Mosfet tabanlı filtre ve osilatör devreleri

Analog filtreler haberleşme ve dalga filtreleme alanında sıklıkla kullanılırlar. Pasif filtreler direnç, bobin ve kondansatör devre elemanları ile gerçeklenirken; aktif filtrelerde bu elemanlara ek olarak başta OPAMP olmak üzere, son zamanlarda yaygınlaşan OTA, akım taşıyıcı gibi aktif devre elemanlarıyla da gerçekleştirilebilmektedir. Filtrelerdeki pasif elemanlar birçok sınırlayıcı etkiye neden olmaktadır. Pasif filtrelerde düşük frekanslarda çalışılmak istendiğinde yüksek değerli elemanlar kullanılır. Bu da tümleşik devre üzerinde daha çok alan kaplamasına neden olur ve maliyeti arttırır. Bu durum aynı zamanda güç tüketimini de arttırır. Pasif filtrelerde olduğu gibi, OPAMP ile veya çeşitli akım taşıyıcılarla gerçeklenen aktif filtrelerde çok sayıda pasif eleman ve aynı zamanda çok sayıda transistör kullanıldığından dolayı tümdevre üzerinde kapladığı alan büyük olur. OPAMP'ların bant genişliği sınırlı olduğu için istenilen frekanslarda filtre tasarlamak zorlaşabilmektedir. Aktif filtrelerde kullanılan devre elemanları yerine son yıllarda kullanılmaya başlanan MOSFET'ler ile oluşturulan filtreler bulunmaktadır, böylece direnç ve kondansatör yerine MOSFET'in kendi iç parametreleriyle filtreler oluşturulmaktadır. Bu yöntemle MOSFET'in gate-source kapasitesi ve geçiş iletkenliği (gm) kullanılır. Böylece daha az çip alanı, maliyet ve güç tüketimi sağlanmaktadır. Ayrıca MOSFET tabanlı devreler yüksek frekanslarda çalışabilmektedir. Bu tez kapsamında literatürde mevcut olan çalışmalardan yola çıkılarak daha önce önerilmiş devrelerin değiştirilmesi veya iyileştirilmesiyle sekiz adet filtre devresi ve bir adet osilatör devresi önerilmiştir. Bütün filtre devreleri akım modlu ve geçiş direnci modlu olmakla birlikte, tasarlanan bütün devreler tek giriş çok çıkışa sahiptir ve düşük besleme gerilimlerinde çalışmaktadırlar. Devrelerin denklem sonuçlarının elde edilmesiyle filtre tipleri belirlendikten sonra benzetim yöntemiyle LTSpice Programı ile TSMC 0.18 µm parametreleri kullanılarak simülasyon sonuçları elde edilmiştir. Denklem sonuçları devrelerin idealdeki simülasyonları yapılarak kontrol edilmiştir. Sonrasında akım kaynakları ile kutuplamalar yapılmış ve akım kaynakları yerine CMOS teknolojisine uygun MOSFET'ler kullanılarak idealdeki sonuçlara en yakın değerler elde edilmeye çalışılmıştır. Devrelerin güç harcamaları belirlenmiş olup, önerilen devrelerin güç harcamaları bir devre haricinde 100 µW'ın altındadır, sadece bir devre 350 µW seviyelerinde olup, düşük güç tüketimine sahiptirler. Devrelerin performansını gözlemlemek için Monte Carlo ve THD Analizleri yapılmıştır. Ticari entegreler olan ALD1106 ve ALD1107 entegrelerine ait Spice modelleri ile önerilen beş filtre devresinin simülasyonları gerçekleştirilmiş ve frekans cevabı elde edilmiş olup, bu devrelerin ikisi için deneysel uygulamaları yapılmıştır, diğer devreler için de deneysel uygulamaların yapılarak sonuçların elde edilmesi planlanmaktadır. Önerilen son filtre devresi ile osilatör tasarımı yapılmış ve böylece sinüzoidal işaret üretilmiştir. Osilatör devresinde, önerilen tüm filtre devrelerinde olduğu gibi, az sayıda MOSFET ve iki adet kondansatör kullanılarak devrenin tasarımı yapılmıştır.