Design of fractional order circuits with reduced spread of element values

This MSc Thesis deals with a novel concept that suggests a new way of constructing a fractional-order differentiator/integrator. This approach offers several benefits, with the most important being the apparent reduced spread of time-constants and scaling factors. This leads into differentiator/i...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Καπουλέα, Σταυρούλα
Άλλοι συγγραφείς: Ψυχαλίνος, Κωνσταντίνος
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2018
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/11676
id nemertes-10889-11676
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Fractional-order circuits
Fractional-order integrators
Fractional-order differentiators
Operational transconductance amplifiers
CMOS analog integrated circuits
Κυκλώματα κλασματικής τάξης
Ολοκληρωτές κλασματικής τάξης
Διαφοριστές κλασματικής τάξης
Τελεστικοί ενισχυτές διαγωγιμότητας
CMOS αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα
621.381
spellingShingle Fractional-order circuits
Fractional-order integrators
Fractional-order differentiators
Operational transconductance amplifiers
CMOS analog integrated circuits
Κυκλώματα κλασματικής τάξης
Ολοκληρωτές κλασματικής τάξης
Διαφοριστές κλασματικής τάξης
Τελεστικοί ενισχυτές διαγωγιμότητας
CMOS αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα
621.381
Καπουλέα, Σταυρούλα
Design of fractional order circuits with reduced spread of element values
description This MSc Thesis deals with a novel concept that suggests a new way of constructing a fractional-order differentiator/integrator. This approach offers several benefits, with the most important being the apparent reduced spread of time-constants and scaling factors. This leads into differentiator/integrator realizations with capability for implementation in fully integrated form. The approximations of fractional-order differentiator/integrator transfer functions are currently performed using integer-order rational functions, which are in general implemented through appropriate multi-feedback topologies. The spread of the values of time-constants as well of scaling factors in these topologies increase as the order of the differentiator/integrator and/or the order of the approximation increases. This could lead to non-practical values of capacitances and resistances/transconductances needed for the implementation. A possible solution to overcome this obstacle is introduced in this thesis and is based on the employment of a combination of fractionaland integer-order integrators and differentiators for implementing the desired function. The main concept is to construct a fractional-order integrator/differentiator that, even for high orders, will present low values of spreads. This could be achieved by combining a fractional-order part of low order with an integer-order part, a connection that leads to the implementation of a fractional-order integrator/differentiator of high order. Two methods of approximation are used for this purpose; 2nd− to 5th− order Continued Fraction Expansion and 3rd− and 5th− order of Oustaloup approximation. The performance of the proposed scheme is verified through post-layout simulations using Cadence and the Design Kit provided by the Austria Mikro Systems (AMS) 0.35μm CMOS technology process.
author2 Ψυχαλίνος, Κωνσταντίνος
author_facet Ψυχαλίνος, Κωνσταντίνος
Καπουλέα, Σταυρούλα
format Thesis
author Καπουλέα, Σταυρούλα
author_sort Καπουλέα, Σταυρούλα
title Design of fractional order circuits with reduced spread of element values
title_short Design of fractional order circuits with reduced spread of element values
title_full Design of fractional order circuits with reduced spread of element values
title_fullStr Design of fractional order circuits with reduced spread of element values
title_full_unstemmed Design of fractional order circuits with reduced spread of element values
title_sort design of fractional order circuits with reduced spread of element values
publishDate 2018
url http://hdl.handle.net/10889/11676
work_keys_str_mv AT kapouleastauroula designoffractionalordercircuitswithreducedspreadofelementvalues
AT kapouleastauroula schediasēkyklōmatōnklasmatikēstaxēsmemeiōmenēdiasporatōntimōntōnstoicheiōntous
_version_ 1771297163002773504
spelling nemertes-10889-116762022-09-05T06:58:17Z Design of fractional order circuits with reduced spread of element values Σχεδίαση κυκλωμάτων κλασματικής τάξης με μειωμένη διασπορά των τιμών των στοιχείων τους Καπουλέα, Σταυρούλα Ψυχαλίνος, Κωνσταντίνος Οικονόμου, Γεώργιος Βλάσσης, Σπυρίδων Ψυχαλίνος, Κωνσταντίνος Kapoulea, Stavroula Fractional-order circuits Fractional-order integrators Fractional-order differentiators Operational transconductance amplifiers CMOS analog integrated circuits Κυκλώματα κλασματικής τάξης Ολοκληρωτές κλασματικής τάξης Διαφοριστές κλασματικής τάξης Τελεστικοί ενισχυτές διαγωγιμότητας CMOS αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα 621.381 This MSc Thesis deals with a novel concept that suggests a new way of constructing a fractional-order differentiator/integrator. This approach offers several benefits, with the most important being the apparent reduced spread of time-constants and scaling factors. This leads into differentiator/integrator realizations with capability for implementation in fully integrated form. The approximations of fractional-order differentiator/integrator transfer functions are currently performed using integer-order rational functions, which are in general implemented through appropriate multi-feedback topologies. The spread of the values of time-constants as well of scaling factors in these topologies increase as the order of the differentiator/integrator and/or the order of the approximation increases. This could lead to non-practical values of capacitances and resistances/transconductances needed for the implementation. A possible solution to overcome this obstacle is introduced in this thesis and is based on the employment of a combination of fractionaland integer-order integrators and differentiators for implementing the desired function. The main concept is to construct a fractional-order integrator/differentiator that, even for high orders, will present low values of spreads. This could be achieved by combining a fractional-order part of low order with an integer-order part, a connection that leads to the implementation of a fractional-order integrator/differentiator of high order. Two methods of approximation are used for this purpose; 2nd− to 5th− order Continued Fraction Expansion and 3rd− and 5th− order of Oustaloup approximation. The performance of the proposed scheme is verified through post-layout simulations using Cadence and the Design Kit provided by the Austria Mikro Systems (AMS) 0.35μm CMOS technology process. Η παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία πραγματεύεται μια καινοτόμο ιδέα στον τρόπο υλοποίησης ενός διαφοριστή/ολοκληρωτή κλασματικής τάξης. Αυτή η νέα προσέγγιση παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα, καθώς προσφέρει ένα πλήρως ολοκληρωμένο κύκλωμα, κοινό για την υλοποίηση ολοκληρωτή και διαφοριστή, όπου η διασπορά των τιμών των στοιχείων (spread) είναι χαμηλή τόσο για τις σταθερές χρόνου όσο και για τους παράγοντες κέρδους. Οι προσεγγίσεις των συναρτήσεων μεταφοράς των ολοκληρωτών/διαφοριστών κλασματικής τάξης πραγματοποιούνται μέσω της χρήσης συναρτήσεων ακέραιας τάξης, οι οποίες υλοποιούνται μέσω κατάλληλων τοπολογιών πολλαπλής ανάδρασης. Η διασπορά των τιμών (spread) των σταθερών χρόνου και των παραγόντων κέρδους στις σvυγκεκριμένες τοπολογίες αυξάνεται με την αύξηση της τάξης του διαφοριστή/ολοκληρωτή, αλλά και με την αύξηση της τάξης προσvέγγισης. Αυτό οδηγεί σε μη πρακτικές τιμές χωρητικότη- τας και αντίσvτασης/διαγωγιμότητας κατά την υλοποίηση. Στην παρούσα Εργασvία προ- τείνεται μια λύση στο πρόβλημα αυτό, η οποία βασίζεται στη χρήση ενός συνδυασμού ολοκληρωτών και διαφοριστών κλασματικης και ακέραιας τάξης με σκοπό την υλοποίηση της επιθυμητής σvυνάρτησης. Η βασική ιδέα είναι η κατασκευή ενός διαφοριστή/ολοκληρωτή κλασματικής τάξης, ο οποίος, ακόμα και για μεγάλες τάξεις, θα παρουσιάζει χαμηλές τιμές spread. Η δεδομένη λειτουργία μπορεί να επιτευχθεί μέσω του συνδυασμού ενός στοιχείου κλασματικής, μικρής τάξης κι ενός ακέραιας τάξης, μια σύνδεση που οδηγεί στην υλοποίησvη ενός διαφοριστή/ολοκληρωτή μεγάλης, κλασματικής τάξης. Χρησιμοποιούν- ται δυο μέθοδοι προσέγγισης του συσvτήματος: Continued Fraction Expansion 2ης− έως 5ης− τάξης και Oustaloup 3ης− και 5ης− τάξης. Η ορθή λειτουργία του προτεινόμενου κυκλώματος επαληθεύεται μέσω εξομοιώσεων μετά από σχεδιασvμό σε επίπεδο layout, με τη βοήθεια λογισμικού Cadence και Design Kit που προσφέρονται από την τεχνολογία Austria Mikro Systems (AMS) 0.35μm CMOS. 2018-10-11T08:40:10Z 2018-10-11T08:40:10Z 2018-03-29 Thesis http://hdl.handle.net/10889/11676 en 0 application/pdf