Design of fractional order circuits based on CMOS OTA
CMOS OTA ile kesir dereceli devrelerin tasarımı
- Tez No: 658528
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 74
Özet
Son yıllarda, elektrik mühendisli˘ginin farklı ara¸stırma alanlarında, kesirli derece sistemlerin tasarımı önemli bir ara¸stırma konusu haline gelmi¸stir. Kesirli dereceli elemanlar, kesirli kapasite elemanı (CPE) ve kesirli endüktans elemanı (FI), kesirli derece devrelerde kullanılan temel elemanlarıdır. Ancak kesirli dereceli kapasite ve endüktans elemanının henüz ticari olarak mevcut olmaması, bu tür sistemlerin deneysel olarak test edilmesi ve olası uygulamalarının incelenmesi açısından önemli bir sınırlama getirmektedir. Bu soruna önerilen bir çözüm, kesirli dereceli elemanlarının davranı¸sını taklit eden benzetim (benzetim devresi) devresi kullanmaktır. Kesirli dereceli elemanları gerçeklemek için çok sayıda ara¸stırma yapılmı¸s, birbirlerine göre farklı avantajları ve sınırlamaları olan farklı devreler geli¸stirilmi¸stir. Bu tezde de, yukarıda bahsedilen sınırlamaya çözüm olabilecek avantajlı bir CPE ve FI benzetim devresi önerilmi¸stir. Bu yapı ile mevcut benzetim devresinde saptanan parametrelerin ayarlı olmaması, frekans aralı˘gının dar olması gibi bazı sınırlamalara çözüm önerilmi¸stir. Tezde ilk olarak mevcut kesirli dereceli benzetim devreler ele alınmı¸s, bunların avantajları ve sınırlamaları ortaya konulmu¸stur. Giri¸s bölümünün sonraki kısımlarında tez çalı¸smasının ana motivasyonunu vermek amacıyla, kesirli mertebeden sistemlerin bazı önemli uygulamaları tanıtılmı¸stır. Kesirli mertebeden sistemler ile ilgili ara¸stırmalar disiplinlerarası nitelikte olup, bu sistemlerin tıp, biyokimya, kontrol ve elektrik mühendisli˘ginde uygulamaları vardır. Kesirli dereceli modeller insan vücudu empedansını modellemek amacıyla, kontak akımlarına kar¸sı uyum testlerinin geli¸stirilmesinde kullanıldı˘gı bilinmektedir. Gene lityum iyon pilin ¸sarj süresini daha do˘gru tahmin edebilmek için, kesirli dereceli modele dayalı bir yöntem verilmi¸stir. Biyokimya alanında, kesirli dereceli empedans modeli olan Cole-Cole empedans modeli, biyokimyasal materyalleri ve biyolojik dokuları karakterize etmek için ba¸sarıyla kullanılmaktadır. Giri¸s bölümünde son olarak, tezin özgün katkısını olu¸sturan dü¸sük güç uygulamaları için modüler ve elektronik olarak ayarlanabilen bir benzetim devresi kısaca tanıtılmı¸s, bunun sa˘glayabilece˘gi avantajlar açıklanmı¸stır. Tezin ikinci bölümünde kesirli dereceli elemanlar ve bunların frekans davranı¸sları incelenmi¸stir. Benzetim devresi tasarımında sürekli kesirlere açılım yöntemi ele alınmı¸s ve bunun tasarımımızda nasıl kullanıldı˘gı açıklanmı¸stır. Literatürde çok farklı CPE benzetim devresi gerçekle¸stirmeleri olmasına kar¸sın, üç önemli yakla¸sım di˘gerlerinden sa˘gladıkları avantajlar ile ayrılmaktadır. Bunlar salt RC türü pasif elemanlar ile gerçekle¸stirme, OTA-C tabanlı gerçekle¸stirme ve transistor temelli gerçekle¸stirmedir. Her bir yakla¸sım getirdi˘gi avantaj ve dezavantaj ile birlikte dikkatli bir ¸sekilde ele alınmalıdır. Salt RC tabanlı gerçekle¸smeler daha basit devre yapısına sabit olmakta beraber, ayarlanabilir olma özelli˘ginde de˘gillerdir. Ayarlı parametre özelli˘gi OTA-C türü devre yapılarında sa˘glanmı¸stır. Bu tür devrelerde, CPE karakteristikleri, OTA elemanlarının geçi¸s iletkenlikleri ile ayarlanmaktadır. Ancak bu tür devrelerin önemli bir dezavantajı, karma¸sıklık yapıda olmaları ve geni¸s bantlı çalı¸smalarında ortaya çıkan sorunlardır. CPE benzetim devresinin transistor tabanlı gerçekle¸stirmeleri için farklı yöntemler verilmi¸stir. Bu yöntemler ile elde edilen devrelerin en önemli avantajı kırmık üzerinde dü¸sük yer kaplamaları ve dü¸sük güç tüketimleridir. Bununla birlikte, bu devrelerde CPE parametreleri transistor geometrilerine ba˘glı olup, elektronik olarak ayarlanabilir de˘gildir. Kesirli derece benzetim devrelerinin OTA tabanlı gerçekle¸stirmeleri de önerilmi¸stir. Bu devrelerde OTA elemanının sınırlı çıkı¸s direnci ve lineer olmayan geçi¸s karakteristi˘gi nedeniyle bazı sorunlar ortaya çıkmı¸stır. Buna ek olarak dü¸sük geçi¸s iletkenli˘gi de˘gerlerinde, OTA elemanının dar bantlı çalı¸sması da bir sorun olarak kar¸sımıza çıkmaktadır. Bu çalı¸smada önerilen CPE benzetim devresi, dördüncü bölümde blok diyagram formunda gösterilmi¸stir. Benzetim devresi, bir OTA ve bir kesirli dereceden türev alıcıdan olu¸smaktadır. Kesirli mertebeden türev alıcıyı gerçekle¸stirmek için sürekli kesirlere açılım yakla¸sım yöntemi, kullanılmı¸stır. Devre tasarımında kullanılan kafes tipi yapı açıklanmı¸s ve bu yapı ile yakla¸sım fonksiyonlarının nasıl gerçekle¸stirilece˘gi açıklanmı¸stır. Daha sonra, yakla¸sıklık fonksiyonlarını uygulamak için kafes tipi yapıya dayalı modüler bir devre önerilmi¸stir. Gerçekte, önerilen benzetim devresinin temel avantajı, devrenin kafes tipi yapısıdır. Kafes yapının modüler özelli˘gi sayesinde, kademeli olarak alt devrelerin sayısının de˘gi¸stirilmesi ile kullanılan yakla¸sım derecesini kolayca ayarlamayı mümkün kılmaktadır. Di˘ger bir deyi¸sle, yakla¸sı˘gın do˘grulu˘gu ile devre karma¸sıklı˘gı ve güç tüketimi arasında bir denge bulunmaktadır ve bu denge sayesinde daha avantajlı bir tasarım elde edilebilir. Ayrıca, yeni önerilen yapı, kesirli bir endüktans elemanının benzetimi için de kullanılabilir. Buradaki tek de˘gi¸siklik, kesirli mertebeden türev alıcı yerine kesirli mertebeden bir integral alıcı kullanmaktır. Benzetim devreleri, aktif ve kapasite elemanından olu¸san OTA-C devreleri ile de gerçekle¸stirilmi¸stir. Kesirli mertebeden türev alıcıları gerçekle¸stirme için akım modlu ve gerilim modlu olmak üzere iki yapı önerilmi¸stir. Ancak bu devrelerin gerçekle¸stirmelerinde de bazı önemli sınırlamalar ortaya çıktı˘gı bilinmektedir. Bu sınırlamalar, OTA elemanının sınırlı çıkı¸s direnci ve geçi¸s iletkenli˘ginin de˘gi¸sim aralı˘gının yeterince geni¸s olmamasıdır. OTA elemanının geçi¸s iletkenli˘ginin daha geni¸s bir aralıkta ayarlanması için, yapının giri¸s katındaki transistorların alt e¸sik bölgesinde çalı¸sacak ¸sekilde kutuplanması kullanılan bir yakla¸sımdır. OTA elemanının çıkı¸s empedansının artırılması için, kaskot akım aynaları kullanılabilir. Ek olarak, OTA elemanının bilinen do˘grusal olmayan davranı¸s sorunu transistorların boyutlarının optimize edilmesi ile iyile¸stirilebilir. OTA elemanının ayarlanabilir geçi¸siletkenli˘gi sayesinde CPE benzetim devresindeki eleman de˘geri, kesirli derece ve elektronik olarak ayarlanabilmektedir. Bu özellik özellikle analog adaptif devrelerin gerçekle¸stirilmesinde yararlı olacaktır. Bu çalı¸smada önerilen devrenin benzetimleri Cadence tasarım ortamında TSMC 0.18um CMOS proses teknolojisi kullanılarak gerçekle¸stirilmi¸stir. Önerilen benzetim devresinin uygun ¸sekilde çalı¸stı˘gını do˘grulamak amacıyla, bir CPE devresi farklı derecelerde çalı¸sacak ¸sekilde tasarlanmı¸s ve frekans karakteristikleri elde edilmi¸stir. Elde edilen sonuçlardan, benzetim devresinin [0.1 Hz, 10 KHz] frekans aralı˘gında teorik öngörülere uygun bir ¸sekilde çalı¸stı˘gı görülmektedir. Önerilen benzetim devresinin, Cole-Cole empedans modeli tabanlı yapıların geli¸stirilmesinde, kesirli dereceli PID denetleyicilerinin gerçeklemelerinde, insan kula˘gı simülatörünün empedans modelinin çıkarılmasında ve kesirli dereceli süzgeç gibi uygulamalarda kullanılabilece˘gi dü¸sünülmektedir. Öte yandan, Monte-Carlo tekni˘gi ile önerilen devrenin transistor e¸sle¸smelerindeki hatalara ve proses de˘gi¸simlerine dü¸sük duyarlıklı oldu˘gu gösterilmi¸stir. Örnek bir uygulama olarak, EEG i¸saretlerdeki , , ve dalgalarının çıkarılması için kullanılabilecek iki farklı kesirli dereceli asimetrik bant-geçiren süzgeç devresi tasarlanmı¸stır. Ba¸sarılı çalı¸stı˘gı gösterilen bu devrelerin güç sarfiyatlarının 2.871 W ve 1.836 W gibi dü¸sük seviyelerde kaldı˘gı gösterilmi¸stir.
Özet (Çeviri)
Designing the fractional-order circuits and systems has become a research topic of interest for many research groups of electrical engineering in the last few years. The fractional-order elements, in other words, fractional-order capacitors (CPE) and inductors (FI), are the main constituents of fractional-order circuits. The challenge of the design of fractional-order circuits is connected to the fractional-order capacitors and inductors, since these components are not commercially available yet as a stand-alone device. A solution for this issue is to approximate these elements' impedance by means of an emulator. The idea of this method is to characterize the fractional-order element's impedance in the frequency domain, then realizing the emulators by employing the approximations of fractional-order differentiator or integrator. Great research has been done for implementing the fractional-order elements' emulators. Each one offering its own advantages and disadvantages. The motivation of this work is to propose a robust CPE or FI emulator which has solved the shortcomings of the already existing emulators, for instance, adjustability, operation frequency range, and accuracy. In this work, we first discuss the already proposed emulators with their pros and cons. Then, we propose a modular circuit based on lattice-type structure to implement the approximation functions. Actually, the advantage of our proposed emulator over the earlier presented ones originates from the lattice-type implementation. Thanks to having a modular structure, the lattice-type topology makes it possible to adjust the employed order of approximation easily by changing the number of cascaded subsections. In other words, it is possible to compromise the approximation accuracy with the circuit complexity and power consumption. The emulator has been implemented by OTAs as the active elements. A few considerations should be taken into account when designing an appropriate OTA. These constraints are the tunability of the transconductance of the OTA and the output impedance of the OTA. For the former, since it is required to tune the transconductance of the OTA in a wide range (such as 50 times), the input transistors of the OTA are operating in subthreshold region so as to adjust the transconductance linearly by tuning the bias current. For the latter issue, regulated-cascode current mirrors have been employed to boost the output impedance of the OTA. The OTA output impedance limitation is imposed by the load of the OTA at low frequencies. In fact, the ideal OTA has an infinite output impedance, so the output current always flows to the load. The tunable-transconductance OTA brings out the possibility of tuning the capacitance or inductance of the emulated CPE or FI, the fraction order, and the operation center frequency just by adjusting the bias currents. This adjustability feature would be useful in tunable circuits such as filters. This work has been designed and simulated in Cadence by using the TSMC 0.18 mm CMOS process technology. The emulator performance is valid in the frequency range of [0.1 Hz, 10 KHz]. As example of the application of the proposed emulator, two FBPFs are presented which are employed in extracting the a, q, and b waves in EEG signal processing. The power consumption of the presented FBPFs are 2.871 mW and 1.836 mW, respectively.
Benzer Tezler
- Otomatik kazanç kontrol sistemi için kazancı ayarlanabilen kuvvetlendirici tasarımı
Variable gain amplifier design for automatic gain control systems
ALİ DOĞUŞ GÜNGÖRDÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİL BANU TARIM
- Novel multi-terminal building blocks with tuning ability and its application in analog signal processing
Çok-uçlu yapı bloklarının tasarlanması ve analog sinyal işlemede uygulamaları
ASLIHAN KARTCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. UMUT ENGİN AYTEN
YRD. DOÇ. DR. ROMAN SOTNER
- Mikroişlemci çekirdek tasarımında çoklu değerli mantık kullanımı
Using multiple valued logic in microprocessor core design
WISSAM MOHSIN ALI ALJANABI
Doktora
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ALBAYRAK
- Tümdevre üretiminde polisilisyumum plazma ortamında aşındırılması
Başlık çevirisi yok
SEMA İMRAHOR İLYAS
- 5G kablosuz iletişim sistemleri için aşağı dönüşüm Gilbert hücre mikser tasarımı
Down-conversion Gilbert cell mixer design for 5G wireless communications systems
FATMANUR TALAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN