Yeni aktif eleman yapıları ve analog devre tasarımındaki uygulamaları
New active component structures and their applications to analog circuit design
Yazar: UMUT ENGİN AYTEN
Danışman: PROF. DR. HERMAN SEDEF
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Aktif devre sentezi = Alcogel ; Aktif filtreler = Active filters ; Analog tasarım = Analog design ; Analog tümleşik devreler = Analog integrated circuits

Özet:
Tümleşik devre teknolojisinin gelişmesiyle birlikte çok sayıda aktif eleman yapısı geliştirilmiş ve analog devre uygulamalarında kullanılmıştır. Bu aktif elemanlardan ilki olan işlemsel kuvvetlendirici (Operational Amplifier, Opamp), analog devre uygulamalarında oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır.İşlemsel kuvvetlendiriciden sonra analog devre uygulamalarında en fazla kullanılan aktif elemanlardan birisi de işlemsel geçiş-iletkenliği kuvvetlendiricisidir (Operational Transconductance Amplifier, OTA). Özellikle sayısal devreler ile analog devrelerin birlikte gerçekleştirildiği karma tümleşik devrelerde, OTA yapısı oldukça sık kullanılmaktadır.Literatürde tanıtılan diğer bir aktif eleman da akım taşıyıcıdır (Current Conveyor). Akım taşıyıcılar kullanılarak gerçekleştirilen akım modlu elemanların gerilim modlu elemanlara göre dinamikliğinin, band genişliğinin ve güç tüketiminin daha iyi olması nedeniyle, araştırmacılar akım taşıyıcı tabanlı yeni aktif elemanlar önermişlerdir. Günümüzde halen analog devre uygulamalarında çeşitli avantajlar sağlayan yeni aktif elemanlar sunulmaya devam edilmektedir.Bu tezde de analog devrelerde kullanılabilecek yeni aktif elemanlar önerilmiş ve bu aktif elemanların MOS ve BJT tranzistörler ile gerçeklemeleri yapılmıştır. Ayrıca, önerilen aktif elemanların uç gerilim ve akımlarına ilişkin DC ve AC transfer karakteristikleri elde edilmiş ve bu elemanların lineer çalışma bölgeleri ile maksimum çalışma frekansları bulunmuştur. Önerilen aktif elemanlar ile gerçekleştirilecek analog devrelerin tasarımında, bu belirlenen lineer çalışma bölgeleri ve maksimum çalışma frekansları göz önünde tutulmuştur.Bu tezde, önerilen aktif elemanlar ile çeşitli analog devre uygulamaları gerçekleştirilmiş ve gerçekleştirilen devrelerin şimdiye kadar literatürde sunulan devrelere göre üstünlükleri ortaya konulmaya çalışılmıştır.Bu tezde gerçekleştirilen analog devre uygulamalarının ilki endüktans elemanı eşdeğer devresidir. Endüktans elemanı, analog devrelerde fonksiyonundan vazgeçilemeyen, ancak yüksek frekansta lineer olmayan davranışı, istenmeyen kuplajları, alçak frekans uygulamasında ortaya çıkardığı boyut ve ağırlık, üretim güçlüğü ve maliyet sorunları gibi nedenlerden dolayı analog devrelerde kullanılmasından kaçınılan bir elemandır. Bundan dolayı aktif elemanlar kullanılarak endüktans elemanı eşdeğer devreleri elde edilmekte ve bu devre yapıları kullanılarak aktif filtre devreleri gerçekleştirilmektedir. Bu tezde de iki ucu serbest endüktans eşdeğer devresi elde edilmiş ve bu devre ile çeşitli analog filtre uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda, tümdevre teknolojisinde bir ucu topraklı direnç ve kapasite elemanlarının tümdevre içinde gerçekleştirilmesinin avantajları literatürde ortaya konulmuştur. Bundan dolayı analog devrelerde pasif elemanların bir ucu topraklı şekilde olması tercih edilmektedir. Bu tezde de gerçekleştirilen filtre devrelerinde kullanılan pasif elemanların bir ucu topraklı şekilde olmasına çalışılmıştır.Bu tezde gerçekleştirilen diğer bir analog devre uygulaması ise yapay transformatör devresidir. Bu devre yapısı ile de analog filtre gerçeklemesi yapılmış ve şimdiye kadar literatürde sunulan devrelere göre üstünlükleri ortaya konulmuştur.Ayrıca bu tezde, ikinci dereceden filtre devreleri de önerilmiştir. Tek girişli çok çıkışlı akım ve gerilim modunda çalışan iki filtre devresi ve çok girişli tek çıkışlı gerilim modunda çalışan filtre devresi gerçekleştirilmiştir. Tek girişli çok çıkışlı filtre devrelerinde aynı anda çıkışlarından alçak geçiren, band geçiren ve yüksek geçiren filtre karakteristikleri elde edilebilmektedir. Çok girişli tek çıkışlı filtre devresinde ise girişlerin seçimine bağlı olarak alçak geçiren, band geçiren, yüksek geçiren, band söndüren ve tüm geçiren filtre karakteristiği elde edilebilmektedir.Ayrıca bu tezde, gerilim ve akım çıkışlı sinüzoidal osilatör devreleri önerilmiştir. Bu osilatör devrelerinin gerilim çıkışları düşük direnç değerli, akım çıkışları ise yüksek direnç değerlidir. Dolayısıyla, önerilen devrelerin çıkışları rahatlıkla diğer devrelere bağlanabilmektedir. Ayrıca önerilen sinüzoidal osilatör devrelerinin osilasyon frekansları elektronik olarak kontrol edilebilmektedir.Bu tezde gerçekleştirilen diğer bir uygulama ise basamaklı türden pasif filtre devrelerinin işaret akış diyagramları yöntemi kullanılarak ve önerilen aktif elemanlara uygun olarak işaret akış diyagramlarını değiştirerek aktif elemalar ile gerçekleştirilmesidir. Bu yöntem kullanılarak alçak geçiren, band geciren, yüksek geçiren ve band söndüren filtre devre yapıları gerçekleştirilmiştir.Bu tezde gerçekleştirilen analog devre uygulamalarının teorik hesaplarla uyuştuğunu göstermek için öncelikle PSPICE programı kullanılarak benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Sonra da, bu tezde önerilen aktif elemanların ticari olarak üretilen aktif elemanlar kullanılarak eşdeğer devreleri elde edilmiş ve bu tezde önerilen birçok analog devre uygulamasının deneysel çalışması yapılmıştır.

Abstract:
A large number of active component structures have been derived with the evolution of the integrated circuit technology; and used to design in analog circuit. As the first of these new components, operational amplifiers are frequently used in analog circuits. Another mostly used component in analog circuits is the Operational Transconductance Amplifier (OTA). OTA is especially used in the joint integrated circuits in which both analog and digital circuits are realized.Another active component structure is the current conveyor. After the recognition that the current mode circuits are more advantageous than the voltage mode circuits, new current mode based active components have been proposed. Both current conveyors and the active components based on the current conveyors have more dynamic amplitude and larger bandwidth; they also need less power than the voltage mode circuits. Today, new active components are still being introduced to be used in the analog circuit design.In this thesis a new active components have been proposed to be used in analog circuit design and shows the realization of these new active components with MOS and BJT transistors. In addition, the DC and AC transfer characteristics of the terminals both in terms of potential and current of these new components are obtained. These features are taken into account while designing the analog circuits.Many analog circuit applications are realized and the advantages of these circuits to the literature are tried to be presented in this thesis.The first realized analog circuit in this thesis is the equivalence of the inductance. Inductance is evaded to use in the circuits for its nonlinear characteristics in high frequencies, undesired couplings, the dimension and weight problems in the low frequencies, and finally for its cost and production problems; but it is an indispensable circuit component for its function. So the equivalents of inductance are obtained by using active components and these equivalents are used in the active filter circuits. In this thesis, the floating inductance?s equivalent is obtained; and various analog filter applications are verified by using this equivalent circuit. On the other hand, the advantages of the verification of grounded capacitances and resistors in the integrated circuits are revealed in the literature. Based on this information, grounded passive components are prefered for the realization of these filter circuits.Another realized analog circuit application in this thesis is the synthetic transformer circuit. Analog filter by using this synthetic transformer circuit is obtained, and its distinctions to the other circuits presented in the literature are explained.Oscillator circuits with sinusoidal outputs, both voltage and current, are also introduced in this thesis. The proposed oscillator circuits have low and high resistance for voltage and current outputs, respectively. Therefore, the outputs of the proposed circuits can easily be connected to the other circuits. In addition, the oscillation frequencies of these proposed sinusoidal oscillator circuits could be controlled electronically.Another obtained application in this thesis is the realization of the ladder passive filters with active components by using the signal-flow diagrams method and by adapting the signal-flow diagrams with the proposed active component. Low-pass, high-pass, band-pass, band rejection, and all-pass filter architectures are obtained by using this method.PSPICE simulations are used in order to verify the theoretical calculations of the proposed circuits. Then, the active devices proposed in this thesis are obtained by using industrial active components; and many of the realized circuits? experimental studies are carried out.