Birim kazançlı akım izleyici tasarımı ve aktif devrelere uygulanışı
Unity gain current follower design and applications to active circuits
Yazar: ERHAN ERGÜN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA ULUTAŞ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Akım-kipli tasarıma yönelik artan ilgi ile birlikte, günümüze değin mühendisler tarafından bu tasarım yaklaşımına yatkın yeni yapı ögelerigeliştirilmiş ve aktif devre uygulamaları ile sınanarak geniş bir tasarım içeriği oluşturulmuştur. Bu çalışmada, daha önce yazında sınırlı sayıda devre önerisi ve başarılı aktif devre uygulamaları yapılmış olan akım izleyiciler ele alınmıştır. Üç ana bölümden oluşan çalışmada, önce akım izleyici devre önerileri sunulmuş, daha sonra tararlanan devrelerin kullanıldığı özgün aktif devre uygulamaları yapılmış ve son olarak da akım izleyicilerin düşünsel olmamalarının aktif devre uygulamalarına olan etkileri incelenmiştir.Dört farklı topoloji ile tasarlanan toplam altı akım izleyici devresi önerilmiştir. Bunların üç tanesi A-tipi, iki tanesi AB-tipi, bir tanesi de bileşik akım izleyicidir. A-tipi ilk akım izleyici devresi, daha önce önerilmiş olan ve halen akım yükselteç devrelerinde de kullanılan bir AB-tipi birinci kuşak bir akım taşıyıcı yapısından uyarlanmıştır. Bu devre, akım geri beslemeli kazanç iyileştirme tekniği ile giriş direncini düşürmektedir. İkinci A-tipi akım izleyiciler, fark yükselteci ve iki kademeli işlemsel yükselteç ile gerilim geri-beslemeli kazanç iyileştirmesi yaparak giriş direncini azaltmaktadırlar. Her iki izleyicinin de giriş akımı ortak kapılı yapı ile ayna katmanına iletilir.A-tipi akım izleyicilerin ikisinde, basit kaskot akım aynası, diğer ikisinde de aktif geri beslemeli kaskot yapı kullanılmıştır. İki çıkışlı izleyici elde etmek için eklenen ikinci çıkış katmanı, bant genişliğini daraltıcı bir sonuç doğurmaktadır. Pek çok uygulamada ise iki çıkışlı yapı gerektiğinden izleyici başarımında oluşan bu daralma uygulama devrelerinin çalışma aralığına da yansımaktadır. Bu nedenle daha geniş bantlı bir iki çıkışlı yapı olan bileşik akım izleyici önerilmiştir.Bileşik akım izleyicide de, daha önce önerilmiş bir bileşik akım taşıyıcı devresi esas alınarak tasarlanmış ise de esas alınan akım taşıyıcı yapısındaki akım izleme hatası azaltılmış ve diğer izleyici devrelerden daha geniş bantlı olan bu yapının, akım izleyici olarak kullanımı olanaklı kılınmıştır.AB-tipi devrelerde, yazında var olan devrelerden farklı bir giriş katı önerilerek giriş direnci kazanç iyileştirmesi yapılarak düşürülmüş, hata gerilimi önlenmiş ve ölü-bölge geçişini sıfırlayıcı gerilim izleyici eklenerek var olan yapıların da bu noktadaki eksikliği giderilmiştir. Çıkış katlarında da kazanç iyileştirme yöntemi kullanılarak geniş kanallı ve yüksek akım kapasiteli çıkış yapıları için de uygun çıkış direnci seviyesine ulaşılmıştır.Aktif devre uygulaması olarak, bir tek giriş üç çıkışlı süzgeç, bir akım-kipli tüm-geçiren ve bant-söndüren süzgeç, üç tane endüktans benzetici ve bir sığaç çarpıcı devresi tasarlanmıştır. Tek giriş üç çıkışlı süzgeç, duyarlılık işlevlerinin düşük oluşu ve geniş bant aralığı ile yüksek başarım sergilemektedir. Endüktans benzeticiler, biri kayıplı, biri kayıpsız, biri de negatif dirençli olmak üzere basitten karmaşığa çeşitlenerek süzgeç ve işaret üreteci devreleri için farklı seçenekler sunmaktadır. Tek akım izleyici ile tasarlanmış sığaç çarpıcı devresi,uygulama kapsamı açısından ba\-kıl\-dı\-ğın\-da iyi sayılabilecek sınama sonuçları vermiştir.Akım izleyicilerin düşünselsizliklerini modellemek ve benzetimlerinde yararlanmak üzere bir makromodel de geliştirilmiştir. Geliştirilen bu makromodel kullanılarak, baskın akım izleyici düşünsel olmayışının süzgeç ve endüktans benzetici devreleri üzerindeki etkileri incelenmiştir.

Abstract:
Electrical engineers have developed and tested new current mode building blocks and created a wide range of application repertoire with increasing interest in current mode design. A limited number of current follower (CF) circuits with successful applications have been proposed in the literature. CF circuits are explored and new CF circuits with improved characteristics are proposed in the first part of this document. Novel circuits utilizing proposed CF's are tested in the second part. Effects of non-idealities on the behavior of the circuits are investigated in the third part.Six CF circuits, three class A, two class AB and one compound with four different topologies are proposed in this thesis. First class A CF is adapted from a first generation class AB current conveyor structure still used in current amplifiers. Reduced input impedance is a consequence of current feedback gain enhancement. Other class A CF circuits reduce input impedance by voltage feedback gain enhancement of a differential amplifier and two stage operational amplifiers. Input currents of both followers are carried out to mirror stage by common gate structures.The output stage of the two class A CF circuits is simple cascade current mirrors whereas others use active feedback cascade mirrors. Dual output is required for most of the applications but additional mirror stage for dual output reduces the bandwidth. A compound CF circuit for dual output with improved bandwidth is proposed.Even though compound CF circuit is adapted from a compound current conveyor circuit proposed in literature, it is improved by reducing error and adapting the high bandwidth structure to be used as a CF.A novel input stage is used in class AB CF circuits where input impedance is reduced by gain enhancement, offset voltage is reduced and dead zone is removed by using an additional voltage follower. Gain enhancement is also used to improve the impedance of output stages with wide channel and high current capacity. As a result, high output impedances are obtained.A single input three output active filter, a current mode all pass and notch filter, three inductance simulators and a capacitance multiplier are designed to test proposed CF circuits. Single input three-output filter exhibits high performance with low sensitivity and a wide bandwidth. Three gyrator circuits vary from simple to complex as inductance with a loss resistance and a lossless inductance for use in filters and an inductance with negative resistance for use in oscillators. Capacitance multiplier circuit designed with a single CF can be used to build large capacitance values on a small chip area and yield satisfactory test results in applications.A macro model is developed for modeling the non-ideal behavior of CF circuits and faster simulation. Tests indicate satisfactory fast and accurate modeling of CF circuits. Effects of non-ideal properties of CFs on proposed inductance simulator and active filter circuits are investigated using this macro model.