CFOA tabanlı analog süzgeç tasarımları, benzetimleri ve deneyleri
Designs, simulations and experiments of the CFOA-based analog filters
Yazar: MEHMET DOĞAN
Danışman: PROF. DR. ERKAN YÜCE
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Aktif filtreler = Active filters ; CFOA = CFOA

Özet:
Bu tez çalışmasında akım geri beslemeli işlemsel yükselteç (CFOA) tabanlı gerilim modlu üç adet birinci dereceden ve altı adet ikinci dereceden olmak üzere toplam dokuz adet aktif süzgeç devresi tasarlanmıştır. Tasarlanan bu süzgeç devrelerinin benzetimleri SPICE programında yapılmıştır. Sunulan bazı devrelerin benzetimlerinde 0.18 µm TSMC CMOS teknolojisi parametreleri, bazılarında ise 0.13 µm IBM CMOS teknoloji parametreleri kullanılmıştır. Ayrıca tasarlanan süzgeçlerin performansını görmek için yapılan deneyler, her bir CFOA yerine bir adet AD844 kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Tasarlanan birinci dereceden süzgeç devrelerinden birincisi tek girişli çok çıkışlı (SIMO), ikincisi ve üçüncüsü çok girişli tek çıkışlı (MISO) evrensel süzgeç devreleridir. Birinci devre iki adet CFOA içerirken, ikinci ve üçüncü devre bir adet CFOA ve bir adet birim kazançlı eviren yükselteç içermektedir. Tasarlanan birinci dereceden süzgeç devreleri yüksek giriş empedansına sahiptir. Ayrıca tasarlanan birinci devre yüksek geçiren süzgeç (HPF) ve tüm geçiren süzgeç (APF) cevapları için, diğer iki devre ise bütün cevapları için düşük çıkış empedanslarına sahiptir. Birinci devre bir ucu topraklı olan bir adet kondansatör içerirken, ikinci devre minimum sayıda pasif eleman içermektedir. Birinci devredeki HPF ve APF cevapları ve üçüncü devrenin alçak geçiren süzgeç cevabı kazanca sahiptir. Ancak sunulan birinci ve üçüncü devrenin APF cevapları için birer adet pasif eleman eşleştirme koşulu vardır.
Tasarlanan ikinci dereceden süzgeç devrelerinin birincisi SIMO iken ikincisi, üçüncüsü, dördüncüsü ve beşincisi MISO ve altıncısı çok girişli çok çıkışlı (MIMO)'dur. İkinci dereceden MISO olan süzgeçler evrensel iken SIMO ve MIMO olanlar çok işlevlidir. Tasarlanan ikinci dereceden süzgeçlerden ilk dördü iki adet CFOA içerirken, beşinci devre bir adet CFOA ve bir adet gerilim izleyici içermektedir. Altıncı devre ise üç adet CFOA ile tasarlanmıştır. Tasarlanan son dört süzgeç devresi ortogonal olarak kontrol edilebilme özelliğine sahiptir. Tasarlanan altı devre de düşük çıkış empedanslarına sahipken bu devrelerden beş tanesinin bazı girişleri yüksek empedansa sahiptir. Ayrıca bu devrelerden bazılarının süzgeç cevapları kazanca sahiptir. Ancak bazı devrelerin APF cevapları için pasif eleman eşleştirme koşulu vardır.

Abstract:
In this thesis, a total of nine active filters, three first-order and six second-order with current feedback operational amplifier (CFOA)-based voltage-mode are designed. Simulations of the designed filters are made through the SPICE program. In the internal structure of some designed circuits, 0.18 µm TSMC CMOS technology parameters are used, while 0.13 µm IBM CMOS technology parameters are used in others. Additionally, experiments to see the performance of the designed filters are carried out using one AD844 instead of one CFOA.
The first of the designed first-order filters is single-input multiple-output (SIMO), the second and third ones are multiple-input single-output (MISO) universal filters. While the first circuit contains two CFOAs, the second and third ones contain one CFOA and one unity gain inverting amplifier. The designed first-order filters have high input impedances. In addition, the designed first circuit has low output impedances for high-pass filter (HPF) and all-pass filter (APF) responses, and the other two circuits have low output impedances for all the responses. While the first circuit contains a grounded capacitor, the second one consists of a minimum number of passive elements. The HPF and APF responses of the first circuit and the low-pass filter response of the third circuit have a gain. However, there is one passive element matching condition for the APF responses of the first and third circuits.
The first of the designed second-order filters is SIMO, the second, third, fourth and fifth ones are MISO and the sixth one is multiple-input multiple-output (MIMO). The second-order MISO filters are universal, while the SIMO and MIMO ones are multifunction. While the first four of the designed second-order filters contain two CFOAs, the fifth circuit contains one CFOA and one voltage follower. The sixth circuit is designed with three CFOAs. The last four circuits have the feature of orthogonal controllability. While all the six designed second-order filters have low output impedances, five of these circuits have some high input impedances. Additionally, some of these filters have a gain. However, in some circuits, there is a single passive element matching condition for the APF responses.