Düşük gürültülü salt aktif filtre tasarımı
Low noise salt active filter design
Yazar: AHMET ÇAĞATAY ŞEKER
Danışman: PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Filtreler = Filters ; Mosfet = Mosfet

Özet:
Haberleşmede alıcı devrelerinin kullanılmasından günümüze kadar geçen sürede birçok gelişme yaşanmıştır. Artık daha gelişmiş özelliklere sahip yeni teknolojiler kullanılmaktadır. Haberleşmede kullanılan dar bant RF alıcısı için sıfır, düşük ve yüksek IF olmak üzere üç çeşit alıcı tekniği bulunmaktadır. Yüksek IF alıcıları süperheterodin yöntemi olarak bilinmektedir. Süperheterodin alıcıları yüksek frekanslı işaretleri, iki adet karıştırıcı kullanarak daha uygun ortam sağlamak için sıfır IF frekanslı işaretlere dönüştürmektedir. Düşük IF alıcıları ise heterodin alıcıları olarak bilinmektedir. Heterodin alıcılarında bir tane karıştırıcı kullanılmaktadır ve RF işaretini sıfır IF işaretine dönüştürmektedir. 
Bir diğer çok kullanılan yöntem ise doğrudan dönüşüm alıcısı (DDA) genellikle sıfır IF olarak bilinmektedir. DDA, RF işaretini direk olarak sıfır IF işaretine çevirmektedir. Bundan dolayı yüksek frekansı sıfır IF frekansına çevirmek için herhangi bir karıştırıcıya ihtiyaç duyulmamaktadır. Çünkü RF işaretin frekansı işe yerel osilatörde üretilen işaretin frekansı birbirine eşit olmaktadır. 
DDA'nın sahip olduğu bazı olumsuz özelliklerden dolayı süperheterodin tekniği son yıllara kadar hep daha çok tercih edilmiştir. Fakat son zamanlarda haberleşme teknolojisinde yaşanan gelişmelerden dolayı doğrudan dönüşüm alıcı yöntemi, daha çok kullanılmaya başlanmasına neden olmuştur. Basit bir mimariye sahip olması ve geniş frekans aralığı sunması tercih edilmelerinin başlıca sebeplerindendir. Ancak sıfır IF alıcılarında iyi bir performans elde etmek için hala zorluklar bulunmaktadır. Bu zorluklardan bazıları DC ofset gerilimi ve kırpışma gürültüsüdür. Düşük IF alıcıları ise sıfır IF ve yüksek IF alıcıları arasında çalışmaktadır. Bu tür alıcılar, sıfır IF alıcılarının özelliklerini gösterirler fakat orta frekanslarda çalışırlar. Bu alıcılarda ise işareti doğru elde etmek için bazı filtreleme işlemleri uygulanmaktadır. 
Filtreler, frekansları farklı değerlerde olan işaretlerin istenilen aralıklarda geçmesini, istenmeyen aralıklarda durdurulmasını sağlayan devrelerdir. Bu sayede filtrelerde parazit ya da harmonik gibi istenmeyen etkiler ortadan kaldırılmış olmaktadır. Filtreler yapılarına ya da çalışmalarına göre çeşitli sınıfları bulunmaktadır. Bu çalışmada MOSFET-C ailesine ait 2. dereceden filtreler üzerinde çalışılmıştır. Bu filtrelerin benzetimleri ve analitik hesaplamaları yapılarak çalışma ve gürültü karakteristikleri hakkında bilgiler elde edilmiştir. Bu filtrelerin DC kutuplamaları yapılırken tranzistorlerin kaynak uçları gövde uçlarına bağlanmıştır ve bütün tranzistorler doyumda çalıştırılmaktadır. 
Filtrelerin transfer fonksiyonlarının bulunmasından sonra doğal frekans ve değer katsayısı fonksiyonları elde edilmiştir. Yalnızca C filtresinin doğal frekansı ve değer katsayısı fonksiyonları diğer dört devrenin fonksiyonlarından farklıdır. Ayrıca önerilen bu devrelerde negatif direnç (ND) kullanılmıştır. ND'ler son zamanlarda dijital ve analog uygulamalarda, mantık devrelerinde, frekans çarpıcı ve bölücülerinde ve gerilim kontrollü osilatörler olmak üzere birçok devrede kullanılmaktadırlar. Özel akım-gerilim eğrisine, yüksek hız ve düşük güç özelliklerine sahip olması tercih edilme nedenlerindendir. 
Filtrelerin çalışmasını etkileyen ideal olmayan bazı etmenler bulunmaktadır. Parazitik kapasiteler ve tranzistorun iç direnci bu etkilerden bazılarıdır. Parazitik Cgs kapasitesinin değeri diğer parazitik kapasite değerlerinden çok büyük olduğu için bu kapasiteler ihmal edilip, yalnız Cgs kapasitesi dikkate alınmıştır. Bu şekilde bulunan transfer fonksiyonları incelendiğinde, parazitik etkilerin, filtrenin derecesini artırdığı görülmüştür. Bunlar parazitik kapasitelerin devreye yaptığı etkinin transfer fonksiyonundaki matematiksel ifadesidir. Fakat belirtilen parazitik kapasitelerin değerleri çok küçük olduğu için filtrenin sonucunu değiştirecek kadar etki etmemektedir. 
Filtre başarımını incelerken dikkate alınması gereken bir diğer etmen de, yarıiletken elemanlar ve dirençlerden kaynaklanan elektriksel gürültüdür. Filtrelerin elektriksel gürültüden kaynaklanan transfer fonksiyonları analitik hesaplamalar ve benzetim programları ile elde edilmiştir. 
Günümüzde kullanılan uygulamalarda ideale yakın sonuçlar elde etmek için genellikle yüksek dereceli filtreler tercih edilmektedir. Bu yüzden 1. ve 2. dereceden filtreler kullanılarak yüksek dereceli filtreler tasarlanmaktadır. Bu çalışmada iki adet 2. dereceden filtre kaskat bağlanarak 4. dereceden bir Chebyshev filtresi elde edilmiştir. Üzerinde çalışılan filtrelerden bir tanesi kullanılarak, 4. dereceden elde edilen Chebyshev filtresi sonuçları benzetim programında elde edilmeye çalışılmıştır.
Filtrelerin benzetim ve teorik sonuçları 90 nm işlem parametrelerinde Cadence ve Matlab programları kullanılarak elde edilmiştir. Filtrelerde bulunan kapasiteler aynı değerde kullanılmışlardır ve tranzistorlerin gm geçiş iletkenliği değerleri akımlar üzerinde yapılan değişiklikler ile ayarlanmıştır. 
Üzerinde çalışılan bütün filtrelerin küçük işaret ve gürültü analiz sonuçları elde edilmiştir. Benzetim programında filtrelerin AC analizleri yapılarak AC genlik sonuçları bulunmuştur. İdeal sonuçlar daha sonra bu filtreler için bulunmuştur ve birbirleriyle ne kadar uyumlu olduklarını göstermek için AC genlik sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır.
Gürültü analizlerinden elde edilen gürültü işaretlerinin benzetim sonuçları ile analitik hesaplama sonuçları gösterilmiştir. Gösterilen sonuçların birbiriyle uyumlu olup olmadığı kontrol edilmiştir. Sonuç olarak önerilen devrelerin küçük işaret ve gürültü analizleri değerlendirildiğinde filtrelerin hepsinin bant geçiren filtre özelliği gösterdiği belirlenmiştir. 
Önerilen filtrelerin bazılarının gürültü sayılarının merkez frekansına kadar azaldığı ve sonra bir miktar daha azalarak tekdüze devam ettiği tespit edilmiştir. Diğer filtrelerin gürültü sayıları ise daha önceden azalmaya başladığı ve bir süre sonra tekdüze olarak devam ettiği gözlenmiştir. Sadece bir filtrenin gürültü sayısı, filtrenin AC genliği artarken azalmaktadır. Yani filtre, merkez frekansında düşük gürültü sayısına sahip olmaktadır. Filtrelerin benzetim sonuçları ve analitik hesaplama sonuçlarının karşılaştırılarak elde edilen veriler gösterilmiştir. 
Önerilen filtrelerden bir tanesi için fazladan bir kaç analiz daha yapılmıştır. Bunlar geçici hal, toplam harmonik bozulma ve geri beslemenin kararlılık analizleridir. Filtrenin girişine farklı büyüklükte gerilimler uygulayarak geçici hal analizi yapılmıştır. Geçici hal analizinden elde edilen işaretler için toplam harmonik bozulma analizi yapılarak işaretlerin bozulma oranları bulunmuştur. Daha sonra bu filtrenin geri beslemesi için AC analiz yapılarak bu geri besleme filtresinin hangi özelliklere sahip olduğu gösterilmiştir. 
Sonuç olarak, önerilen filtreler için AC, gürültü, geçici, toplam harmonik bozulma analizleri uygulanarak incelenmiştir ve tüm analizlerin sonuçları sunulmuştur. Bu filtrelerden birinin, diğer filtrelere göre daha iyi performans sağladığı ve düşük gürültü oranına sahip olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
There have been many developments in the communication systems from past to present. New Technologies, which has more advanced features, are being used currently in variety field. RF receivers are also one of the areas that show development. For the narrow band RF receiver used in communication, there are three types of receiver techniques: zero, low and high IF. 
The high IF receiver is known as a superheterodyne method that converts the high-frequency signal into zero IF frequency signal to provide a more favorable environment. However, they offer high performance and have limitations in terms of power consumption and high cost. The low IF receiver is known as a heterodyne method that convers the low IF frequency signal into zero IF frequency signal. 
Another commonly used method is that the direct conversion receiver (DCR) is generally known as zero IF. DCR is a method that directly converts RF frequency signal into zero IF frequency signal. Because DCR and RF has same frequency values. Due to some negative features of DCR, superheterodyne technique has always been preferred until recent years. 
However, due to the developments in communication technology in recent years, direct conversion has started to be used more frequently. The main reasons why they are preferred are simple architecture and wide frequency range. However, there are still difficulties to achieve good performance from zero IF receivers. Some of these challenges include DC offset voltage and flicker noise. Low
IF receivers operate between zero IF receivers and high IF receivers. They display the characteristics of zero IF receivers, but they operate at medium frequencies. In these receivers, some filtering processes are applied to obtain the signal correctly.
Filters are circuits that provide the signals with different values to pass in the desired frequency range and stop them at an unwanted frequency range. This eliminates unwanted effects such as interference or harmonics in the filters. There are various filters classes according to their structure or work. 
In this study, the 2nd order of MOSFET-C family filters were studied. By using these circuits, simulations and analytical calculations were made and obtained their working and noise characteristic. When the biasing of these filters are made, the source points are connected to the body points and all the transistors in the filters are working in saturation region. 
After obtaining the transfer functions of the filters, the functions of natural frequencies and quality factor were obtained. Only the functions of the natural frequency and the value of the C filter differ from those of the other four circuits. 
In addition, negative resistance (NR) was used in these proposed circuits. NRs have recently been used in digital and analogue applications, logic circuits, frequency multipliers and dividers, and voltage controlled oscillators. It is preferred because to have special current-voltage curve, high speed and low power characteristics. 
Furthermore, there are some non-ideal factors affecting the operation of the filter. The parasitic capacitances and the internal resistance of the transistor are some of these effects. Since the capacitance, Cgs is too large from other parasitic capacitances due to working on the saturation region. That's why other capacitances are ignored and only the capacitance Cgs is taken into consideration.
When the transfer functions found in this way were examined, it was seen that the parasitic effects increased the degree of the filter. These are the mathematical expression of the effect of the parasitic capacitances on the circuit in the transfer function. However, since the parasitic capacitances have very small values, they do not affect the result of the filter.
Another factor to consider when examining filter performance is the electrical noise caused by semiconductor elements and resistors. The transfer functions of the filters, resulting from electrical noise were obtained by analytical calculations and simulation programs.
High-order filters are generally preferred in today's applications. Therefore, they are designed by using filters of 1st and 2nd degree. In this study, Two filters that are 2nd order were cascaded each other and then 4th order Chebyshev band pass filter was obtained. The theoretical calculations and the simulation results of the Chebyshev filter are shown. 
AC amplitude results were obtained by performing the AC analysis of the filters in the simulation program. The ideal results were then found for these filters and compared with the AC amplitude results to show how compatible they are with each other.
The simulation and analytical calculations of results of the filters were obtained in the process parameters of 90 nm by using Cadence Virtuoso and Matlab.  Capacitances were used with the same value and transconductance values of the transistors were adjusted with the changes made on the currents. 
Small signal and noise analysis results were obtained for all filters studied. AC amplitude results were obtained by performing the AC analysis of the filters in the simulation program. The ideal results were calculated for these filters and then compared with the AC amplitude results to show how compatible they are with each other.
Simulation results of the noise signals obtained from noise analysis and analytical calculation results are shown. The results of analysis were checked for compatibility. 
As a result, when the small signals and noise analyzes of the proposed circuits are evaluated, it is determined that all of the filters have band pass filter characteristics. It has been determined that some of the proposed filters have reduced the noise figure to the center frequency and then continued uniformly by decreasing some more. It was observed that the noise figure of the other filters started to decrease before and continued after a period of time in a uniform manner. 
Only the noise figure of a filter decreases as the small signal amplitude increases. The noise figure of only one filter decreases as the AC amplitude of the filter increases. That is, the filter has a low noise number at the center frequency. 
Furthermore, a few additional analyzes were performed for one of the proposed filters. These are transient, total harmonic distortion and the stability of feedback analysis. Transient analysis was performed by applying different magnitudes of voltages to the input of the filter. 
For the signals obtained from the transient analysis, total harmonic distortion analysis was performed to determine the distortion rates of the signals. Then the AC analysis of the feedback of this filter was performed to show which properties the filter possesses. The data obtained by comparing the simulation results and analytical calculation results of the filters are shown.
In conclusion, the proposed filters are examined by using AC, noise, transient, total harmonic distortion analysis and the results of all analysis are presented. It is shown that one of these filters has a better performance and low noise figure according to the other filters.