Akım çıkışlı sensörler için geçiş empedans modlu analog devre tasarımı
Analog circuit design with transimpedance mode for current output sensors
Yazar: MUHAMMED TAHA KAVLAK
Danışman: DOÇ. DR. UMUT ENGİN AYTEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Fiziksel dünyada bir büyüklüğü ölçümlemek ve algılamak amaçlı çeşitli sensörler kullanılmaktadır. Sensörlerin çıkış büyüklükleri gerilim veya akım olabilmektedir. Akım çıkışlı sensörlerin oluşturduğu akım büyüklükleri küçük genliklidir. Bu akım değerlerinin elektronik donanım tarafından kullanılabilecek gerilim değerlerine dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu işlem için giriş büyüklüğü akım ve çıkış büyüklüğü gerilim olan geçiş empedans kuvvetlendiricisi devreleri kullanılmalıdır. Bu tez çalışmasında farklı aktif elemanlarla geçiş empedans kuvvetlendiricisi devresi tasarımlarına yer verilmiştir. Yapılan tasarımlar endüstriyel standartlara uygun fotoelektrik hücre ölçüm sistemlerinde test edilmiştir. Çalışma kapsamında ilk önce literatürde yaygın olarak kullanılmakta olan geleneksel geri beslemeli Opamp geçiş empedans kuvvetlendiricisi devre yapısı, akım geri beslemeli CFOA geçiş empedans kuvvetlendiricisi devre yapısı ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma deney ve benzetim ortamında elde edilen sonuçlara göre gerçekleştirilmiştir. Yapılan diğer çalışmalarda CDTA, CDBA ve CFTA aktif elemanları ile geçiş empedans kuvvetlendiricisi devre tasarımlarına yer verilmiştir. Geçiş empedans kuvvetlendiricisi devresinde kullanılan CDTA ve CDBA aktif elemanlarının deney ve benzetim çalışmaları ticari tümdevrelerle gerçeklenen aktif eleman yapılarıyla gerçekleştirilmiştir. CFTA aktif elemanı iç yapısı ise TSMC 0.18 µm teknoloji parametresi kullanılarak CMOS transistörlerle tasarlanmıştır. Önerilen CFTA geçiş empedans kuvvetlendiricisi devresi ile hiçbir pasif eleman kullanılmadan 100 kΩ- 730 kΩ arasında kazanç değeri elektronik olarak ayarlanabilir bir yapı ile elde edilmiştir. Devrenin performansı PSPICE benzetim ortamında incelenmiştir. TIA devresi 0.1 - 2 µA giriş akımı değerine kadar test edilmiş ve çıkış geriliminin doğrusal olduğu görülmüştür. Tasarlanan yapı en yüksek kazancın sağlandığı koşulda 2.69 mW değerinde güç tüketimine sahiptir. Devre yapıları içerisinde eşit geçiş empedans kazancı değerleri için en yüksek bant genişliği CFTA aktif elemanı ile yapılan tasarımda elde edilmiştir.

Abstract:
Various sensors are used to measure and detect a magnitude in the physical world. The output quantities of the sensors can be voltage or current. The current magnitudes created by current output sensors have small amplitudes. These current values must be converted into voltage values that can be used by electronic equipment. For this process, transimpedance amplifier (TIA) circuits with input size current and output size voltage should be used. In this thesis study, transimpedance amplifier circuit designs with different active elements are included. The designs were tested in photoelectric cell measurement systems in accordance with industrial standards. Within the scope of the study, first the traditional feedback Opamp transimpedance amplifier circuit structure, which is widely used in the literature, was compared with the current feedback CFOA transimpedance amplifier circuit structure. The comparison was made based on the results obtained in the experimental and simulation environment. Other studies include transimpedance amplifier circuit designs made with CDTA, CDBA and CFTA active elements. Experiments and simulation studies of CDTA and CDBA active elements used in the transimpedance amplifier circuit were carried out with active element structures implemented with commercial integrated circuits. The internal structure of the CFTA active element was designed with CMOS transistors using TSMC 0.18 µm technology parameter. With the proposed CFTA transimpedance amplifier circuit, gain values between 100 kΩ - 730 kΩ were obtained with an electronically adjustable structure, without using any passive elements. The performance of the circuit was examined in the PSPICE simulation environment.  The TIA circuit was tested up to 0.1 - 2 µA input current value and the output voltage was found to be linear. The designed structure has a power consumption of 2.69 mW under the condition where the highest gain is achieved. The highest bandwidth for equal transimpedance gain values within the circuit structures was obtained in the design made with the CFTA active element.