Novel CMOS analog integrated circuits for implementing approximants of the fractional-order Laplacian operator

This Ph.D. Thesis deals with the design of novel CMOS analog integrated circuits, which have been derived through approximation methods of the fractional-order Laplacian operator's implementation. Main attributes of the proposed topologies are the circuit simplicity, due to the small number of...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Μπερτσιάς, Παναγιώτης
Άλλοι συγγραφείς: Bertsias, Panagiotis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/15110
id nemertes-10889-15110
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Fractional calculus
Fractional-order Laplacian operator
Fractional-order circuits
Fractional-order elements
Fractional-order filters
CMOS integrated circuits
Κλασματικός λογισμός
Λαπλασιανός τελεστής κλασματικής τάξης
Κυκλώματα κλασματικής τάξης
Στοιχεία κλασματικής τάξης
Φίλτρα κλασματικής τάξης
CMOS ολοκληρωμένα κυκλώματα
spellingShingle Fractional calculus
Fractional-order Laplacian operator
Fractional-order circuits
Fractional-order elements
Fractional-order filters
CMOS integrated circuits
Κλασματικός λογισμός
Λαπλασιανός τελεστής κλασματικής τάξης
Κυκλώματα κλασματικής τάξης
Στοιχεία κλασματικής τάξης
Φίλτρα κλασματικής τάξης
CMOS ολοκληρωμένα κυκλώματα
Μπερτσιάς, Παναγιώτης
Novel CMOS analog integrated circuits for implementing approximants of the fractional-order Laplacian operator
description This Ph.D. Thesis deals with the design of novel CMOS analog integrated circuits, which have been derived through approximation methods of the fractional-order Laplacian operator's implementation. Main attributes of the proposed topologies are the circuit simplicity, due to the small number of the employed MOS transistors, the reduced power consumption, the limited silicon area and the electronic tuning of their characteristics through appropriate dc bias currents. In recent years, fractional calculus has been applied to circuit design, rendering it one of its most interesting interdisciplinary fields. For the implementation of fractional-order circuits, except for the direct, but commercially unavailable, way of using fractional-order capacitors in the standard topologies, an alternative and, simultaneously, efficient method is the approximation of their behavior through passive or active components. The former implies the utilization of appropriately configured RC networks, easily derived, but not electronically programmable, while the latter favors the electronic adjustment at the expense of the increased active component count. Thus, the main objective of the Thesis is to overcome the existing obstacles through two primary axes. The first one includes the implementation of novel simple structures, using implemented fractional-order capacitors or approximated RC networks, and the realization of capacitorless multi-feedback topologies for performing low-order approximations. The second axis comprises the development of new systematic methods for decomposing the initial higher-order approximated transfer functions into a product or sum of simple lower-order active filter terms. The practical value of the proposed concepts is validated through application examples of various scientific fields. The performance of the presented structures is evaluated through simulation results that have been derived, using the Cadence software and the Design Kit provided by the Austria Mikro Systeme (AMS) CMOS 0.35μm technology process.
author2 Bertsias, Panagiotis
author_facet Bertsias, Panagiotis
Μπερτσιάς, Παναγιώτης
author Μπερτσιάς, Παναγιώτης
author_sort Μπερτσιάς, Παναγιώτης
title Novel CMOS analog integrated circuits for implementing approximants of the fractional-order Laplacian operator
title_short Novel CMOS analog integrated circuits for implementing approximants of the fractional-order Laplacian operator
title_full Novel CMOS analog integrated circuits for implementing approximants of the fractional-order Laplacian operator
title_fullStr Novel CMOS analog integrated circuits for implementing approximants of the fractional-order Laplacian operator
title_full_unstemmed Novel CMOS analog integrated circuits for implementing approximants of the fractional-order Laplacian operator
title_sort novel cmos analog integrated circuits for implementing approximants of the fractional-order laplacian operator
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/15110
work_keys_str_mv AT mpertsiaspanagiōtēs novelcmosanalogintegratedcircuitsforimplementingapproximantsofthefractionalorderlaplacianoperator
AT mpertsiaspanagiōtēs kainotomacmosanalogikaoloklērōmenakyklōmatagiatēnylopoiēsēprosengiseōntoulaplasianoutelestēklasmatikēstaxēs
_version_ 1771297279240568832
spelling nemertes-10889-151102022-09-05T20:53:10Z Novel CMOS analog integrated circuits for implementing approximants of the fractional-order Laplacian operator Καινοτόμα CMOS αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα για την υλοποίηση προσεγγίσεων του Λαπλασιανού τελεστή κλασματικής τάξης Μπερτσιάς, Παναγιώτης Bertsias, Panagiotis Fractional calculus Fractional-order Laplacian operator Fractional-order circuits Fractional-order elements Fractional-order filters CMOS integrated circuits Κλασματικός λογισμός Λαπλασιανός τελεστής κλασματικής τάξης Κυκλώματα κλασματικής τάξης Στοιχεία κλασματικής τάξης Φίλτρα κλασματικής τάξης CMOS ολοκληρωμένα κυκλώματα This Ph.D. Thesis deals with the design of novel CMOS analog integrated circuits, which have been derived through approximation methods of the fractional-order Laplacian operator's implementation. Main attributes of the proposed topologies are the circuit simplicity, due to the small number of the employed MOS transistors, the reduced power consumption, the limited silicon area and the electronic tuning of their characteristics through appropriate dc bias currents. In recent years, fractional calculus has been applied to circuit design, rendering it one of its most interesting interdisciplinary fields. For the implementation of fractional-order circuits, except for the direct, but commercially unavailable, way of using fractional-order capacitors in the standard topologies, an alternative and, simultaneously, efficient method is the approximation of their behavior through passive or active components. The former implies the utilization of appropriately configured RC networks, easily derived, but not electronically programmable, while the latter favors the electronic adjustment at the expense of the increased active component count. Thus, the main objective of the Thesis is to overcome the existing obstacles through two primary axes. The first one includes the implementation of novel simple structures, using implemented fractional-order capacitors or approximated RC networks, and the realization of capacitorless multi-feedback topologies for performing low-order approximations. The second axis comprises the development of new systematic methods for decomposing the initial higher-order approximated transfer functions into a product or sum of simple lower-order active filter terms. The practical value of the proposed concepts is validated through application examples of various scientific fields. The performance of the presented structures is evaluated through simulation results that have been derived, using the Cadence software and the Design Kit provided by the Austria Mikro Systeme (AMS) CMOS 0.35μm technology process. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματεύεται τη σχεδίαση καινοτόμων CMOS αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, τα οποία έχουν προέλθει μέσω προσεγγιστικών μεθόδων υλοποίησης του Λαπλασιανού τελεστή κλασματικής τάξης. Κύρια χαρακτηριστικά των προτεινόμενων τοπολογιών είναι η κυκλωματική απλότητα, λόγω του μικρού αριθμού των χρησιμοποιούμενων MOS τρανζίστορ, η μειωμένη κατανάλωση ισχύος, η περιορισμένη περιοχή πυριτίου και η ηλεκτρονική ρύθμιση των χαρακτηριστικών τους μέσω κατάλληλων ρευμάτων πόλωσης. Τα τελευταία χρόνια, ο κλασματικός λογισμός έχει εφαρμοστεί στο σχεδιασμό κυκλωμάτων, καθιστώντας τον έναν από τους πιο ενδιαφέροντες διεπιστημονικούς τομείς του. Για την υλοποίηση των κυκλωμάτων κλασματικής τάξης, εκτός από τον άμεσο, αλλά εμπορικά μη διαθέσιμο, τρόπο χρησιμοποίησης πυκνωτών κλασματικής τάξης στις τυπικές τοπολογίες, μία εναλλακτική και, ταυτόχρονα, αποτελεσματική μέθοδος είναι η προσέγγιση της συμπεριφοράς τους μέσω παθητικών ή ενεργών στοιχείων. Το πρώτο συνεπάγεται τη χρήση κατάλληλα διαμορφωμένων RC δικτυωμάτων, που προκύπτουν εύκολα, αλλά δεν είναι ηλεκτρονικά προγραμματιζόμενα, ενώ το τελευταίο ευνοεί την ηλεκτρονική ρύθμιση σε βάρος του αυξημένου αριθμού ενεργών στοιχείων. Έτσι, ο κύριος στόχος της Διατριβής είναι να ξεπεραστούν τα υπάρχοντα εμπόδια μέσω δύο βασικών αξόνων. Ο πρώτος περιλαμβάνει την υλοποίηση καινοτόμων απλών δομών, χρησιμοποιώντας υλοποιημένους πυκνωτές κλασματικής τάξης ή προσεγγιστικά RC δικτυώματα, και την υλοποίηση τοπολογιών πολλαπλών ανατροφοδοτήσεων χωρίς πυκνωτές για την πραγματοποίηση προσεγγίσεων χαμηλής τάξης. Ο δεύτερος άξονας περιλαμβάνει την ανάπτυξη νέων συστηματικών μεθόδων για την αποσύνθεση των αρχικών συναρτήσεων μεταφοράς υψηλότερης τάξης, που έχουν προσεγγισθεί, σε ένα γινόμενο ή άθροισμα απλών όρων ενεργού φίλτρου χαμηλότερης τάξης. Η πρακτική αξία των προτεινόμενων ιδεών επικυρώνεται μέσω παραδειγμάτων εφαρμογής σε διάφορους επιστημονικούς τομείς. Η απόδοση των παρουσιαζόμενων δομών αξιολογείται μέσω αποτελεσμάτων προσομοίωσης που έχουν προκύψει, χρησιμοποιώντας το λογισμικό Cadence και το Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία Austria Mikro Systeme (AMS) CMOS 0.35μm. 2021-07-23T08:13:19Z 2021-07-23T08:13:19Z 2020-07-07 http://hdl.handle.net/10889/15110 en application/pdf