Üstel fonksiyon için yeni bir yaklaşım kullanarak CMOS kazancı ayarlanabilir kuvvetlendirici tasarımı

Kazancı ayarlanabilir kuvvetlendiriciler, geniş dinamik aralık gerektiren uygulamalar açısından vazgeçilmez bir unsurdur. Kontrol işlemi, geniş dinamik aralık söz konusu olduğunda üstel fonksiyonların kullanımını zorunlu kılar. Bu sebeple günümüzde bu yapıların tasarımında üstel fonksiyonların kullanımı ön plana çıkmaktadır. Fakat modern teknolojilerde geniş dinamik aralığı ihtiyacıyla birlikte yüksek frekans, düşük güç tüketimi, düşük gürültü, küçük kırmık alanı gibi ihtiyaçlar da söz konusu olduğu için tasarım yöntemleri, kullanılan teknolojiler ve kullanılan bloklar farklılaşmaktadır. Bu çalışmada, 0.18mm CMOS teknolojisi kullanılarak bir kazancı ayarlanabilir kuvvetlendirici tasarlanmıştır. Elektronik sistemlerde işaretlerin algılanması veya işlenmesi için gerekli ihtiyaçlardan biri de işaretin bloklar arası geçişi sırasında uyumluluk sağlanmasıdır. Kabaca işaret uyumlaması ihtiyacı iki genel durumda ortaya çıkar; bunlardan ilki, tasarımcının bir giriş işareti seviyesini uygulanacak elemanın giriş aralığına uyumlamasını gerektiren durumlardır, ikincisi ise, tasarımcının çeşitli kayıpların yerini doldurmak için giriş değerini sabitleme ihtiyacı olduğu durumlardır. Kazancı ayarlanabilir kuvvetlendiriciler bu ihtiyaca yönelik tasarlanmış devrelerin temelini oluşturan yapılardır. Genel anlamıyla, kazanç değerini elektronik olarak ayarlayarak işaret uyumlaması yapan kuvvetlendiricilerdir. Kazanç değerini ayarlama işlemi için kullanılan yöntemler; geniş kontrol aralığı, geniş frekans aralığı, yüksek doğruluk, yüksek hız gibi uygulama alanına yönelik ihtiyaçlara göre farklılık göstermektedir. Kazancı kontrol eden yapıların temelleri Gilbert tarafından 1968 yılında yapılmıştır. Daha sonra, "ayarlanabilir kazanç kontrol hücresi" adlı bu devreler Willy Sansen tarafından geliştirilerek bugünkü topolojilerin ilk örnekleri gerçeklenmiştir. Bu çalışmalar akım yönlendirme yöntemi kullanılarak bipolar transistörlerle tasarlanan kuvvetlendirici yapılarıyla oluşturulmuştur. 80'li yıllarda BiCMOS teknolojisi, 90'lı yıllarda da CMOS teknolojisi ile kazancı ayarlanabilir kuvvetlendirici örnekleri ortaya çıkmıştır. CMOS teknolojisinin kullanımıyla birlikte matematiksel gerekliliklerden dolayı yeni kontrol yöntemleri önerilmeye başlanmıştır. Dolayısıyla kazancın üstel fonksiyon yaklaşıklıklarıyla kontrol edilmesi yöntemi de bu dönemlere denk gelmektedir. Öte yandan günümüzde en çok tercih edilen yöntemlerden olan sözde üstel fonksiyon yaklaşımının ilk örnekleri 1995 yılında Harjani tarafından önerilmiştir. Bu çalışmada, kazancı ayarlanabilir kuvvetlendiricilerin çalışmasının anlaşılması için literatürdeki kazanç ayarlama yöntemleri incelenip, sınıflandırması yapıldıktan sonra bu yöntemlerden biri olan sözde üstel fonksiyon yaklaşımı yöntemi için geniş frekans aralığı ihtiyacı gözetilerek yeni bir üstel yaklaşım önerilmiştir. Gerçeklemek üzere kazancı ayarlanabilir kuvvetlendirici yapısı tasarlanarak, gerekli analizler yapılmıştır.