Design of an OPAMP-RC lowpass filter in 22 NM FDSOI technology
22 NM FDSOI teknolojisinde OPAMP-RC alçak geçiren filtre tasarımı
- Tez No: 734685
- Danışmanlar: DOÇ. DR. METİN YAZGI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- 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: 81
Özet
Analog filtreler sinyal işleme uygulamalarında kullanılan temel bloklardan biridir. Gürültü bastırma, blokör engelleme, sinyal tespiti, örtüşme önleme, demodülasyon ve ses işleme bu uygulamalardan birkaçı olarak gösterilebilir. Geçmişte özellikle telekomünikasyon teknolojilerinin gelişmesinde analog filtreler kritik rol oynamıştır. Günümüzde ise filtreleme işlemlerinin bir kısmı dijital alana kaymış olsa da yüksek frekanslı veya alt dereceli filtreleme işlemleri için analog filtreler dijital filtrelere kıyasla daha uygulanabilir ve daha düşük maliyetli kalmaktadır. Analog filtreler belirli sinyallerin geçmesine izin verirken belirli sinyallerin de geçmesini engellemek için kullanılan devre elemanlarıdır. Filtrelerin sinyalleri geçirmesi veya bloklaması bu sinyallerin bulunduğu frekans bandına bağlıdır. Bu da demektir ki belirli frekans aralığındaki sinyaller filtre tarafından geçirilirken belirli frekans aralığındaki sinyaller de filtre tarafından bloklanmaktadır. Filtreleri zaman alanındaki cevapları her ne kadar kritik olmaya devam etse de filtrelerin karakterizasyonu asıl olarak frekans alanında yapılmaktadır. Başlıca filtre cevapları alçak geçiren filtre, yüksek geçiren filtre, bant geçiren filtre ve bant durduran filtre olarak kategorize edilebilir. Bu karakterizasyon filtrenin geçirdiği veya blokladığı sinyallerin frekans aralığına göre yapılmaktadır. Alçak geçiren filtrelerin gerçeklenmesinde baz alınan birkaç farklı frekans cevabı çeşidi vardır. İdeal filtre cevabının geçirme ve bloklama bantları köşe frekansında ayrılmıştır. Bu ayrım süreksiz bir filtre cevabı demektir. Bu şekildeki süreksiz bir filtre cevabının gerçek dünyada bir karşılığı ve uygulanabilirliği yoktur. Buna karşın belirli bazı sürekli frekans cevapları gerçeklenebilir ki bu frekans cevaplarında geçirme ve bloklama bandı arasındaki bir transisyon bandında eğim sonludur. Buna ek olarak filtre fonksiyonlarında geçirme bandında, bloklama bandında veya her ikisinde yüksekliği belli dalgalanmalara izin verilebilir. Bu durum göz önüne alındığında farklı filtre cevapları elde edilir. Butterworth filtre cevabında geçirme bandı düzdür ve bu cevaba aynı zamanda azami ölçüde düz geçirme bandı cevabı da denir. Chebyshev tip I filtre cevabında ise geçirme bandı içerisinde yüksekliği belli olan dalgalanmalar vardır ve bu filtre cevabına aynı zamanda eşit genlik dalgalanmalı geçirme bandı cevabı da denir. Benzer şekilde Chebyshev tip II filtre cevabı, ya da eşit genlik dalgalanmalı bloklama bandı cevabı, bloklama bandında eşit genlikli dalgalanmalar barındırır. Cauer filtre cevabında ise hem geçirme bandında hem de bloklama bandında dalgalanmalar vardır. Filtre cevaplarının nasıl gerçeklenebileceği sorusunun birden fazla cevabı vardır. Filtre cevabı çeşitleri direnç, kapasitör, endüktör gibi pasif devre elemanları veya operasyonel yükselteç, anatarlanan kapasitör gibi aktif devre elemanları kullanılarak gerçeklenebilir. Filtrelerin karakteristik özellikleri, tasarım ölçütleri ve kısıtlamaları devrede kullanılan elemanlara ve devrenin topolojisine önemli ölçüde bağlıdır. Alçak geçiren filtrelerin gerçeklenebilmesi için son birkaç on yıl içerisinde çeşitli devre topolojileri önerilmiştir. Başlıca filtre topolojileri farklı başlıklar altında toplanabilir. LC merdiven filtrelerde dirençler, endüktörler ve kapasitörler kullanılır. Bu da demektir ki LC merdiven filtrelerde sadece pasif elemanlar kullanılmaktadır. Bu sebeple bu filtrelerden kazanç sağlamak mümkün olmamaktadır. Ayrıca günümüz teknolojilerinde transistör boyutları oldukça küçülmüşken endüktör boyutları transistörlere kıyasla çok büyük olmaktadır. Bu da kısıtlı tasarım alanı olan tasarımlarda büyük sorun teşkil etmektedir. Opamp-RC filtrelerde direnç ve kapasitörlere ek olarak operasyonel yükselteçler de kullanılır. Operasyonel yükselteçler aktif elemanlar olup güç harcamaktadır. Opamp-RC filtreler kullanılarak birinci ve ikinci dereceden filtre fonksiyonları gerçeklenebilir. Bu da demek olur ki daha yüksek dereceden filtre fonksiyonları da opamp-RC filtreler aracılığıyla gerçeklenebilir çünkü ikinci dereceden daha yüksek olan filtre fonksiyonları birçok ikinci dereceden ve eğer filtre fonksiyonu derecesi tek ise ek olarak bir birinci dereceden fonksiyonun çarpımı olarak ayrıştırılabilir. Böylece ikinci dereceden filtreler ve eğer filtre derecesi tek ise ek olarak birinci dereceden bir filtre arka arkaya bağlanarak daha yüksek dereceli filtreler elde edilebilir. Opamp-RC filtreler lineerliği yüksek olması sebebiyle sıklıkla tercih edilmektedir. OTA-C devrelerde ise kapasitörler ve operasyonel transkondüktans yükselteçler kullanılır. Bu filtrelerde LC merdiven filtrelerde kullanılan endüktörler ve dirençler terine transkondüktör yükselteçleriyle birlikte kapasitörler kullanılarak aynı filtre fonksiyonları gerçeklenebilir. Böylece endüktörlerin kapladığı aşırı serim alanına gerek kalmadan aynı fonksiyonlar gerçeklenmiş olur. Ayrıca transkondüktör yükselteçlerin transkondüktans değerleri kalibre edilerek filtre fonksiyonunu oluşturan elemanların değerlerini kalibre etmek mümkün olmaktadır. Anahtarlanabilir kapasitör filtrelerde ise kapasitörlere ve operasyonel yükselteçlere ek olarak topolojinin isminden de anlaşılabileceği üzere anahtarlanabilir kapasitörler kullanılır. Bu filtrelerde direnç elemanı yerine anahtarlanabilir kapasitörler kullanılmaktadır. Böylece üretim sürecinde varyasyonlar gösteren dirençler yerine anahtarlanabilir kapasitörler kullanılmış olur. Tüm bu farklı filtre topolojileri kendilerine ait avantajlara ve dezavantajlara sahiptir. Bu avantajları, dezavantajları ve tasarım spesifikasyonlarını göz önünde bulundurarak tasarlanacak filtrenin topolojisini seçmek filtre tasarımcısının görevlerinden biridir. Filtrelerin tasarlanma amaçlarına göre veya kullanıldıkları sisteme ve etkileşime geçtikleri bloklara bağlı olarak sağlamaları gereken belirli spesifikasyonlar vardır. Bu spesifikasyonlar frekans alanında olabileceği gibi zaman alanında da olabilir. Geçiş bandının sınırı geçiş bandı köşe frekans olarak adlandırılırken bloklama bandının sınırı ise bloklama bandı köşe frekansı olarak adlandırılır. Bu frekanslar ve bloklama bandında sağlanması gereken sönümleme değeri filtre tasarımında kritik önem taşır. Buna ek olarak filtre tasarımı geçirme bandındaki ve bloklama bandındaki dalgalanma değerleri belirli sınırlar içerisinde kalacak şekilde yapılmaktadır. Frekans alanındaki spesifikasyonlara ek olarak zaman alanında da spesifikasyonlar bulunmaktadır. Filtrelerin işledikleri sinyallere ekledikleri gürültü ve işledikleri sinyallerin lineerliğinde yol açtıkları bozulmalar da göz önüne alınmaktadır. Bu parametreler tasarlanacak filtrenin frekans cevabı çeşidinin seçilmesinde ve filtre topolojisinin seçiminde rol oynar. Yıllar içerisinde transistör boyutlarındaki küçülme analog performansta düşüşü ve voltaj payındaki düşüşü de beraberinde getirmiştir. Bundan dolayı CMOS gövde teknolojisine alternatif yeni teknolojiler geliştirilmiştir. Bu teknolojilerden biri de FDSOI teknolojisidir. FDSOI teknolojisinde gömülü oksit katmanı transistör kanalını gövdeden izole eder. Bu izolasyonun sonucu olarak FDSOI teknolojisindeki transistörlerde CMOS gövde teknolojisindeki transistörlere kıyasla kaçak akım miktarı azdır, üretim sürecindeki performans varyasyonları daha azdır. Bu sebeple FDSOI teknolojisi düşük kanal genişlikli CMOS gövde teknolojisine bir alternatif olarak görünmektedir. FDSOI teknolojisinin getirdiği en önemli avantajlardan biri de her transistörün gövde geriliminin bağımsız şekilde ayarlanabilir olmasıdır. Transistörlerin kanalları gövdeden gömülü oksit tabakasıyla ayrıldığı için farklı transistörlerin kanalları arasında izolasyon sağlanmış olmaktadır. Bu izolasyon gövde gerilimi değerinin ayarlanması açısından serbestlik tanımaktadır. Bu sebeple eşik gerilimini kaydırma amacıyla gövde gerilimini değiştirmek mümkün olmaktadır. Buna ek olarak transistörü gövdeden sürebilmek de daha kolaylaşmaktadır. Kanalın gövdeden izole olmasının önünü açtığı uygulamalardan biri de NMOS transistörlerin PWELL kuyuları yerine NWELL kuyularına gerçeklenebilmesidir. Böylece NMOS gövde gerilimleri kaynak gerilimine kadar yükseltilebilmektedir ve eşik gerilimleri bu şekilde aşağı çekilmektedir. Aynı şekilde kanalın gövdeden izole olması PWELL transistörlerin NWELL kuyuları yerine PWELL kuyularına gerçeklenmesine olanak sağlamaktadır. Böylece PMOS transistörlerin gövde gerilimleri toprak gerilimine bağlanarak eşik geriliminde azaltma sağlanabilir. Bu tasarım esnekliği voltaj aralığı düşük olan tasarım teknolojilerinde kritik önem taşımaktadır. NMOS transistörlerin NWELL kuyularına ve PMOS transistörlerin de PWELL kuyularına gerçeklenmesi tersyüz kuyu konfigürasyonu olarak isimlendirilmektedir. Bunlar göz önünde bulundurularak, belirli spesifikasyonları sağlamak üzere 22 nm FDSOI teknolojisinde bir opamp-RC alçak geçiren filtre tasarlanmıştır. Tasarlanan filtre dördüncü dereceden olup üçüncü dereceden bir Chebyshev tip I alçak geçiren filtreden ve birinci dereceden ayarlanabilir kazançlı alçak geçiren filtreden oluşmaktadır. Üçüncü dereceden filtreyi bir birinci dereceden RC filtreyi takip eden Tow-Thomas devresi oluşturur. Hem Tow-Thomas devresinde hem de birinci dereceden ayarlanabilir kazançlı alçak geçiren filtrede kullanılmak üzere yüksek kazanç bant genişlikli bir operasyonel yükselteç tasarlanmıştır. Filtre 0.8 voltluk gerilimde 22 nm FDSOI teknolojisinde tasarlanmıştır. Toplam güç tüketimi 7.6 mW civarındadır. 25 MHz frekansına kadar maksimum 1dB dalgalanma veya sönümleme, 240 MHz frekansı sonrasında ise en az 60 dB sönümleme sağlanmıştır. Ayrıca 81 dB SFDR ve 7.6 bit ENOB değerleri tepeden tepeye 800 mV çıkış genliği için sağlanmaktadır. Bu tez kapsamında analog filtrele cevaplarının çeşitleri, filtrelerin gerçeklenmesi için kullanılan temel topolojileri, filtrelerin performans metrikleri ile alakalı temel bilgilere yer verilmiştir. Ardından FDSOI teknolojisinden ve bu teknolojinin gövde CMOS teknolojisine kıyasla sağladığı avantajlardan bahsedilmiştir. Son olarak da belirli spesifikasyonları sağlamak üzere tasarlanan filtrenin yapısı ve simülasyon sonuçlarına yer verilmiştir.
Özet (Çeviri)
Analog filters are widely used in signal processing applications like noise reduction, blocker rejection, signal detection, anti-aliasing, demodulation, audio processing etc. They are utilized to allow certain signals to pass while blocking others. Passed or blocked signals are not time dependent since analog filters are time invariant circuits. These filters pass or block signals depending on the signal's frequency, meaning that signals in specified frequency ranges are blocked or passed. While time domain responses of the filters are still a critical design consideration, filters are mainly designed considering the desired frequency domain responses. Main types of filters can be categorized as lowpass, highpass, bandpass and bandstop according to their selective frequency range. There are various types of lowpass filter responses which have different passband or stopband characteristics. Brick wall response, whose pass and stop bands are separated at the corner frequency, has a discontinuous frequency response. This type of a mathematical function is not realizable in real world. On the other hand, realizable filter responses are continuous functions with finite roll-off slopes between stopband and passband. The slope at the transition band depends on the order of the filter function and the type of the filter function. Additionally in real filter functions there may be permitted fluctuations which may appear in stopband, passband or both. In Butterworth response, the passband has flat frequency characteristics so it is called maximally flat magnitude response. Likewise, Chebyshev type I filter response has equal ripples in the passband so it is called equal ripple magnitude response. Chebyshev type II filter response, or equal ripple stopband magnitude response, has equal ripples in the stopband and Cauer filters have ripples in both stopband and passband. The question of how to realize filter functions with real circuit elements arises numerous solutions. Such filter functions can be realized using circuit elements like resistors, capacitors, inductors and some specialized circuit elements such as operational amplifiers and switched capacitors. Filter characteristics and design limitations vary greatly depending on the circuit elements and topologies used. In order to realize lowpass filter functions, various different circuit topologies are proposed over the last couple of decades. Filters are classified depending on the circuit elements employed. LC ladder filters consist of inductors, capacitors and resistors which are all passive elements. Besides resistors and capacitors, Opamp-RC filters utilize active circuit elements called operational amplifiers. Moreover, OTA-C filters are implemented using operational transconductance amplifiers and capacitors. Furthermore, capacitors, operational amplifiers and switched capacitor circuits are used to build switched capacitor filters. All the different circuit topologies have their advantages and disadvantages. It is the designer's job to determine which topology is a better choice considering the design specifications and limitations. Over the years, shrinking of transistor sizes resulted in reduced analog performance and lower voltage headroom. For this reason, several process techniques have been developed. One of them is fully depleted silicon on insulator (FDSOI) technology. FDSOI technology provide less process variation and leakage current compared to the similar channel length bulk CMOS processes. For this reason, FDSOI is considered as an alternative to the further reduced silicon geometries. The channel is electrically isolated from the transistor bulk by a thin layer of buried oxide. This isolation results that the amount of leakage current is reduced and parasitic diode effects are lessened. Also, since the channel is undoped, transistors are more prone to process variations. With these considerations, an opamp-RC lowpass filter is designed in 22 nm FDSOI technology to comply with the design requirements. The designed filter consists of a 3rd order Chebyshev type I lowpass filter and a first order filter with variable gain. A Tow-Thomas biquad following a first order RC filter is used in the 3rd order filter. A high gain-bandwidth operational amplifier is designed to be used in both Tow-Thomas biquad and variable gain first order filter. Power supply is 0.8 V and total power consumption is 7.6 mW for the filter circuit. Less than 1dB attenuation or ripple up to 25 MHz and more than 60 dB attenuation after 240 MHz is obtained. Also 81 dB SFDR and 7.6 bits ENOB values are achieved for full scale input and 800 mV peak-to-peak output swing.
Benzer Tezler
- E ve F devreleriyle band geçiren aktif SC filtre tasarımı ve duyarlılık analizi
Design of band-poss active Sc filters with and F circuits and sensitivity analysis
FAHRİ ŞİMŞEK
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. A. N. GÖNÜLEREN
- 1200 baud FSK tümleşik modem tasarımı
Başlık çevirisi yok
BARIŞ POSAT
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. UĞUR ÇİLİNGİROĞLU
- Salt aktif süzgeçler
Active only filters
HACER ATAR YILDIZ
Doktora
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ TOKER
- Band geçiren aktif OTA-C filtrelerinin quad ve kaskad yöntemi kullanılarak tasarımı ve duyarlılık analizi
Design of bandpass active OTA-C filter using cascade and quad methods and sensitivity analysis
A. GÜNAY AĞALAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ NUR GÖNÜLEREN
- MRC ve akım taşıyıcı elemanları ile devre sentezi
Mos resistive circuit and CCII+based synthesis
CEMAL ALP AKBULUT
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. CEVDET ACAR