de akım iúlemsel kuvvetlendiricisi úematik
olarak verilmiútir. Eleman úematik olarak ùekil-1'de
(1)
Bu ba÷ıntılarda K açık çevrim akım kazancıdır; VIN+,
VIN- ,IIN+, IIN-büyüklükleri giriú uçlarının, VO+,
VO-, IO+, IO- büyüklükleri de çıkıú uçlarının gerilim
ve akımlarını göstermektedir.
ùekil 1 COA sembolü
3.
CMOS
AKIM
KUVVETLENDøRøCøSø
øùLEMSEL
Akım iúlemsel kuvvetlendiricisi elde etmenin de÷iúik
yolları bulunmaktadır. Fakat bunlardan bir geçiú
direnci ve bir de geçiú iletkenli÷i kazanç katının ardı
ardına ba÷lanması ile akım iúlemsel kuvvetlendiricisi
elde etme yöntemi basitli÷i ve iki katlı yapılara
uygunlu÷u bakımından bu çalıúmada tercih edilmiútir.
Böyle bir akım iúlemsel kuvvetlendiricisinin blok
diyagramı ùekil-2’de verilmiútir.
ùekil 2 øki katlı COA blok diyagramı
Rm geçiú direnci katı akım olarak aldı÷ı giriúlerin
farkını alıp kuvvetlendirir ve bunun yanında akım
iúareti ara dü÷ümlerde gerilime çevrilip çıkıúta gerilim
olarak geçiú iletkenli÷i kuvvetlendirici kata aktarılır.
Geçiú iletkenli÷i kuvvetlendirici kat bu gerilim
iúaretini alıp dengeli iki akım çıkıúına çevirir ve
böylece akım iúlemsel kuvvetlendiricisinin istenen
iúlevleri yerine getirmesi sa÷lanmıú olur. Ara
dü÷ümdeki Cc kapasitesi ise kompanzasyonu sa÷lar
[7].
ùekil 3 øki katlı fark giriúli simetrik çıkıúlı akım iúlemsel kuvvetlendiricisi
Aúa÷ıda devrede kullanılan transistorlara iliúkin
boyutlar verilmiútir.
Tablo-1. Transistor boyutları
M11=150u/1u
M1=110u/4u
M12=110u/4u
M2=150u/1u
M13=150u/1u
M3=150u/1u
M14=150u/1u
M4=150u/1u
M15=500u/1u
M5=150u/1u
M16=150u/2u
M6=150u/1u
M17=150u/2u
M7=150u/1u
M18=50u/2u
M8=150u/1u
M19=50u/2u
M9=150u/1u
M20=30u/1u
M10=150u/1u
Tasarlanan devrede ilk olarak göze çarpan devrenin
basitli÷i ve fazladan transistor kullanılmamasıdır.
Böylece hem kırmık alanından kazanılmıú hem de ek
transistorların
getirece÷i
parazitik
etkilerden
kurtulunmuútur. Devre daha önce anlatıldı÷ı gibi bir
geçiú direnci katı ile bir geçiú iletkenli÷i
kuvvetlendiricisinin ardı ardına ba÷lanmasından
oluúmuútur. M1-M14 transistorları devrede geçiú
direnci katını oluútururlarken M15-M20 transistorları
klasik Arbel ve Goldmitz [8] geçiú iletkenli÷i
kuvvetlendirici katı oluútururlar. Geçiú direnci katı
giriú fark akımlarını ara bir gerilime çevirip bu
gerilimle çıkıú katını sürer. Devrede bu ara nokta M5
transistorunun sava÷ının ba÷lı oldu÷u dü÷ümdür.
Dikkat edilirse devredeki tek baskın kutupta bu
dü÷ümden gelmektedir. Çünkü burası yüksek
empedanslı bir dü÷ümdür ve devrenin kazancında da
etkilidir. Bu nokta A ile gösterilip bu noktanın
empedansı RA ile bu noktaya ba÷lı kompanzasyon
kapasitesi CA ile gösterilecek olursa devrenin fark
kazancı ve bu dü÷ümden gelen kutup ile ilgili
eúitlikler devredeki kaskod akım aynalarının akım
yansıtma oranlarının bir oldu÷u da göz önünde
bulundurularak aúa÷ıdaki úekilde verilir [9].
K dm
§ gm gm18 ·
RA ¨ 16
¸
2
©
¹
fp
1
2SRAC A
(2)
(3)
3. BENZETøM SONUÇLARI
Bu bölümde devreyle ilgili
SPICE benzetim
sonuçlarına yer verilmiútir. Devre 0.5µm MIETEC
parametreleri ile gerçeklenmiútir. Besleme gerilimleri
±2.5V olarak alınmıútır.
Kutuplama gerilimleri
Vb1=+1.2V, Vb2=-1.2V ‘dur. Devrenin ilk olarak DC
ve AC karakteristikleri verilmiú daha sonra sinüs ve
darbe yanıtları gösterilmiútir.
2.0A
1.5A
1.0A
500uA
0.5A
0A
1.0Hz
I(Io2)
100Hz
I(Io2)
I(Iin)
10KHz
1.0MHz
100MHz
10GHz
Frequency
ùekil 7 Kompanzasyonlu ve kompanzasyonsuz
durumda kapalı çevrim frekans e÷rileri
0A
120M
-500uA
-600uA
I(Io1)
-400uA
I(Io2)
-200uA
0uA
I_Iin
200uA
400uA
600uA
80M
ùekil 4 DC geçiú e÷risi
500uA
40M
0
1.0Hz
Zo
0A
100Hz
10KHz
1.0MHz
100MHz
10GHz
Frequency
ùekil 8 Devrenin çıkıú empedansı
100uA
-500uA
-600uA
I(Iin)
-400uA
I(Io2)
-200uA
0uA
I_Iin
200uA
400uA
600uA
50uA
ùekil 5 DC giriú çıkıú karakteristi÷i
0A
1.0GA
-50uA
1.0MA
-100uA
0s
1.0KA
I(Io2)
I(Iin)
0.5us
1.0us
Time
1.5us
2.0us
1.5us
2.0us
ùekil 9 Devrenin sinüs cevabı
1.0A
1.0mA
1.0Hz
I(Io1)
I(Io2)
100Hz
10KHz
1.0MHz
100MHz
10GHz
100uA
Frequency
ùekil 6 Devrenin AC karakteristi÷i
50uA
10MA
0A
1.0A
SEL>>
1.0mA
M(I(Io2))
0d
-50uA
0s
-200d
I(Iin)
I(ıo2)
0.5us
1.0us
Time
ùekil 10 Devrenin darbe cevabı
-400d
1.0Hz
P(I(Io2))
100Hz
10KHz
1.0MHz
Frequency
100MHz
ùekil 8 Devreye iliúkin Bode diyagramı, modül ve faz
e÷rileri
10GHz
Benzetim sonuçlarından devrenin yüksek kazançlı,
geniú bandlı ve yüksek çıkıú dirençli olarak
davrandı÷ı görülmektedir. Grafiklerden görüldü÷ü
gibi devre giriúine uygulanan 1MHz frekanslı tepeden
tepeye 200µA genlikli sinüs iúareti düzgün bir úekilde
izlemektedir. Devrenin giriúine 100uA’ lik bir darbe
iúareti uygulandı÷ında ise devrenin
ileri yönde
yükselme e÷imi 100µA/11ns olmaktadır. Aúa÷ıda
devrenin benzetim sonuçları verilmiútir.
Tablo-2 Benzetim sonuçları
Besleme
+2.5V -2.5V
Kompanzasyon
(1 adet) 0.6pF
kapasitesi
Birim kazanç band
60MHz
geniúli÷i
Faz payı
68°
Açık çevrim kazancı
123dB
Giriú akımı salınımı
§ +100µA -400µA
Giriú dengesizlik akımı -0.2µA
Güç tüketimi
4.7mW
Yükselme e÷imi
100µA/11ns
Giriú Direnci
2kŸ
Çıkıú Direnci
115MŸ
4.
ALÇAK
DEVRESø
GEÇøREN
ùekil 10 Alçak geçiren süzgeç devresi
1.0A
0.5A
SÜZGEÇ
Bu bölümde, tasarlanan devre Kılınç ve Çam
tarafından daha önce önerilmiú olan bir alçak geçiren
süzgeç devresine uygulanmıú [10] ve SPICE benzetim
sonucu verilmiútir. Akım iúlemsel kuvvetlendiricisi ile
oluúturulan ikinci dereceden alçak geçiren süzgeç
devresi ùekil-10’de görülmektedir [10]. Bu devre ile
ilgili eúitlikler aúa÷ıda gösterilmiútir:
H (s)
G1G2
C1C2 s 2G2C1s G1G2
2
fark edilebilece÷i gibi, Devre beklenen alçak geçiren
süzgeç karakteristi÷ini düzgün bir biçimde
sa÷lamaktadır.
(4)
Zo
G1G2
C1C2
(5)
Q
1 G1C2
2 G2C1
(6)
1.0Hz
10KHz
100KHz
1.0MHz
10MHz 100MHz
5. SONUÇ
Yapılan çalıúmada basit ve kullanıúlı bir devre
topolojisi
kullanarak
bir
akım
iúlemsel
kuvvetlendiricisi tasarlanmıú devrenin baúarımı SPICE
benzetimi ile gösterilmiútir. Devre özellikle akım
modlu yapıların gerçeklenmesi için son derece
uygundur. Ayrıca devre alçak geçiren bir süzgeç
yapısında kullanılmıú ve buna iliúkin SPICE benzetimi
de gösterilmiútir.
6. KAYNAKLAR
Devre transfer fonksiyonun verildi÷i gibi olabilmesi
için gerekli koúul
olmasıdır. Devrede R1=2k, R2=1k, C1=0.5n, C2=0.5n
olarak alınmıútır. økinci derece süzgeç için SPICE
benzetim programı ile elde edilen frekans
karakteristi÷i ùekil-11’de verilmiútir. ùekil-11’den
1.0KHz
ùekil 11 økinci dereceden alçak geçiren süzgecin
frekans e÷risi
[1]
(7)
100Hz
Frequency
[2]
G1 (C1 C2 ) G2C1
10Hz
[3]
Senani R., New Current-Mode Biquad Filter,
INTERNATIONAL
JOURNAL
OF
ELECTRONICS, Vol 73, Iss 4, pp 735-742,
1992.
Horng J. W., Lee M. H., Hou C. L., Universal
Active-Filter Using 4 OTAs and One CCII,
INTERNATIONAL
JOURNAL
OF
ELECTRONICS, Vol 78, Iss 5, pp 903-906,
1995.
Abuelma'atti M. T., Shabra A. M., A Novel
Current Conveyor-Based Universal CurrentMode
Filter,
MICROELECTRONICS
JOURNAL, Vol 27, Iss 6, pp. 471-475, 1996.
[4]
[5]
[6]
[7]
Chang C. M., Novel Universal Current-Mode
Filter with Single-Input and 3 Outputs Using
Only 5 Current Conveyors, ELECTRONICS
LETTERS, Vol 29, Iss 23, pp 2005-2007,
1993.
Abuela'atti M. T., Al-Qahtani M. A., CurrentMode Universal Filters Using Unity-Gain
Cells, ELECTRONICS LETTERS, Vol. 32, no.
12, pp. 1077-1078, 1996.
Güneú E. O., Anday F., Realisation of CurrentMode Universal Filter Using CFCCIIps,
ELECTRONICS LETTERS, Vol 32, Iss 12,
pp. 181-1082, 1996.
Eyad Abou-Allam and Ezz I. El-Masry, A 200
MHz Steered Current Operational Amplifier in
1.2-µm CMOS Technology, IEEE Journal of
Solid-State Circuits, vol 32 no 2, February
1997.
[8]
[9]
[10]
A.F. Arbel and L.Goldminz, Output Stage for
Current-feedback amplifiers, theory and
Applications,
Analog Integrated Circuits
and Signal Processing, 2, pp 243-255, 1992
Kuo-Hsing, Cheng, Huei-Chi Wang, Design of
Current Mode Operational Amplifier with
Differrential –Input and Differential- Output,
IEEE International Symposium on Circuits and
Systems, 1997 June 9-12 Hong Kong .
S.Kılınç, U.Çam ,Akım modlu alçak ve yüksek
geçiren
süzgeçlerin
akım
iúlemsel
kuvvetlendiricisi ile gerçeklenmesi ElektrikElektronik-Bilgisayar Müh. 10. Ulusal
Kongresi Bildiri Kitabı, Cilt II, 314-317, 18-21
Eylül, 2003 østanbul,