A Wideband CMOS Current-Mode Operational Amplifier and Its Use

AKIM MODLU İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ
(COA) TASARIMI VE UYGULAMALARI
Mustafa Altun
Tez Danışmanı: Hakan Kuntman
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü
Elektrik-Elektronik Fakültesi
İstanbul Teknik Üniversitesi, 34469, Maslak, İstanbul
1
Taslak




Giriş
COA (akım modlu işlemsel kuvvetlendirici) tanımı ve
tanım bağantıları
Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme yöntemleri
Önerilen COA yapıları ve benzetim sonuçları





Tek girişli çift çıkışlı COA yapıları
Çift girişli çift çıkışlı (tamamen farksal) COA yapıları
Uygulama devreleri ve benzetim sonuçları
Sonuçlar
Kaynaklar
2
Giriş


Son yıllarda, aktif süzgeç, osilatör gibi analog devre
bloklarının gerçekleştirilmesinde akım modlu devreler
geleneksel gerilim modlu devrelerin yerini almaya
başlamıştır .
Gerilim modlu çalışmayla kıyaslandığında akım modlu
çalışmanın önemli üstünlükleri bulunmaktadır [1, 2];



Akım modlu devrelerin genellikle frekans cevapları ve hızları
daha iyidir.
Akım modlu devreler daha düşük besleme gerilimlerinde
çalışabilmekte ve daha az güç tüketmektedirler.
Matematiksel işlemler (toplama,çıkarma, çarpma...vb.) akım
modlu olarak daha kolay yapılabilmektedir.
3
Giriş



Litaratürde değişik akım modlu devre blokları
önerilmiş ve bunlardan bazıları ticari olarak da
üretilmektedir (akım taşıyıcı ve akım geribeslemeli
işlemsel kuvvetlendirici)
Akım modlu işlemsel kuvvetlendirici (COA) diğer bir
önemli yapı bloğudur.
COA kullanımının en çekici yönlerinden biri,
neredeyse bütün OPAMP-RC devrelerinin bitişik
dönüşüm yöntemiyle (adjoint network principle)
COA-RC olarak gerçeklenebilmesidir [3, 4].
4
Giriş



COA’nın hem giriş hem de çıkış işareti akım
boyutundadır. Diğer bir ifadeyle gerçek akım modlu
aktif elemandır. Böylece COA tabanlı akım modlu
devreler tampon devresi eklemeksizin art arda
bağlanabilir.
Bu çalışmada tümdevre olarak gerçeklenmeye
uygun 4 adet CMOS COA yapısı önerilmiştir ve
yapıların hiçbirinde direnç elemanı kullanılmamıştır.
Bu 4 yapıdan 2 tanesi tek girişli (COA-1 ve COA-2)
2 tanesi tamamen farksaldır (COA-3 ve COA-4).
5
COA tanımı ve tanım bağıntıları
I o
Ii
I o
Ii
ro
Ai I i
ri
COA
Vin   0
I     A
 o  i
 I o   Ai
I o
I o
0 0  I in 
0 0 Vo 
0 0 Vo 
Şekil-1 Tek girişli COA sembolü, eşdeğer devresi ve tanım bağıntıları
I i
I i
I

o

i
I o

i
Ai ( I  I )
I i
COA
Ii
ri
I o

ri 
ro
I

o
Vin   0
  
Vin    0
 I o   Ai
  
 I o   Ai
0
0
 Ai
Ai
0 0  I in 
 
0 0  I in 
0 0 Vo 
 
0 0 Vo 
Şekil-2 Çift girişli COA sembolü, eşdeğer devresi ve tanım bağıntıları
6
COA tanımı ve tanım bağıntıları


İdealde, akım modlu işlemsel kuvvetlendiricinin
giriş direnci sıfır, akım kazancı (Ai) ve çıkış
direnci sonsuz olmalıdır.
Uygulama devrelerinde çift girişli çift çıkışlı
(tümüyle farksal) COA’ ların kullanımı tek girişli
çift çıkışlı COA’ların kullanımı ile kıyaslandığında
daha elverişlidir;

Gürültü performansı daha iyi
Düşük distorsiyon

Yüksek dinamik çalışma aralığı

Uygulamada esnek kullanım

7
Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme
yöntemleri





Gerilim veya akım modlu analog yapı bloklarının idealde
giriş veya çıkış dirençleri sıfır veya sonsuzdur.
İdeale daha yakın empedans değerleri elde etmek
amacıyla geribesleme – feedback yöntemine
başvurulmuştur.
Geribesleme pozitif ve negatif olmak 2 türlüdür ve bu 2 tür
besleme de empedans iyileştirmek için kullanılabilir.
Herhangi bir x düğümünden görülen direnç değeri - rx
negatif veya pozitif geribesleme kullanılarak arttırılabilir
veya azaltılabilir.
rx1 geribeslemesiz halde rx2 ise geribesleme uygulanarak x
düğümünden görülen direnç değerleridir.
8
Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme
yöntemleri
Ix


rx1
Vx
Vx
1
rx 2 

rx1
I x 1    rx1

β
Şekil-3 Negatif geribesleme ile rx direnç
değerini düşürme yöntemi



Geribesleme kazancı β ne
kadar büyük seçilirse o
kadar küçük rx2 direnç
değerleri elde edebiliriz.
Bu yöntem akım girişli analog yapı bloklarında giriş direncini
iyileştirmek için kullanılmaktadır.
β genellikle diferansiyel kat ile gerçeklenir ve karalılık açısından
kompanzasyon kapasitesine genellikle ihtiyaç duyulur.
9
Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme
yöntemleri
Vx


1/rx1
Ix
Vx 
 
rx 2 
 1  rx1
I x  rx1 

β
Şekil-4 Negatif geribesleme ile rx direnç
değerini arttırma yöntemi


Geribesleme kazancı β ne
kadar büyük seçilirse o
kadar büyük rx2 direnç
değerleri elde edebiliriz.
Bu yöntem analog devrelerin çıkış dirençlerini veya kazançlarını
arttırmak için sıklıkla kullanılmaktadır. Kaskot yapıları örnek olarak
gösterebiliriz.
10
Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme
yöntemleri
Vx


1/rx1
Ix
Vx 
 
rx 2 
 1  rx1
I x  rx1 

β
Şekil-5 Pozitif geribesleme ile rx direnç
değerini düşürme yöntemi



Pozitif geribesleme
empedans iyileştirmek için
önerilen diğer önemli bir
yöntemdir [5].
Geribesleme kazancı β teorik olarak rx1 değerine eşit seçilirse sıfır
rx2 direnç değeri elde edilebilir. Fakat pratikte bu mümkün değildir.
Amacımız (1-β/rx1) değerini sıfıra yakın ve pozitif seçmektir.
Kararlılık açısından (1-β/rx1)>0 olmalıdır.
11
Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme
yöntemleri
Ix


rx1
Vx

Vx
1
rx 2 

rx1
I x 1    rx1
β
Şekil-6 Pozitif geribesleme ile rx direnç
değerini arttırma yöntemi

Geribesleme kazancı β teorik olarak 1/rx1 değerine eşit seçilirse
sonsuz rx2 direnç değeri elde edilebilir. Fakat pratikte bu mümkün
değildir ve bu yöntemle çok yüksek rx2 değerleri elde etmek pek
mümkün gözükmemektedir.
12
Önerilen COA-1 yapısı
VDD

M7
M8
M14
M15
Vb1
M16
Vb1
M1
M9
M19
Vb2

M21
Vb2

M12
M13
Io-
Iin
Io+
Cc
0
M11
M2
M3
0
M20
M10
M22
VSS

Vb4
0
Vb3
M5
M4
M6
M17
M18
Vb5

Önerilen COA yapısı [6]
tek girişli, çift çıkışlıdır.
COA A sınıfı giriş ve
çıkış katlarından
oluşmaktadır.
Giriş katında M5, M4 ve
M3 positif geribesleme
çevrimini oluşturmakta
ve giriş direncini
düşürmektedir.
Çıkış katı katlı-kaskot
yapıdır.
M11 direnç görevi
görmekte ve frekans
cevabını iyileştirmektedir
VSS
Şekil-7 COA-1’in şematik gösterimi
13
Önerilen COA-1 yapısı

Literatürde önerilen diğer giriş direnci düşürme yöntemleri [7, 8]
daha karışık devrelerle yapılmakta ve devrenin frekans cevabını
kötüleştirmektedirler.
rin 





gm2 gm4


g

g

g

g m5  g ds5 g m2  g ds2   ds2 m5 ds5 g ds4  g m3  g ds3 
1
Giriş direnci denkleminde ikinci terimi sıfıra yakın bir değer
seçebilirsek, aynı zamanda giriş direncini de sıfıra yaklaştırmış
oluruz.
Giriş direnç değerinin pozitif olması karalılık açısından önemlidir.
Teorik olarak (W/L)M2= (W/L)M3 ve (W/L)M4= (W/L)M5 seçtiğimizde
istenen iki durumu da sağlamış oluruz.
14
Önerilen COA-1 yapısı


Kararlılık sorununu tam anlamıyla çözebilmek için en kötü hal
analizleri – Worst Case Analysis de yapılmalıdır.
Bu çalışmada akım kazanç faktörü – Current Gain Factor (K) ve eşik
gerilimindeki – Threshold Volatge (VT) idealsizlikler göz önüne
alınarak en kötü hal analizleri yapılmıştır.
rout
 g ds 20, 22 g ds12,13  g ds17,18  g ds19, 21g ds15,16 



g
g
m 20, 22
m19, 21


g
g g
g g 
Ai (0)  m12,13  ds9 ds8  ds10 ds6 
2  g m9
g m10 
f GBW 
1
1
1 g m12,13
2 2Cc
15
COA-1 benzetim sonuçları

Benzetimler SPICE programı ile
yapılmıştır. AMS 0.35μm CMOS
teknolojisi kullanılmış ve
tranzistorlar yüksek doğruluklu
BSIM3v3 ile modellenmiştir.
Tablo-1 COA-1 DC değerler
Tablo-2 COA-1 tranzistor boyutları
Tranzistor
W(μm)/L(μm)
M1, M9
30/1.4
M2
10/0.7
M3
9.2/0.7
M4, M5, M6
5/0.7
M7, M8
11/1.4
Parametre
Değer
M10
5/0.7
VDD – VSS
+1.5 V, -1.5V
M11
9/1
Vb1, Vb2
0.5V, 0.2V
M12, M13
80/1
M14
140/1.4
Vb3, Vb4,Vb5
0.3V, -0.2V, -0.7V
M15, M16
70/1.4
ID1,2
15uA
M17, M18
41/1
ID12,13
100uA
M19, M21
120/1.4
ID17,18
200uA
M20, M22
30/1
16
COA-1 benzetim sonuçları
8.0
7.0
Zin (k-ohm)
6.0
5.0
(a-1)
(a-2)
4.0
(a-3)
3.0
(b)
2.0
1.0
0.0
1.0E+0
1.0E+1
1.0E+2
1.0E+3
1.0E+4
1.0E+5
1.0E+6
1.0E+7
1.0E+8
1.0E+9 1.0E+10
Frekans (Hz)
Şekil-8. COA-1 giriş empedansı (Zin) genliği:
(a) Önerilen giriş katı
1-Nominal hal (145Ω)
2-En kötü hal - yüksek (228Ω)
3- En kötü hal - düşük (66Ω)
(b) Geleneksel A sınıfı giriş katı (5.54kΩ)
17
COA-1 benzetim sonuçları
Şekil-9’a göre,


Birim kazanç band-genişliği yaklaşık 200 MHz
Açık çevrim kazancı 100dB’ye yakın
Faz payı 45˚ üzerinde
100.00
200.00
50.00
0.00
0.00
Faz (Derece)

Ai (dB)

-50.00
1E+0
1E+1
1E+2
1E+3
1E+4
1E+5
1E+6
1E+7
1E+8
1E+9
1E+10
Frekans (Hz)
Şekil-9 COA-1’in açık çevrim frekans cevabı.
18
COA-1 benzetim sonuçları
6.00
Tablo-3 COA-1’in başarım parametreleri
4.00
Io (uA)
2.00
0.00
-2.00
-4.00
Parametre
Değer
Güç Tüketimi
1.3 mW
Açık Çevrim Kazancı
95 dB
GBW
202 MHz
Faz Payı (Cc=0.3p, Rc=1.2k)
65˚
Çıkış Gerilimi
Salınım Aralığı
±1 V
Yükselme Eğimi
10uA/ns
Giriş Direnci
145 Ω
Çıkış Direnci
11.2 MΩ
Giriş Gerilim Ofseti
≈ 2mV
-6.00
0.00
40.00
80.00
120.00
160.00
200.00
Zaman (ns)
Şekil-10 COA-1’in kare dalga
cevabı. Birim kazançlı geribesleme
yapısına ±5 μA genlikli kare dalga
uygulanmıştır (f=10MHz).


Yüksek başarımlı basit
bir COA elde edilmiştir.
Sükunet akımı yükselme
eğimini sınırlamıştır.
19
Önerilen COA-2 yapısı
VDD
M1
M9
M10
M11
M18
M19
M24
Vb1
M2
M30
Vb1
M5
M6
M15
M20
M21
M31
Vb1
M25
M32
M33
Vb2
VSS
M22
M23
Io+
Iin
0
M3
M7
Io-
Cc
M8
0
0
0
M17
M16
M34
M35
VSS
0
M4
M12
M13
M14
M26
M28
M29
M27
Vb2
VSS
Şekil-11 COA-2’nin şematik gösterimi
20
Önerilen COA-2 yapısı




Önerilen COA-2 yapısı [9] AB sınıfı giriş ve A sınıfı çıkış katlarından
oluşmaktadır.
Giriş katında kesikli çizgilerle içinde gösterilen tranzistorler pozitif
geribesleme çevrimlerini oluşturmakta ve giriş direncini
düşürmektedir.
Literatürde akım modlu AB sınıfı giriş katının giriş direncini
düşürmek için bir yapı önerilmiştir [10]. Fakat bu yapı önerilen
yapıya oranla oldukça karmaşıktır ve yapıda kompanzasyon
kapasitesi kullanılmıştır.
K  (W / L) M 29 /(W / L) M 28  (W / L) M 27 /(W / L) M 26
K kazancı tasarımda esneklik sağlamaktadır. Katlı-kaskot (foldedcascode) OPAMP literatürdeki COA yapılarında çıkış katı olarak
tercih edilmektedir [11]. Önerilen çıkış katı katlı-kaskot yapıya göre
genellikle daha hızıdır ve bandgenişliği daha iyidir [12].
21
Önerilen COA-2 yapısı


Aşağıdaki denklemde görüldüğü üzere CMRR doğrudan akım
kaynağının (kesikli çizgiler içindeki) çıkış direncine bağlıdır.
Yüksek çıkış dirençli ve salınımlı akım kaynağı – wide swing current
source kullanılarak CMRR değeri oldukça arttırılmış ve böylece
literatürdeki CMRR arttırma yöntemlerine [13, 14] göre daha basitkullanışlı bir yöntem uygulanmıştır.
Ad
 g m 22, 23 routCS
Ac
1
g m 22, 23  g ds15 g ds11 g ds16 g ds14 
Ai (0)  K



2  g m15
g m16 
CMRR 

f GBW
g m 22, 23
1

K
2
2Cc
K akım kazancı değerini arttırarak daha yüksek kazanç ve kazançbandgenişliği değerleri elde edebiliriz.
22
COA-2 benzetim sonuçları
Tablo-5 COA-2 tranzistor boyutları

Benzetimler SPICE programı ile
yapılmıştır. AMS 0.35μm CMOS
teknolojisi kullanılmış ve
tranzistorlar yüksek doğruluklu
BSIM3v3 ile modellenmiştir.
Tablo-4 COA-2 DC değerler
Parametre
Değer
VDD – VSS
+1.5 V, -1.5V
Vb1, Vb2
0.5V, -0.8V
ID1, ID4, ID5, ID7
10uA
ID22, ID23
40uA
ID29, ID30
120uA
Tranzistor
M1
M4
M2,5,6
M3,7,8
M9, 10,11
M12,13,14
M15
M16
M17
M18
M19
M20
M21
M22,23
M24
M25
M26,28
M27,29
M30,31
M32,33
M34,35
W(μm)/L(μm)
6/1
5/1
15/0.7
10/0.7
15/1
7/1
50/1
9/1
15/07
50/2.8
10/2.8
2.8/2.8
14/2.8
60/0.7
60/1.4
140/1.4
15/0.7
45/0.7
85/1.4
80/1.4
20/1
23
COA-2 benzetim sonuçları
4.0
Zin (k-ohm)
3.0
(a-1)
(a-2)
2.0
(a-3)
(b)
1.0
0.0
1.0E+0
1.0E+1
1.0E+2
1.0E+3
1.0E+4
1.0E+5
1.0E+6
1.0E+7
1.0E+8
1.0E+9 1.0E+10
Frekans (Hz)
Şekil-12. COA-2 giriş empedansı (Zin) genliği:
(a) Önerilen giriş katı
1-Nominal case (123Ω)
2-En kötü hal - yüksek (232Ω)
3- En kötü hal - düşük (9Ω)
(b) Geleneksel AB sınıfı giriş katı (3.1kΩ)
24
COA-2 benzetim sonuçları
120.0
CMRR (dB)
(a)
(b)
(c)
80.0
40.0
0.0
1.0E+0
1.0E+1
1.0E+2
1.0E+3
1.0E+4
1.0E+5
1.0E+6
1.0E+7
1.0E+8
1.0E+9 1.0E+10
Frekans (Hz)
Şekil-13. COA-2 CMRR genliği:
(a) Önerilen COA-yüksek salınımlı akım kaynağı kulanılarak
(b) COA- kaskot akım kaynağı kulanılarak
(c) COA-basit akım kaynağı kulanılarak
25
COA-2 benzetim sonuçları
Şekil-14’e göre,



Birim kazanç band-genişliği yaklaşık 100 MHz
Açık çevrim kazancı 110dB’de yakın
Faz payı 45˚ üzerinde
120.0
200.0
100.0
40.0
0.0
0.0
Faz (Derece)
80.0
Ai (dB)

-40.0
-100.0
1.0E+0
1.0E+1
1.0E+2
1.0E+3
1.0E+4
1.0E+5
1.0E+6
1.0E+7
1.0E+8
1.0E+9 1.0E+10
Frekans (Hz)
Şekil-14 COA-2’nin açık çevrim frekans cevabı.
26
COA-2 benzetim sonuçları
120.0
Tablo-6 COA-2’nin başarım parametreleri
80.0
Io (uA)
40.0
0.0
-40.0
-80.0
-120.0
0.00
40.00
80.00
120.00
160.00
Parametre
Değer
Güç Tüketimi
1.15 mW
Açık Çevrim Kazancı
107 dB
GBW
102 MHz
Faz Payı (Cc=0.8p, Rc=2k)
60˚
Çıkış Gerilimi
Salınım Aralığı
±0.7 V
Yükselme Eğimi
163uA/ns
Giriş Direnci
123 Ω
Çıkış Direnci
14 MΩ
CMRR
113 dB
Giriş Gerilim Ofseti
≈ 1.6mV
200.00
Zaman (ns)
Şekil-15 COA-2’nin kare dalga
cevabı. Birim kazançlı geribesleme
yapısına ±100 μA genlikli kare dalga
uygulanmıştır (f=10MHz).

Giriş katı AB sınıfı olan
yüksek CMRR ve düşük
giriş dirençli COA elde
edilmiştir.
27
Önerilen COA-3 yapısı
VDD
M18
M8
M11
M12
M13
Vb1
Vb1
M20
M7
M10
M9
M21
M14
M24
Vb2
M25
Vb2
Vb2
Io+
Iin-
Iin+
0
Io-
Cc
M26
M27
0
M17
M1
M2
M6
M15
Vb3
VSS
Vb3
M3
M4
Vb3
M5
0
M22
M23
M16
M19
Vb4
Vb4
VSS
Şekil-16 COA-3’ün şematik gösterimi
28
Önerilen COA-3 yapısı




Önerilen COA-3 yapısı [15] tamamen farsksaldır.
COA-3 yapısının giriş katı M1 – M16 tranzistorlerinden oluşmaktadır
ve negatif giriş ucu için M1, M2, M3 ve M4, pozitif giriş ucu için M9,
M10, M11 ve M12 pozitif geribesleme çevrimlerini oluşturmakta ve
giriş direncini düşürmektedir.
COA-3 yapısının çıkış katı M18 – M27 trazistorlerinden
oluşmaktadır ve temelde Arbel Goldminz çıkış katından [16]
yararlanılmıştır.
Klasik Arbel Goldminz katının çıkış direnci aşağıdaki denklemle
ifade edilir
rout  rout
 g m 20 g ds 21   g m 22 g ds 23 
  

 
 g m 21  g m 20   g m 23  g m 22 
1
29
Önerilen COA-3 yapısı

Önerilen COA yapısının çıkış
direnci ise,
rout  rout


 g m 20 g ds 21g ds 25   g m 22 g ds 23 g ds 27 
  

 
 g m 25 g m 21  g m 20    g m 27 g m 23  g m 22  
1
Çıkış direnci gmro oranında (30-40 kat) iyileştirimiştir.
Bu iyileştirme aynı zamanda COA-3 çıkış gerilim salınımını VDSsat
kadar düşürmüştür. Başka bir ifadeyle COA’nın sürebileceği
maksimum direnç değeri düşmüştür.
g m 20  g m 22  g ds14 g ds13 g ds15 g ds16 
Ai (0) 



2
g
g
m14
m15


1
f GBW 
1 g m 20  g m 22
2
2Cc
30
COA-3 benzetim sonuçları

Benzetimler SPICE programı ile
yapılmıştır. AMS 0.35μm CMOS
teknolojisi kullanılmış ve
tranzistorlar yüksek doğruluklu
BSIM3v3 ile modellenmiştir.
Tablo-7 COA-3 DC değerler
Tablo-8 COA-3 tranzistor boyutları
Tranzistor
W(μm)/L(μm)
M1, M2, M15
20/0.7
M3, M4, M5, M6
20/1
M7, M17
10/0.7
M8
27/0.7
M9, M10
15/0.7
M11, M12, M13
20/1.4
M14
40/1.4
M16
17.8/1.4
M18
118/1
Parametre
Değer
VDD – VSS
±1.5 V
Vb1, Vb2
0.6V, -0.3V
Vb3, Vb4
0.3V, -0.8V
M19
47/1
ID8, ID16
30uA
M20, M21
75/1
ID18, ID19
100uA
M22, M23
40/0.7
M24, M25
100/1
M26, M27
60/0.7
31
COA-3 benzetim sonuçları
Input Impedance(k-ohm)
Zin-n (k-ohm)
5.0
4.0
3.0
(a-1)
(a-2)
(a-3)
2.0
(b)
1.0
0.0
1.0E+0
1.0E+1
1.0E+2
1.0E+3
1.0E+4
1.0E+5
1.0E+6
1.0E+7
1.0E+8
1.0E+9 1.0E+10
Frekans (Hz)
Frequency
(Hz)
Şekil-17. Giriş empedansı(n) genliği:
(a) Önerilen giriş katı
1-Nominal case (124Ω)
2-En kötü hal - yüksek (200Ω)
3- En kötü hal - düşük (52Ω)
(b) Geleneksel A sınıfı giriş katı (3.8kΩ)
32
COA-3 benzetim sonuçları
Zin-p (k-ohm)
3.0
2.0
(a-1)
(a-2)
(a-3)
(b)
1.0
0.0
1.0E+0
1.0E+1
1.0E+2
1.0E+3
1.0E+4
1.0E+5
1.0E+6
1.0E+7
1.0E+8
1.0E+9 1.0E+10
Frekans (Hz)
Şekil-18. Giriş empedansı(p) genliği:
(a) Önerilen giriş katı
1-Nominal case (109Ω)
2-En kötü hal - yüksek (175Ω)
3- En kötü hal - düşük (47Ω)
(b) Geleneksel A sınıfı giriş katı (2.2kΩ)
33
COA-3 benzetim sonuçları
Şekil-19’a göre,


Birim kazanç band-genişliği yaklaşık 90 MHz
Açık çevrim kazancı 100dB’de yakın
Faz payı 45˚ üzerinde
100.00
200.00
50.00
100.00
0.00
0.00
-50.00
Faz (Derece)

Ai (dB)

-100.00
1.0E+0
1.0E+1
1.0E+2
1.0E+3
1.0E+4
1.0E+5
1.0E+6
1.0E+7
1.0E+8
1.0E+9 1.0E+10
Frekans (Hz)
Şekil-19 COA-3’ün açık çevrim frekans cevabı.
34
COA-3 benzetim sonuçları
Tablo-9 COA-3’ün başarım parametreleri
6.00
4.00
Parametre
Değer
Güç Tüketimi
0.66 mW
Açık Çevrim Kazancı
96 dB
GBW
92 MHz
Faz Payı (Cc=1.2p, Rc=2.4k)
60˚
Çıkış Gerilimi
Salınım Aralığı
±0.6 V
Yükselme Eğimi
4uA/ns
Giriş Direnci (n)
124 Ω
Giriş Direnci (p)
109 Ω
Çıkış Direnci
30 MΩ
Giriş Gerilim Ofseti (n), (p)
≈ 1.6mV, -3.5mV
Io (uA)
2.00
0.00
-2.00
-4.00
-6.00
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
Zaman (ns)
Şekil-20 COA-3’ün kare dalga
cevabı. Birim kazançlı geribesleme
yapısına ±5 μA genlikli kare dalga
uygulanmıştır (f=5MHz).

Tamamen farksal yüksek
başarımlı bir COA
tasarlanmıştır.
35
Önerilen COA-4 yapısı
Şekil-21 COA-4’ün şematik gösterimi
36
Önerilen COA-4 yapısı






Önerilen COA-4 yapısı AB sınıfı giriş ve çıkış katlarından
oluşmaktadır ve yüksek kapasiteleri sürmek için elverişlidir.
Literatürdeki tamamen farksal COA yapılarıyla [17-19]
karşılaştırıldığında hem yeterince hızlı hem de yüksek frekanslarda
(GBW>50MHz) çalışabilen tek yapıdır.
Süzgeçlerde yüksek çıkış empedanslı yapı blokları kullanılarak çok
düşük frekanslarda filtreleme yapılabilir ve filtreleme hataları –
Filtering errors azaltılabilir [20, 21].
Literatürde COA tabanlı filtre yapıları önerilmiştir [22-24].
Gerek bu yapılarda gerekse COA tabanlı yeni filtre gerçeklemeleri
için yüksek empedanslı bir COA tasarımı uygun olacaktır.
Önerilen COA-4 yapısının çıkış direnci çok yüksek değerlidir.
37
Önerilen COA-4 yapısı

Yapının pozitif ve negatif girişler için direnç ifadeleri aşağıdaki
gibidir.
rin


1

g m5  g m6
COA-4’ün çıkış katı M14 – M37 trazistorlerinden oluşmaktadır.
Devrenin çıkış direncini iyileştirmek için ayarlı kaskot – Regulated
Cascode (RGC) yapısı [25] kullanılmıştır.
Önerilen COA yapısının çıkış dirençleri ise,
rout  rout

rin
1

g m3  g m 4
 g ds 26 g ds19 g ds 24 g ds 28 g ds 22 g ds 25 



g
g
g
g
m 26 m 24
m 28 m 25


1
Çıkış direnci kaskot yapıya oranla gmro kat iyileştirilmiştir.
38
COA-4 benzetim sonuçları

Benzetimler SPICE programı ile
yapılmıştır. AMS 0.35μm CMOS
teknolojisi kullanılmış ve
tranzistorlar yüksek doğruluklu
BSIM3v3 ile modellenmiştir.
Tablo-11 COA-4 tranzistor boyutları
Tranzistor
W(μm)/L(μm)
M2, M4, M6, M14 M15,
20/0.7
M16, M17, M28, M28, M37
M1, M3, M5, M18, M19,
Tablo-10 COA-4 DC değerler
30/0.7
M20, M24, M26, M27, M30,
M31, M34, M36
Parametre
Değer
VDD – VSS
±1.5 V
Ib
20μA
M21, M22, M23, M25, M32,

DC kaynak olarak besleme
gerilimlerinin dışında gerilim
kaynağı kullanılmamıştır.
10/0.7
M33, M35
M7, M8
30/1
M9, M10
10/1
M11
20/1.4
M12
40/1.4
39
COA-4 benzetim sonuçları
Şekil-22’ye göre,



Birim kazanç band-genişliği 90 MHz’e yakın
Açık çevrim kazancı yaklaşık 100dB
Faz payı 45˚ üzerinde
120.0
200.0
100.0
40.0
0.0
0.0
Faz (Derece)
80.0
Ai (dB)

-40.0
-100.0
1.0E+0
1.0E+1
1.0E+2
1.0E+3
1.0E+4
1.0E+5
1.0E+6
1.0E+7
1.0E+8
1.0E+9 1.0E+10
Frekans (Hz)
Şekil-22 COA-4’ün açık çevrim frekans cevabı.
40
COA-4 benzetim sonuçları
Şekil-23’e göre,
 Önerilen COA-4 yapısı -350μA ile +350μA giriş akım aralığında
lineer olarak çalışmaktadır (20μA lik sükunet akımıyla).
400.0
200.0
Io (uA)

0.0
-200.0
-400.0
-600.0
-400.0
-200.0
0.0
200.0
400.0
600.0
Iin (uA)
Şekil-23 Birim kazançlı geribesleme yapısında, COA-4’ün girişçıkış akım karakteristiği .
41
COA-4 benzetim sonuçları
Tablo-12 COA-4’ün başarım parametreleri
200.0
Parametre
Değer
Güç Tüketimi
0.72 mW
Açık Çevrim Kazancı
100 dB
GBW
85 MHz
Faz Payı (Cc=1.2p, Rc=2.4k)
62˚
Çıkış Gerilimi
Salınım Aralığı
±1 V
Çıkış Akım
Salınım Aralığı
±250 uA
Yükselme Eğimi
100uA/ns
Giriş Direnci (n), (p)
1.6 kΩ
Çıkış Direnci (n), (p)
6.1 GΩ
Giriş Gerilim Ofseti (n), (p)
≈ 0.1mV
Io (uA)
100.0
0.0
-100.0
-200.0
0.00
0.50
1.00
1.50
Zaman (us)
Şekil-24 COA-4’ün kare dalga
cevabı. Birim kazançlı geribesleme
yapısına ±200 μA genlikli kare dalga
uygulanmıştır (f=1MHz).

AB sınıfı giriş ve çıkış
katlarından oluşan bir COA
tasarlanmıştır. Yüksek
kapasiteleri sürebilmektedir
2.00
42
Uygulama devresi-1
Vout

Vin
wo 
Şekil-25 Band-geçiren çoklu geribeslemeli
(multiple feedback) COA tabanlı filtre yapısı

Q
s
s2  s
C1  C2 
C1C2 R2
1
C1C2 R2

1
R1C1
1
C1C2 R2
 1
1 
 

R

 1 R3 
 1
1 
 

R

 1 R3 
C1C2 R2  1
1 



2 
C1  C2   R1 R3 
Süzgeç benzetimlerinde Şekil-7 deki COA-1 yapısı kullanılmıştır.
43
Uygulama devresi-1
10.00
7.0
İdeal
Ideal
Benzetim
Simulated
0.00
6.0
5.0
4.0
THD (%)
Gerilim
Kazancı
(dB)
Voltage
Gain (dB)
-10.00
-20.00
3.0
-30.00
2.0
-40.00
1.0
0.0
-50.00
1.0E+5
1.0E+6
1.0E+7
1.0E+8
Frequency
(Hz)
Frekans (Hz)
Şekil-26 Önerilen band-geçiren
süzgecin (BGS) frekans cevabı
fo=10Mhz.
1.0E+9
0.00
0.40
0.80
1.20
1.60
2.00
Tepeden Tepeye Giriş Gerilimi (V)
Şekil-27 BGS’in toplam harmonik
distorsiyon (THD) değerlerinin girişe
uygulanan işaretin tepeden tepeye
genliğiyle değişimi (f=10MHz)
44
Uygulama devresi-2
C1
R1
+
(a)
Iin
R3
_
Iout

COA
R2
_
+
C2
C4
R4
+
(b)
Iin
C6
_
Iout
COA
R5
_
Önerilen alçak-geçiren
süzgeç (AGS) – Low-Pass
Filter (LP) ve yüksek geçiren
süzgeç (YGS) - High-Pass
Filter (HP) için eşleşme
koşulları aşağıda verilmiştir:

+

C5
Şekil-28 (a) COA tabanlı alçak geçiren
süzgeç yapısı
(b) COA tabanlı yüksek geçiren
süzgeç yapısı

AGS gerçeklemesi için:
R1=R3=RLP, C1=C2=CLP
YGS gerçeklemesi için:
R4=R5=RHP, C4=C6=CHP
Süzgeç benzetimlerinde
Şekil-16 deki COA-3 yapısı
kullanılmıştır.
45
Uygulama devresi-2
Aşağıdaki denklemlerde görüldüğü üzere, AGS’in wo ve Q değerleri
birbirinden bağımsız olarak - Orthogonally Adjustable değiştirilebilir.

iout LP
iin

1
2
2 RLP R2 C LP

wo 
1
1
s2  s

2
R2 C LP 2 RLP R2 C LP
1
2
2 RLP R2 C LP
Q
R2
2 RLP
Aşağıdaki denklemlerde görüldüğü ğzere, YGS’in wo ve Q değerleri
birbirinden bağımsız olarak - Orthogonally Adjustable değiştirilebilir.
ioutHP

iin
s2  s
s2
2
2
 2
RHPCHP RHPCHPC5
wo 
2
2
RHP
C HP C5
Q
C HP
2C5
46
Uygulama devresi-2
6.0
0.00
İdeal
Ideal
Benzetim
Simulated
5.0
-10.00
THD (%)
Akın Kazancı
Current (dB)
Gain (dB)
4.0
-20.00
3.0
-30.00
2.0
-40.00
1.0
-50.00
1.0E+4
1.0E+5
1.0E+6
1.0E+7
1.0E+8
Frequency(Hz)
(Hz)
Frekans
Şekil-29 Önerilen band-geçiren süzgecin
(BGS) benzetim ve ideal haldeki frekans
cevapları fo=1Mhz.

0.0
0.00
40.00
80.00
120.00
160.00
200.00
240.00
Tepeden Tepeye Giriş Akımı (uA)
Şekil-30 BGS’in toplam harmonik
distorsiyon (THD) değerlerinin girişe
uygulanan işaretin tepeden tepeye
Benzetimlerde alçak ve yüksek geçiren
genliğiyle değişimi (f=1MHz)
filtreler ard arda bağlanarak band
geçiren süzgeç yapısı elde edilmiştir.
47
Uygulama devresi-3
R2
C2
+
Iin
_
Iout
COA
R1
_
+
C1
A( s ) 
iout

iin
s2 
s2  s
1
4 R22 C12
2
1

R2 C1 4 R22 C12
Şekil-31 COA tabanlı 2. dereceden bandsöndüren süzgeç (BSS) yapısı


Süzgeç benzetimlerinde Şekil-21 deki COA-4 yapısı kullanılmıştır.
Önerilen band-söndüren süzgeç (BSS) – Band-Stop Filter (BS) için
eşleşme koşulları aşağıda verilmiştir:
 BSS gerçeklemesi için: R2 = R1/2, C1 = C2/2
48
Uygulama devresi-3
7.0
10.0
0.0
6.0
-10.0
5.0
İdeal
Benzetim
4.0
THD (%)
Akım Kazancı (dB)
-20.0
-30.0
3.0
-40.0
-50.0
2.0
-60.0
1.0
-70.0
0.0
-80.0
0.0
1.0E+3
1.0E+4
1.0E+5
1.0E+6
1.0E+7
1.0E+8
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
Tepeden Tepeye Giriş Akımı (uA)
Frekans (Hz)
Şekil-32 Önerilen band-söndüren
süzgecin (BSS) benzetim ve ideal haldeki
frekans cevapları fo=400 kHz
Şekil-33 BSS’in toplam harmonik
distorsiyon (THD) değerlerinin girişe
uygulanan işaretin tepeden tepeye
genliğiyle değişimi (f=10kHz)
49
Sonuç







Bu çalışmada 4 yeni akım modlu işlemsel kuvvetlendirici (COA)
yapısı önerilmiştir.
İki tanesi tek girişli iki tanesi çift girişlidir. Litaratürdeki devrelerle
karşılaştırdıklarında herbirinin değişik kullanım faydaları vardır.
Akım modlu devrelerden beklenen yeterince geniş band genişliği 4
COA için de sağlanmıştır.
Bu çalışmada önerilen giriş-çıkış katları ve empedans iyileştirme
yöntemleri diğer akım-modlu yapılarda da kullanılabilir.
Tasarlanan COA ların başarımlarını sınamak için 3 uygulama
devresi (filtre yapıları) kullanılmıştır.
CMOS modellerinde BSIM 3v3 parametre setleri (yüksek doğruluklu)
kullanılmıştır.
Benzetim sonuçları idealle yüksek başarımda örtüşmektedir
50
Kaynaklar









[1] Palmisano, G., Palumbo, G. and Pennisi S., 1999. CMOS Current Amplifiers, Kluwer
Academic Publishers, Boston MA.
[2] Toumazou, C., Lidjey, F.J. and Haigh, D., 1990. Analog IC Design: the Current-Mode
Approach, Peter Peregrinus Ltd, London.
[3] Roberts, G.W. and Sedra, A.S., 1992. A General Class of Current Amplifier-Based Biquadratic
Filter Circuits, IEEE Trans. Circuits Syst., 39, 257-263.
[4] Roberts, G.W. and Sedra, A.S., 1989. Adjoint Networks Revisited, Proceedings of ISCAS, vol.
1, pp. 540-544.
[5] Wang, W., 1996. Wideband Class AB (push-pull) Current Amplifier in CMOS Technology,
Electronics Letters, 26, 543-545.
[6] Altun, M. and Kuntman, H., 2006. A Wideband CMOS Current-Mode Operational Amplifier
and Its Use for Band-Pass Filter Realization, Proceedings of Applied Electronics, Pilsen, pp. 3-6.
[7] Surakampontorn, W., Riewruja, V., Kumwachara, K. and Dejhan, K., 1991. Accurate
CMOS-Based Current Conveyors, IEEE Trans. Instrum. Meas., 40, 609-702.
[8] Palmisano, G. and Palumbo, G., 1995. A Simple CMOS CCII+, International Journal of
Circuit Theory and Applications, 23, 599-603.
[9] Altun, M. and Kuntman, H., 2007. High CMRR Current Mode Operational Amplifier with a
Novel Class AB Input Stage, Proceedings of the 2007 ACM Great Lakes Symposium on VLSI
(GLSVLSI 2007), Stresa, pp. 192-195.
51
Kaynaklar








[10] Kurashina, T., Ogawa, S. and Watanabe, K., 1998. A high performance class AB current
conveyor, ISCAS 98, Monterey, Florida, 31 May – 03 June.
[11] Abou-Allam, E. and El-Masry, E., 1997. A 200 MHz Steered Current Operational Amplifier
in 1.2-μm CMOS Technology, IEEE J. Solid-State Circuits, 32, 245-249.
[12] Johns, D. and Martin, K., 1997. Analog Integrated Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc.,
Cloth.
[13] Abou-Allam, E. and El-Masry, E., 1994. High CMRR CMOS Current Operational Amplifier,
Electronics Letters, 30, 1042-1043.
[14] Luzzi, R., Pennisi, S. and Scotti, G., 2005. 2-V CMOS current operational amplifier with high
CMRR, ECCTD 2005, Cork, Ireland, 29 Agust - 02 September.
[15] Altun, M. and Kuntman, H., 2007. Design of a Fully Differential Current Mode Operational
Amplifier with Improved Input-Output Impedances and Its Filter Applications, Accepted for
Publication in AEU: International Journal of Electronics and Communications, A06-339.
[16] Arbel, A.F. and Goldminz, L., 1992. Output Stage for Current-Mode Feedback Amplifiers
Theory and Applications, Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 2, 243-255.
[17] Kaulberg, T., 1993. A CMOS Current-Mode Operational Amplifier, IEEE J. Solid-State
Circuits, 28, 849-852.
52
Kaynaklar








[18] Cheng, K.H. and Wang, H.C., 1997. Design of Current Mode Operational Amplifier with
Differential Input and Differential Output, Proceedings of IEEE International Symposium on
Circuits and Systems, Hong Kong, pp. 153-156.
[19] Jun, S. and Kim, D.M., 1998. Fully Differential Current Operational Amplifier, Electronics
Letters, 34, 62-63.
[20] Khorramaraoi, H. and Gray, P.R., 1984. High-Frequency CMOS Continues Time Filters,
IEEE J, Solid Slate Circuits, 19, 939-948.
[21] Zeki, A. and Kuntman, H., 1999. High-Output-Impedance CMOS Dual-Output OTA Suitable
for Wide-Range Continuous-Time Filtering Applications, Electronics Letters, 16, 1295-1296.
[22] Souliotis, G., Chrisanthopoulos, A. and Haritantis, L., 2001. Current Differential Amplifiers:
New Circuits and Applications, Int. J. Circ. Theor. Appl., 29, 553 – 574.
[23] Kilinc, S. and Cam, U., 2004. Current-Mode First-Order Allpass Filter Employing Single
Current Operational Amplifier, Journal of Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 41,
4147-4153.
[24] Kılınç, S. ve Cam, U., 2003. Akım modlu alçak ve yüksek geçiren süzgeçlerin akım işlemsel
kuvvetlendirici ile gerçeklenmesi, Elektrik, Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği 10. Ulusal
Kongresi, İstanbul, 18-21 Eylül.
[25] Sackinger, E. and Guogbniiuhl, W., 1990. A High Swing High Impedance MOS. Cascode
Circuit, IEEE J, Solid Slate Circuits, 25, 289-298.
53
TEŞEKKÜRLER
54