Düşük Güç Tüketimli Analog Devre Tasarımı

Abstract

Elektronik cihazlarda artan enerji tasarrufu talebi, kablosuz teknoloji, biyomedikal cihazlar, CMOS teknolojisinin ölçeklendirilmesine yönelik eğilimler düşük güçlü devre tasarımlarını zorunlu kılmaktadır. CMOS teknolojilerinin eşik gerilimleri düşük gerilimli analog devre tasarımında karşılaşılan zorluklardan biridir. Eşik voltajının üstesinden gelerek düşük güçlü, düşük gerilimli devre tasarlamak için uygulanan tekniklerden biri Dinamik Eşik Gerilimli MOSFET’ tir. Buna ek olarak kullanılabilecek bir diğer yöntem ise Fin alan etkili (FinFET) transistördür. Bu yöntemler düşük gerilimli analog devre tasarımlarının performansını iyileştirir fakat düşük gerilimli analog devre tasarımında gerilim modlu devreler ile akım modlu devreler karşılaştırıldığında akım modlu devreler düşük güç tüketimi, geniş doğrusallık, büyük bant genişliği ve daha iyi kararlılık sunar. Bu tez çalışmasında, düşük gerilimli ve düşük güçlü tümüyle diferansiyel girişli akım taşıyıcı (FDCCII) ve çift X-uçlu diferansiyel fark akım taşıyıcı (DXDDCC) akım modlu devre blokları önerilmiştir. FDCCII devresi VX1 = VY1 -VY2 +VY3, VX2 = -VY1+VY2+VY4, IZ1 = IX1–IX2 ve IZ2 = IX2–IX1 bağıntılarını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. DXDDCC devresi ise VX1 = VY1 -VY2 +VY3, VX2 = -VY1+VY2 -VY3, IZ1 = IX1-IX2 ve IZ2 = IX2-IX1 bağıntılarını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. FDCCII ve DXDDCC devreleri Fin alan etkili (FinFET) transistör, MOSFET ve DTMOS transistörleri ile tasarlanmıştır. Devre tasarımında FinFET, MOSFET ve DTMOS transistörleri kullanılarak gerçekleştirilen bu akım taşıyıcıların performansları incelenmiştir. Dört bölgeli analog çarpıcı devresi, tümüyle diferansiyel girişli akım taşıyıcı devresinin bir uygulaması olarak tasarlanmıştır. KHN (Kerwin- Huelsman-Newcomb) süzgeci ise çift X-uçlu diferansiyel fark akım taşıyıcı devresinin bir uygulaması olarak tasarlanmıştır. Tümüyle diferansiyel girişli akım taşıyıcı (FDCCII), çift X-uçlu diferansiyel fark akım taşıyıcı (DXDDCC) ve uygulama devreleri LTspice programı ile 45nm PTM teknoloji parametreleri kullanılarak benzetimi yapılmıştır.

Increasing demand for energy savings in electronic devices, wireless technology, biomedical devices, and trends towards scaling CMOS technology necessitate low-power circuit designs. Threshold voltages of CMOS technologies are one of the challenges in low voltage analog circuit design. One of the techniques applied to design a low-power, low-voltage circuit by overcoming the threshold voltage is DTMOS (Dynamic Threshold-Voltage MOSFET). In addition, another method that can be used is the FinFET transistor. These methods improve the performance of low-voltage analog circuit designs but when voltage-mode circuits are compared with current-mode circuits in low-voltage analog circuit design, current-mode circuits offer lower power consumption, wide linearity, larger bandwidth and better stability. In this thesis, low-voltage low-power fully differential current conveyor (FDCCII) and dual-X differential difference current conveyor (DXDDCC) current mode building blocks are proposed. The FDCCII circuit is designed to satisfy the equations VX1 = VY1-VY2+VY3, VX2 = -VY1+VY2+VY4, IZ1 = IX1–IX2 and IZ2 = IX2–IX1. The DXDDCC circuit is designed to satisfy the equations VX1 = VY1-VY2+VY3, VX2 = - VY1+VY2-VY3, IZ1 = IX1–IX2 and IZ2 = IX2–IX1. FDCCII and DXDDCC circuits are designed with FinFET technology, MOSFET and DTMOS transistors. In circuit design, the performance of these current conveyors implemented using FinFET, MOSFET and DTMOS transistors has been analyzed. The four-quadrant analog multiplier circuit has been designed as an application of the fully differential current conveyor circuit. KHN (Kerwin-Huelsman-Newcomb) filter has been designed as an application of the dual-X differential difference current conveyor circuit. FDCCII, DXDDCC and application circuits are simulated with LTspice program by using 45nm PTM technology parameters.