Frekans atik süzgeçlerin tasarımında yeni olanaklar

İletişim teknolojileri hayatımızın vazgeçilemez bir parçasıdır. İletişim teknolojilerinin temelini oluşturan elektronik düzenlerin tasarımı temel olarak sayısal devre tasarımı ve analog devre tasarımı olarak iki grupta incelenebilir. Sayısal devrelerin kullanımı analog devrelere kıyasla gün geçtikçe daha da artmaktadır. Bununla birlikte analog devre tasarımı anahtar-kilit ilişkisinde anahtar görevini üstlenmektedir. Günümüzde kullanılan elektronik düzenlerin dış dünya ile temasları analog devre elemanlarıyla mümkün olabilmektedir. Bunun en göze çarpan örnekleri kullandığımız iletişim araçlarındaki alıcı-verici devreleri, biyomedikal uygulamalar, askeri uygulamalar vs. şeklinde sıralanabilir. Netice olarak, analog devre tasarımı gün geçtikçe gelişen elektronik uygulamalara göre yeniden yeniye tasarlanmaya devam etmektedir. Örneğin 20-30 yıl öncesinde telefonlar sadece arama yapmak için kullanılmakta iken şimdi ise adeta küçük bir bilgisayar gibi ceplerimizin vazgeçilmezi olmuştur. Elbette ki bu yeni telefonunun alıcı-verici devresi de yeni bir tasarımla gerçeklenecektir ki bu yeni alıcı-verici devresine çok fonksiyonlu alıcı-verici devresi denilmektedir. İletişim teknolojilerinde çok fonksiyonlu alıcı-verici devrelerin tasarımı oldukça önem kazanmıştır. Esnek kullanım özelliği ile çok fonksiyonlu alıcı-verici devreler iletişim teknolojisinin vazgeçilmezi haline gelmiştir. Çok fonksiyonlu alıcı-verici devre yapısı tasarlanan devrenin evrenselliğini artırmaktadır ve bu sayede birçok uygulama tasarlanan tek bir yonga ile çalışabilmektedir. Örneğin, dördüncü nesil iletişim sistemi (4G) için tasarlanan devre birden fazla iletişim standardına uygun çalışabilmelidir {GSM, GPS, WCDMA, Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n), WiMAX, Bluetooth, Zee Bee and Ultra Wideband (UWB)}. Adı geçen uygulamalar 4G hücresel sistemi için olması gereken uygulamalar olarak kabul edilebilir. Dolayısıyla tasarlanan çok fonksiyonlu alıcı-verici devresinin tüm bu standartlara uygun çalışabiliyor olması gerekir. Çok fonksiyonlu alıcı-verici devrelerin bir kısım analog tasarımları, özellikle bant geçiren süzgeç ve osilatör devrelerinin ayarlanabilir olması çok önemlidir. Ayarlanabilir süzgeç devresi frekans atik süzgeç olarak isimlendirilebilir. Frekans atik süzgeç devresi farklı protokolle çalışan sistemlerin tek bir süzgeç yapısı ile algılanabilmesine olanak sağlar. Söz konusu devre yapısı farklı konum belirleme sistemlerinin tek bir devre yapısı ile algılanabilmesini de sağlamaktadır. (GPS, Beidou, GNSS and Galileo) adı geçen konum belirleme sistemleri farklı frekanslarda çalışmaktadır ve bu farklı sistemlerdeki veriler çok fonksiyonlu alıcı verici devresi ile tek bir devre ile işlenebilir. Bununla birlikte, frekans atik süzgeç askeri uygulamalarda ve şifreli haberleşmede kullanılan frekans sıçrama sistemlerinde de kullanılmaktadır. Şifreli haberleşme temel olarak bit seviyesinde ve frekans seviyesinde yapılmaktadır. Bit seviyesinde yapılan şifreleme kod algoritmalarının şifrelenmesi istenen bilgiye uygulanması ile gerçekleştirilir. Frekans seviyesinde şifreleme temel olarak frequency hopping spread spectrum (FHSS) ve direct-sequence spread spectrum (DSSS) sistemleriyle gerçekleştirilmektedir. HAVEQUICK ve SINCGARS frekans seviyesinde yapılan şifreli haberleşme yöntemine örnek olarak verilebilir. Tez kapsamında HAVEQUICK ve SINCGARS uygulamaları için kullanılabilecek frekans atik süzgeç devreleri önerilecektir. Literatürde akım modlu devre tasarımı ayrıntılı bir şekilde irdelenmiştir. Akım modlu devre tasarımının gerilim modlu devre tasarımlarına kıyasla bazı büyük avantajları vardır. Geniş bant genişliği, geniş dinamik alan ve düşük besleme gerilimi ile çalışan basit devre yapısı akım modlu devre tasarımının bazı avantajları olarak sıralanabilir. Bununla birlikte bazı gerilim modlu devrelerin de akım modlu devrelere göre bazı avantajları vardır. Örneğin, akım modlu bir süzgeç tasarımında süzgeç çıkışları yüksek empedanslı olmak zorundadır ve gerilim modlu devrelerde böyle bir durum söz konusu değildir. Yapılan çalışmada bir kısım devreler akım modlu bir kısım devreler de gerilim modlu olarak tasarlanmıştır. Tezde temel olarak dört farklı metot ile frekans atik süzgeç tasarımı yapılmıştır. Birinci metot ile tasarlanan frekans atik süzgeç yapısında geri besleme kullanılmıştır. Bu yöntem geçmişte tasarlanmış alçak geçiren ve bant geçiren çıkışlarına sahip ikinci derece klasik süzgeç yapılarına uygulanabilir. Bu yöntemle alçak geçiren süzgeç çıkışı girişe bir kazanç ile geri beslenir. Geçmişte önerilmiş bu yöntem ile CDTA ve ECCII yapıları ile tasarlanmış ve GPS ile SINCGARS uygulamalarına yönelik olarak yeni iki farklı devre önerilmiştir. Bu kısımda tasarlanan devreler AMS 0.18µm teknolojisi kullanılarak tasarlanmıştır. CMOS teknolojisi BiCMOS teknolojisine kıyasla daha düşük üretim maliyetine sahiptir. Bu kısımda önerilen devre yapıları üretim maliyetleri açısından bakıldığı zaman önceden önerilen yapılara göre daha avantajlıdır. İkinci metotta frekans atik süzgeç tasarımı MOS-Only yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. MOS-Only ile tasarlanan frekans atik süzgeç yapıları ilk olarak bu tez kapsamında önerilerek literatüre kazandırılmıştır. MOS-Only yöntemi transistörlerin parazitik kapasite ve gm (transcondutance) değerlerini kullanarak tasarlanır. MOS-Only yöntemi halan kullanılmakta olan MOS capacitör'un bir değişik uygulaması olarak da düşünülebilir. MOS-Only yöntemi ile tasarlanan frekans atik süzgeç devresinde bir önceki yöntemde söylenildiği gibi en az bir tane alçak geçiren ve bant geçiren süzgeç çıkışı olmalıdır. Aynı zamanda alçak geçiren süzgeç çıkışına sahip olan transistör giriş transistörünü doğrudan ya da dolaylı olarak etkilemelidir. Bu kısımda tasarlanan devreler GPS ve SINCGARS uygulamalarında kullanılmak üzere önerilmiştir. TSMC 0.18µm teknolojisi kullanılmıştır. Üçüncü yöntemde iki farklı VDTA (Voltage Differencing Transconductance Amplifier ) tabanlı frekans atik süzgeç yapısı önerilmektedir. Bu yöntem gm-C süzgeç yapısı olarak sınıflandırılabilir. Bu yapıda ulaşılması gereken atiklik geçiş iletkenliğini ve kapasite değerini değiştirerek elde edilmiştir. Bu kısımda tasarlanan devreler HAVEQUICK için önerilmiştir. HAVEQUICK 225-400MHz frekans aralığında çalışmaktadır. Literatürde bahsedilen frekans aralığı için önerilmiş ve CMOS yapı blokları ile tasarlanmış süzgeç yapılarına bakıldığında tasarlanan devrelerin bu alan için önerilmiş ilk yapı olduğu anlaşılabilir. Bu kısımda tasarlanan devreler de AMS 0.18µm teknolojisi kullanılmıştır. Son yöntemde geçiş iletkenliği ayarlanabilir yükselteç tasarımı için yeni bir yöntem önerilmiştir. Önerilen bu yeni yöntem hücre bazlı geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (cell-based variable transconductance amplifier {cell-based VTA}) olarak isimlendirilebilir. Aslında bu yeni fikrin ilham kaynağı hücre bazlı ayarlanabilir yükselteç (cell-based variable gain amplifier(VGA)) yapısı olmuştur. Önerilen bu yeni VTA yapısı geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisinin (OTA) CMOS gerçekleme yapısı olarak kullanılmıştır ve bu sayede OTA tabanlı yeni bir yeniden ayarlanabilir alçak geçiren süzgeç yapısı tasarlanmıştır. Tasarlanan bu yeni hücre tabanlı kazancı ayarlanabilir yükselteç yapısı gerilim modlu ve akım modlu iki farklı ABB alçak geçiren süzgeç uygulaması ile test edilmiştir. ABB alçak geçiren süzgeç yapıları genel olarak tüm devre üzerinde çok yer kaplamaktadır. Bunun temel sebebi ABB alçak geçiren süzgeçlerin çok düşük frekanslar ile yüksek frekansları aynı devrede gerçeklemek zor bir tasarım olduğundan kaynaklanmaktadır. Bu kısımda tasarlanan frekans atik devre yapısının geniş bir frekans aralığında çalışması ve yonga üzerinde az alan kaplaması devrenin sahip olduğu en önemli avantajıdır. Bununla birlikte tasarlanan frekans atik süzgeç yapısı çok düşük frekansları destekleyebildiği (20kHz) gibi yüksek frekansları (50MHz) da düşük güç tüketimi ile destekleyebilmektedir. Önerilen hücre bazlı geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi yapısındaki hücre sayısı artırılarak daha yüksek frekanslar önerilen süzgeç yapısı ile desteklenebilir. ABB uygulaması için 20kHz-20MHz bant aralığı yeterli olmaktadır. Bu kısımda tasarlanan devre de TSMC 0.18µm teknolojisi kullanılmıştır. Tezde önerilen bütün devrelerin serimi ve serim sonrası benzetimleri CADENCE ortamında gerçekleştirilmiştir. Tezde önerilen devrelerin elektronik tasarımcıları için yeni olanaklar sunması temenni ediyorum.