بخشی از مقاله
چکیده-
در این مقاله، طراحی و شبیهسازی دو فیلتر پائینگذر Gm-C با مشخصه توان مصرفی و سطح اشغالیکم، قابلیت تنظیم - الکترونیکی فرکانس قطع - - و ضریبکیفیت - Q - ، درناحیه زیرآستانه با فناوری CMOS ارائه شده است. این فیلترها قابلیت عملکرد در چهار مُد - ولتاژ، جریان، ترارسانایی و ترامقاومتی - را دارند که نیاز به مبدلها را از بین میبرند و درنتیجه سبب کاهش توان مصرفی و سطح اشغالی مدار میشوند . همچنین استفاده از خازنهای زمین شده، علاوه بر حذف اثرات نویز، بهکاهش سطح اشغالی کمک می-کند.
حساسیت کم، نسبت به مقادیر عناصر مداری - ترارساناهاییها و ظرفیت خازنها - از دیگر ویژگیهای فیلترهای پیشنهادی است. استفاده از شیوه راهاندازی از طریق بدنه و بایاسنمودن ترانزیستورهای MOSFET در ناحیه زیرآستانه نیز منجر به کاهش بیشتر مصرف توان میشود.
در این طراحیها، دو پارامتر فرکانس قطع و ضریب کیفیت بهطور مجزا از یکدیگر تغییر میکنند. نتایج شبیهسازی شده با استفاده از فناوری 0.18µm CMOS تصدیقکنندهی روابط نظری و نشانگر ویژگیهای مورد انتظار است، بهنحوی که در تغذیهی و فرکانس قطع 7.5KHz توانی برابر 5.4nw مصرف میکند و اعوجاج هارمونیک کلی آن به ازای 50mv قله تا قله برابر - 2.86dB است و نویز ارجاع شده به ورودی فقط میباشد.
.1 مقدمه
تقاضا برای کارایی بیشتر سامانههای الکترونیکی، بهطور مداوم در سالهای اخیر درحال رشد است.عموماً بهبود عملکرد بیشتر این سامانهها، با مصرف بیشتر توان، همراه است. لذا شیوههای جدید طراحی مدار با توان مصرفی پائین به یکی از موضوعات مهم تحقیق و نوآوری، تبدیل شدهاست. استفاده از فیلترها به منظور حذف تداخل و نوسانات از تغذیه-ی ورودی و جلوگیری از تاثیرات هارمونیکی ولتاژ بر سیستم-های الکتریکی لازم است
همچنین در بسیاری از کاربردها، نیاز به کار درحالتهای مختلف کاری - ولتاژ، جریان، ترامقاومتی وترارسانایی - وجود دارد. اما استفاده از مبدلها در طراحی، افزایش توان مصرفی و سطح اشغالی تراشه را به دنبال دارد. بنابراین به یک ساختار منسجم فیلتری که بتواند درتمامی حالات کاری به فعالیت بپردازد، نیاز است. فیلترهای Gm-C ساختهشده با طبقات ترارسانا، دارای پهنای باند بزرگ، ساختار ساده و سطح اشغالی کم - به سبب مدار سادهتر - هستند که این ویژگیها سبب برتری آنها نسبت به فیلترهایی است که با ساختار تقویتکنندههای عملیاتی - OPAMP - طراحی شدهاند.
در مرجع [1]، به کمک 11 بلوک وارونگر، یک فیلتر مالتی مد - همه ی مدهای ولتاژ، جریان، ترارسانایی، ترامقاومتی - و چند حالته - بالاگذر، پائینگذر، میانگذر، میاننگذر، تمامگذر - در ناحیه زیرآستانه طراحی و شبیهسازی شده است.
استفاده از تغذیهی باعث میشود تا این مدار فقط مصرف نماید و در فرکانس مرکزی دارای هارمونیک باشد.
در مرجع [2] با استفاده از فقط 12ترانزیستور، یک فیلتر فعال مالتی مد یونیورسال در ناحیهی زیر آستانه و به کمک تغذیه-ی ، در فرکانس مرکزی طراحی شده که فقط توان مصرف میکند و سطح اشغالی آن در فناوری CNTFET است.
در مرجع [3] طراحی یک فیلتر به کمک وارونگر و تغذیه از نوع کمتوان/کمولتاژ برای کاربردهای مالتی مد پیشنهاد شده است. این فیلتر در فرکانس مرکزی ، فقط با انتخاب بردار کایرال مناسب مصرف میکند.
به روش مشابه در سایر مراجع نیز، فیلترهای مشابهی طراحی و شبیهسازی شدهاند.
در ادامه، ایدههای اساسی برای دستیابی به قابلیتهای گفتهشده، در بخش 2 ، شرح داده شده است. بخشهای 3 و 4 به ترتیب به بررسی طرحهای اول و دوم میپردازند. بخش 5 ، نتایج شبیهسازی ایدهها با نرم افزار Hspice و مقایسه آنها با سایر کارهای منتشرشده را شامل میشود و درنهایت، در بخش 6 از فرایند بیانشده در این مقاله، نتیجهگیری میشود.
.2 بیان مسأله
این مقاله به بررسی فیلترهای ترارسانا–خازنی - Gm-C - که قابلیت پیادهسازی در فرکانسهای پائین، با توان مصرفی کم را دارند، میپردازد. جهت کاهش توان مصرفی و دستیابی به قابلیتهای گفته شده، دو طرح ارائه شده است. طرح دوم، به دلیل استفاده از عناصر غیرفعال، برای کاربردهای مجتمع مناسبتر است.
در تمامی طرحهای بیانشده، فیلترها، قابلیت کار در چهار مد - ولتاژ، جریان، ترارسانایی وترامقاومتی - را بدون استفاده از مبدل دارند. طبقات ترارسانا با استفاده از شیوهی راهاندازی ازطریق بدنه و بایاس نمودن ترانزیستور های MOSFET در ناحیه زیرآستانه، طراحی شده و درساختار پیشنهادی فیلترGm-C با توان مصرفی پائین، استفاده شدهاند. دو پارامتر فرکانس قطع - - و ضریب کیفیت - Q - فیلتر، قابلیت تنظیم الکترونیکی دارند. به علاوه، در طرح دوم می-توان نشان داد که این دو پارامتر بهطور مجزا، از یکدیگر تغییر میکنند.
.3 نخستین فیلتر پیشنهادی
شکل 1 ساختار اولین فیلتر پیشنهادی را نشان می دهد
از روابط بالا میتوان نتیجه گرفت فیلتر پیشنهادی از نوع مرتبه دوم ، توانایی ایجاد پاسخ فیلتری پائینگذر را در حالت ترکیبی دارد. اگر رابطهی - 5 - به فرم بهنجار شدهی بیان شود، پارامترهای فرکانس قطع - - و ضریب کیفیت - Q - ، طبق روابط - 6 - و - 7 - خواهد بود. مشخص است که این دو پارامتر، قابلیت تنظیم الکترونیکی دارند.
یکی دیگر از ویژگیهای فیلتر پیشنهادی، حساسیت کم ضریب کیفیت - - و فرکانس قطع - Q - نسبت به عناصر مدار - ترارساناییها و ظرفیت خازنها - است که میزان حساسیت آنها از معادلات - 8 - و - 9 - بهدست میآید
.4 دومین ساختار فیلتر پیشنهادی
در شکل 2 ساختار دومین فیلتر پیشنهادی نشان داده شده است
شکل:2 ساختار دومین فیلتر پیشنهادی Gm-C مرتبه دوم حالت ترکیبی
- 14 - طبق روابط - 10 - تا - 13 - ، اثبات میشود فیلتر پیشنهادی مرتبه دوم، توانایی ایجاد پاسخ فیلتری پائینگذر درحالت ترکیبی را دارد. پارامترهای فرکانس قطع - - و ضریبکیفیت - Q - ، استخراج شده از مخرج توابع تبدیل، در روابط - 15 - و - 16 - آمده است که این دو پارامتر، مستقل از هم قابل تنظیم شدهاند. ضریبکیفیت، توسط پارامتر تغییر میکند، درحالیکه فرکانس قطع فیلتر، به این پارامتر وابسته نیست.
بهعنوان نمونه، اثرات نویز در مدار دومین فیلتر پیشنهادی، بررسی شده است که منابع نویز به عنوان یک سیگنال ورودی، تحلیل می شوند. حداقل سطح سیگنال ورودی به مدار را نویز ارجاع شده به ورودی مشخص میکند. بنابراین لازم است عملکرد نویز روی ساختار فیلتر پیشنهادی طبق شکل 3 بررسی شود.
در مدل مداری نویز حالت فیلتری پائینگذر نشان داده شده است که درآن به ازای3،2،x=1 جریان نویز خروجی طبقات است.
شکل:3 مدل مداری نویز فیلتر پیشنهادی مرتبهی دوم حالت ترکیبی
