Geri Dön

Novel high performance ota structures suitable for continuous time ota-c filters

Sürekli zaman ota-c süzgeçlere uygun yüksek performanslı yeni ota yapıları

  1. Tez No: 75055
  2. Yazar: ALİ ZEKİ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN KUNTMAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1998
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 118

Özet

ÖZET SÜREKLİ-ZAMAN OTA-C SÜZGEÇLERE UYGUN YÜKSEK PERFORMANSLI YENİ OTA YAPILARI Analog ve dijital elektronik arasındaki yarış, özellikle iletişim (sayısal işaret işleme) ve otomasyon sistemlerinde, dijital elektronik tararından kazanılmış görülmektedir. Ancak, gerçek dünya 'analog' olduğundan, VLSI'da en azandan arayüzlerde analog yapıtaşlarına gereksinim vardır. Analog-dijital arayüzlerinde analog süzgeçlerin kullanımı bir zorunluluktur [4], [5], [6]. Ayrık pasif analog süzgeçlerin tümdevreye doğrudan uyarlanması, yeterince yüksek değerli endüktans elemanlarının kırmık üzerinde gerçekleştirilememesinden dolayı olanaksızdır. Aktif RC süzgeçlerde işlemsel kuvvetlendirici yardımıyla endüktans elemanının yokluğu giderilmiş olduğundan, bu tür süzgeçler tümleştirmeye daha uygundur. Ancak kırmık üzerinde gerçekleştirildiklerinde, özellikle pasif dirençlerin kapladıktan alan, yüksek toleransları ve sıcaklığa aşın bağımlı olmala rı yüzünden birçok sorun ortaya çıkar. Tümüyle tümleştirilmiş aktif süzgeçler, 'sürekli zaman' (continuous-time) ve 'örneklemeli veri' (sampled-data) sistemleriyle elde edilebilmektedir. Her iki türün diğerine göre bazı üstünlükleri ve dezavantaj lan vardır. Örneğin örneklemeli veri süzgeçleri düşük distorsiyonlu ve yüksek doğruluklu frekans yanıtı sağlayabilir ve kırmık alanım verimli kullanırlar; ancak yüksek frekanslar için uygun değildirler [4]. Sürekli zaman süzgeçleri yüksek frekanslarda kullanılabilirler, ancak üretim süreci toleransları, sıcaklık, parazitikler, yaşlanma gibi etkilere çok bağımlı olduklarından otomatik ayara (frekans yanıtını düzeltmek için) gereksinim duyarlar [5]. Anahtarlamalı kapasite süzgeçler örneklemeli veri sistemlerinden en yaygın olanıdır. İşlemsel kuvvetlendiricinin sonlu kazanç-band genişliği, sonlu de gerilim kazancı, anahtarların sonlu dirençleri, saat girişimi (clock-feedthrough) vb. yüzünden, yüksek frekanslarda (MHz bölgesine girilirken) bunların performansı keskin biçimde düşer. Ayrıca, aliasing önleyici ve düzeltici süzgeçlerin kullanımım gerektirmeleri ve Nyquist frekansı mertebesinin seçimini kısıtlamaları bir dezavantajdır [4], [5], [6], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]. Anahtarlamalı kapasite süzgeçlerin dezavantajları, örneklemeli veri süzgeçlerin yeterli performans gösteremediği birçok uygulama için tümüyle tümleştirilmiş yüksek performanslı sürekli zaman süzgeçlerinin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Bu yüzden bu konu üzerinde yoğun çalışmalar yapılmaktadır [5], [6], [8], [10], [11], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]. VIAktif-RC süzgeçlerin gerçekleştirilmesindeki pasif dirençlerle ilgili sorun ve zorluklar, VLSI'a uygun sürekli zaman süzgeçleri olarak sunulan MOSFET-C süzgeçlerle çözüm bulmuştur [8], [13], [40], [41], [42]. Bu yapılarda klasik aktif-RC süzgeçlerdeki dirençler doğrusal bölgede çalışan ve eşdeğer direnç değeri gerilimle ayarlanabilen MOSFETlerle değiştirilmiş, böylece hem pasif dirençlerin yarattığı sorunlardan kurtulunmuş, hem de otomatik ayar olanağı sağlanmıştır. Ancak bu yapıların da bazı önemli sorunları vardır. Özellikle işlemsel kuvvetlendiricilerin band genişliği sınırlamaları, dengeli giriş-çıkışa olan gereksinim (MOSFET dirençlerin non- lineerliklerinin getirdiği etkileri gidermek için) ve MOSFET dirençlerin dar ayar aralığıyla ayarın verimli bir biçimde yapılamaması en önemli sorunlardır [10], [29], [43]. Öte yandan, geçiş iletkenliği katlan (transconductor veya OTA) ile kapasitelerin kullanıldığı Gm-C süzgeçlerinde, özellikle bir OTA'nın eşdeğer bir işlemsel kuvvetlendiriciden daha geniş bandlı olması, en önemli üstünlüktür [5], [10], [17], [21], [25], [26], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55]. Diğer üstünlükler, daha az kırmık alam kullanımı, daha düşük güç harcaması, daha etkin frekans yanıtı ayan ( bir kontrol gerilimi veya akımının değiştirilmesiyle Gm ayarlanarak), ayarlanabilir frekans bölgesinin daha geniş olması, daha az aktif eleman gereksinimi ve tasarımın basitliği, biçiminde sıralanabilir [5], [9], [29], [34], [43], [56], [57]. OTA-C süzgeçlerin bu avantajları, son yıllarda yüksek performanslı OTA-C süzgeç ve osilatör konfigürasyonlarının elde edilmesi için yoğun çalışmalara yol açmıştır [36], [43], [56], [60], [61], [62], [63], [64], [65], [66], [67], [68]. Ancak, avantajlar yanında OTA-C süzgeçlerin özellikle OTA idealsizliklerinden kaynaklanıp süzgeç davranışını kötü yönde etkileyen bazı dezavantajları da vardır. Bunların en önemlileri, giriş katının (genellikle uzun kuyruklu çift) dar doğrusallık aralığı (doğrudan yükselme eğimi davranışını etkiliyor) ve sonlu çıkış direncidir. Bu istenmeyen özellikler daha derinliğine ele alınırsa, OTA-C süzgeçlerde aşağıda sıralanan etkilere neden oldukları ortaya çıkar. - Giriş fark gerilimi yeterince küçük genlikli değilse, nonlineer Iout-Vin karakteristiği yüzünden harmonik distorsiyonu yüksektir. Bunun ötesinde, büyük giriş işaretleri için genliğe bağımlı bir 'eşdeğer' Gm (küçük işaret Gm'inden farklı) oluşur ve OTA-C süzgeç davranışında frekans distorsiyonuna neden olur (rezonans sıçraması) [9], [17], [37]. - Çıkışa bağlı bir yük kapasitesi sınırlı bir akımla, dolayısıyla sınırlanmış bir hızda dolup boşalabildiğinden çıkış geriliminde yükselme eğimi sınırlamalarına neden olur (çıkış düğümündeki eşdeğer kapasite ve olası en büyük çıkış akınıma bağlı) [4], [17], [37], [59]. - Temel OTA-C entegratör yapısında (1 OTA ve çıkışına bağlı 1 kondansatör), çıkış direnci yük kondansatörünü düşük frekanslarda sürebilecek kadar büyük olmalıdır (kapasitenin empedansı düşük frekanslarda arttığı için), aksi halde düşük frekanslarda entegrasyon işlevi gerçekleştirilemez (yüksek çıkış dirençli klasik kaskod yapılarla bile birkaç pF'hk yük kapasitelerinde alt sınır kHz'ler mertebesinde olabilmektedir). Bu vusorun kayıplı entegrasyona neden olur ve süzgeç frekans yanıtının bozulmasına yol açar [10], [11], [58], [59], [69], [70]. Bu çalışmanın amacı, sürekli zaman OTA-C süzgeçlere daha uygun yeni OTA yapılarının önerilmesidir. Bu yüzden OTA'nın süzgeç davranışını en çok etkileyen kritik özellikleri incelenmekte, bu özelliklerin iyileştirilmesine yönelik geleneksel teknik ve yapıların dezavantaj lan ve yetersizlikleri ortaya konmaktadır. Geleneksel performans artırıcı teknik ve yapıların iyileştirilmelerine yönelik öneriler getirilmekte, bunun yanında OTA performansını daha etkin artırmak için yeni devre yapıtaşları sunulmaktadır. Giriş katının (gerilim-akım dönüştürücüsü) doğrusallaştırılmasına yönelik pek çok çalışma yapıldığından, bu çalışmada bu konu üzerinde fazla durulmamakta, daha fazla akım modu katlarında (akım kaynağı, akım aynası, akım çıkış katı) performans artırıcı öneriler ve yeni yapılar sunulmaktadır. Bu yüzden, temel akım modu katı olan akım aynaları üzerinde yoğunlaşılmaktadır. Önerilen performans artırıcı yeni yapıların aşağıdaki özelliklere sahip olmaları yaygın kullanım alam bulabilmeleri için oldukça önemlidir. - güç sarfiyatının klasik yapılara göre pek fazla olmaması - parazitiklerin olabildiğince az olması - tasarımın basit olması - VLSI üretim süreçlerine uyumlu olması Bu yüzden, çalışmada sunulan yapıların bu koşullan kesinlikle sağlamalarına dikkat edilmiştir. Ayrıca klasik yapıların yeterli ölçüde sağladığı yüksek performans özelliklerinin yeni yapılarca da - en azından aynı ölçüde - sağlanması gözetilmiştir. g s 1 1 20 15 E h 20 20 v,H J HW O ^H O fi Vr OD 20 v« ss ^ JP hv2 J4s o hi Voo (D J 'OUT 15 JZ *) Vss Şekil 1 Önerilen yüksek performanslı aktif-geribeslemeli kompakt kaskod OTA. vmra H10H I 10 10 A J hi M DD 10 c -H^r^hv. IHj 10 OUT Şekil 2 Önerilen yüksek performanslı aktif-geribeslemeli kaskod OTA. Çalışmada sunulan akım aynalarının geleneksel akım aynalarına göre birçok üstünlükleri bulunmaktadır. Bu akım aynalarının özgün bir biçimde (güç sarfiyatı ve parazitikleri minimize edecek biçimde) simetrik OTA yapılarına uyarlanması, OTA- C süzgeç ve osilatörlere klasik yapılardan çok daha uygun yüksek performanslı OTA yapılarım olanaklı kılmaktadır. Önerilen yapılar arasından kimileri düşük besleme geriliminde çalıştırılabilmekte, kimisinde güç sarfiyatı hemen hemen klasik yapılardaki kadar olmakta, kimisindeyse parazitikleri düşük kalmaktadır. Bu ise, çalışmanın sunduğu OTA'lar arasından uygulamaya bağlı olarak seçim yapma esnekliği olduğunu göstermektedir. Şekil 1 ve Şekil 2'de önerilen yeni yapılar arasından genel amaçlar için en yüksek performansa sahip olanlar verilmiştir. Bu iki yapının simülasyonla elde edilen performans özellikleri, karşılaştırmaya olanak sağlamak için eşdeğer bir klasik kaskod OTA yapısınınkilerle birlikte Tablo l'de verilmiştir (Tüm yapılarda, giriş katının kuyruk akım kaynağı olarak Şekil 3 'teki yeni yapıların (alam veya gerilim kontrollü) kullanılması uygun görülmüştür). Görüldüğü gibi, yeni OTAlar özellikle çıkış direnci ve çıkış salınım aralığım oldukça iyileştirmekte, bunun yanında pek fazla dezavantaj getirmemektedir. Şekil 4'te, yeni önerilen OTA yapılan ve eşdeğer klasik kaskod OTA'yla kurulan OTA-C entegratör frekans yanıtları çizilmiştir. Görüldüğü gibi, yeni yapılar çok düşük frekanslarda bile düzgün bir entegrasyon işlevine olanak sağlamakta, klasik kaskod OTA-C entegratör ise kHz bölgesinin altında işlevini görememektedir. IXYeni yapıların yüksek frekans davranışında klasik kaskod yapıya kıyasla belirgin bir bozulma olmaması bunların yüksek frekans uygulamalarına klasik yapılar kadar uygun olduğunun bir göstergesidir. İre, [ AVt M1 M2 lı. M3 Ül VEYA \i* M3 m Şekil 3 Kuyruk akım kaynağı IA için kullanılan yeni yapılar.-so @ klasik kaskod OTA m aktif-geribeslemeli kompakt kaskod OTA A actif-geribeslemeli kaskod OTA 0.1Hz 10Hz 1kHz 100kHz 10MHz 100MHz FAZ n -50 -100 -150 -200 S-fc- © klasik kaskod OTA s aktif-geribeslemeli kompakt kaskod OTA A aktif-geribelemeli kaskod OTA 0.1Hz 10Hz 1kHz frekans 100kHz 10MHz 100MHz Şekil 4 Sunulan aktif-geribeslemeli OTAlar ve eşdeğer klasik kaskod OTA'yla kurulan üç OTA-C entegratörün frekans yanıtları (Cl=1pF). XI

Özet (Çeviri)

SUMMARY Continuous-time filtering is still an alternative filtering technique to the switched-capacitor filtering technique for many VLSI applications, especially at high frequencies. OTA-C continuous-time filters proved to be much more suitable (especially high frequency behavior and tuning properties are better) with respect to operational amplifier based integrated continuous-time filters (MOSFET-C is the best known). However, OTA-C filters do possess some drawbacks due mainly to non-idealities of the utilized OTAs. In this work, novel operational transconductance amplifier (OTA) structures more suitable for continuous-time OTA-C filters (and oscillators) are proposed. Therefore, the most critical properties of OTAs affecting the non-ideal behavior of an OTA-C continuous-time filter are investigated. Conventional techniques/structures reducing non-idealities are analyzed and their disadvantages and/or inefficiencies are revealed. Novel building blocks are proposed to eliminate the non-idealities in a more efficient way with respect to conventional techniques. Also, some modifications are suggested for several advanced structures to increase their efficiencies in reducing non-idealities. The proposed structures have been compared with classical structures in the view of their performances in OTA-C filtering. Simulations prove that the OTA-C filters constructed with proposed OTA structures exhibit much greater performance characteristics with respect to classical structures.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    66796

    Yeni bir BJT OTA tasarımı ve minimum distorsiyon şartının gerçeklenmesi

    A New modification on BJT OTA structure for low distortion applications

    ELİF CENGİZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SADRİ ÖZCAN

  2. Tez No

    75371

    Yeni DO-OTA-C osilatör topolojileri

    Başlık çevirisi yok

    AYDIN ÖZPINAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN KUNTMAN

  3. Tez No

    504530

    New opportunities in MOS-only filter design

    Salt MOSFET süzgeç tasarımında yeni olanaklar

    DENİZ ÖZENLİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HULUSİ HAKAN KUNTMAN

  4. Tez No

    350663

    CMOS realization of new alternative active elements for analog signal processing and their applications

    Analog sinyal işleme için yeni alternatif aktif elemanların CMOS gerçeklemesi ve uygulamaları

    ARDA GÜNEY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HULUSİ HAKAN KUNTMAN

  5. Tez No

    286109

    Capacitive CMOS readouts for high performance MEMS accelerometers

    MEMS ivmeölçerler için yüksek performans kapasitif okuma devreleri

    UĞUR SÖNMEZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. HALUK KÜLAH

    PROF. DR. TAYFUN AKIN

Geri Dön