Negatif empedans dönüştürücü devrelerinin analizi, tasarımı ve pratik uygulamaları
Analysis, design and practical applications of negative impedance converter circuits
Yazar: SAMİ DURUKAN
Danışman: PROF. DR. ASIM EGEMEN YILMAZ ; PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: BJT = BJT ; CMOS = CMOS ; Dönüştürücüler = Transformers ; Empedans = Impedance

Özet:
Elektronik devre ve sistemlerin gelişimi iki ana kol üzerinden olmaktadır. Bunlardan biri aktif/yarıiletken malzemeler ve pasif devre elemanları üzerinde yapılan yenilikçi ve iyileştirici çalışmalardır. Bir diğeri ise aktif ve pasif elemanlar ile entegre veya ayrık şekilde elde edilen elektronik devrelerin tasarım tekniklerini geliştirmeye yönelik çalışmalardır. Negatif empedans dönüştürücü devre tekniği ile pratikte olmayan negatif direnç, negatif kapasitans ve negatif endüktans elemanları üretilebilmektedir. Negatif empedans dönüştürücü devreler özellikle genişbant empedans uyumlama ve parazitik eleman yok etme amaçlı kullanılmakta ve günden güne kullanımları yaygınlaşmaktadır. Bu tez çalışmasında, transistör ve işlemsel kuvvetlendirici gibi aktif devre elemanları ile gerçeklenen negatif empedans dönüştürücü devrelerinin tasarımı ve geliştirilmesi üzerine bir akademik araştırma yürütülmüştür. Bu kapsamda, akım geribeslemeli işlemsel kuvvetlendirici, bipolar jonksiyonlu transistör ve MOSFET kullanılarak elde edilen üç ayrı negatif empedans dönüştürücü devrenin analizi, benzetimi ve tasarımı yapılmıştır. Akım geribeslemeli işlemsel kuvvetlendirici kullanılan negatif empedans dönüştürücü devrenin üretim ve test çalışmaları başarılı şekilde tamamlanmış, teorik olarak elde edilen değerlere yakın sonuçlar elde edilmiştir. Bipolar jonksiyonlu transistör kullanılan negatif empedans dönüştürücü devrenin tasarım ortamındaki gerçekçi modeller ile benzetimi ve doğrulamaları başarılı şekilde gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasının son bölümünde ise, CMOS tekniği ile negatif empedans dönüştürücü devre, entegre içi uygulamalarda kullanılabilecek şekilde tasarlanmıştır. Tasarlanan CMOS negatif empedans dönüştürücü devrede, MOSFET'lerin parazitik kapasitanslarını yok edici teknik geliştirilmiş olup, devrenin benzetim ve doğrulamaları tamamlanmıştır. Ayrıca, seçilen MOSFET ve kullanılan pasif devre elemanlarının gerçekçi fiziksel modelleri ile entegre içi yerleşim çalışması yapılmıştır. Detaylı analiz ve tasarım çalışmaları yürütülen CMOS negatif empedans dönüştürücü devre parazik eleman yok etme yöntemi ile bu alanda ilktir.

Abstract:
The improvement of electronic circuits and systems is based on two main branches. One of them is the improver and innovative studies on active/semiconductor materials and passive circuit elements. Another is the studies aimed at developing the design techniques of electronic circuits obtained as integrated or discrete with active and passive elements. Negative resistance, negative capacitance and negative inductance elements can be produced with negative impedance converter circuit technique. Negative impedance converter circuits are used especially for broadband impedance matching and parasitic element elimination, and their usage is becoming more common day by day. In this thesis, an academic research was conducted on the design and development of negative impedance converter circuits implemented with active circuit elements such as transistors and operational amplifiers. In this manner, analysis, simulation and design of three different negative impedance converter circuits obtained by using current feedback operational amplifier, bipolar junction transistor and MOSFET have been made. The design, production and testing of the negative impedance converter circuit using a current feedback operational amplifier has been successfully completed, and the results close to the theoretically obtained values have been achieved. The simulation and verification of the negative impedance converter circuit using bipolar junction transistor was successfully carried out with realistic models in the simulation environment. In the last part of the thesis, the negative impedance converter circuit with CMOS technique is designed to be used in the integrated circuit applications. In the designed CMOS negative impedance converter circuit, the technique for eliminating the parasitic capacitance of the MOSFETs has been developed and implemented. The simulation and verification of the circuit has also been completed. In addition, a realistic physical model of the selected MOSFET and the passive circuit elements used in the integrated layout study has been carried out. The CMOS negative impedance converter circuit, whose detailed analysis and design studies have been carried out, is the first and novel in this field with the implementation of parasitic capacitive element elimination method.