elektronik ayarlanabilir logaritmik ortam osilatöründe mos yapı
advertisement
5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye ELEKTRONİK AYARLANABİLİR LOGARİTMİK ORTAM OSİLATÖRÜNDE MOS YAPI KULLANILARAK TOPLAM GÜÇ TÜKETİMİNİN AZALTILMASI REDUCED TOTAL POWER DISSIPATION IN ELECTRONİCALLY TUNABLE LOG DOMAIN OSCILLATOR USING MOS STRUCTURE Hamdi ERCANa, *, Sezai Alper TEKİNa ve Mustafa ALÇIa a Erciyes Üniversitesi, Kayseri, Türkiye E-posta: hamdiercan@erciyes.edu.tr, satekin@erciyes.edu.tr, malci@erciyes.edu.tr Özet Bu çalışmada, akım modlu elektronik ayarlanabilir logaritmik ortam osilatör devre yapısının toplam güç tüketiminin azaltılması amacıyla devrenin bir kısmında MOS yapı kullanılmıştır. Kısmi MOS yapı kullanılarak oluşturulmuş olan osilatör devresinde toplam güç tüketimi bu yeni tasarımla yaklaşık olarak % 50 oranında azaltılmıştır. Ayrıca devrenin geçiş analizi toplam harmonik bozulmanın % 0.37 değerinde olduğunu göstermektedir. MOS devre yapısı, BJT elemanına göre daha düşük besleme voltajına gereksinim duyması ve tümdevreleştirmeye uygun olması gibi özeliklerinden dolayı bu çalışmada tercih edilmiştir. Anahtar kelimeler: akım modlu devreler, logaritmik ortam, düşük güç tüketimi Abstract In this paper, MOS structure is used partially in current mode electronically tunable log domain oscillator for reducing total power dissipation. Total power dissipation is reduced about 50 percent with this proposed circuit. Also, the transient analysis of the circuit shows that the total harmonic distortion is 0.37%. MOS circuit topology is prefered in this study, owing to the fact that it has lower source voltage and more proper as integrated circuit manufacturing than BJT structure. Keywords: current mode circuits, log domain, low power dissipation 1. Giriş Logaritmik ortam devrelerinin düşük güç, yüksek doğrusallık, geniş bant aralığı ve yüksek çalışma frekansı gibi üstünlükleri 1990’lı yılların başından günümüze kadar yapılan araştırmalarda ortaya çıkmıştır [8]. Logaritmik ortam devrelerinde işaretin doğrusal olmayan ortamda işlenmesine karşın, giriş ile çıkış arasında doğrusal bir ilişki mevcuttur. Logaritmik ortam devrelerinin önemli uygulama alanlarından biri de osilatör devreleridir. Kollektör akımı ile eklem gerilimi arasındaki ilişkinin üssel olmasından dolayı genellikle yapılan tasarımlarda bipolar transistör teknolojisi kullanılmaktadır. Bu çalışmada, daha önce tasarlanmış olan logaritmik ortamda çalışan bir osilatör devresinde [9] temel devre transistörleri olarak MOS elemanının kullanılmasıyla yeni bir devre yapısı önerilmiştir. Önerilen devre yapısında MOS elemanların kullanımıyla devrenin toplam güç tüketimi önemli ölçüde azaltılmıştır. Devrenin analiz ve benzetimleri PSpice benzetim programı yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Kısmi MOS yapı kullanılarak oluşturulmuş olan yeni devre yapısı, tümüyle BJT kullanılarak tasarlanmış olan osilatör yapısı ile kıyaslanmış ve toplam güç tüketiminde azalmanın meydana geldiği benzetim sonuçları doğrultusunda ortaya konulmuştur. 2. Önerilen Devre Yapısı Temel devre transistörleri olarak MOS elemanının kullanımıyla oluşturulmuş olan devre yapısı Şekil 1’de görülmektedir [10]. Tasarlanmış olan devrede prensip olarak, transistörlerin eklem voltajı ile kollektör akımı arasındaki üssel ilişki kullanılmıştır. Bir BJT transistördeki bu ilişki Denklem (1)’de verilmektedir. Son yıllarda akım modlu devreler her geçen gün daha fazla ilgi uyandırmış ve aktif süzgeç, osilatör gibi analog devre bloklarının gerçekleştirilmesinde geleneksel gerilim modlu devrelerin yerini almaya başlamıştır [1]. Akım modlu devreler büyük bantgenişliği, yüksek değişim hızı, daha geniş doğrusallık ve dinamik saha, düşük güç tüketimi ve basit devre yapısı gibi karakteristik özellikler taşıdıklarından gerilim modlu devrelere rağmen geniş uygulama alanı bulmuşlardır [2,3]. Burada IS transistörün ters yöndeki doyum akımını, VBE eklem voltajını, VT ise ısıl gerilimi ifade etmektedir. Isıl gerilim oda sıcaklığında yaklaşık olarak 26 mV değerindedir. Elektronik devre uygulamalarında osilatörler ile ilgili yapılmış birçok çalışma mevcuttur. Osilatör devreleri gerilim modlu ve akım modlu olmak üzere işlemsel kuvvetlendirici, akım taşıyıcı ve işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi gibi elemanlar kullanılarak tasarlanmıştır [4-7]. Şekil 1’de görülen devrede osilasyon işleminin başlayabilmesi için devreye başlangıçta uyarma akımı uygulanmaktadır. Fark alan yapı gereği giriş işaretinin L (left-sol) ve R (right-sağ) tarafı için iki kısma ayrılması gerekmektedir. Bu işlem akım ayırıcı devre ile gerçekleştirilmektedir [11]. © IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye VBE I C ≅ I S e VT (1) Ercan, H., Tekin, S.A. ve Alçı, M. L ve R tarafı için simetrik olarak gerçekleştirilen alt devreler ile akım ayırıcı devre bütün olarak Şekil 1’de görülmektedir. Şekilde Q17-Q23 akım ayırıcı devrenin transistörleri, Q24 ve Q25 L ve R tarafı için sırasıyla çıkışın elde edildiği transistörleri göstermektedir. Q5, Q6 ve Q15, Q16 transistörleri sırasıyla birinci ve ikinci durum denklemi için Seevinck tipi geçici girişlerdir [12]. I1 ve If =10 µA değerindedir [9]. Başlangıç uyarma akımı (u), I9 ve I11 akım kaynakları dışında kalan akım kaynakları If olarak tanımlanmaktadır. Çıkış işareti 24 ve 25 nolu transistörlerin fark akımı olarak elde edilmektedir. Benzetimlerde AT&T tarafından üretilen CBIC-R tipi transistörler kullanılmıştır [8]. Devreye 1µA’lik başlangıç uyarma akımı uygulanmıştır. Yaklaşık 450 KHz frekans değerine sahip olan çıkış işareti (I) Şekil 2’de görüldüğü gibidir. I3 20 Q1 Q2 Q3 Q4 10 Q25 I5 I6 C1 I4 10uA 0 0A C2 Q6 Q5 I (µA) Q24 I2 20uA -10 -10uA Vm Vm -20 -20uA 0s I11 I17 I9 0 Vm Vm 10us I(R)+8u 20us 30us 40us 40 20 Q20 Q17 Q22 M11 I18 I10 Q18 Q21 Q23 I12 u I7 Q8.2 Q13.2 I15 C3 Q15 Q16 100us 100 Q14 I16 I8 90us Tablo 1. Osilatör devresinin kısmen MOS’lu yapı kullanılmasıyla performans parametrelerinin değişimi. I13 I14 Devre Yapısı C4 Şekil 1. MOS yapı kullanılan logaritmik ortam osilatör devresi. MOS transistörler düşük besleme gerilimi ile çalışabildiğinden dolayı I9 ve I11 akım kaynakları ve MOS transistörlerin besleme gerilimleri düşük değerlerde tutulmuştur [10]. Ayrıca devrenin If akımının (BJT transistörlerin kutuplama akımları) değerinin değiştirilmesi ile osilasyon frekansı değiştirilebilmektedir. Devre tasarımında, devre parametresinin değişimi ile osilasyon frekansının elektronik olarak ayarlanabilmesi ve daha düşük güç tüketiminin sağlanması önemli üstünlüklerdendir. Osilasyon frekansının If kutuplama akımına bağlı olarak değişim göstermesi devrenin akım modlu olduğunun bir göstergesidir. 3. Benzetim Sonuçları Tümüyle BJT transistör kullanılan osilatör devresinin ve Şekil 1’de görülen MOS yapı kullanılarak tasarlanmış olan logaritmik ortam osilatör devresinin analizi PSpice benzetim programı kullanılarak yapılmıştır. Teorik olarak 450 KHz çalışma frekansı için C1=C2=C3=C4=123.1 pF BJT’li Osilatör Devresi [9] Q7 80us 80 Logaritmik ortam osilatör devresinin kısmen MOS’lu yapı kullanılmasıyla performans parametrelerinin değişimi Tablo 1.’de verilmiştir. Q13.1 Q8.1 70us Şekil 2. Kısmi MOS yapı kullanılan logaritmik ortam osilatör devresinin çıkış işareti. M12 Besleme Gerilimi (V) VCC= 5 Akım Kaynağı (µA) If = 10 Osilasyon Frekansı (KHz) THD TPD (%) (mW) 451,22 0,429 2,69 400 4,58 2,31 400 4,53 2,29 400 4,53 2,27 400 4,53 2,25 386,68 4,25 1,36 399,99 3,72 1,33 406,64 2,74 1,31 420 0,37 1,29 I9, I11= 10 VCC = 5 Vm = 5 VCC = 5 Kısmen MOS’lu Osilatör Devresi M10 60us 60 t (µs) Q19 M9 50us Time Vm = 4 If = 10 VCC = 5 I9, I11= 1 Vm = 3 VCC = 5 Vm = 2 If = 10 I9, I11= 1 If = 10 VCC = 3 I9, I11= 0,9 Vm = 2 If = 10 I9, I11= 0,8 If = 10 I9, I11= 0,7 Tabloda görülen Vcc ve Vm değerleri sırasıyla BJT ve MOS transistörlerin besleme gerilimleridir. Tablo 1’de devreye uygulanan farklı besleme gerilimi ve farklı akım değerleri için devrenin osilasyon frekansı, toplam harmonik bozulma Ercan, H., Tekin, S.A. ve Alçı, M. 1.35 tüketiminin azaltılması amacıyla devrenin bir kısmında MOS yapı kullanılmıştır. Önerilen devre yapısı PSpice benzetim programı kullanılarak analiz edilmiş ve sonuçlar BJT elemanı kullanılarak oluşturulmuş olan osilatör yapısı ile karşılaştırılmıştır. Önerilen devre yapısında toplam harmonik bozulma nispeten artmasına rağmen, devrenin toplam güç tüketiminin 2,69 mW değerinden 1,29 mW değerine ve toplam harmonik bozulmanın % 0,37 değerine düşürüldüğü benzetim sonuçları doğrultusunda ortaya konulmuştur. Buna göre, önerilen devre yapısının özellikle daha düşük güç tüketimi gerektiren elektronik devre uygulamalarında elverişli bir temel yapı olarak kullanılabileceği düşünülmektedir. 1.34 Kaynaklar (THD) oranı ve toplam güç tüketimi (TPD) değerleri verilmiştir. MOS’lu yapı kullanıldığında devrenin toplam harmonik bozulma oranı ve toplam güç tüketiminde dikkate değer ölçüde azalma görülmüştür. Burada MOS transistörler düşük besleme voltajı ve düşük kutuplama akımı uygulanarak zayıf evirtim bölgesinde çalıştırılmıştır. Şekil 3’de I9 ve I11 akım kaynakları ile toplam güç tüketiminin değişimi görülmektedir. TPD (mW) 1.36 1.33 1.32 1.31 1.3 1.29 1 0.95 0.9 0.85 I9, I11 (µA) 0.8 0.75 0.7 Şekil 3. MOS transistörlerin kutuplama akımları ile toplam güç tüketiminin değişimi. Şekil 3’de görüldüğü gibi MOS transistörlerin kutuplama akımlarının değişimi ile devrenin toplam güç tüketimi önemli ölçülerde azaltılmıştır. Şekil 4’de I9 ve I11 akım kaynakları ile toplam harmonik bozulmanın değişimi görülmektedir. 4.5 4 3.5 THD (%) 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1 0.95 0.9 0.85 I9, I11 (µA) 0.8 0.75 0.7 Şekil 4. MOS transistörlerin kutuplama akımları ile toplam harmonik bozulmanın değişimi. Şekil 4’de görüldüğü gibi MOS transistörlerin kutuplama akımlarının değişimi ile devrenin toplam harmonik bozulma oranı önemli ölçülerde azaltılmıştır. Ayrıntılı değerler Tablo 1’de görülmektedir. 4. Sonuç Bu çalışmada, akım modlu elektronik ayarlanabilir logaritmik ortam osilatör devre yapısının toplam güç [1] Palmisano, G., Palumbo, G. ve Pennisi, S., CMOS Current Amplifiers, Kluwer Academic Publishers, Boston (MA), p.1-9, 1999. [2] Schmid, H., Approximating the Universal Active Element, IEEE Transaction on Circuit SystemsII:Analog and Digital Signal Processing, Vol: 47 (11), p.1160-1169, 2000. [3] Tokmakçı, M., Alçı, M., Uzunhisarcıklı,E., "CCII-Based Defuzzification Circuit for Fuzzy Logic Controllers", Int. Fuzzy Systems Association World CongressIFSA’2003, 29 June- 2 July 2003. [4] Çam, U., Aksoy, M., Çiçekoğlu, O., Kuntman, H., Yeni Otra-Tabanlı Osilatör Topolojileri, ELECO 2002, Bursa, Türkiye, 2002. [5] Uzunhisarcıklı, E., Alçı, M., Voltaj ve Akım Modlu Devreleri Birbirine Dönüştürme Yöntemi ve Osilatör Uygulamaları, ELECO 2002, Bursa, Türkiye, 2002. [6] Özoğuz, S., Simple Log-Domain Chaotic Oscillator, Electronics Letter, 37(23), 1378-1379, 2001. [7] Thanachayanont, A., Pookkaiyaudom, S. and Toumazou, C., State Space Synthesis of Log Domain Oscilators, Electronics Letters, 31(21), 17971799,1995. [8] Frey, D. R., Log-domain filtering: An approach to currentmode filtering, IEE Proc. Pt. G, Vol: 140 (6), pp. 406-416, 1993. [9] Ercan H., Arslanalp R, Alçı M., Tola A. T., Elektronik Ayarlanabilir AB Sınıfı Fark Alan Tip Logaritmik Ortam Osilatörü, IEEE 14. Sinyal İşleme ve İletişim Uygulamaları Kurultayı (SİU’06), Antalya, 2006. [10] Ercan, H., Logaritmik Ortamda Çalışan Elektronik Devrelerin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri, 2007. [11] Tola, A. T., A Study of Nonideal Log Domain and Differantial Class AB Filters, PhD. Dissertation, Lehigh University, PA, 2000. [12] Tola, A. T. and Frey, D. R., A Study of Different Class AB Log Domain First Order Filters, Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 22, 163-176, 2000.
