Ac-coupled supply modulator desıgn ın 130 nm PD-SOI technology
130 nm PD-SOI teknolojisinde ac-kuplajlı kaynak modülatorü tasarımı
- Tez No: 804187
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET TEKİN, DR. ÖĞR. ÜYESİ ERTAN ZENCİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 83
Özet
Günümüzde kablosuz haberleşmenin ilerlemesiyle birlikte mobil aygıtlar hayatımızda oldukça sık bir şekilde yer bulmaya başlamıştır. Mobil iletişimin bu denli yükselmesi teknolojinin hızlı bir şekilde gelişmesini sağlamıştır. Karmaşık sistemlerde kullanılan entegreler, yeni haberleşme protokolleri ile birlikte daha fazla bilgi işlemeye ve bilgi aktarmaya başlamıştır. Bilgi hızındaki bu artış devam ederken analog ve dijital devre tasarımları gelişmeye devam etmiştir. Transistor boyutlarındaki küçülme birim alanda yapılan işlem hacminde artma yaşanmasını sağlamış ve güç tüketiminin önemli ölçüde azalmasına katkıda bulunmuştur. Verici yapılarındaki iletişimin yapılmasını sağlayan güç kuvvetlendiricilerinin tasarımı, kullanılan bant genişliklerinin artması ve gereken güç seviyelerinin yükselmesi sebebiyle oldukça zorlaşmıştır. Aynı zamanda güç kuvvetlendiricilerin düşük verimliliği mobil aygıtlarının kullanım ömürlerinin önemli bir ölçüde azalmasına neden olmaktadır. Hücresel V2X teknolojisinin gelişmesiyle birlikte akıllı ulaşım sistemlerinin kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. 5.895-5925 GHz bandını kullanılan bu iletişim standardı; araçtan-araca, araçtan yayaya ve araçtan internet ağına bilgi aktarımı sağlamaktadır. Bilgi aktarımı yapılırken kullanılan alıcı-verici (transceiver) yapısının yanı sıra güç kuvvetlendiricisinin doğrusallığını iyileştirmek için dijital ön bozma (Digital Pre-distortion) bir gözlem alıcısı da (observation receiver) kullanılmaktadır. Dijital ön bozma, güç kuvvetlendiricisinin doğrusal olmayan davranışından yola çıkarak ürettiği katsayıları kullanarak güç kuvvetlendiricisine iletilen sinyalde bir bozunum yaratır ve bu sayede doğrusallığın artmasını sağlamış olur. İletişimde kullanılan güç kuvvetlendiricileri yüksek doğrusallık göstermeleri için tasarlandıklarından verimlilikleri oldukça düşüktür. Verimin düşük olması gereksiz güç harcanmasına sebep olmakta, batarya ömrünü kısaltmakta ve istenmeyen ısı yayılımına neden olarak yonga performanslarında düşüşe sebep olmaktadır. Bu istenmeyen durumun önüne geçebilmek ve güç kuvvetlendiricilerinin verimliliğini artırmak amacıyla kaynak modülatörü devreleri tasarlanmaya başlanmıştır. Kaynak modülatörü devreleri, güç kuvvetlendiricinin girişlerine gelen yüksek frekans sinyalin zarf bilgisini kullanarak güç kuvvetlendirici devresinin besleme gerilimini zamana bağlı olarak değiştirir. Sabit bir gerilimin aksine zamana bağlı değişken bir gerilim uygulanması gereksiz güç harcanmasının önüne geçerek güç kuvvetlendiricilerin verimliliğini önemli ölçüde artırmaktadır. Tasarlanan kaynak modülatörü de belirli bir güç harcamasına rağmen toplam verimliliğe bakıldığında önemli bir ölçüde artım gözlenmektedir. Kaynak modülatörü devrelerinin ilk örneklerine mobil telekomünikasyonun yükselmesinden önce rastlayabiliriz. İlk olarak ses kuvvetlendiricilerinde kullanılan bu devreler günümüzdeki sürümlerinden farklı olarak düşük bant genişliklerine sahipti. Kullanılan topolojilerinde çok az değişiklik olmuş olsa da literatürde yapılan çalışmalar, farklı kuvvetlendirici topolojilerini birbirleriyle seri veya paralel bağlayarak optimum çözümü bulmaya çalışmıştır. Günümüzde popüler olarak kullanılan ve bu tezin de konusu olan hibrit topolojiler en yüksek verimliliğe ve en yüksek bant genişliğine ulaşılmasını sağlayan topolojilerdendir. Yüksek hızlı ve düşük verimliliğe sahip bir kuvvetlendirici ile düşük hızlı ve yüksek verimliliğe sahip bir kuvvetlendiricinin birbirine paralel olarak bağlanmasıyla oluşturulan bu kaynak modülatörü yapısı, en popüler kaynak modülatörü yapılarındandır. Genel olarak düşük hızlı kuvvetlendirici, hızlı kuvvetlendiriciden aldığı geri besleme sinyali ile çalışır. Yüksek hızlı kuvvetlendiricinin yüksek akım sağladığı durumlarda düşük hızlı kuvvetlendirici bu bilgiyi geri besleme yöntemiyle elde eder ve yüksek hızlı kuvvetlendiriciye akım desteği sağlar. AC-kuplaj kapasiteli kaynak modülatörleri ise klasik topolojilerde yapılan bir iyileştirmeye dayanmaktadır. Yüksek hızlı kuvvetlendiricinin besleme gerilimi düşürmek ve bu sayede harcanan enerjiyi azaltmak amacıyla yüksek hızlı kuvvetlendirici ile güç kuvvetlendiricinin arasına bir AC-kuplaj kapasitesi yerleştirilir. Yerleştirilen bu kapasitenin üzerindeki DC gerilim seviyesi sisteme eklenen fazladan bir geri beslemeye bağlı olarak kontrol edilmektedir. Yavaş geri besleme olarak da adlandırılan bu geri besleme, yüksek hızlı kuvvetlendiricinin çıkış akımına DC akım ekleyerek kuplaj kapasitesini yükler ve DC gerilim oluşturur. Oluşan bu DC gerilimin değeri, sistemin içerisindeki sayısal analog dönüştürücü (DAC) ile isteğe bağlı olarak değiştirilebilir bir yapıdadır. Sistem içerisindeki yüksek hızlı kuvvetlendirici genel olarak AB sınıfı çıkış sürücüsü ile tasarlanmaktadır. AB sınıfı çıkış sürücü ile kuvvetlendirici, çıkışına kutuplama akımından çok daha yüksek akım sağlayabileceğinden kuvvetlendiricinin DC güç kaybını düşürür. Düşük hızlı kuvvetlendirici yapısı olarak kullanılan Buck dönüştürücü yonga dışı bulunan bobin ile güç kuvvetlendiricisine DC akımı sağlamaktadır. Yüksek hızlı AB sınıfı kuvvetlendirici ile Buck dönüştürücü arasındaki geri besleme histerik bir yapıdadır ve kontrol sinyalinin frekansı zamana bağlı değişim göstermektedir. Histerik kontrol döngüsünü oluşturabilmek için histerik bir karşılaştırıcı devresine ihtiyaç duyulmaktadır. Pozitif geri besleme ile elde edilebilen karşılaştırıcı devresi, güncel CMOS teknoloji ile kolayca tasarlanabilmektedir. AB sınıfı kuvvetlendirici, girişindeki zarf sinyaline bağlı olarak güç kuvvetlendirici devresine akım sağladığından bu akımı oluşturabilmek için besleme gerilimi genel olarak yonga içi bir dc-dc dönüştürücü ile sağlanmaktadır. Çekilen akımın miktarı ve bant genişliği, giriş sinyalinin zarf bilgisine bağlı olduğundan tasarlanması gereken dc-dc dönüştürücü buna bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Aynı zamanda yonganın tamamını besleyen gerilimde düşüm meydana gelmesi durumda kaynak modülatörünün çalışmaya devam edebilmesi için AB sınıfı kuvvetlendiriciyi besleyen DC-DC dönüştürücü genel olarak Buck-Boost olarak tasarlanır. Besleme gerilimin düşmesi durumda Buck-Boost dönüştürücü Boost yapısına geçerek AB sınıfı kuvvetlendiricinin çıkısında bozunum oluşturmamasını sağlar. Bu tezde 5G NR standardı için 40 MHz bant genişliğini destekleyecek AC-kuplajlı bir kaynak modülatörü tasarlanmıştır. Tasarlanan yüksek hızlı kuvvetlendirici, iki aşamalı bir işlemsel kuvvetlendirici devresidir. İlk aşaması işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA) olarak tasarlanmıştır. İkinci aşaması ise yüksek akım sağlayabilmek için AB sınıfı olarak tasarlanmıştır. Tasarlanan kuvvetlendiricinin içerisinde yüksek gerilimden kaynaklanan kırılmaları engellemek amacıyla koruma devreleri eklenmiştir. Düşük hızlı kuvvetlendirici olarak klasik Buck devre yapısı kullanılmıştır. AB sınıfı yüksek hızlı kuvvetlendiricinin besleme gerilimini sağlamak üzere akım modlu histerik Buck dönüştürücü tasarımı yapılmıştır. Bobin üzerindeki ters akımı engellemek amacıyla Buck dönüştürücünün içerisine bir sıfır akım tespit devresi eklenmiştir. Tasarlanan devrelerin serimleri tez içerisinde gösterilmiştir. Kaynak modülatörünün ve alt-bloklarının benzetim sonuçları tez içerisinde belirtilmiş ve yorumlanmıştır. Kaynak modülatör tasarımı 130 nm PD-SOI CMOS teknolojisi ile tasarlanmıştır. Kaynak modülatörünün kapladığı alan 3.051 mm2 olarak ölçülmüştür.
Özet (Çeviri)
High peak-to-average values (PAPR) of modern telecommunications standards tend to drop the efficiency of the power amplifiers. The drop in efficiency causes excessive power consumption, which leads to a shortened battery life for mobile systems. As a result, envelope-tracking supply modulator (ETSM) systems are developed to improve power amplifier efficiency by varying their supply voltage. There are different envelope-tracking supply modulator topologies in the literature that combine different amplifier structures with each other. The most popular topologies can be considered hybrid topologies, which take advantage of using two amplifiers in parallel with each other. This hybrid structure allows high-frequency components to be provided by the linear amplifier while low-frequency power is provided by a highly efficient switching amplifier. The linear amplifier is generally designed with a Class AB output driver, which increases the driving capability and reduces the power consumption of the linear amplifier. A buck converter is mostly used as a switching amplifier to generate DC current for the load. In the literature, a hysteretic control loop is commonly used to control the buck converter with the linear amplifier, and an additional dc-dc converter is added to control the supply voltage of the linear amplifier. To improve efficiency, AC-coupled hybrid topologies are introduced to lower the power consumption of the linear amplifiers. In this thesis, an AC-coupled hybrid ETSM is designed for 5G cellular vehicle-to-everything (C-V2X) systems that support up to 40 MHz of baseband bandwidth. The system consists of a proposed operational amplifier, a switching amplifier, a current-mode hysteretic buck converter to control the supply of the linear amplifier, a proposed zero-current detection (ZCD) current to detect the reverse current flowing through the inductor, and low-dropout regulators (LDO) for supplying the internal analog circuits. The ETSM is implemented in a 130 nm partially depleted (PD) silicon on insulator (SOI) process, and the die size is 3.051 mm2.
Benzer Tezler
- Hibrid güç sistemleri için değişken seviyeli evirici tasarımı ve performans değerlendirmesi
Design and test a variable level inverter for hybrid energy system
TEVFİK GÜLERSOY
Doktora
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEge ÜniversitesiGüneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. MUSTAFA ENGİN
- Elektrik motoru seçim kriterleri ve kontrol organına bir limiter konulmuş motorun optimal parametrelerinin simpleks metodu ile tayini
Başlık çevirisi yok
VOLKAN ÇAKMAKÇI
- 750 V DC cer gücü tedarik sisteminin bilgisayar destekli modellemesi, benzetimi ve analizi
Modeling, simulation and analysis of 750 V DC traction power supply system using MATLAB/PSB
İLYAS ÖZMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Asenkron motorde boşta akım denetimi
No load current control of induction motors
ALİ KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. İLHAMİ ÇETİN
- Üniversal motorun pıc kullanılarak bilgisayar destekli kontrolü
The computer based control of universal motor using pic
EMİN AĞRALİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYüzüncü Yıl ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SABİR RÜSTEMLİ