4. Dereceden Programlanabilir Butterworth Filtre ve Bant Aralığı Referans Tasarımı
Bu proje, LTE haberleşme standartlarına uygun bir analog ön uç (analog front-end) bloğunun tasarımını kapsamaktadır. Amaç; ADC öncesinde sinyalin yüksek frekans bileşenlerden arındırılması ve sistemin sıcaklık ile besleme değişimlerinden etkilenmeden kararlı çalışmasının sağlanmasıdır.
Tasarım iki ana bloktan oluşmaktadır:
dereceden aktif-RC Butterworth alçak geçiren filtre
300 mV bant aralığı referans gerilim devresi
Bu iki yapı birlikte çalışarak düşük gürültülü, doğrusal ve kararlı bir analog sinyal işleme bloğu oluşturur.
1) 4. Dereceden Butterworth Filtre Tasarımı
Filtre yapısı, iki adet ikinci dereceden Tow-Thomas biquad bloğunun kaskad bağlanmasıyla oluşturulmuştur. Bu yaklaşım sayesinde:
Geçiş bandında salınımsız (maksimum düz) frekans cevabı
Kesim frekansı sonrası hızlı genlik düşüşü
Modüler ve optimize edilebilir yapı
RC elemanları üzerinden hassas ayar imkanı
elde edilmiştir.
Teknik Özellikler
Kesim frekansı: 10 MHz / 20 MHz (programlanabilir)
Filtre tipi: 4. dereceden Butterworth
Zayıflatma: Kesim frekansının 10 katında ~70 dB
Besleme: 1.8 V
Maksimum güç tüketimi: 60 mW
Diferansiyel giriş – diferansiyel çıkış mimarisi
Kesim frekansı geçişi, transmission gate tabanlı anahtarlama ile sağlanmıştır. Böylece sistem farklı veri hızlarına adapte olabilecek şekilde tasarlanmıştır.
2) İşlemsel Kuvvetlendirici Tasarımı
Filtre içerisinde kullanılan op-amp, tam farksal katlanmış kaskod (fully differential folded-cascode) mimaride tasarlanmıştır.
Bu mimari seçilmesinin nedeni:
Minimum 70 dB DC kazanç
IIP3 ≥ 15 dBm doğrusal çalışma
IRN ≤ 100 nV/√Hz düşük gürültü
Geniş ortak mod giriş aralığı (CMIR)
60° faz marjı ile kararlı çalışma
CMFB (Common Mode Feedback) devresi ile çıkış ortak mod seviyesi kontrol edilmiştir. Bu yapı sayesinde ADC öncesi stabil ve lineer bir sürüş sağlanmıştır.
3) Bant Aralığı Referans Gerilim Devresi
Filtre ve op-amp biaslama noktalarının sıcaklıktan bağımsız kalması için 300 mV’luk bant aralığı referans devresi tasarlanmıştır.
Devre:
CTAT + PTAT akımlarının birleşimi
-40°C ile 125°C arasında kararlı çalışma
Maksimum 20 ppm/°C sıcaklık katsayısı
1.8V ± %10 besleme toleransı
Start-up devresi ile güvenli başlangıç
özelliklerine göre kurgulanmıştır.
Bu referans devresi olmadan analog bloğun uzun süreli stabil çalışması mümkün değildir. Tasarımın temel kararlılık omurgasını bu blok oluşturmaktadır.
4) Tasarım Akışı
Projede tamamen açık kaynak EDA araçları kullanılmıştır:
Xschem → Şematik tasarım
NGSpice → Simülasyon
Magic → Layout
LVS & PEX → Doğrulama
Tasarım süreci şu adımlarla ilerlemiştir:
Şematik tasarım
AC / transient / noise simülasyonları
Layout tasarımı
LVS doğrulama
Parazitik çıkarım (PEX) sonrası tekrar simülasyon
Amaç yalnızca teorik tasarım değil, tape-out’a hazır doğrulanmış bir analog blok elde etmektir.
5) Projenin Önemi
Bu proje, bir haberleşme sisteminde ADC öncesi yer alan gerçek bir analog front-end bloğunun transistor seviyesinde tasarımını içermektedir.
Bu kapsamda:
Filtre teorisi
Analog IC tasarımı
Biaslama stratejileri
Gürültü analizi
Kararlılık analizi
Layout doğrulama süreçleri
uygulanmıştır.