Τα αναλογικά φίλτρα συνεχούς χρόνου αποτελούν απαραίτητα μέρη ακόμη και στις πιο μοντέρνες ηλεκτρονικές συσκευές, οι οποίες λειτουργούν, κατά το μεγαλύτερο τμήμα τους ψηφιακά. Η εξήγηση είναι απλή, αν αναλογιστεί κανείς πρώτον, ότι, αποτελούν τις ενδιάμεσες βαθμίδες μεταξύ του φυσικού κόσμου και τις –κατά τα άλλα ψηφιακές– συσκευές και δεύτερον ότι, μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλές συχνότητες, όπου τα ψηφιακά κυκλώματα δεν μπορούν.
Η προσπάθεια για όλο και πιο βελτιωμένα κυκλώματα, κάνει τους σχεδιαστές ηλεκτρονικών κυκλωμάτων να ψάχνουν για νέες μεθόδους σχεδίασης. Μία από αυτές είναι η σχεδίαση με χρήση τεχνικών τρόπου ρεύματος (current mode), χρήση της οποίας γίνεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Είναι γνωστό ότι, έως και πριν από μερικά χρόνια, η σχεδίαση κυκλωμάτων γινόταν, σχεδόν αποκλειστικά, για λειτουργία σε τρόπο τάσης. Αυτό σημαίνει ότι, για τα κυκλώματα αυτά, οι ηλεκτρικές μεταβλητές εισόδου και εξόδου είναι τάσεις αφού, η είσοδος των χρησιμοποιούμενων ηλεκτρονικών βαθμίδων είναι υψηλής εμπέδησης ενώ η έξοδός τους χαμηλής. Τα κυκλώματα τρόπου τάσης σχεδιάζονται, ώστε, να λειτουργούν σε αυτές τις στάθμες εμπέδησης, παρά το γεγονός ότι, τα στοιχειώδη ηλεκτρονικά στοιχεία, τα τρανζίστορ, συμπεριφέρονται ως ελεγχόμενες πηγές ρεύματος. Αυτό ακριβώς το γεγονός εκμεταλλεύονται τα κυκλώματα τρόπου ρεύματος, τα οποία, λόγω του ότι εμφανίζουν χαμηλή εμπέδηση εισόδου και υψηλή εμπέδηση εξόδου, επεξεργάζονται ρεύματα απλοποιώντας ταυτόχρονα τον τρόπο σχεδίασης.
Για να είναι πραγματικά εφικτή η σχεδίαση για τα κυκλώματα τρόπου ρεύματος είναι απαραίτητο ένα τουλάχιστον ενεργό δομικό στοιχείο. Στην παρούσα διατριβή ως δομικό στοιχείο μελετάται, καταρχήν, ο απλός ενισχυτής ρεύματος. Ο ενισχυτής αυτός αποτελεί τη βάση του διαφορικού ενισχυτή ρεύματος, που με τη σειρά του αποτελεί ένα νέο δομικό στοιχείο πολύ πιο ευέλικτο για ανάπτυξη νέων κυκλωμάτων αναλογικής επεξεργασίας σήματος. Προκύπτει ότι, ο διαφορικός ενισχυτής ρεύματος, ο οποίος λειτουργεί συνήθως, έχοντας ενίσχυση ρεύματος ίση ή λίγο μεγαλύτερη από τη μονάδα, μπορεί να δώσει κυκλώματα, που λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες συγκριτικά με τα κυκλώματα τρόπου τάσης.
Αρκετά κυκλώματα μπορούν να σχεδιαστούν με βάση, είτε τον απλό, είτε το διαφορικό ενισχυτή ρεύματος. Με τη βοήθειά των δύο αυτών στοιχείων αναπτύσσεται ένα πλήθος από βασικά κυκλώματα αναλογικής επεξεργασίας σήματος, όπως εξομοιωμένοι επαγωγοί, ολοκληρωτές, ταλαντωτές καθώς και ενεργά φίλτρα. Στη διατριβή αυτή, αναπτύσσεται, καταρχήν, η σχεδίαση διαφόρων βασικών αναλογικών δομικών βαθμίδων και ακολούθως, παρουσιάζονται οι τεχνικές για τη σχεδίαση ενεργών φίλτρων, ακολουθώντας δύο βασικές μεθόδους, όπως η μέθοδος διασύνδεσης βαθμίδων δεύτερης τάξης και η μέθοδος συναρτησιακής και τοπολογικής εξομοίωσης LC παθητικών κυκλωμάτων.
Η μέθοδος της τοπολογικής εξομοίωσης κυκλωμάτων είναι αρκετά ελκυστική, λόγω των δυνατοτήτων, που προσφέρει. Είναι αρκετά εύκολη κατά το σχεδιασμό, τόσο τον ηλεκτρονικό όσο και τον φυσικό (layout), καθώς χρησιμοποιεί επαναλαμβανόμενες δομές. Δύο από τις τεχνικές, που ανήκουν στην κατηγορία της τοπολογικής εξομοίωσης κυκλωμάτων και αναπτύσσονται εδώ, είναι η σχεδίαση κυκλωμάτων με τεχνική τύπου "leapfrog" και η κυματική τεχνική.
Με βάση τον διαφορικό ενισχυτή ρεύματος αναπτύσσεται ο τελεστικός ενισχυτής ρεύματος. Το στοιχείο αυτό είναι χρήσιμο σε εφαρμογές, όπου απαιτείται υψηλή ενίσχυση ρεύματος. Η ενίσχυση μπορεί να είναι μεταβαλλόμενη και εξαρτώμενη από μία τάση πόλωσης και αυτό κάνει τον τελεστικό ενισχυτή ρεύματος ένα αρκετά χρήσιμο στοιχείο στην ανάπτυξη εφαρμογών. Η ανάπτυξη ενός τελεστικού ενισχυτή ρεύματος παρουσιάζεται στο τέλος της διατριβής.
Όλα τα κυκλώματα, που προτείνονται στην παρούσα διατριβή, είναι ολοκληρώσιμα σε οποιαδήποτε κοινή τεχνολογία ολοκλήρωσης. Ωστόσο, τα προτεινόμενα κυκλώματα σχεδιάζονται για CMOS τεχνολογία, επειδή είναι εξαιρετικά διαδεδομένη και κατάλληλη για τις περισσότερες εφαρμογές αναλογικής επεξεργασίας σήματος. Επιπλέον, τα CMOS κυκλώματα μπορούν σχετικά εύκολα να μετατραπούν σε διπολική ή και BiCMOS τεχνολογία, αφού τοπολογικά διατηρούν την ίδια περίπου δομή. / Continuous-time analog filters are essential parts even of the most modern electronic systems, which in their main part operate digitally. We can explain this by thinking, first, that analog circuits are usually used as necessary intermediate stages between the natural world signals and the electronic digital systems and second, that they are more suitable for operation at high frequencies compared to digital circuits.
The designers of electronic circuits in their effort to improve circuits investigate for new design methods. Such a recent method is the so called "current-mode method". Current-mode circuits suitable, mainly for filtering applications, are studied in this thesis.
It is known that until recently electronic circuits were considered as circuits operating in voltage-mode. This means that the electric variables for these circuits were taken mainly as voltages in spite of the fact that the elementary electronic devices, that is the transistors, behave as controlled current sources. On the contrary, current-mode circuits take advantage of the real nature of the transistors and thus process currents instead of voltages. This way, the circuit design procedure is significantly simplified, the derived current-mode circuits are much simpler in their structure and in addition, they show better performance at high frequencies.
A structural active element is always necessary in every active filter either in the voltage or in the current-mode domain. In this thesis, a single input current amplifier is studied, as such structural active element. This amplifier is used as a subcircuit for obtaining the differential current amplifier, which, accordingly, is used as a new basic active device for the development of new analog signal processing circuits. It is found that the differential current amplifier, which usually operates having low current gain, is suitable for operation at high frequencies comparable to the fT of the transistors used in the amplifier.
It is shown that various circuits of general purpose can be obtained, based on a single or a differential current amplifier. In addition, a number of new analog circuits suitable for signal processing are proposed in this thesis. Among them, there are lossy and lossless integrators, simulated inductors, and oscillators. However, emphasis is given to the development of integrated active filters of high order by following various design methods. As a result, the method of the topological simulation of passive LC filter prototypes appears to be more attractive for obtaining high order filters, due to the many possibilities that this method offers.
All the proposed circuits in this thesis are suitable for integration in CMOS technology, which is more suitable for analog signal processing applications. Simulation and experimental results taken from implemented integrated circuits verify the accuracy of operation of the proposed circuits and their suitability for practical applications.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/4528 |
| Date | 10 August 2011 |
| Creators | Σουλιώτης, Γεώργιος |
| Contributors | Χαριτάντης, Ιωάννης, Souliotis, Georgios, Χαριτάντης, Ιωάννης, Φωτόπουλος, Σπυρίδων, Αλεξίου, Γεώργιος, Γκούτης, Κωνσταντίνος, Ζυγούρης, Ευάγγελος, Οικονόμου, Γεώργιος, Ψυχαλίνος, Κωνσταντίνος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0025 seconds