Yeni bir BJT OTA tasarımı ve minimum distorsiyon şartının gerçeklenmesi
A New modification on BJT OTA structure for low distortion applications
- Tez No: 66796
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SADRİ ÖZCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1997
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
ÖZET Bu çalışmada BJT geçiş iletkenliği kuvvetlendirici yapısı (OTA elemanı) lineerlik yönünden ele alınmış, yapılan simulasyon sonucu RE lineerleştirme direncinin değiştirilmesi ile toplam harmonik distorsiyonun değiştiği gözlenmiş ve optimum bir RE değişim bölgesinde distorsiyonun minimum olduğu ortaya çıkarılmıştır. OTA çeşitli elektronik devre uygulamalarında yaygın olarak kullanım alanı bulmaktadır. Başlıca uygulama alanları arasında, sıcaklık-gerilim çeviriciler, sıcaklık frekans çeviriciler, çoğullayıcı devreler, analog çarpma devreleri, akım kontrollü gerilim kuvvetlendiricileri, örnekleme tutma devreleri vb. sayılabilir. Yüksek frekans performansının iyi olması ve ayar edilebilr parametreye sahip olmasından ötürü tercih edilen dolayısıyla yaygın biçimde kullanılan bir eleman olma yolunda olan OTA'nın C elemanları ile oluşturulan aktif filtrelerde distorsiyon ve sıcaklık duyarlığı önemli bir sorundur. Bu çalışmada OTA'nın lineerleştirilmesi ile bu sorunların büyük ölçüde çözümlenebileceği gösterilmiştir. Lineerleştirme direncinin distorsiyona etkisi araştırılmış, belli bir lineerleştirme direnci değerinde harmonik distorsiyonun minimum olduğu ortaya konmuş, bu şartı yerine getiren optimum RE direncinin belirlenmesinde izlenecek yollar araştırılmıştır. Bölüm 2 de lineer olmama distorsiyonu tanımlanmış, harmonik distorsiyon ve intermodülasyon distorsiyonu hakkında bilgiler verilmiştir. Bölüm 3 de yeni bir OTA modeli incelenmiş, lineerleştirme dirençlerinin olumlu ve olumsuz etkileri araştırılmış, kullanım amacına göre devrenin optimum çözüm sağlayabileceği durumlar ortaya konmuştur. Yapılan tüm SPICE simulasyon sonuçlan birer örnek grafikle açıklanmıştır. Basit akım kaynağı kullanılarak tasarlanan OTA ile Wilson akım kaynağı kullanılarak tasarlanan OTA, distorsiyon bakımından karşılaştırılmış ve sonuçlar grafiklerle ortaya konmuştur. Modellemenin gerektirdiği Early etkisi analizlerde gözlemlenmiştir. Bölüm 4 de analizlerde kullanılan yüksek doğruluklu model tanıtılmıştır. Tranzistorlarda nonlineerliğe sebep olan Early etkisini klasik Gummel-Poon modeli ile modelleyemeyiz. Yeni model aşağıdaki koşullan varsaymaktadır; 1-) Emetör verimi çok yüksek {y s 1) 2-) Baz genişliği yeteri kadar küçük dolayısıyla J3F»\ XII3-) Emetör-Baz jonksiyonu geçiş bölgesinin, baz içindeki bölümünün genişliği, baz genişliği yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. 4-) Ters kutuplama halinde tıkama yönündeki emetör-baz geriliminin sebep olduğu Early olayı ihmal edilecektir. Nonlineer distorsiyon analizi için modelin doğruluğunu arttırmak amacıyla belirli iyileştirmeler yapılmış, tranzistoru aktif bölgede onbir model parametresi ile temsil eden, bilgisayar destekli harmonik distorsiyon analizine uygun bir model önerilmiştir. Bölüm 5 de geçiş iletkenliği analog çarpma devrelerinin temel yapı bloku olan fark kuvvetlendiricisi incelenmiş ve alışılmış SPICE modeli ile elde edilemeyen belirli distorsiyon özellikleri elde edilmiştir. Toplam harmonik distorsiyonu minimum yapan bir optimum çalışma noktası olduğu görülmüştür ve toplam harmonik distorsiyonunu belirleyen üçüncü harmonik distorsiyonu için bir analitik ifade verilmiştir. Minimum distorsiyon noktasının hesaplanan değerinin ölçü sonuçlan ile iyi bir uyum içinde olduğu gösterilmiştir. Karşılaştırma için SPICE Gummel-Poon modeli ile de çözüm verilmiş ve bu modelin çözümünün optimum bir çalışma noktası veya bölgesi vermediği gözlenmiştir. Sonuçların baz ve emetör dirençlerinin dahil edilmesiyle nasıl değiştiği gösterilmiş ve distorsiyon hesabı için gerekli kuvvet serisi katsayıları bulunmuştur. Sonuç olarak, türetilen ve doğrusal olmamanın bir ölçüsü olan harmonik distorsiyonu katsayılarını veren ifadelerin uygun şekilde kullanımı analog devre tasarımcısına yeni olanaklar getirecektir. X11I
Özet (Çeviri)
SUMMARY A NEW MODIFICATION ON BJT OTA STRUCTURE FOR LOW DISTORTION APPLICATIONS The use of circuits constructed with operational transconductance amplifiers (OTA's) and capacitors has been demonstrated to be potentially advantageous for the realization of analogue linear systems where low-distortion building blocks are necessary. Several works have been reported in the literature to realize low-distortion building blocks. The harmonic distortion is an important factor which degrades the performance of an analogue system. This thesis proposes a novel low distortion BJT OTA structure where the harmonic distortion caused by tanh-type characteristics of input differential amplifier is reduced by using the harmonic distortion arising from the Early effect. 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 distorsion. To analize harmonic distorsion 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 characteristic. As it is well-known that nonlinear distortion is a fundemantel parameter in electronic system design, because it limits the accuracy of signal processing. This statement particularly applys to active filters, oscillator and amplifier design. A single-state amplifier is a fundamental element in both integrated system design and in multi-stage amplifiers. A transistor is a nonlinear three-terminal electronic device which is used in amplifier design. Because it is a nonlinear device harmonics of the excitation signal appear in it the output. In Chapter 2, the source of nonlinearity in any bipolar transistor has been explained. It was pointed out that if ic vs iB is not linear, the relation between iB and ib can be expressed by power series as shown by, XIVIf the excitation signal consists of one frequency and some mathematical transformations are made, the new equation is obtained in which the harmonics can be seen in additional to fundamental and dc components, 7c = I co + K - I co +Bq+B\ cos û# + B2 cos loot + B3 cos 3cot+... This type of distortion is called“harmonic distortion or amplitude distorsion”. If the signal consist of two or more frequencies, besides the terms having frequencies which are multiplies of the signal frequencies, other terms also having the sums and differences of the signal frequencies. This type of distostion is called“intermodulation distortion”. Definitions of the second harmonic distorsion, in terms of power coeficients, \a2 2 a\,V ~ l L rr In Chapter 3, the high-accurate model used in the analyzes is introduced. It differs from the classical Gummel-Poon model in the representation of the Early effect which is one of the sources of nonlinearrity in the transistor. Instead of the geometrical represantation with the Early voltage VA the used model describes the Early effect in a different way with two parameters considering the physical source of the phenomenon. The results obtained in the previous publications related to distortion analysis show that this model has certain superiorites over the conventional model. The model assumes the following conditions; 1-) Emitter injection efficiency is too large.(ysl) 2-) Base- width is sufficiently small thus |3»1 3-) The width of the portion of the space charce layer of base -emitter junction in the base is negligible in comparison to the base width. 4-) The Early effect due to reserve biasing of the emitter-base junction is neglected. The equations of the model, /,v = /.voO + T-^) XVpF = pF0{\+w&) /B = w^(tp,_1)+ e,rt,,_1} fod+A/i-vii I'flg -i'ce ''be The harmonic distorsion is related to intermodulation distortion, another consequence of nonlinearity, therefore the results and conditions obtained in this study for minimum harmonic distorsion are also valid for intermodulation distorsion. To increase the accuracy of the model for nonlinear distortion analysis, certain improvements are made later and a model suitable for computer-aided nonlinear harmonic distorsion analysis with eleven model parameters representing the transistor in the active region is proposed. Further improvements, include modifications towards higher accuracy and the model implemented in a previous work into the SPICE simulation program 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. 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 agress well with the measurement results. A comparison with the SPICE modifed 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 calculations of distorsion are given. The distorsion 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 this thesis, nonlinear harmonic distorsion 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 tranzistor, 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, XVImodifications towards performance improvement are made and different new BJT OTA structure with very low distorsion are proposed. In Chapter 5, simple and linearized BJT OTA are compared and results of simulations are given. The conventional OTA structure consists of a differential amplifier where collector currents are supplied to a pnp current mirror which may be in quantity one or more. Therefore, the output current is proportional with the voltage, applied to input terminals. Since the input quantity is voltage and the output quantity is current, the value of the input and output resistances are high, and in case of ideality infinitive. The dc operation point of the differential amplifier can be set by the adjustable IABC current. So, the transconductance gm of OTA can be set to the desired value. The transfer characteristic of the OTA is nonlinear and shape of the curve results in a tanh function. For this reason, the value of differential voltage VD has to be within the limited range. If this limits are exceeded, the linear transconductance gm can not be obtained. In need of linear operation value providing a wide range of input voltage, the OTA have to be linearized. Just as in differential amplifier, the plot of /' versus v of simple OTA which is also nonlinear, is expressed as follows V hm = jabc tanh(-e-) It can be easily seen that the value of VD cannot be taken out of a certain range, that is, it must be limited with in the range of -2VT < VD < 2VT. When the equation about transfer characteristic is expanded to power series, and the high order terms are ignored, for the given range above, gm of OTA is expressed as follow O/* ny ~v T VT is the thermal voltage and therefore, the value of transconductance gm depends on temperature which is undesired from the aspect of temperature stability. For the wide range linear operating, OTA must be linearized. In chapter four, it was shown that the Early effect is dominant for high operating voltages ( VCE0 ), whereas for low operating voltages the tanh-type characteristic is dominant in specifying the harmonic distortion of this amplifier and it was also verified that for the certain values of VCEQ, the distortion falls to a minimum level. Using a high accurate BJT model, the total harmonic distortion of differential XVllamplifier is expressed in case of RE = 0 as follows, where M and N are model parameters representing Early effect \PÜJ\ = \HD3\ = 1 1,2 1 Vt cc -(- + -(7^--WMNV»m(N-l)(N-2))V(; (Vcc-VCEQ)-“3 6”VCEQ In this expression, the first term stems from tanh-type nonlinearity and second term stems from Early effect. To obtain wide range linear operation, the resistances Rm and RE2 are introduced for linearizing the circuit. The study, made on this circuit shows that when the value of REl = RE2 is increased, the limited range of input voltage is also increased, and it is observed that the harmonic distortion falls to a minimum level. When the value of Rc is increased, which decreases the collector-emitter voltage VCEQ, the amount of distortion is increasing considerably. This attribute in the curve can be only explained by the Early effect phenomenon. As a conclusion, the use of derived expression giving harmonic distorsion 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. In this study, a new modification on conventional BJT OTA structure is proposed to reduce the harmonic distortion and important results are obtained from point of view of designing low distortion high-accuracy transconductance amplifier. For several applications of OTA a wide range of the input voltage is desired. When this aspect is taken into consideration, the results obtained in this study presents new possibilities to the circuit designer..win
Benzer Tezler
- Design of high-performance CMOS circuits for interval type-2 fuzzy logic controller
Aralık değerli Tip-2 bulanık mantık sistemleri için yüksek başarımlı CMOS devre tasarımı
ALİ NADERİ SAATLO
Doktora
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ
- Analysis and design of cryogenic bulk-driven analog integrated circuits
Kriyojenik gövdeden sürmeli analog tümdevrelerin analiz ve tasarımı
MEHMET AYTUĞ ORMANCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
PROF. DR. FIRAT KAÇAR
- Yeni aktif eleman yapıları ve analog devre tasarımındaki uygulamaları
New active component structures and their applications to analog circuit design
UMUT ENGİN AYTEN
Doktora
Türkçe
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HERMAN SEDEF
- A novel dual-BJT avalanche pulse generator with mixer effect
Karıştırıcı etkisi ile yeni bir çığ etkili çift BJT darbe üreteci
EMRAH TELLİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMuğla Sıtkı Koçman ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHADIR SÜLEYMAN YILDIRIM
- Yarı iletken elemanların model parametrelerinin çıkarımına yönelik yeni bir yaklaşım
A new approach for semiconductor devices model parameters' extraction
BURHAN BARAKLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜRSEL DÜZENLİ