Kazanç kontrollü kuvvetlendiricilerde lineer olmama distorsiyonunu azaltmak üzere analog çarpma devresi yapılarında yeni değişiklikler
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 55791
- Danışmanlar: PROF.DR. HAKAN KUNTMAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1996
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 140
Özet
©ZET KAZANÇ KONTROLLÜ KUWETLENDİRİCİLERDE LİNEER OLMAMA DİSTORSİYONUNU AZALTMAK ÜZERE ANALOG ÇARPMA DEVRESİ YAPILARIMDA YENİ DE?İŞİKLİKLER Birçok devre ve sistem uygulamalarında İM sinyalin doğrusal çarpımı olan bir analog sinyal gerekmektedir. Analog çarpma devresi bu işlemi yapabilen bir devre bloğudur. Bundan dolayı analog çarpma devreleri, analog sinyal işleme, ölçme ve haberleşme devreleri gibi geniş bir alanda kullanîmaktadır. Lineerîik böyle bir devre bloğunun doğru sonuç vermesini etkileyen önemli faktörlerden birisidir. Bir elektronik devrede lineer olmamanın önemli bir ölçüsü lineer olmama harmonik distorsiyonudur. Devre tasarımcıları elektronik devrelerin harmonik distorsiyon özelliklerini analiz ederken temelde iki ayrı metot Icullanmaktadırlar. Bunlardan birisi simulasyon programlan ile nümerik analiz yöntemi, diğeri doğru gerilim transfer fonksiyonunun Taylor serisine açılımıdır. Bu tezde temel yapı taşı fark kuvvetlendiricisinden başlayarak bipolar geçiş iletkenliği çarpma devresi yapılarının harmonik distorsiyonu özellikleri mcelenrniştir. Bipolar transistor için yüksek doğruluklu bir model kullanılarak çarpma devresi yapılarında klasik Gummel-Poon modeli ile hesaplanamayan ve bu modeli kullanan alışılmış SPICE programı ile simulasyonda görülmeyen belirli distorsiyon özellikleri çıkartılmıştır. Elde edilen sonuçlar temel alınarak performans iyileştirmesi yönünde değişiklikler yapılmış ve çok düşük distorsiyonîu yeni devre topolojileri önerilmiştir. Harmonik distorsiyonu, lineer olmamanın bir başka sonucu olan intermodülasyon distorsiyonu ile ilişkilidir, bundan dolayı harmonik distorsiyonu için ve harmonik distorsiyonunu minimum yapan koşullar için elde edilen sonuçlar intermodülasyon distorsiyonu için de geçerlidir. Bölüm 2 analog çarpma devrelerine kısa bir giriş yaptıktan sonra elektronik analog çarpma tekniklerini özetlemekte ve çarpma devreleri için performans kriterleri vermektedir. Geçiş iletkenliği çarpma devrelerine giriş yapıldıktan sonra. bu tip çarpma de welerinin kısa bir geçmişi verilmiştir. Bölüm 3 de yüksek doğruluklu model tanıtılmıştır. Bu model tranzisîörde lineer olmama kaynaklarından birisi olan Early oîaymın temsili yönünden klasik Gummel- Poon modelinden ayrılmaktadır. Early gerilimi VA kullanılarak yapılan geometrik yaklaşım yerine, kullanılan model Early olaymm fiziğini göz önüne alarak olayı ikiayrı parametre ile temsil etmektedir. Disîorsiyon analizi ile ilgiîi daha önceki yayınlardaki sonuçlar bu modelin ahşdmış modele göre belirli üstünlüklerini ortaya koymuştur. Model aşağıdaki koşullan varsaymaktadır ; 1. Emetör verimi çok yüksek (y s 1) 2. Baz genişliği yeteri kadar küçük, dolayısıyla ftF »1 3. Emetör-Baz jonksryomı geçiş bölgesinin baz içindeki bölümünün genişliği, baz genişliği yamnda amal edilebilecek kadar küçüktür. 4. Ters kutuplama halinde tıkama yönündeki emetör-baz geriliminin sebep olduğu Early olayı ihmal edilecektir. Modelin denklemleri Bölüm 3 de verilmiştir. Nonlineer disîorsiyon analizi için modelin doğruluğunu artırmak amacryla belirli iyileştirmeler yapılmış, tranzistörü aktif bölgede onbir model parametresi ile temsil eden, bilgisayar destekli harmonik distorsiyonu analizine uygun bir model önerilmiştir. İlave iyileştirmeler, yüksek doğruluğa yönelik değişiklikleri içermektedir ve model yüksek doğruluklu simulasyonlar için önceki bir çalışmada SPICE programının içine yerleştirilmiştir. Bölüm 4 de geçiş iletkenliği analog çarpma devrelerinin temel yapı bloğu olan fark kuvvetlendiricisi incelenmiş ve alışılmış SPICE modeli ile elde edilemeyen belirli disîorsiyon özellikleri elde edilmiştir. Toplam harmonik distorsiyonunu minimum yapan bir optimum çalışma noktası olduğu görülmüştür ve toplam harmonik distorsiyonunu belirleyen üçüncü harmonik distorsiyonu için bir analitik ifade verilmiştir. Minimum disîorsiyon noktasının hesaplanan değerinin ölçü sonuçlan ile iyi bir uyum içinde olduğu gösterilmiştir. Karşılaştırma için SPICE daki Gummel-Poon modeli ile çözüm de verilmiş ve bu modelin çözümünün bir optimum çalışma noktası vermediği gösterilmiştir. Sonuçların baz ve emetör dkençlerinin dahil edilmesiyle değişimi gösterilmiş ve distorsiyon hesabı için gerekli kuvvet serisi katsayılan bulunmuştur. Fark kuvvetlendiricisi için emetör alanlarmm eşitsizliği nedeniyle oluşan dengesizlik durumundan kanaklanan distorsiyon özellikleri incelenmiş, baz ve emitter dirençleri ilavesiyle distorsiyonun nasl değiştiği gösterilmiştir. Bölüm 5 de dördüncü bölümde elde edilen sonuçlar simetri ve denge koşullan kaldırılarak geneUeştirilmiş ve disîorsiyon katsayılarmm dengesizlik durumu için değişimi araştırılmıştır. Benzer şekilde alçak enjeksiyon olaylarının etkisi de mcelenmiştir. Bölüm 6 da kollektörleri çaprazlanmış İM adet fark kuvvetlendiricisinden oluşan quad yapı için distorsiyon analizi yapılmış ve üçüncü harmonik distorsiy onunun çalışma noktası-emetör direnci çiftleri için sıfir geçişleri olduğu görülmüştür. Distorsiyonun emetör dejenerasyonu ve çalışma noktası ile değişimi tesbit edilmiştir. Distorsiyonun grafik gösterimi ve uygun çalışma noktalarının kolaylıkla seçilebileceği grafik örnekleri verilmiştir. İki adet dengesiz fark kuwetiendiricismden oluşan quad yapının distorsiyon özellikleri de incelenmiş ve ikinci harmoniğm büyümesine karşılık üçüncü harmoniğin dengesizliğin belli bir değeri için sıfir geçişi olduğu tesbit edilmiştir. xsBölüm 7 de önceki bölümlerde elde edilen sonuçlar ışığında performans iyileştirme önerileri getirilmiş, devre yapısalda değişiklikler ve yeni devre topolojileri önerilmiştir. Önceki bölümlerdeki hesaplamaların ve verilen grafiklerin kullanılışı gösterilmiş ve tasarım örnekleri verilmiştir. Bölüm 8 de simulasyon ve ölçü sonuçlan verilmiştir. Simulasyonlar için SPICE programının yeni bir versiyonu olan ve içine özel model yerleştirilebilen SHCE3C1 loulanıîmıştır. Maalesef bu program belirli devre elemanları ve parametrelerinin değişimine göre devre çıkışındaki etkilerin incelenmesine olanak vermemektedir. Bu problemin çözümü için bir bilgisayar programı yazılmış ve bu program devre ile ilgili bilginin bulunduğu girdi dosyası üzerinde, istenen değişikliklerin listesinin bulunduğu bir dosyaya göre gerekli değişiklikleri yaparak simulasyonu tekrarlamaktadır. Bu program yardımı üe devredeki çeşitli değişikliklere göre distorsiyonun değişimi gözlemlenmiştir. Yeni topolojiler kullanılarak tasarlanan devreler tarafından üretilen toplam narmontk distorsiyonun miktarları verilmiştir. Önerilen topolojilerin karakteristik eğrileri çalışmaya dahil edilmiş ve klasik tasarımlarla karşılaştırmaları verilmiştir. Çarpma devrelerinin optimum çalışma noktalan için band genişEkîeri de bulunmuştur. Sonuç olarak, türetilen ve doğrusal olmamanın bir ölçüsü olan harmonik distorsiyonu katsayılarını veren ifadelerin önerilen veya değişik çarpma devrelerinde tasarım koşullarına uygun şekilde kullanımı analog devre tasarımcısına yeni olanaklar getirecektir. Türetilen ifadelerin kullanımı geçiş flekenliğİ çarpma devreleri üe smırîı olmayıp ifadeler fark kuvvetlendiricisi vaya quad yapının bulunduğu çok çeşitli devrelere uygulanabilir. Yakm tarihli bir çalışmada klasik simetrik ve dengeli duruma karşıt olarak dengesiz fark kuvvetlendirici yapılarım kullanan yeni topolojilerin belirli üstünlükleri tesbit edilmiştir. Türetilen ifadeler genel şekilleri üe gelecekte bu devrelerin analiz ve tasarımında güçlü birer yardımcı olacaklardır. xn
Özet (Çeviri)
SUMMARY In many circuit or system applications it is necessary to obtain an analog signal which is linear product of two signals. Analog multiplier is a circuit block that can perform this operation. For this reason analog multipliers are used in a wide area like analog signal processing and measurement or communication circuits. One of the important factors limiting the accuracy of such a circuit block is linearity. An important measure of the nonlinearity of an electronic circuit is the nonlinear harmonic distortion. To analyze harmonic distortion properties of electronic circuits, circuit designers use basically two different techniques, namely numerical analysis with simulation programs or Taylor series expansion of the dc transfer characteristics. In this dissertation, nonlinear harmonic distortion properties of bipolar transconductance analog multiplier structures are analyzed starting from the basic building block which is the differential pair. Using a high-accurate model for the bipolar transistor, certain distortion properties of multiplier circuit structures are found which can neither be calculated nor observed by simulation with conventional SPICE which uses the classical Gummel-Poon model. Based on the obtained results, modifications towards performance improvement are made and different new circuit topologies with very low distortion are proposed. The harmonic distortion is related to intermodulation distortion [73], another consequence of nonlinearity, therefore the results and conditions obtained in this study for minimum harmonic distortion are also valid for intermodulation distortion. Chapter 2 gives a brief overwiev of the analog multipliers, analog multiplication techniques and performance criteria for multiplier circuits. An introduction to transconductance multipliers is made and a brief historical background for transconductance multipliers is given. In Chapter 3 the high-accurate model used in the analyses is introduced. It differs from the classical Gummel-Poon model in the representation of the Early effect which is one of the sources of nonlinearity in the transistor. Instead of the geometrical representation with the Early voltage VA [60], the used model describes the Early effect in a different way with two parameters considering the physical source of the phenomenon [8]. The results obtained in the previous publications [8,23,24] related to distortion analysis show that this model has certain superiorities over the conventional model The model assumes the following conditions [8] ; 1. Emitter injection efficiency is too large.( y = 1) 2. Base-width is sufficiently small thus fiF »13. The width of the portion of the space charge layer of base-emitter junction in the base is negligible in comparison to the base width. 4. The Early effect due to reverse biasing of the emitter-base junction is neglected. The equations of the model are given in Eq. 3.6-3.9. To increase the accuracy of the model for nonlinear distortion analysis, certain improvements are made later [13], and a model suitable for computer-aided nonlinear harmonic distortion analysis with eleven model parameters representing the transistor in the active region is proposed. Further improvements [18], include modifications towards higher accuracy and the model is implemented in a previous work into the SPICE simulation program [24] for high-accurate simulations. In Chapter 4, the differential pair, the basic building block of transconductance analog multiplier is analyzed and distortion properties which are not obtainable with conventional SPICE model is described [26]. An optimum operating point which makes the total harmonic distortion is observed. An analytical expression for the third harmonic distortion which determines the total harmonic distortion is given. It is shown that the computed value of the minimum distortion point agrees well with the measurement results. A comparison with the SPICE modified Gummel-Poon model solution, which does not give a certain operating point with minimum distortion is also included. The change of the results with inclusion of base and emitter resistances is shown and power series coefficients for the calculation of distortion are given. The distortion properties with the unbalance conditions of the pair due to emitter area mismatches is examined and the change of distortion with inclusion of base and emitter resistances illustrated. In Chapter 5 the results obtained in Chapter 4 are generalized removing any symmetry and balance conditions; and the change in distortion coefficients due to unbalance condition resulting from non-symmetry of base and emitter resistances is discussed. The influence of low injection effects are examined similarly. In Chapter 6 distortion analysis for the quad configuration consisting of two pairs with cross coupled collectors is made and a zero crossing of the third harmonic distortion for certain operating point-emitter resistance pairs are determined. A change of distortion with both emitter degeneration and operating point is observed. Graphical representations and charts are given where minimum distortion point can easily be chosen. Distortion properties of the quad configuration consisting of two unbalanced pairs is examined. Again a zero crossing of the third harmonic distortion for a specific amount of unbalance, in expense of an increase in second harmonic is observed. In Chapter 7 different recommendations towards performance improvements are suggested and novel circuit modifications and topologies for low distortion analog multiplication are proposed in light of the previous results. The use of the previous calculations and the given charts is illustrated and design examples are given. In Chapter 8 simulation and measurement results are given. For the simulations a recent 'version of SPICE, SPICES CI which allows the user to implement different models into the program is used. Unfortunately this simulator does not allow the vmchange of certain circuit element values or parameters to different values to observe the resulting effects. To overcome this problem a computer program is written that makes the necessary changes in the circuit input files according to another file containing the list of these changes and calls the simulator continuously. With the help of this program different simulations are done for the observation of the change of distortion due to different changes in the circuit. The total harmonic distortions generated by the proposed designs using the new topologies are given. Characteristic curves for the novel topologies are included. Comparison is made with classical designs. The bandwidths of the multiplier structures are determined for the optimum operating point. As a conclusion the use of derived expressions giving harmonic distortion coefficients which is a measure of nonlinearity, for the proposed, or other multiplier circuit topologies according to design constraints will bring new possibilities to the analog circuit designer. The application of derived expressions, is not limited to transconductance multipliers, they can be applied to different kind of circuits where the differential pair or quad block is involved. In a recent work [4] certain advantages of new topologies using unbalanced pairs are determined in contrast to classical symmetrical case. The derived expressions in their general form will serve also as a powerful tool for the analysis and design of such circuits in the future. IX
Benzer Tezler
- CMOS current mode exponential function generator circuit using Pade approximation
Pade yaklaşıklığı kullanan akım modlu CMOS eksponansiyel fonksiyon üretici devresi
DUYGU KUTLUOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ TOKER
- Design of a mixer first receiver front-end
Önce karıştırıcı türü alıcı ön yüzü tasarımı
MEHMET ALPEREN BALTACI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
- Kablosuz haberleşme uygulamaları için j sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı
Design of j class power amplifier for wireless communication applications
ENGİN ÇAĞDAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN YAZGI
DOÇ. DR. OĞUZHAN KIZILBEY
- Üstel fonksiyon için yeni bir yaklaşım kullanarak CMOS kazancı ayarlanabilir kuvvetlendirici tasarımı
Design of CMOS variable gain amplifier using a new exponential function approximation
MUHAMMET SAİT ALTUNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN YAZGI
- Yüksek verimli ince film tabanlı F-sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı ve gerçeklenmesi
High efficiency thin film based class-F power amplifier design and implementation
ALPEREN TUNÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK PAKER