Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/10212
Title: Design of an integrated programmable fractional-order generalized filter
Other Titles: Σχεδίαση ενός ολοκληρωμένου προγραμματιζόμενου γενικευμένου φίλτρου κλασματικής τάξης
Authors: Μπερτσιάς, Παναγιώτης
Keywords: Generalized fractional-order filter
Differential capacitorless integrators
Current-mirrors
Current-Division Networks (CDNs)
Digital programming
Keywords (translated): Γενικευμένο φίλτρο κλασματικής τάξης
Διαφορικοί ολοκληρωτές χωρίς πυκνωτές
Καθρέφτες ρεύματος
Δικτυώματα διαίρεσης ρεύματος
Ψηφιακός προγραμματισμός
Abstract: Subject of this M. Sc.Thesis is the design of a generalized fractional (1+α) order filter. This structure offers the four standard types of filter functions, i.e. lowpass (LP), highpass (HP), bandpass (BP) and bandstop (BS). The selection of the type of the filter function is achieved through a digital logic, expressed by an appropriate combination of bits. These bits offer the advantages of the attractive design flexibility and precision to the whole system, by programming the order as well as the cutoff frequency of the filter. In addition, easy understanding and use merge through the appropriate combination of bits for each case. The contribution made in this Thesis is that capacitorless realizations of fractionalorder filters, using current-mirrors as active elements, are introduced for first time in the literature. In addition, these filters offer electronic adjustment of their frequency characteristics through digital programming of the corresponding bias currents and the realized scaling factors. Initially, the procedure for approximating this type of filter by an appropriate integer-order multifeedback topology is presented and the respective design equations are summarized. The basic operations required for implementing the generalized filter are integration and summation. Thus, the topology is realized through fully differential capacitorless lossy and lossless integrators topologies, which employ current-mirrors as active elements, offering the advantage of electronic adjustment of their time-constants. A two-integrator loop filter is realized using these integrators, confirming the above. Furthermore, the programmability of capacitorless current-mirror integrators is presented through Current-Division Networks (CDNs) and appropriate switching schemes, offering flexibility and providing compatibility, precision, easy control as well as modularity to the whole system. Extending this concept into a general topology, it is feasible to design a generalized fractional-order filter, which would be controlled through an appropriate digital logic corresponded to a specific number of bits. The system implementation is done using MOS transistors operating in the strong inversion region. The design of the circuits has been performed through the Virtuoso Schematic Editor of the Cadence software and the simulation results have been derived through Virtuoso Analog Design Environment provided by the AMS CMOS 0.35μm technology.
Abstract (translated): Αντικείμενο της παρούσας Μεταπτυχιακής Διπλωματικής Εργασίας είναι η σχεδίαση ενός γενικευμένου φίλτρου κλασματικής τάξης (1+α). Αυτή η δομή προσφέρει τα τέσσερα πρότυπα είδη των συναρτήσεων μεταφοράς, δηλαδή το βαθυπερατό, το υψιπερατό, το ζωνοπερατό και το απόρριψης ζώνης. Η επιλογή του είδους της συνάρτησης μεταφοράς πετυχαίνεται μέσω μιας ψηφιακής λογικής, εκφραζόμενης από έναν κατάλληλο συνδυασμό δυαδικών ψηφίων (bits). Αυτά τα ψηφία προσφέρουν τα πλεονεκτήματα της ελκυστικής ευελιξίας στη σχεδίαση και της ακρίβειας σε όλο το σύστημα, μέσω του προγραμματισμού της τάξης και της συχνότητας αποκοπής του φίλτρου. Επίσης, εύκολη κατανόηση και χρήση προκύπτουν μέσα από τον κατάλληλο συνδυασμό δυαδικών ψηφίων για κάθε περίπτωση. Η συνεισφορά αυτής της Εργασίας είναι ότι υλοποιήσεις φίλτρων κλασματικής τάξης χωρίς πυκνωτές, χρησιμοποιώντας καθρέφτες ρεύματος ως ενεργά στοιχεία, εισάγονται για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία. Ακόμα, αυτά τα φίλτρα προσφέρουν ηλεκτρονική ρύθμιση των συχνοτικών τους χαρακτηριστικών μέσω ψηφιακού προγραμματισμού των ρευμάτων πόλωσης και των υλοποιούμενων παραγόντων κλιμάκωσης. Αρχικά, παρουσιάζεται η διαδικασία προσέγγισης αυτού του είδους φίλτρου μέσω μιας κατάλληλης πολυανατροφοδοτούμενης τοπολογίας ακέραιας τάξης και συνοψίζονται οι αντίστοιχες εξισώσεις σχεδίασης. Οι βασικές λειτουργίες που απαιτούνται για την υλοποίηση του γενικευμένου φίλτρου είναι η ολοκλήρωση και η άθροιση. Έτσι, η τοπολογία υλοποιείται μέσω πλήρως διαφορικών ολοκληρωτών, με και χωρίς απώλειες, χωρίς πυκνωτές, οι οποίοι χρησιμοποιούν καθρέφτες ρεύματος ως ενεργά στοιχεία, προσφέροντας το πλεονέκτημα της ηλεκτρονικής ρύθμισης των σταθερών χρόνου τους. Ένα φίλτρο βρόχου δύο ολοκληρωτών υλοποιείται χρησιμοποιώντας αυτούς τους ολοκληρωτές, επιβεβαιώνοντας τα παραπάνω. Επιπλέον, παρουσιάζεται ο προγραμματισμός των ολοκληρωτών, με καθρέφτες ρεύματος χωρίς πυκνωτές, μέσω δικτυωμάτων διαίρεσης ρεύματος και κατάλληλων σχηματικών με διακόπτες, προσφέροντας ευελιξία και παρέχοντας συμβατότητα, ακρίβεια, εύκολο έλεγχο και αυτονομία σε όλο το σύστημα. Επεκτείνοντας αυτό το σκεπτικό σε μια γενική τοπολογία, είναι εφικτό να σχεδιαστεί ένα γενικευμένο φίλτρο κλασματικής τάξης, το οποίο θα ελέγχεται μέσω μιας κατάλληλης ψηφιακής λογικής που αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο αριθμό από δυαδικά ψηφία. Η υλοποίηση του συστήματος γίνεται χρησιμοποιώντας MOS τρανζίστορς που λειτουργούν στην περιοχή της ισχυρής αναστροφής. Η σχεδίαση των κυκλωμάτων εκτελέστηκε μέσω του Virtuoso Schematic Editor της Cadence software και τα αποτελέσματα της εξομοίωσης αντλήθηκαν μέσω του Virtuoso Analog Design Environment που παρέχεται από την AMS CMOS 0.35μm τεχνολογία.
Appears in Collections:Τμήμα Φυσικής (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Bertsias(phys).pdf3 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons