Yüksek kazançlı, beslemeleri kapsayan giriş/çıkış özellikli işlemsel yükselteç tasarımı

İşlemsel yükselteç; elektronik, haberleşme, optik, medikal vb. gibi birçok alanda tasarlanan analog devreler için kritik öneme sahip temel bir elektronik bileşendir. Analogdan sayısala veya sayısaldan analoğa dönüştürme, türev ve integral alma, toplama ve çıkarma, aktif filtre, hata yükseltici, karşılaştırıcı vb. gibi birçok uygulamada bu bileşene ihtiyaç duyulur. Bu elektronik bileşenin temel görevi, girişlerine uygulanan sinyallerin farkını yükselterek çıkışa vermesidir. Bu dönüşümün hızı, doğruluğu ve gerilim aralığı, işlemsel yükseltecin karakteristik özelliklerine göre değişkenlik gösterir. Bu yüzden, işlemsel yükselteci oluşturan devre bloklarının ihtiyaç duyulan karakteristik özelliklere göre tasarlanması gerekmektedir. Buna ek olarak, teknolojinin ilerlemesiyle taşınabilir, düşük güçlü, verimli ve hızlı çalışan elektronik devrelere verilen önem artmıştır. Geçmişten bugüne, yüksek performanslı tümdevre tasarımları yapabilmek için CMOS teknolojisi yaygın olarak kullanılmaktadır. Böylece, ihtiyaca yönelik özel çözümler üretilebilmektedir. Bu tez çalışmasında; hem pille beslenen hem de giriş ve çıkış gerilim aralığı geniş olan uygulamalar için yüksek kazançlı, beslemeleri kapsayan giriş ve çıkışa sahip bir işlemsel yükselteç tasarlanmıştır. Tasarlanan işlemsel yükseltecin en önemli özelliği, çalışma gerilim aralığı boyunca yükseltme işleminin sabit kalmasıdır. Kazanç, bant genişliği, faz payı ve yetişme hızı gibi karakteristik özellikleri girişteki gerilim değişimlerinden çok fazla etkilenmemektedir. Ayrıca, işlemsel yükseltecin kararlı olarak çalışabilmesi için kendi kendini kompanze edebilen bir devre ve güç tüketimini azaltmak için kendinden öngerilimli akım ve gerilim kaynakları tasarlanmıştır. Kararlılık sorunlarıyla karşılaşmamak için mümkün olduğunca basit devre tasarımları üzerinde çalışılmıştır. Tasarlanan işlemsel yükseltecin benzetimleri yapılmış ve ihtiyaç duyulan uygulamalardaki çalışma performansı incelenmiştir. Bunun yanında, önerilen tasarım literatürdeki farklı örnekleriyle karşılaştırılmıştır. Küçük kanal boyutuna sahip CMOS teknolojisiyle geliştirilen tasarım benzerlerine göre daha az yer kaplayacaktır. Ayrıca, düşük gerilimlerle çalıştırılan ve yüksek performansa ihtiyaç duyan taşınabilir cihazların hem düşük akım ve gerilimleri yükseltme görevini karşılayacak hem de geniş gerilim aralığında çalışmasını sağlayacak bir tasarım geliştirilmiştir. 130 nm CMOS teknolojisi ve 1,5 V tek kaynaklı besleme gerilimi kullanılarak yapılan tasarımın sonucunda; 100 dB'nin üzerinde kazanç, (0,05 V - 1,45 V) arasında giriş ortak mod gerilim aralığı, (0,05 V - 1,45 V) arasında çıkış salınımı, 10 MHz'den yüksek bant genişliği, 45°'den büyük faz payı, 4,2 V / µs yetişme hızı, 80 dB'den büyük CMRR ve PSRR değeri ve 1 mW'tan düşük güç tüketimi elde edilmiştir.