Geri Dön

New possibilities in the design of CMOS frequency agile filters

Frekans atik süzgeçlerin tasarımında yeni olanaklar

PDF İndir

  1. Tez No: 467279
  2. Yazar: ERSİN ALAYBEYOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HULUSİ HAKAN KUNTMAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 142

Özet

İletişim teknolojileri hayatımızın vazgeçilemez bir parçasıdır. İletişim teknolojilerinin temelini oluşturan elektronik düzenlerin tasarımı temel olarak sayısal devre tasarımı ve analog devre tasarımı olarak iki grupta incelenebilir. Sayısal devrelerin kullanımı analog devrelere kıyasla gün geçtikçe daha da artmaktadır. Bununla birlikte analog devre tasarımı anahtar-kilit ilişkisinde anahtar görevini üstlenmektedir. Günümüzde kullanılan elektronik düzenlerin dış dünya ile temasları analog devre elemanlarıyla mümkün olabilmektedir. Bunun en göze çarpan örnekleri kullandığımız iletişim araçlarındaki alıcı-verici devreleri, biyomedikal uygulamalar, askeri uygulamalar vs. şeklinde sıralanabilir. Netice olarak, analog devre tasarımı gün geçtikçe gelişen elektronik uygulamalara göre yeniden yeniye tasarlanmaya devam etmektedir. Örneğin 20-30 yıl öncesinde telefonlar sadece arama yapmak için kullanılmakta iken şimdi ise adeta küçük bir bilgisayar gibi ceplerimizin vazgeçilmezi olmuştur. Elbette ki bu yeni telefonunun alıcı-verici devresi de yeni bir tasarımla gerçeklenecektir ki bu yeni alıcı-verici devresine çok fonksiyonlu alıcı-verici devresi denilmektedir. İletişim teknolojilerinde çok fonksiyonlu alıcı-verici devrelerin tasarımı oldukça önem kazanmıştır. Esnek kullanım özelliği ile çok fonksiyonlu alıcı-verici devreler iletişim teknolojisinin vazgeçilmezi haline gelmiştir. Çok fonksiyonlu alıcı-verici devre yapısı tasarlanan devrenin evrenselliğini artırmaktadır ve bu sayede birçok uygulama tasarlanan tek bir yonga ile çalışabilmektedir. Örneğin, dördüncü nesil iletişim sistemi (4G) için tasarlanan devre birden fazla iletişim standardına uygun çalışabilmelidir {GSM, GPS, WCDMA, Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n), WiMAX, Bluetooth, Zee Bee and Ultra Wideband (UWB)}. Adı geçen uygulamalar 4G hücresel sistemi için olması gereken uygulamalar olarak kabul edilebilir. Dolayısıyla tasarlanan çok fonksiyonlu alıcı-verici devresinin tüm bu standartlara uygun çalışabiliyor olması gerekir. Çok fonksiyonlu alıcı-verici devrelerin bir kısım analog tasarımları, özellikle bant geçiren süzgeç ve osilatör devrelerinin ayarlanabilir olması çok önemlidir. Ayarlanabilir süzgeç devresi frekans atik süzgeç olarak isimlendirilebilir. Frekans atik süzgeç devresi farklı protokolle çalışan sistemlerin tek bir süzgeç yapısı ile algılanabilmesine olanak sağlar. Söz konusu devre yapısı farklı konum belirleme sistemlerinin tek bir devre yapısı ile algılanabilmesini de sağlamaktadır. (GPS, Beidou, GNSS and Galileo) adı geçen konum belirleme sistemleri farklı frekanslarda çalışmaktadır ve bu farklı sistemlerdeki veriler çok fonksiyonlu alıcı verici devresi ile tek bir devre ile işlenebilir. Bununla birlikte, frekans atik süzgeç askeri uygulamalarda ve şifreli haberleşmede kullanılan frekans sıçrama sistemlerinde de kullanılmaktadır. Şifreli haberleşme temel olarak bit seviyesinde ve frekans seviyesinde yapılmaktadır. Bit seviyesinde yapılan şifreleme kod algoritmalarının şifrelenmesi istenen bilgiye uygulanması ile gerçekleştirilir. Frekans seviyesinde şifreleme temel olarak frequency hopping spread spectrum (FHSS) ve direct-sequence spread spectrum (DSSS) sistemleriyle gerçekleştirilmektedir. HAVEQUICK ve SINCGARS frekans seviyesinde yapılan şifreli haberleşme yöntemine örnek olarak verilebilir. Tez kapsamında HAVEQUICK ve SINCGARS uygulamaları için kullanılabilecek frekans atik süzgeç devreleri önerilecektir. Literatürde akım modlu devre tasarımı ayrıntılı bir şekilde irdelenmiştir. Akım modlu devre tasarımının gerilim modlu devre tasarımlarına kıyasla bazı büyük avantajları vardır. Geniş bant genişliği, geniş dinamik alan ve düşük besleme gerilimi ile çalışan basit devre yapısı akım modlu devre tasarımının bazı avantajları olarak sıralanabilir. Bununla birlikte bazı gerilim modlu devrelerin de akım modlu devrelere göre bazı avantajları vardır. Örneğin, akım modlu bir süzgeç tasarımında süzgeç çıkışları yüksek empedanslı olmak zorundadır ve gerilim modlu devrelerde böyle bir durum söz konusu değildir. Yapılan çalışmada bir kısım devreler akım modlu bir kısım devreler de gerilim modlu olarak tasarlanmıştır. Tezde temel olarak dört farklı metot ile frekans atik süzgeç tasarımı yapılmıştır. Birinci metot ile tasarlanan frekans atik süzgeç yapısında geri besleme kullanılmıştır. Bu yöntem geçmişte tasarlanmış alçak geçiren ve bant geçiren çıkışlarına sahip ikinci derece klasik süzgeç yapılarına uygulanabilir. Bu yöntemle alçak geçiren süzgeç çıkışı girişe bir kazanç ile geri beslenir. Geçmişte önerilmiş bu yöntem ile CDTA ve ECCII yapıları ile tasarlanmış ve GPS ile SINCGARS uygulamalarına yönelik olarak yeni iki farklı devre önerilmiştir. Bu kısımda tasarlanan devreler AMS 0.18µm teknolojisi kullanılarak tasarlanmıştır. CMOS teknolojisi BiCMOS teknolojisine kıyasla daha düşük üretim maliyetine sahiptir. Bu kısımda önerilen devre yapıları üretim maliyetleri açısından bakıldığı zaman önceden önerilen yapılara göre daha avantajlıdır. İkinci metotta frekans atik süzgeç tasarımı MOS-Only yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. MOS-Only ile tasarlanan frekans atik süzgeç yapıları ilk olarak bu tez kapsamında önerilerek literatüre kazandırılmıştır. MOS-Only yöntemi transistörlerin parazitik kapasite ve gm (transcondutance) değerlerini kullanarak tasarlanır. MOS-Only yöntemi halan kullanılmakta olan MOS capacitör'un bir değişik uygulaması olarak da düşünülebilir. MOS-Only yöntemi ile tasarlanan frekans atik süzgeç devresinde bir önceki yöntemde söylenildiği gibi en az bir tane alçak geçiren ve bant geçiren süzgeç çıkışı olmalıdır. Aynı zamanda alçak geçiren süzgeç çıkışına sahip olan transistör giriş transistörünü doğrudan ya da dolaylı olarak etkilemelidir. Bu kısımda tasarlanan devreler GPS ve SINCGARS uygulamalarında kullanılmak üzere önerilmiştir. TSMC 0.18µm teknolojisi kullanılmıştır. Üçüncü yöntemde iki farklı VDTA (Voltage Differencing Transconductance Amplifier ) tabanlı frekans atik süzgeç yapısı önerilmektedir. Bu yöntem gm-C süzgeç yapısı olarak sınıflandırılabilir. Bu yapıda ulaşılması gereken atiklik geçiş iletkenliğini ve kapasite değerini değiştirerek elde edilmiştir. Bu kısımda tasarlanan devreler HAVEQUICK için önerilmiştir. HAVEQUICK 225-400MHz frekans aralığında çalışmaktadır. Literatürde bahsedilen frekans aralığı için önerilmiş ve CMOS yapı blokları ile tasarlanmış süzgeç yapılarına bakıldığında tasarlanan devrelerin bu alan için önerilmiş ilk yapı olduğu anlaşılabilir. Bu kısımda tasarlanan devreler de AMS 0.18µm teknolojisi kullanılmıştır. Son yöntemde geçiş iletkenliği ayarlanabilir yükselteç tasarımı için yeni bir yöntem önerilmiştir. Önerilen bu yeni yöntem hücre bazlı geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (cell-based variable transconductance amplifier {cell-based VTA}) olarak isimlendirilebilir. Aslında bu yeni fikrin ilham kaynağı hücre bazlı ayarlanabilir yükselteç (cell-based variable gain amplifier(VGA)) yapısı olmuştur. Önerilen bu yeni VTA yapısı geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisinin (OTA) CMOS gerçekleme yapısı olarak kullanılmıştır ve bu sayede OTA tabanlı yeni bir yeniden ayarlanabilir alçak geçiren süzgeç yapısı tasarlanmıştır. Tasarlanan bu yeni hücre tabanlı kazancı ayarlanabilir yükselteç yapısı gerilim modlu ve akım modlu iki farklı ABB alçak geçiren süzgeç uygulaması ile test edilmiştir. ABB alçak geçiren süzgeç yapıları genel olarak tüm devre üzerinde çok yer kaplamaktadır. Bunun temel sebebi ABB alçak geçiren süzgeçlerin çok düşük frekanslar ile yüksek frekansları aynı devrede gerçeklemek zor bir tasarım olduğundan kaynaklanmaktadır. Bu kısımda tasarlanan frekans atik devre yapısının geniş bir frekans aralığında çalışması ve yonga üzerinde az alan kaplaması devrenin sahip olduğu en önemli avantajıdır. Bununla birlikte tasarlanan frekans atik süzgeç yapısı çok düşük frekansları destekleyebildiği (20kHz) gibi yüksek frekansları (50MHz) da düşük güç tüketimi ile destekleyebilmektedir. Önerilen hücre bazlı geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi yapısındaki hücre sayısı artırılarak daha yüksek frekanslar önerilen süzgeç yapısı ile desteklenebilir. ABB uygulaması için 20kHz-20MHz bant aralığı yeterli olmaktadır. Bu kısımda tasarlanan devre de TSMC 0.18µm teknolojisi kullanılmıştır. Tezde önerilen bütün devrelerin serimi ve serim sonrası benzetimleri CADENCE ortamında gerçekleştirilmiştir. Tezde önerilen devrelerin elektronik tasarımcıları için yeni olanaklar sunması temenni ediyorum.

Özet (Çeviri)

Telecommunication is widespread in all areas of society. Although digital signal processing emerges on analog counterpart, analog signal processing is an indispensable part of telecommunication. For example, analog filtering is one of the most important unavoidable function of transceiver architectures. Nowadays, the new telecommunication techniques have increased the importance of multi-standard transceivers to realize more flexible transmitters and receiver blocks. Multi standard transceivers increase the universality of the designed transceiver circuit for all applications to implement on a single chip. For example, for more convenience 4G cellular system transceivers must be suitable for more than one standard for best connectivity. GSM, GPS, WCDMA, Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n), WiMAX, Bluetooth, Zee Bee and Ultra Wideband (UWB), are certain prospective standards that can be considered as pieces in the circuit of the final wireless network. Some analog parts, especially band selection filter and oscillator of the multi-standard transceivers must be reconfigurable. The reconfigurable filter called as frequency agile filter is one of the background circuit multi-standard transceivers. The frequency agile filter allows to sense different protocols with only one circuit. Such a circuit can be a signal processing part of different positioning systems bands (GPS, Beidou, GNSS and Galileo) to process different positioning system protocols in the same circuit. Also, one of the most critical part of the Zero-IF receivers ABB is reconfigurable low pass filter. Furthermore, frequency agile filter can be considered as a part of frequency hopping system used in military applications for secure communication. Frequency hopping spread spectrum known as (FHSS) and direct-sequence spread spectrum (DSSS) are two types of encoding system. In FHSS transmission technology, the data signal is modulated with a narrowband carrier signal hopping arbitrarily frequency to frequency. The random modulation can be predictable by only the desired receivers. Instead of chopping each bit into small part, the signal energy is spread in time domain. The signal coming from narrowband system can only affect the spread spectrum signal in the case of the both signal transmitting at the same frequency at the same time. As a result of this technique, the interferences are reduced. The random hopping codes determine the transmission frequencies. The same random hopping code trigger the receiver to read the desired information. 75 or more frequencies per transmission channel with a maximum dwell time of 400ms are used by current FCC regulations. 400ms is the time spent at a particular frequency during any single hop. As a result, the frequency agile filters have great importance in the structure of multi-standard transceiver and the secure communications. The research about current-mode approach has been investigated in detail in the literature. Current mode circuits have some superior advantages compared to the voltage-mode circuits. Wide bandwidth, wide dynamic range and simple circuitry with lover voltage supplies are some advantages of current mode circuits. In this work, some circuits designed with current mode to profit its advantages and some circuits designed with voltage mode to take advantage of its advantages. The thesis is essentially composed of four different methods to design frequency agile filter. In the first method, frequency agile filter is designed with feedback technique. This method can be applicable to the conventional second order filters which has at least two outputs; low pass and band pass. The low pass output is fed back to the input by passing through a gain stage. This gain stage can be ECCII (Electronically Controllable Second Generation Current Conveyor), CCII (Second Generation Current Conveyor), CDTA (Current Differencing Trans conductance Amplifier) or etc., In this chapter, a new implementation of frequency agile filter based on CDTA and ECCII is presented. AMS 0.18µm technology is used to design the proposed circuits in this section. The designed circuits in this part is proposed for GPS protocols and Single Channel Ground and Airborne Radio System (SINCGARS). In the second method; frequency agile filter is designed with MOS-Only technique. The frequency agile filter designed with MOS-Only circuit is firstly proposed in the concept of this thesis. The core of this design is constructed over the previous method. Because of that, the recommended MOS-Only circuit also must have at least low pass and band pass outputs. The most critical property of the MOS-Only circuit is that the low pass output must flow directly or indirectly to the input. TSMC 0.18µm technology is used to design the proposed circuits in this section. In the third method, two different VDTA (Voltage Differencing Transconductance Amplifier) based frequency agile filter circuits are recommended. This method can be classified as gm-C filter. The agility is realized by changing the transconductance or the capacitance of the filter. Second example of this method is realized with MOS-capacitance. The operations of the designed circuits at high frequencies are proved with post-layout simulations. The designed circuits in this part are proposed for HAVE QUICK. AMS 0.18µm technology is used to design the proposed circuits in this section. In the last method, a new method to design variable transconductance amplifier (VTA) is proposed. This new cell-based VTA is inspired from cell based variable gain amplifier. Furthermore, the CMOS implementation of the Operational Transconductance Amplifier is realized with this new VTA circuit. Two new reconfigurable Analog Baseband low pass filters for Zero-IF receivers are proposed by the aid of this new cell-based VTA structure. One of them operates voltage mode, the other operates current mode. The designed frequency agile filters can operate in large spectrum. Also, the operating frequency of the filter can support very low frequency (e.g. 20kHz) and high frequency (e.g. 50MHz) with low power dissipation. The design of these circuits are realized with TSMC 0.18µm technology. All circuit layout and post-layout simulations are realized in CADENCE environment. It is desirable that the designed circuits give new opportunities to the electronic designers.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    381903

    CMOS OTA tabanlı endüktans, direnç benzetimi devreleri ve uygulamaları

    CMOS OTA based inductance, resistance simulator circuits and applications

    CANKURT KUL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HULUSİ HAKAN KUNTMAN

  2. Tez No

    874473

    MEMS sensor platform for vital monitoring under mri and intraocular pressure measurement

    Yaşamsal işaretlerin ve göz içi basıncın ölçülmesine yönelik MEMS basınç ölçer platformunun geliştirilmesi

    PARVIZ ZOLFAGHARI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU

  3. Tez No

    105336

    Yüksek performanslı DO-OTA ile analog devre tasarımında yeni olanaklar

    New possibilities in the analogue circuit design with high performance DO-OTA

    SERDAR MENEKAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2001

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYTEN KUNTMAN

  4. Tez No

    127208

    CMOS analog çarpma devrelerinde harmonik distorsiyonun azaltılmasına yönelik yeni topolojiler

    New topologies for reducing harmonic distortion in CMOS analog multiplier circuits

    RIZA CAN TARCAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN KUNTMAN

  5. Tez No

    325654

    Yüzen geçit mos transistorün analog devre uygulamaları

    Floating gate mos transistor's analog circuit applications

    ARZU İSMAİL YEŞİL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FIRAT KAÇAR

Geri Dön