Global farklı yer belirleme sistemleri için atik süzgeç uygulamaları
Agile filter applications for different global positioning systems
Yazar: MESUT ATASOYU
Danışman: PROF. DR. HULUSİ HAKAN KUNTMAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Aktif filtreler = Active filters ; Akım taşıyıcı devreler = Current conveyor circuits ; Analog tasarım = Analog design ; Analog tümleşik devreler = Analog integrated circuits ; Bilgisayar destekli tasarım = Computer aided design ; Devre tasarımı = Circuit design ; Filtre devreleri = Filter circuits ; Tümdevre tasarımı = Integrated circuits design ; Tümleşik devreler = Integrated circuits

Özet:
Bu çalışma kapsamında, Fabre tarafından önerilen frekans atik süzgeç yapısının çok protokollü bir GPS yapısına uygulanması gerçekleştrilmiştir. GPS kırmık üstü yapılarında farklı kıtaların konumlandırma sistemleri için farklı protokoller bulunmaktadır. Bu sistemlerin desteklenmesi için ayrık süzgeç yapıları kullanılmaktadır. Bu sistemler için bu çalışma kapsamında tek süzgeç yapısından oluşmuş uygulamalar önerilmiştir.
Çoklu kanal haberleşme sistemlerine esneklik özelliği, bu sistemlerin en önemli paraçası olan alıcı-verici bloklarında yer alan yeniden ayarlanabilir analog elemanlarla mümkündür. Alıcı ve verici mimarilerinde yeniden ayarlanabilir analog elemanları; Düşük gürültülü kuvvetlendiriciler, yerel osilatörler, karıştırıcılar, süzgeçlerdir. Düşük gürültülü kuvvetlendiriciler ve yerel osilatör analog elemanlarıyla sağlanmış yeniden ayarlanabilir sistemler tasarlamak zordur. Aynı zamanda yeniden ayarlanabilir ve tümleştirilebilir RF süzgeçler tasarlamakta zordur, alıcı-verici mimarilerinde yeniden ayarlanabilir yapıların tasarım maliyeti fazladır. Bu temel sorunlara bu çalışmada düşük güçlü, düşük gürültülü, az yer kaplayan ve aynı yonga üzerine tümleştirilebilen akım modlu yeniden ayarlanabilir aktif süzgeç uygulamaları tasarlanmıştır. Çoklu standart tasarım gerçeklemesi basit olmasına rağmen üretimi ekonomik olarak tercih edilmemektedir. Bu nedenle tamamen ayarlanabilir alıcılar için ayarlanabilir bloklar tasarlanarak maliyeti azaltma yoluna gidilmek istenmektedir. Bu amaçla farklı aktif elemanlarla dört ayrı yapı oluşturulmuş, bunların başarımları CADENCE Spectre araçlarıyla incelenmiş, elde edilen sonuçlar kıyaslanarak birbirine göre üstünlükleri ve zayıflıkları ortaya konmuştur. Bu çalışmada yer alan uygulama devreleri literatürdeki örnek çalışmalardan kısmi özellikleriyle daha iyi bir öneri getirmektedir. Tümleşik tasarlanan analog aktif süzgeçlerin en büyük sorunu ise fiziksel gerçeklemede önceden belirlenen merkez frekansında meydana gelen aşırı sapmalardır. Bu sorunun tespiti için her uygulama Monte Carlo ve Corner analizinden geçirilmiştir. Tasarlanan yapılarda bu sorun el analizleriyle uyumlu ve tasarım kriterlerine uygun transistör boyutlandırmasıyla aşıldığı yine bu analiz sonuçlarıyla teyit edilmiştir. Ekonomik ve teknolojik gelişmelere bağlı olarak günümüzde haberleşme teknolojileri önemli bir rol oynamaktadır. Bir alıcı-verici mimarisinin iyi tanımlanabilirliği geniş ölçüde yeniden ayarlanabilirliğine bağlıdır. Çoklu standart tasarım gerçeklemesi basit olmasına rağmen üretimi ekonomik olarak tercih edilmemektedir. Bu nedenle tamamen ayarlanabilir alıcılar için ayarlanabilir blok tasarlanarak maliyeti azaltma yoluna gidilmek istenmektedir.
Bu tezin amacı akım modlu ayarlanabilir bloklar tasarlayarak şifreli ve bilişsel haberleşme için öneriler getirmektir. Akım modlu devreler daha az güç tüketimine sahip olmaları ve daha geniş band genişliğine sahip olmalarından dolayı tercih edilirler. Son zamanlarda akım modlu devre teknikleri çeşitli elektronik devre tasarımına uygulanmaktadır. Sinyal işlemede gerilim işaretinden ziyade akım modlu devre tekniğinde akım işareti niteliği gerektirir. Akım modlu sinyal işleme; gerilim işaretlerinin devre performansını belirlemede baskın olmadığı ortamlarda akım işaretlerinin işlenmesi olarak tanımlanabilir. Akım modlu yaklaşımda bir sistem akım transfer fonksiyonları ile ifade edilir. Akım kontrollü akım taşıyıcı büyük ölçekte elektronik olarak kontrol edilebilen kuvvetlendiricilerde, süzgeçlerde kullanılır. Devre tasarımında parazitik etkiler ve gürültü çok önemlidir. Bu uygulamada elektronik olarak kontrol X ucundan görülen parazitik direnç ile sağlanılmıştır. CMOS CCCII+ gerçeklemesi, ayarlanabilir band geçiren atik süzgeç uygulaması bu kısımda anlatılmıştır.
Akım farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (CDTA) en kullanışlı akım modlu işlemsel kuvvetlendiricilerden biridir. Bu kısımda sadece iki pasif kapasite elemanı kullanılarak aktif süzgeç uygulaması gerçeklenmiştir. ECCII+ devresinin akım kazancı; dc kutuplama akımlarının elektronik olarak değiştirilmesiyle kontrol edilebilir. ECCII+ devresi iki giriş ucuna sahiptir. Giriş uçlarının biri düşük empedansa diğeri ise yüksek empedansa ve çıkış ucu ise yüksek empedansa sahiptir. Literatürdeki çoğu çalışmada yüksek frekanslı tümleşik süzgeç uygulaması için geçiş iletkenliği kuvvetlendiricilerinden oluşmuş gm - C süzgeç yapılarına odaklanılmıştır. Literatürdeki çalışmalarda gm - C süzgeç yapılarına yoğun olarak yer verilmektedir. Geçiş iletkenliği kuvvetlendiricileri daha yüksek band genişliğine sahip olmaları, elektronik olarak akort edilebilme özellikleri ile işlemsel kuvvetlendiricilerden daha işlevseldirler. Bu çalışmada yer alan uygulama devreleri literatürdeki örnek çalışmlardan kısmi özellikleriyle daha iyi bir öneri getirmektedir. Sonuçlar incelendiğinde tasarımı gerçekleştirilen bütün uygulama devreleri için Corner ve Monte Carlo analizleri yapılarak çalışmaların fiziksel olarak gerçeklenmesi durumunda başarılı olunma durumu incelenmiş ve analizler sonucu fiziksel gerçeklenme için tasarımların uygunluğu teyit edilmiştir.

Abstract:
Multiprotocol GPS filter is proposed as part of this work agile filter structure that suggested by Fabre and his team. Different protocols is located for positioning systems of different continents in GPS chip size over structure. Discrete filter structures is used to support this systems. The single filter structure applications are proposed in this work. Although confirmation of multiple standard design is simple, production of it does not preferred. Reduction of the total cost is desired by designing adjustable blocks for completely adjustable receivers. Thus, four different structures were designed by using different active elements performance of this structures were analyzed by CADENCE Spectre tools, and then the obtained results were compared with each other by their supperiority and weakness. The application circuits presented in this work provide as a better solution with particular characteristics than the samples which in the literature.
Communication technologies play an important role in parallel to economic and technological developments. The good comprehensiblity of receiver-transmitter architecture highly depends on the tunability of it. Although realization of multiple design is simple, it is not preferred in manufacturing because of economical considerations. Therefore, by designing fully tunable blocks for current mode circuits are used widely because of their low power consumption and wide bandwidth. Recently, current mode design techniques are used in electronic circuit design.Flexibility is not easy realizeable for multi channel communications systems. Flexibility in this systems is possible that reconfigurable analog elements is located in transreceivers architecture.
Reconfigurable analog elements in transreceivers systems is LNA, local oscillators, mixers, filters. Reconfigurable structures is not easy realize in LNA and local oscillators. Also, Designed of RF filters is not easy reconfigurable and integrated. In transreceiver systems is over cost designed reconfigurable structures. As suggested in this work that current mode filters are low noise, low power consumption, low total layout area and be integrated in the same chip. Integrated current mode filters is the biggest problem excessive deviation on the designed filter of center frequency. This problem is determined to succeed performance Monte Carlo and Corner analysis. In this work, the results of Monte Carlo and Corner analysis for application circuits is succesful acros this problem.In current mode design of signal processing applications current waveforms are used instead of voltage waveforms. Current mode signal processing can be defined as processing of current waveforms situations where voltage waveform is not a dominant factor on determination of circuit performance. Low impedance input nodes are important in current mode circuits. A system is defined by a tansfer function in current node approach. 
Current controlled current conveyor (CCCII) is widely used in electronically tunable amplifiers, filters, etc. Parasitic effects and noise are two important factors in circuit design. In this application, electronically control is provided by the parasitic resistance seen from X node. Realisation of CMOS CCII+, tunable agile bandpass filter applications are explained in chapter 2.Current differencing transconductance amplifier (CDTA) is one of the most useful current mode operational amplifier. In chapter 3, agile filter applicaiton is realised by using only two passive capacitance. ECCII+ circuit topology can be electronically controlled with current gain. Also, current gain can be controlled with bias currents. ECCII+ has two input terminal. One of the input terminals is low impedance and the other is high impedance. The output terminal is also high impedance. It is aimed to realise tunable bandpass filter by using ECCII+ circuit. Main characteristics of the proposed circuit structure, frequency agile filter applications, the layout of the proposed circuit, post layout simulations are introduced in chapter 4.
Most works in literature are focused on gm - C filters which are composed of conductance amplifiers. gm - C filters is high frequency continuous timing filter method. Since transconductance amplifiers has wider bandwidth and electronically tunable. So this amplifier is more functionality operational amplifiers. The designed of symmetric CMOS OTA is usable high frequency active filters. gm of OTA and tunable filter are adjustable with bias current. The designed of circuit output resistance can be increased with cascode mirrors in place of simple current mirrors. But while output resistance of circuit is increased, the circuit of gm  is decreased. Realisation of symmetric CMOS OTA, tunable agile bandpass filter applications in chapter 5. The application circuits in this thesis provides better suggestions than related works in literature.
Corner and Monte Carlo simulations of the design show that physical implementation of the circuit feasible. If circuit and filter structure designed by CCCII+ is examined, the electronic control with the intermediate frequency bias current is provided by block circuit structure. The power consumption and the total area of the circuit is low. Thererore, these main criterias are accomplished with this study. The THD of the designed circuit is higher than other ones. This fact is important in the real time performance of the circuit. Noise analysis leads to the fact that the design provides low noise operation. Input terminals of CDTA are composed of current differencing structure. Current dynamic range of CDTA is very stable. THD analysis of this circuit gives the best result compared with the literature and applications in the thesis. Also, this work provides better low noise performance compared with other works. The bias currents used in current differencing structure and transconductance structure are higher valued than other applications related with this work has the best characteristic among others. This circuit achieves the goals of low total area and low power consumption. The current gain bandwidth of the aimed ECCII+ is better than other designs in this work. THD analysis of this is in acceptable values which is in % 1 .The THD values of the filter circuits given in thesis is also in the acceptable limits.
The proposed structure achieved the proposed figure of merits such as low area and low power consumption. Since there are more than one bias current in proposed circuit, the realization becomes harder. CCII+ provides better offset current performance than ECCII+. Also, The disadvantages of ECCII+ compared with other ones is a passive resistor used in the proposed circuit. The power consumption of the circuit is higher than other circuits in this work. Also, the layout area of the proposed circuit is larger compared with other ones. On the other hand The noise analysis results is better compared with other ones but except for CCCII+ circuit. An addition, Corner and Monte Carlo analysis state that this circuit would works well other the physical implementation gm - C filters is known analog filters that composed with transconductances structures. The proposed circuit has the best one input voltage dynamic range in this work. Also the proposed circuit has the best one output current dynamic range in this work. The proposed circuit of Corner and Monte Carlo analysis results are successful realization of physical design. The proposed circuit of layout area is the best one in this work. The specifications of this circuit is low noise performance, low power consumption and reasonable THD results. This application circuit is accomplished realization of design criterias within this work.
Especially, for filter structures used in this study and presented in the literature current mode amplifiers with feedback which has different circuit topologies were suggested.
In the future studies upon different filter structures based on only OTA circuit structure should be concentrated on about this topic. In literature only OTA based design studies are presented about this topic. In this study by using different circuit topology and filter structure suggestions for this research area were obtained and great contribution were provided. In recent studies by comparing voltage mode circuits and current mode circuits the importance of current mode circuits will be supported. The order of filter structure generated by application circuits which are presented this study can be increased to improve rejection ratio of filter structure. The filter types in this study are butterworth type filters.