Σχεδίαση Ολοκληρωμένου Αναλογικού Ζωνοπερατού Φίλτρου Με Αριθμητική Συμμετρία Και Σχεδίαση Των Απαραίτητων Ενεργών Μικροηλεκτρονικών Κυκλωμάτων

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση ενός CMOS αναλογικούολοκληρωμένου ενεργού φίλτρου. Tο φίλτρο που ζητείται είναι ζωνοπερατό με κεντρικήσυχνότητα τα 100 MHz και εύρος ζώνης 5 MHz. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του είναι ότιαπαιτείται να έχει αριθμητική συμμετρία αντί γεωμετρική και κατά συνέπεια οι συχνότητεςαποκοπής πρέπει να είναι 97.5 MHz 102.5 MHz. Το φίλτρο σχεδιάζεται στη CMOSτεχνολογία των 130nm της IBM και έχει μονή τροφοδοσία 1.5 V.Στην αρχή της εργασίας μελετάται η εξαγωγή της συνάρτησης μεταφοράς με δύοδιαφορετικές μεθόδους. Πρώτον, γίνεται μία μαθηματική ανάλυση βασισμένη σεδημοσιεύσεις του G. Szentirmai. Η δεύτερη προσέγγιση, μετατρέπει μια γεωμετρικάσυμμετρική συνάρτηση ζωνοπερατού φίλτρου γύρω από τα 100 MHz σε αριθμητικάσυμμετρική με μετακίνηση των πόλων και των μηδενικών της με εμπειρικό τρόπο. Ηανάλυση αυτή γίνεται με τη χρήση κώδικα σε Matlab. Τα αποτελέσματα των δύο παραπάνωμεθόδων συγκρίνονται και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της σύγκρισης.Ακολουθεί η υλοποίηση του ενεργού φίλτρου. Ξανά μελετώνται δύο διαφορετικέςπροσεγγίσεις. Η πρώτη, η «εν σειρά» cascade υλοποίηση βασισμένη στη συνάρτησημεταφοράς που προέκυψε από το πρώτο κομμάτι της εργασίας και η δεύτερη, η εξομοίωσηενός παθητικού ζωνοπερατού φίλτρου με την τεχνική leap-frog. Για κάθε μία από τις δύουλοποιήσεις γίνεται ανάλυση της συμπεριφοράς του κυκλώματος που προκύπτει με τηβοήθεια μιας σειράς προσομοιώσεων στο Cadence και το ADS. Γίνεται επίσης μία μελέτηγια την επίδραση της μη ιδανικότητας των ενεργών στοιχείων στη συμπεριφορά τωνκυκλωμάτων και για τις απαιτήσεις του φίλτρου σε τελεστικό ενισχυτή. Οι δύο υλοποιήσειςσυγκρίνονται και αφού επιλέγεται η βέλτιστη γίνεται μία σύντομη αναφορά στην ευαισθησίατου κυκλώματος στις μεταβολές των τιμών των παθητικών στοιχείων με τη βοήθεια τηςανάλυσης Monte Carlo.Τέλος, γίνεται μία προσπάθεια σχεδίασης των ενεργών στοιχείων του κυκλώματος. Γιατην ικανοποίηση της προδιαγραφής του αυξημένου εύρους ζώνης που προκύπτει από τιςαπαιτήσεις του φίλτρου, μελετάται η τοπολογία Cherry-Hooper σαν βασικό δομικό στοιχείοτου τελεστικού ενισχυτή και δύο παραλλαγές της: η τοπολογία Cherry-Hooper μεαντιστάσεις, και η τοπολογία modified Cherry-Hooper. Μελετώνται ακόμη κάποια στάδιαμετατροπής διαφορικού σήματος σε κοινό. Στη συνέχεια, οι παραπάνω τοπολογίεςσυνδέονται για την υλοποίηση μιας σειράς πολυσταδιακών και δισταδιακών τελεστικώνενισχυτών, και ακολουθεί μία παρουσίαση των βασικών ιδιοτήτων και των προβλημάτωναντιστάθμισης αυτών των κυκλωμάτων. Γίνεται ακόμη μία αναφορά στη λειτουργία τουκυκλώματος βρόχου ανάδρασης κοινού σήματος και της αναγκαιότητας ενός τέτοιουκυκλώματος. Τέλος, μελετώνται αναλυτικά τα χαρακτηριστικά ενός τελεστικού ενισχυτήδιαφορικής εισόδου-απλής εξόδου και ενός διαφορικής εισόδου-εξόδου και, στη συνέχεια,γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων.