Fractional-οrder shadow filters : design and implementation

This M.Sc. Thesis has focused its interest, on the implementation of fractional-order shadow filters, a new family of filters, which provides the benefits of scaling and electronic control over the filters’ parameters. The design of such filters for control systems, and biological/biomedical applica...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Τζάνη, Νικόλαος
Άλλοι συγγραφείς: Tzani, Nikolaos
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/24570
id nemertes-10889-24570
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Fractional calculus
Fractional-order filters
Shadow filters
Fractional-order capacitors
RC networks Cauer and Foster
Current feedback operational amplifier
CMOS analog integrated circuits
Κλασματικός λογισμός
Φίλτρα κλασματικής τάξης
Σκιώδη φίλτρα
Πυκνωτές κλασματικής τάξης
RC δικτυώματα Cauer και Foster
Τελεστικός ενισvχυτής ανάδρασης ρεύματος
CMOS αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα
spellingShingle Fractional calculus
Fractional-order filters
Shadow filters
Fractional-order capacitors
RC networks Cauer and Foster
Current feedback operational amplifier
CMOS analog integrated circuits
Κλασματικός λογισμός
Φίλτρα κλασματικής τάξης
Σκιώδη φίλτρα
Πυκνωτές κλασματικής τάξης
RC δικτυώματα Cauer και Foster
Τελεστικός ενισvχυτής ανάδρασης ρεύματος
CMOS αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα
Τζάνη, Νικόλαος
Fractional-οrder shadow filters : design and implementation
description This M.Sc. Thesis has focused its interest, on the implementation of fractional-order shadow filters, a new family of filters, which provides the benefits of scaling and electronic control over the filters’ parameters. The design of such filters for control systems, and biological/biomedical applications is the core of this work. The first applications, which were related to filtering, were implemented with integer order filters. The need of improving the characteristics of these circuits introduced fractional-order filters. Initially, the filter’s characteristics are studied, with the ideal and approximate transfer functions being compared in the frequency domain. The approximation of Laplacian operator with rational polynomials is achieved, exploiting approximation techniques and specifically Oustaloup approximation method. Subsequently, using the aforementioned study as background, the concept of shadow filters is presented. The simplicity of the design procedure is important in terms of the cost and time spent to build such a filter. As the exploitation of fractional calculus in the branch of engineering is one of the recently developed research disciplines, there is no commercial production of fundamental elements that could directly build a fractional-order circuit. Towards this purpose, RC networks Cauer and Foster are utilized, which emulate the behavior of a fractional-order capacitor. Finally, the topologies of fractional-order shadow filters are imolemented, using Current Feedback Operational Amplifier, as basic active element. The theoretical analysis, as well as the approximation processes, for each case study are performed using the MATLAB software. The performance evaluation of the proposed circuits is based on simulation results obtained using the Cadence software and the Design Kit provided by the Austria Mikro Systeme (AMS) CMOS 0.35 μm technology process.
author2 Tzani, Nikolaos
author_facet Tzani, Nikolaos
Τζάνη, Νικόλαος
author Τζάνη, Νικόλαος
author_sort Τζάνη, Νικόλαος
title Fractional-οrder shadow filters : design and implementation
title_short Fractional-οrder shadow filters : design and implementation
title_full Fractional-οrder shadow filters : design and implementation
title_fullStr Fractional-οrder shadow filters : design and implementation
title_full_unstemmed Fractional-οrder shadow filters : design and implementation
title_sort fractional-οrder shadow filters : design and implementation
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/24570
work_keys_str_mv AT tzanēnikolaos fractionalordershadowfiltersdesignandimplementation
AT tzanēnikolaos skiōdēphiltraklasmatikēstaxēsschediasēkaiylopoiēsē
_version_ 1771297207703568384
spelling nemertes-10889-245702023-02-25T04:36:04Z Fractional-οrder shadow filters : design and implementation Σκιώδη φίλτρα κλασματικής τάξης : σχεδίαση και υλοποίηση Τζάνη, Νικόλαος Tzani, Nikolaos Fractional calculus Fractional-order filters Shadow filters Fractional-order capacitors RC networks Cauer and Foster Current feedback operational amplifier CMOS analog integrated circuits Κλασματικός λογισμός Φίλτρα κλασματικής τάξης Σκιώδη φίλτρα Πυκνωτές κλασματικής τάξης RC δικτυώματα Cauer και Foster Τελεστικός ενισvχυτής ανάδρασης ρεύματος CMOS αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα This M.Sc. Thesis has focused its interest, on the implementation of fractional-order shadow filters, a new family of filters, which provides the benefits of scaling and electronic control over the filters’ parameters. The design of such filters for control systems, and biological/biomedical applications is the core of this work. The first applications, which were related to filtering, were implemented with integer order filters. The need of improving the characteristics of these circuits introduced fractional-order filters. Initially, the filter’s characteristics are studied, with the ideal and approximate transfer functions being compared in the frequency domain. The approximation of Laplacian operator with rational polynomials is achieved, exploiting approximation techniques and specifically Oustaloup approximation method. Subsequently, using the aforementioned study as background, the concept of shadow filters is presented. The simplicity of the design procedure is important in terms of the cost and time spent to build such a filter. As the exploitation of fractional calculus in the branch of engineering is one of the recently developed research disciplines, there is no commercial production of fundamental elements that could directly build a fractional-order circuit. Towards this purpose, RC networks Cauer and Foster are utilized, which emulate the behavior of a fractional-order capacitor. Finally, the topologies of fractional-order shadow filters are imolemented, using Current Feedback Operational Amplifier, as basic active element. The theoretical analysis, as well as the approximation processes, for each case study are performed using the MATLAB software. The performance evaluation of the proposed circuits is based on simulation results obtained using the Cadence software and the Design Kit provided by the Austria Mikro Systeme (AMS) CMOS 0.35 μm technology process. Στην παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην υλοποίηση των φίλτρων κλασματικής τάξης, μια νέα οικογένεια φίλτρων, η οποία παρέχει τα προνόμια της κλιμάκωσης και του ηλεκτρονικού ελέγχου, πάνω στις παραμέτρους του φίλτρου. Η σχεδίαση τέτοιων φίλτρων για συστήματα ελέγχου και βιολογικές/βιοϊατρικές εφαρμογές, είναι ο πυρήνας αυτής της δουλειάς. Οι πρώτες εφαρμογές, οι οποίες αναφέρονταν στα φίλτρα, υλοποιήθηκαν με φίλτρα ακέραιας τάξης. Η ανάγκη για βελτίωση των χαρακτηριστικών αυτών των κυκλωμάτων, εισήγαγε τα κυκλώματα κλασματικής τάξης. Αρχικά, μελετώνται τα χαρακτηριστικά του φίλτρου, με την ιδανικη και την προσεγγιστική συνάρτηση μεταφοράς να συγκρίνονται στον τομέα των συχνοτήτων. Η προσέγγισvη του Λαπλασιανού τελεστή με ρητές πολυωνυμικές εκφράσεις, επιτυγχάνεται αξιοποιώντας τεχνικές προσέγγισvεις και πιο συγκεκριμένα την μέθοδο προσvέγγισης Oustaloup. ΄Επειτα, χρησιμοποιώντας την προαναφερθείσα μελέτη ως υπόβαθρο, παρουσιάζεται η ιδέα των σκιώδων φίλτρων. Η απλότητα στη διαδικασία της σχεδίασvης ειναι σημαντική, απο την άποψη του κόστους και του χρόνου που δαπανήθκε για την κατασκευή ενός τέτοιου φίλτρου. Καθώς η αξιοποίηση του κλασματικού λογισvμού στον κλάδο της μηχανικής είναι ένας από τους πρόσφατα αναπτυγμένους ερευνητικούς κλάδους, δεν υπάρχει εμπορική παραγωγή θεμελιωδών στοιχείων που θα μπορούσαν να υλοποιήσουν άμεσα ένα κύκλωμα κλασματικής τάξης. Για αυτό το σκοπό, χρησιμοποιούνται τα RC δικτυώματα Cauer και Foster τα οποία προσωμοιώνουν την συμπεριφορά ενός πυκνωτή κλασματικής τάξης. Τελικά, οι τοπολογίες των σκιώδων φίλτρων κλασματικής τάξης υλοποιούνται, χρησμοποιώντας ως βασικό στοιχείο τον Τελεστικό Ενισχυτή Ανάδρασης Ρεύματος. Η θεωρητική ανάλυση, καθώς και οι διαδικασίες προσέγγισης , για κάθε περίπτωση πραγματοποιούνται χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB. Η αξιολόγησvη των προτεινόμενων κυκλωμάτων, βασίζεται σε αποτελέσματα εξομοίωσης, που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας το λογισμικό Cadence και το Design Kit που παρέχεται απο την τεχνολογία Austria Mikro Systeme (AMS) CMOS 0.35 μm. 2023-02-24T08:44:23Z 2023-02-24T08:44:23Z 2023-02-17 https://hdl.handle.net/10889/24570 en CC0 1.0 Universal http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ application/pdf