بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک فیلتر چند منظوره Gm-C مرتبه دو مد ولتاژ پیشنهاد شده است. فیلتر پیشنهاد شده میتواند با ساختاری ساده همهی پاسخهای فیلتری شامل: پایین گذر، میان گذر، بالاگذر، میان نگذر و تمام گذر را در مد ولتاژ اجرا نماید. این فیلتر از شش بلوک Gm و دو خازن زمین شده استفاده میکند.
مزایای فیلتر پیشنهاد شده عبارتند از:
-1 ساختار ساده در طراحی فیلتر و با حداقل المانهای فعال و غیرفعال.
-2 استفاده از خازنهای زمین شده در مدار فیلتر که سبب کاهش نویز و اعتشاشات پارازیتی میگردد.
-3 اجرای همهی پاسخهای فیلتری در مد ولتاژ.
به منظور صحت گذاری بر روی روابط ریاضی و تئوری فیلتر، مدار فیلتر توسط نرم افزار HSPICE و با مدل ترانزیستوری ʽm CMOS 0,18 شبیهسازی شده است.
.1 مقدمه
فیلترها یکی از مهمترین مدارهای مورد استفاده در وسایل و تجهیزات الکترونیکی هستند. فیلتر های آنالوگ و یا دیجیتال جز جدانشدنی در دو حوزه آنالوگ و دیجیتال به حساب می آیند. فیلترها را می توان به دو نوع فعال و غیر فعال تقسیم نمود.
از مزایای فیلترهای فعال نسبت به فیلترهای غیر فعال میتوان به مواردی چون حساسیت پایین، مساحت اشغالی و نویزپذیری کمتر اشاره کرد. درحالی که فیلترهای غیرفعال به دلیل استفاده از مقاومت، سلف و خازن دارای سطح اشغالی وسیعتر و نویز پذیری بالاتری هستند.از فیلترهای فعال در حوزه آنالوگ و زمان پیوسته میتوان به فیلترهای مبتنی بر بلوکهای Gm و خازن اشاره کرد که یه همین دلیل فیلتر Gm-C نامیده میشود.
فیلترهای Gm-C میتوانند به صورت همزمان و یا غیرهمزمان توابع فیلتری شامل: فیلتر بالاگذر ، فیلتر میان گذر ، فیلتر پایین گذر ، فیلتر میان نگذر و فیلتر تمام گذر را در مد ولتاژ، جریان، ترارسانایی و ترامقاومتی اجرا کنند. چند نمونه از فیلتر های فعال چند منظوره مد جریان و چند نمونه فیلتر چند منظوره مد ولتاژ در [1- 3] گزارش شده است. یک فیلتر چند منظوره مد ولتاژ با ترکیب یک بلوک CCCII ، یک بلوک OTA و دوخازن زمین شده، در [2] آورده شده که با داشتن سه ورودی و یک خروجی یک فیلتر چندمنظوره غیرهمزمانی با فرکانس مرکزی 6.16 MHZ را پیادهسازی کرده است. تغذیه دوبل این فیلتر ±1.85 میباشد. در [3] یک فیلتر چندمنظوره مد ولتاژ غیر همزمانی با استفاده از شش بلوک Gmو دو خازن زمین شده آورده شده است. در این فیلتر نویسنده از مدار OTA به عنوان جمع کننده/ تفریق کننده هم، استفاده کرده است که با تغذیه دوبل ±3V دارای فرکانس مرکزی 123.37KHZ میباشد.
در[4] یک فیلتر چند منظوره غیرهمزمانی مد ترکیبی با پنج بلوک Gm و دو خازن زمین شده پیاده سازی شده است. این فیلتر با ولتاژ تغذیه دوبل ±1.65 و فرکانس مرکزی 1MHz ، 30.95mw توان مصرف میکند. یک فیلتر چند منظوره مد ترکیبی مرتبه بی نهایت مبتنی بر مدار اینورتر در [5] آورده شده است. در [6] یک مدار هدایت انتقالی مبتنی بر اینورتر برای پیاده سازی فیلترهای مرتبه دو پیشنهاد شده است. فیلترهای مبتنی بر مدار اینورتر به دلیل کاهش تعداد ترانزیستورها و به طبع آن توان مصرفی و سطح اشغالی مورد توجه قرار گرفتهاند.
در [7] یک مدار OTA با عملکرد در ناحیه زیر آستانه و متناسب برای فیلترهای Gm-C پیشنهاد شده است. این فیلتر برای کاربردهایی با فرکانسهای کم مناسب میباشد. یک مدار OTA تمام تفاضلی برای فیلترهای OTA-C و کاربرد در تجهیزات آشکار ساز واکنش های قلب، که در ناحیه زیر آستانه عمل میکند در [8] آورده شده است. با توجه به آنکه توان مصرفی و منبع ولتاژ به عنوان پارامترهای غیر قابل صرف نظر در طراحی مدارات مجتمع است و فیلترهای ارائه شده در گذشته دارای معایبی همچون: استفاده از تعداد زیاد بلوک OTA، منبع ولتاژ بالا ، توان مصرفی بالا و فرکانس مرکزی کم بودند در این مقاله سعی شده تا مدار فیلتری طراحی شود که دارای توان مصرفی و منبع ولتاژ کم باشد. در ادامه این مقاله، دربخش - 2 - مدار پیشنهادی به همراه توضیحات و روابط تئوری آورده شده است. در قسمت - 3 - مدار OTA و راهاندازی زیر آستانه شرح شده است. در بخش - 4 - نتایج شبیهسازی HSPICE آورده شده است و سر انجام در بخش - 5 - نتایج حاصل شده ذکر شده است.
.2 تشریح مدار پیشنهاد شده
مدار هدایت انتقالی OTA یک منبع جریان کنترل شده با ولتاژ است درحالی که آپ امپ یک منبع ولتاژ کنترل شده با ولتاژ است. همچنین مقاومت ورودی و خروجی در OTA در حالت ایدهآل به سمت بینهایت میل دارد درحالی که مقاومت خروجی آپ آمپ ایدهآل صفر میباشد.
شکل -1 - الف - : نماد الکتریکی یک بلوک gm
شکل -1 - ب - : معادل مداری یک بلوک gm
شکل -1 - الف - و -1 - ب - به ترتیب نماد الکتریکی و معادل مداری یک بلوک gmرا نشان میدهد که در آن یک مدار OTA قرار دارد. همانطور که شکل -1 - ب - نشان میدهد، خروجی یک بلوک Gm که در آن مدار OTA قرار دارد، از نوع جریان میباشد، و مقدار جریان خروجی برابر با بهره ترارسانایی Gmدر تفاضل ولتاژ ورودی میباشد. مقدار بهره ترارسانایی gmتوسط جریان بایاس Ib قابل کنترل و تغییر میباشد. با تغییر مقدار gm پارامترهای فرکانس مرکزی o و ضریب کیفیت فیلتر قابل کنترل و تنظیم الکترونیکی میباشد.
توپولوژی نشان داده شده در شکل - 2 - فیلتر پیشنهادی مد ولتاژ چند منظوره مرتبه دو را نشان میدهد که با داشتن پنج ورودی ولتاژ و چهار خروجی میتواند به صورت همزمان تمامی پاسخ فرکانسیهای فیلتر را اجرا کند. در این فیلتر دو خازن زمین شده استفاده شده است.
شکل : 2 فیلتر چند منظوره Gm-C مد ولتاژ مرتبه دوم پیشنهاد شده
با تجزیه و تحلیل این فیلتر روابط زیر حاصل میشود:
طبق رابطه ریاضی - 1 - برای خروجی Vo1 داریم:
اگر همهی ورودیها صفر باشد و Vin1=Vin باشد یک فیلتر پایین گذر غیر معکوس داریم. اگر همهی ورودیها صفر باشد و Vin2=Vin باشد یک فیلتر پایین گذر معکوس داریم. اگر همهی ورودیها صفر باشد و Vin3=Vin باشد یک فیلتر پایین گذر معکوس داریم. اگر همهی ورودیها صفر باشد و Vin4=Vin باشد یک فیلتر پایین گذر غیر معکوس داریم. اگر همهی ورودیها صفر باشد و Vin5=Vin باشد یک فیلتر پایین گذر غیر معکوس داریم. طبق رابطه ریاضی - 2 - برای خروجی Vo2 داریم:
اگر همهی ورودیها صفر باشد و Vin1=Vin باشد یک فیلتر پایین گذر غیر معکوس داریم.
