Yeni aktif eleman yapıları ve analog devre tasarımındaki uygulamaları

Abstract

Tümleşik devre teknolojisinin gelişmesiyle birlikte çok sayıda aktif eleman yapısı geliştirilmiş ve analog devre uygulamalarında kullanılmıştır. Bu aktif elemanlardan ilki olan işlemsel kuvvetlendirici (Operational Amplifier, Opamp), analog devre uygulamalarında oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır.İşlemsel kuvvetlendiriciden sonra analog devre uygulamalarında en fazla kullanılan aktif elemanlardan birisi de işlemsel geçiş-iletkenliği kuvvetlendiricisidir (Operational Transconductance Amplifier, OTA). Özellikle sayısal devreler ile analog devrelerin birlikte gerçekleştirildiği karma tümleşik devrelerde, OTA yapısı oldukça sık kullanılmaktadır.Literatürde tanıtılan diğer bir aktif eleman da akım taşıyıcıdır (Current Conveyor). Akım taşıyıcılar kullanılarak gerçekleştirilen akım modlu elemanların gerilim modlu elemanlara göre dinamikliğinin, band genişliğinin ve güç tüketiminin daha iyi olması nedeniyle, araştırmacılar akım taşıyıcı tabanlı yeni aktif elemanlar önermişlerdir. Günümüzde halen analog devre uygulamalarında çeşitli avantajlar sağlayan yeni aktif elemanlar sunulmaya devam edilmektedir.Bu tezde de analog devrelerde kullanılabilecek yeni aktif elemanlar önerilmiş ve bu aktif elemanların MOS ve BJT tranzistörler ile gerçeklemeleri yapılmıştır. Ayrıca, önerilen aktif elemanların uç gerilim ve akımlarına ilişkin DC ve AC transfer karakteristikleri elde edilmiş ve bu elemanların lineer çalışma bölgeleri ile maksimum çalışma frekansları bulunmuştur. Önerilen aktif elemanlar ile gerçekleştirilecek analog devrelerin tasarımında, bu belirlenen lineer çalışma bölgeleri ve maksimum çalışma frekansları göz önünde tutulmuştur.Bu tezde, önerilen aktif elemanlar ile çeşitli analog devre uygulamaları gerçekleştirilmiş ve gerçekleştirilen devrelerin şimdiye kadar literatürde sunulan devrelere göre üstünlükleri ortaya konulmaya çalışılmıştır.Bu tezde gerçekleştirilen analog devre uygulamalarının ilki endüktans elemanı eşdeğer devresidir. Endüktans elemanı, analog devrelerde fonksiyonundan vazgeçilemeyen, ancak yüksek frekansta lineer olmayan davranışı, istenmeyen kuplajları, alçak frekans uygulamasında ortaya çıkardığı boyut ve ağırlık, üretim güçlüğü ve maliyet sorunları gibi nedenlerden dolayı analog devrelerde kullanılmasından kaçınılan bir elemandır. Bundan dolayı aktif elemanlar kullanılarak endüktans elemanı eşdeğer devreleri elde edilmekte ve bu devre yapıları kullanılarak aktif filtre devreleri gerçekleştirilmektedir. Bu tezde de iki ucu serbest endüktans eşdeğer devresi elde edilmiş ve bu devre ile çeşitli analog filtre uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda, tümdevre teknolojisinde bir ucu topraklı direnç ve kapasite elemanlarının tümdevre içinde gerçekleştirilmesinin avantajları literatürde ortaya konulmuştur. Bundan dolayı analog devrelerde pasif elemanların bir ucu topraklı şekilde olması tercih edilmektedir. Bu tezde de gerçekleştirilen filtre devrelerinde kullanılan pasif elemanların bir ucu topraklı şekilde olmasına çalışılmıştır.Bu tezde gerçekleştirilen diğer bir analog devre uygulaması ise yapay transformatör devresidir. Bu devre yapısı ile de analog filtre gerçeklemesi yapılmış ve şimdiye kadar literatürde sunulan devrelere göre üstünlükleri ortaya konulmuştur.Ayrıca bu tezde, ikinci dereceden filtre devreleri de önerilmiştir. Tek girişli çok çıkışlı akım ve gerilim modunda çalışan iki filtre devresi ve çok girişli tek çıkışlı gerilim modunda çalışan filtre devresi gerçekleştirilmiştir. Tek girişli çok çıkışlı filtre devrelerinde aynı anda çıkışlarından alçak geçiren, band geçiren ve yüksek geçiren filtre karakteristikleri elde edilebilmektedir. Çok girişli tek çıkışlı filtre devresinde ise girişlerin seçimine bağlı olarak alçak geçiren, band geçiren, yüksek geçiren, band söndüren ve tüm geçiren filtre karakteristiği elde edilebilmektedir.Ayrıca bu tezde, gerilim ve akım çıkışlı sinüzoidal osilatör devreleri önerilmiştir. Bu osilatör devrelerinin gerilim çıkışları düşük direnç değerli, akım çıkışları ise yüksek direnç değerlidir. Dolayısıyla, önerilen devrelerin çıkışları rahatlıkla diğer devrelere bağlanabilmektedir. Ayrıca önerilen sinüzoidal osilatör devrelerinin osilasyon frekansları elektronik olarak kontrol edilebilmektedir.Bu tezde gerçekleştirilen diğer bir uygulama ise basamaklı türden pasif filtre devrelerinin işaret akış diyagramları yöntemi kullanılarak ve önerilen aktif elemanlara uygun olarak işaret akış diyagramlarını değiştirerek aktif elemalar ile gerçekleştirilmesidir. Bu yöntem kullanılarak alçak geçiren, band geciren, yüksek geçiren ve band söndüren filtre devre yapıları gerçekleştirilmiştir.Bu tezde gerçekleştirilen analog devre uygulamalarının teorik hesaplarla uyuştuğunu göstermek için öncelikle PSPICE programı kullanılarak benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Sonra da, bu tezde önerilen aktif elemanların ticari olarak üretilen aktif elemanlar kullanılarak eşdeğer devreleri elde edilmiş ve bu tezde önerilen birçok analog devre uygulamasının deneysel çalışması yapılmıştır.