Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Computationally Efficient Two-Objective Optimization of Compact Microwave Couplers through Corrected Domain Patching

Kozieł S., Bekasiewicz A.

Metrology and Measurement Systems

|

2018

|

Vol. 25, nr 1

139--157

EN

Finding an acceptable compromise between various objectives is a necessity in the design of contemporary microwave components and circuits. A primary reason is that most objectives are at least partially conflicting. For compact microwave structures, the design trade-offs are normally related to the circuit size and its electrical performance. In order to obtain comprehensive information about the best possible trade-offs, multi-objective optimization is necessary that leads to identifying a Pareto set. Here, a framework for fast multi-objective design of compact micro-strip couplers is discussed. We use a sequential domain patching (SDP) algorithm for numerically efficient handling of the structure bandwidth and the footprint area. Low cost of the process is ensured by executing SDP at the low-fidelity model level. Due to its bi-objective implementation, SDP cannot control the power split error of the coupler, the value of which may become unacceptably high along the initial Pareto set. Here, we propose a procedure for correction of the S-parameters’ characteristics of Pareto designs. The method exploits gradients of power split and bandwidth estimated using finite differentiation at the patch centres. The gradient data are used to correct the power split ratio while leaving the operational bandwidth of the structure at hand intact. The correction does not affect the computational cost of the design process because perturbations are pre-generated by SDP. The final Pareto set is obtained upon refining the corrected designs to the high-fidelity EM model level. The proposed technique is demonstrated using two compact microstrip rat-race couplers. Experimental validation is also provided.

2

Anthropometric predispositions for swimming from the perspective of biomechanics

Rejman M., Tyc Ł., Kociuba M., Bornikowska A., Rudnik D., Kozieł S.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2018

|

Vol. 20, no. 4

151--159

EN

Early identification of anthropological potential in swimmers is considered important to the recruitment and selection of children and adolescents to perform extensive and strenuous training. The aim of the research was a comparative analysis of the anthropometric parameters and indicators of adult, elite swimmers with people who had never trained for swimming. It was assumed that the specific characteristics of the swimmers’ somatic composition referred to the laws of swimming biomechanics. Methods: Anthropometric measurements were taken in a group of elite male swimmers (N = 28), aged 17–24. The same set of measurements was taken in a homogeneous control group of students of physical education. An anthropometric profile significantly differentiating swimmers from the control group was constructed. Next, a linear forward stepwise discriminant analysis was conducted to investigate which indices can be used to distinguish the two groups. Results: It seems significant that a specific somatic composition trait of swimmers in the form of a relatively long shank was observed, which had not been observed in earlier studies. Additionally, indices of relatively slim hand dimension, and indices describing a “reversed triangle” shape of trunk, were the most powerful discrimination variables between the two examined groups. Conclusion: The results obtained cannot be generalised to the entire population of swimmers, however referring them to the laws of biomechanics of swimming allows for the continuation of research into identifying the prognostic traits desirable for success among young swimmers.

3

Reducing the Impact of Failures in Power Grids on the End Recipients by Means of Grid Structure Sectioning

Moskwa S., Kozieł S., Siłuszyk M., Galias Z.

Acta Energetica

|

2018

|

nr 4

18--22

EN

The paper reviews the options to reduce the impact of failure effects in medium voltage distribution grids in terms of the frequency and duration (short, long, very long and catastrophic) of outages of end-consumers’ supply. As the method to reduce the failure effects, the placement in the grid structure of remotely controlled circuit breakers and/or reclosers was adopted, which in the event of a failure allows disconnecting only part of the grid in the failure area. An important element of this method is the selection of the optimal number of these circuit breakers and their optimal location in the grid structure. The paper proposes a method of solving these issues by applying distribution grid reliability models and evolutionary algorithms that allow for optimizing the location of circuit breakers. As the optimization criteria, the ENS, SAIDI and SAIFI indicators were adopted. The analysis was based on an example model of a real distribution grid structure. The model includes the reliability parameters of individual grid sections, distribution nodes, MV/LV switching substations, and the number of recipients connected to a specific substation.

XX

Artykuł obejmuje analizę możliwości ograniczenia oddziaływania skutków awarii w sieciach dystrybucyjnych średnich napięć, w zakresie częstości występowania i czasu trwania przerw (krótkich, długich, bardzo długich i katastrofalnych) w zasilaniu odbiorców końcowych. Jako metodę ograniczenia skutków awarii przyjęto lokalizację w strukturze sieciowej wyłączników zdalnie sterowanych lub reklozerów, które w przypadku awarii pozwolą na odłączenie tylko części sieci lub ciągu zasilania w obszarze występowania awarii. Istotnym elementem tej metody jest optymalny dobór liczby tych wyłączników oraz ich lokalizacja w strukturze sieciowej. Artykuł proponuje metodę rozwiązania tych zagadnień poprzez zastosowanie modeli niezawodnościowych sieci dystrybucyjnych oraz algorytmów ewolucyjnych pozwalających na optymalizację lokalizacji wyłączników. Jako kryteria optymalizacyjne przyjęto wartości wskaźników ENS, SAIDI oraz SAIFI. Analizę przeprowadzono na przykładzie modelu opracowanego na podstawie struk- tury rzeczywistej sieci dystrybucyjnej. W modelu uwzględniono parametry niezawodnościowe poszczególnych odcinków sieci, węzłów rozdzielczych, stacji rozdzielczych SN/nN oraz liczbę odbiorców przyłączonych do danej stacji.

4

Rapid Design Optimization of Multi-Band Antennas by Means of Response Features

Kozieł S., Bekasiewicz A.

Metrology and Measurement Systems

|

2017

|

Vol. 24, nr 2

337-346

EN

This work examines the reduced-cost design optimization of dual- and multi-band antennas. The primary challenge is independent yet simultaneous control of the antenna responses at two or more frequency bands. In order to handle this task, a feature-based optimization approach is adopted where the design objectives are formulated on the basis of the coordinates of so-called characteristic points (or response features) of the antenna response. Due to only slightly nonlinear dependence of the feature points on antenna geometry parameters, optimization can be attained at a low computational cost. Our approach is demonstrated using two antenna structures with the optimum designs obtained in just a few dozen of EM simulations of the respective structure.

5

Design Optimization and Trade-Offs of Miniaturized Wideband Antenna for Internet of Things Applications

ul Haq M. A., Kozieł S.

Metrology and Measurement Systems

|

2017

|

Vol. 24, nr 3

463--471

EN

Internet of Things (IoT) will play an important role in modern communication systems. Thousands of devices will talk to each other at the same time. Clearly, smart and efficient hardware will play a vital role in the development of IoT. In this context, the importance of antennas increases due to them being essential parts of communication networks. For IoT applications, a small size with good matching and over a wide frequency range is preferred to ensure reduced size of communication devices. In this paper, we propose a structure and discuss design optimization of a wideband antenna for IoT applications. The antenna consists of a stepped-impedance feed line, a rectangular radiator and a ground plane. The objective is to minimize the antenna footprint by simultaneously adjusting all geometry parameters and to maintain the electrical characteristic of antenna at an acceptable level. The obtained design exhibits dimensions of only 3.7 mm × 11.8 mm and a footprint of 44 mm2, an omnidirectional radiation pattern, and an excellent pattern stability. The proposed antenna can be easily handled within compact communication devices. The simulation results are validated through measurements of the fabricated antenna prototype.

6

Surrogate-based multi-objective optimization of compact microwave couplers

Kurgan P., Kozieł S.

Przegląd Elektrotechniczny

|

2016

|

R. 92, nr 9

73--76

EN

This work presents a rigorous methodology for expedited simulation-driven multi-objective design of microwave couplers with compact footprints. The proposed approach is a viable alternative for computationally expensive population-based metaheuristics and exploits a surrogate-assisted point-by-point Pareto set determination scheme that utilizesfor the sake of computational efficiencyspace-mapping-corrected equivalent circuit models. The technique is showcased using a complex design example of a compact rat-race coupler, for which a set of nine alternative design solutions is efficiently identified. The latter illustrate the best possible trade-offs between conflicting design objectives for the structure at hand, that is, operational bandwidth and layout area. The overall design cost corresponds to approximately twenty high-fidelity electromagnetic simulations of the miniaturized coupler.

PL

W pracy zaprezentowano metodologię projektowania kompaktowych sprzęgaczy mikrofalowych w oparciu o efektywną numerycznie analizę wielokryterialną. Proponowane podejście stanowi atrakcyjną alternatywę dla populacyjnych metod metaheurustycznych i polega na wyznaczeniu poszczególnych rozwiązań Pareto-optymalnych poprzez jednokryterialną optymalizację z ograniczenami, wykorzystującą modele obwodowe i metodę odwzorowania przestrzeni. Przykładem zastosowania przedstawionej metody jest projekt zminiaturyzowanego sprzęgacza pierścieniowego, dla którego wyznaczono dziewięć konkurencyjnych rozwiązań układowych, przedstawiających kompromis pomiędzy sprzecznymi kryteriami projektowymi, tj. pasmem pracy i powierzchnią struktury. Całkowity koszt projektowania nie przekracza dwudziestu symulacji elektromagnetycznych zminiaturyzowanego sprzęgacza mikrofalowego.

7

On fast optimization of quasi-periodic slow-wave structures: application to broadband microwave coupler miniaturization

Kurgan P., Kozieł S.

Przegląd Elektrotechniczny

|

2016

|

R. 92, nr 9

69--72

EN

This work discusses design optimization of quasi-periodic slow-wave structures in the context of wideband branch-line coupler miniaturization. Size reduction is achieved by using slow-wave structures as substitutes for conventional transmission lines that constitute a reference circuit. Selection of a specific cell realization as well as determination of a repetition factor of the quasi-periodic slow-wave structure is accomplished by optimization-based theoretical studies. The principal design procedure involves cell optimization using electromagnetic simulations, local response surface approximation modeling of the single cell, and surrogate-based optimization of the slow-wave structure composed of cascaded cell approximation models. Surrogatebased design closure is applied to account for T-junction effects neglected throughout the design process. The final coupler exhibits a high-performance operation over a 31% bandwidth and occupies only 1/3 of the reference circuit area.

PL

W pracy omówiono problem optymalizacji quasi-periodycznych struktur ze spowolnieniem fali w kontekście miniaturyzacji szerokopasmowego sprzęgacza gałęziowego. Redukcja powierzchni została osiągnięta poprzez zastosowanie struktur ze spowolnieniem fali jako zamienników dla konwencjonalnych linii transmisyjnych, które są podstawowymi elementami składowymi obwodu referencyjnego. Połączenie kaskadowe kilku komórek ze spowolnieniem fali umożliwia uzyskanie szerokiego pasma pracy kompletnej struktury. Wybór konkretnej realizacji komórki oraz określenie współczynnika powtarzalności dla quasi-periodycznej struktury ze spowolnieniem fali jest przeprowadzone na podstawie badań teoretycznych opartych na optymalizacji. Właściwa procedura projektowania wykorzystuje optymalizację elektromagnetyczną pojedynczej komórki oraz jej lokalne modelowanie aproksymacyjne, a następnie metodę modeli zastępczych do przeprowadzenia efektywnej optymalizacji kaskadowego połączenia lokalnych modeli aproksymacyjnych pojedynczej komórki. Ponadto zastosowano efektywną procedurę strojenia sprzęgacza gałęziowego w celu uwzględnienia efektów łączników typu T. Otrzymana w ten sposób struktura cechuje się wysoką wydajnością oraz pracą szerokopasmową przy zajmowanej powierzchni odpowiadającej 1/3 powierzchni struktury referencyjnej.

8

Suppressing Side-Lobes of Linear Phased Array of Micro-Strip Antennas with Simulation-Based Optimization

Kozieł S., Ogurtsov S., Bekasiewicz A.

Metrology and Measurement Systems

|

2016

|

Vol. 23, nr 2

193--203

EN

A simulation-based optimization approach to design of phase excitation tapers for linear phased antenna arrays is presented. The design optimization process is accelerated by means of Surrogate-Based Optimization (SBO); it uses a coarse-mesh surrogate of the array element for adjusting the array’s active reflection coefficient responses and a fast surrogate of the antenna array radiation pattern. The primary optimization objective is to minimize side-lobes in the principal plane of the radiation pattern while scanning the main beam. The optimization outcome is a set of element phase excitation tapers versus the scan angle. The design objectives are evaluated at the high fidelity level of description using simulations of the discrete electromagnetic model of the entire array so that the effects of element coupling and other possible interaction within the array structure are accounted for. At the same time, the optimization process is fast due to SBO. Performance and numerical cost of the approach are demonstrated by optimizing a 16-element linear array of microstrip antennas. Experimental verification has been carried out for a manufactured prototype of the optimized array. It demonstrates good agreement between the radiation patterns obtained from simulations and from physical measurements (the latter constructed through superposition of the measured element patterns).

9

Analysis of positioning error and its impact on high frequency properties of differential signal coupler

Zmuda M., Szczepański S., Kozieł S.

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences

|

2015

|

Vol. 63, nr 2

549--553

EN

This paper presents the analysis of the effect of differential signal coupler positioning accuracy on its high frequency performance parameters for contact-less high speed chip-to-chip data transmission on PCB application. Our considerations are continuation of the previous works on differential signal coupler concept, design methodology and analysis for high speed data transmission monitoring. The theoretical analysis of possible coupler positioning innaccuracies is extended for representative design cases by simulations carried out using EM simulator. The results reported here confirm that the concept of contactless monitoring of high speed chip-to-chip data transmission in a pair of coupled microstrip lines is of practically usefulness without applying the expensive and precise positioning system.

10

The contact-less method of chip-to-chip high speed data transmission monitoring

Zmuda M., Szczepański S., Kozieł S., Graczyk S.

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences

|

2014

|

Vol. 62, nr 1

61--68

EN

This paper presents a technique of decoupling differential signals transmitted in a pair of microstrip lines on a printed circuit board (PCB), using dedicated coupler for high speed data transmission monitoring in chip-to-chip interconnections. The coupler used for signal probing is overlayed on the pair of microstrip lines under test, and provides a signal to the next blocks of the measurement system without disturbing transmission in the lines. Starting from the basic configuration obtained in the previous work, we describe a procedure of re-designing the coupler for enhanced directivity so that it is suitable for high-speed data transmission monitoring. The new coupler structure has improved topology based on stepped-impedance resonators with geometry parameters adjusted using numerical optimization techniques. The correctness of the design has been confirmed by the time-domain measurements performed for real chip-to-chip communication signals, using a dedicated measurement system based on Xilinx Virtex-6 FPGA Development Kit. The presented technology can be used for reducing the cost of the product diagnostics by eliminating dedicated measurement connectors, run-time system debugging or reverse engineering.

11

Odtworzenie geometrii denka tłoka silnika Perkins 1104 przy wykorzystaniu elementów inżynierii odwrotnej do zastosowania w programie AVL Fire

Siemiński P., Wojs M. K., Kozieł S., Błaszczyk S.

Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów / Politechnika Warszawska

|

2013

|

z. 1/92

157--166

PL

Celem pracy było zastosowanie inżynierii odwrotnej w celu stworzenia modelu CAD denka tłoka silnika spalinowego. Model posłużył do badań rozchodzenia się mieszanki w komorze spalania. Użyto do tego skanera 3D oraz maszynę współrzędnościową, na której sprawdzono uzyskany z chmury punktów model. Wynikiem skanowania była chmura punktów, która następnie została poddana obróbce w programie SolidWorks. Na koniec model został zaimportowany do programu AVL Fire, gdzie został wykorzystany podczas symulacji prędkość rozchodzenia się strugi oraz temperatur uzyskiwanych przez olej napędowy podczas wtrysku.

EN

The aim of this work was to use reverse engineering to create a CAD model car piston. Model was used to study the propagation of the mixture in the combustion chamber. We used a 3D scanner and the coordinate measuring machine (CMM), where we checked the resulting model from the scan. Our work we began with the preparation of the reality model to be scanned (we painted surface with white paint). Then we create concepts scan and we started working. The result was scanning point cloud, which then gave up working in SolidWorks. We started by creating a grid of triangles, then the surface model and eventually created a solid model. At the end we compared reality model with CAD model on the CMM.

12

Rapid antenna design optimization using shape-preserving response prediction

Kozieł S., Ogurtsov S., Szczepański S.

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences

|

2012

|

Vol. 60, nr 1

143-149

EN

An approach to rapid optimization of antennas using the shape-preserving response-prediction (SPRP) technique and coarsediscretization electromagnetic (EM) simulations (as a low-fidelity model) is presented. SPRP allows us to estimate the response of the high-fidelity EM antenna model, e.g., its reflection coefficient versus frequency, using the properly selected set of so-called characteristic points of the low-fidelity model response. The low-fidelity model, corrected by means of SPRP, is subsequently used to predict the optimal design. The design process is cost efficient because most operations are performed on the low-fidelity model. Performance of our technique is demonstrated using a dielectric resonator antenna and two planar wideband antenna examples. In all cases, the optimal design is obtained at a cost corresponding to a few high-fidelity simulations of the antenna under design.

13

Hardware implementation of digital image stabilization using optical flow algorithm and FPGA technology

Piotrowski R., Szczepański S., Kozieł S.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2010

|

Vol. 51, nr 2

132-135

EN

An efficient simplification procedure of the optical flow algorithm as well as its hardware implementation using the field programmable gate array (FPGA) technology is presented. The modified algorithm is based on block matching of subsets of successive frames, and exploits one-dimensional representations of subsets. Also, an L₁-normbased correlation function requiring no multiplication/division operations is used. As a result, it was possible to reduce the computational complexity of the algorithm without compromising the processing accuracy. Both the accuracy and the limitations resulting from the introduced simplifications have been verified using several examples of synthetic and real movie sampies. The presented algorithm has been implemented using Virtexll-1000 FPGA to realize a digital stabilization system for the CMOS camera images. Experimental results confirm that our algorithm can be used in battery-powered systems with limited resources.

PL

W artykule przedstawiono efektywną procedurę uproszczenia algorytmu przepływu optycznego oraz jego realizację w układzie programowalnym FPGA. Zmodyfikowany algorytm wykorzystuję metodę blokowego dopasowania podobszarów oraz jednowymiarową reprezentację podobszarów. Dodatkowo, funkcja korelacji oparta jest o normę L₁. W rezultacie uzyskano zmniejszenie zużytych zasobów kosztem nieznacznej utraty dokładności. Zarówno dokładność, jak i ograniczenia wynikające z wykorzystanych uproszczeń zostały zweryfikowane na przykładzie kilku sekwencji obrazów rzeczywistych oraz syntetycznych. Zaproponowane rozwiązanie zostało zaimplementowane w układzie VirtexII-1000 i zastosowane do realizacji algorytmu cyfrowej stabilizacji obrazu z kamery CMOS. Wyniki eksperymentalne w pełni potwierdzają możliwość wykorzystania przedstawionego algorytmu w systemach o ograniczonych zasobach sprzętowych.

14

Programowalny zlinearyzowany wzmacniacz transkonduktacyjny CMOS

Szczepański S., Pankiewicz B., Kozieł S.

Zeszyty Naukowe Wydziału ETI Politechniki Gdańskiej. Technologie Informacyjne

|

2008

|

T. 15

225-230

PL

W artykule przedstawiono metodę linearyzacji wzmacniacza transkonduktancyjnego CMOS wykorzystującą sprzężenie w przód. Zaproponowany wzmacniacz składa się ze wzmacniaczy różnicowych MOS oraz rezystora służącego jako odniesienie. W rezultacie otrzymujemy efektywną metodę linearyzacji charakterystyk przejściowych wzmacniacza transkonduktancyjnego. Programowanie wartości transkonduktancji wzmacniacza realizowane jest z zastosowaniem techniki programowalnych luster prądowych. Symulacje elektryczne przy użyciu pakietu SPICE dla technologii AMS CMOS 0.35[mi]m i zasilaniu pojedynczym napięciem 3V dają zniekształcenia THD przetwarzanego sygnału o wartości międzyszczytowej 1Vpp mniejsze niż -35.8dB dla zmian temperatur pracy od -30°C do +90°C. Zakres liniowej pracy wynikowego wzmacniacza jest szerszy niż stosowanych do jego budowy par MOS. Pobór mocy wynosi 0.76mW.

EN

In this paper, a feed forward linearization method for programmable CMOS Transconductance Operational Amplifier (OTA) is described. The proposed circuit technique is developed using simple source-coupled differential pair transconductors and linear reference resistor (R). As a result, an efficient linearization of a transfer characteristic of the OTA is obtained. The gm - programmability of the developed OTA was obtained using a programmable current mirror array technique. SPICE simulations show that for 0.35 [mi]m AMS CMOS process with a single +3 V power supply, total harmonic distortion (THD) at 1Vpp and temperature range from -30°C to +90°C is less than -35.8dB. Moreover the input voltage range of linear operation is increased. rower consumption of the linearized OTA circuit is 0.76 mW.

15

Komputerowa weryfikacja układów cyfrowyh CMOS utworzonych z podukładów zasilanych ze źródeł o różnych wartościach napięcia

Szcześniak W., Kozieł S., Jendernalik W., Hasse L., Szcześniak P.

Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej

|

2007

|

Nr 23

105-108

PL

W pracy zaprezentowano wyniki komputerowej weryfikacji cyfrowego układu CMOS utworzonego z klastrów Cn-1, Cn-2, …, Ci, … C0, z których każdy jest zasilany odpowiednio malejącymi wartościami napięć Vddn-1 > Vddn-2 > … > Vddi > … > Vdd0 . Zbiór klastrów {Ci} został utworzony przy pomocy algorytmu ECA (Evolutionary Clustering Algorithm) dla potrzeb redukcji mocy pobieranej ze źródła zasilającego. Otrzymane rozwiązanie charakteryzujące się zmniejszeniem zapotrzebowania na moc zasilającą nie powoduje pogorszenia przepustowości zaprojektowanego systemu cyfrowego CMOS.

EN

The paper presents results of a computer simulation of a CMOS digital circuit composed of Cn-1, Cn-2, …, Ci, … C0 clusters. The clusters are supplied with voltages Vddn-1 > Vddn-2 > … > Vddi > … > Vdd0, respectively. Set of clusters {Ci} was created with aid of ECA (Evolutionary Clustering Algorithm) for reduction of power dissipated. The obtained result enables for power reduction without deteriorating the throughput of the designed CMOS circuit, measured as system latency.

16

General Active-RC filter model for computer-aided design

Kozieł S., Szczepański S.

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences

|

2006

|

Vol. 54, nr 1

89-99

EN

In the paper, a general topology of continuous-time Active-RC filter is presented. The model includes all possible Active-RC filter structures as particular cases and allows us to analyze them using a unified algebraic formalism. This makes it suitable for use in computer-aided analysis and design of Active-RC filters. By its construction, the model takes into account the finite DC gain and the finite bandwidth as well as non-zero output resistance of operational amplifiers. Filters with ideal OPAMPs can be treated as particular cases. Sensitivity and ioise analysis of Active-RC filters is also performed in the proposed general setting. The correctness of the model is verified by comparison with SPICE simulation.

17

Noise analysis and optimization of continuous-time OTA-C filters

Kozieł S.

Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji

|

2005

|

Vol. 51, z. 3

479--494

EN

In the paper, a general approach to noise analysis in continuous-time OTA-C filters is presented. Based on a matrix description of a general OTA-C filter topology, universal formulas for evaluating noise in any OTA-C filter of arbitrary order are derived. The presented formulas can be easily implemented and used in computer-aided analysis/optimization software. The accuracy of the proposed method is confirmed by comparison to SPICE simulation. The examples of application for finding the minimum-noise 5th order multiple-loop feedback filters implementing Butterworth and Bessel transfer functions, and for optimal biquad sequencing and gain distribution in cascade realization of 8th order Butterworth filter are given.

PL

W pracy przedstawiono efektywną procedurę wyznaczania szumów w filtrach OTA-C czasu ciągłego. Procedura wyprowadzona jest w oparciu o ogólny model filtru OTA-C oraz jego opis macierzowy. Podano jawne formuły pozwalające określić odniesione do wejścia widmo szumów dowolnego filtru rozważanej klasy. Jako ilustrację, przedstawiono „ręczną" analizę szumów filtru dolnoprzepustowego drugiego rzędu opartą o wyprowadzone formuły. Otrzymane wyniki teoretyczne zostały zweryfikowane poprzez porównanie z wynikami otrzymywanymi za pomocą symulatora SPICE dla wybranych przykładów filtrów dolnoprzepustowych trzeciego oraz ósmego rzędu. Rolę elementu aktywnego w filtrach pełnił prosty transkontuktor CMOS wykorzystujący parę różnicową. Pokazano, że charakterystyki szumowe badanych filtrów otrzymane przy użyciu rozważanego ogólnego modelu filtru OTA-C są zgodne z wynikami symulacji komputerowych na poziomie tranzystorowym. Sformułowanie modelu w języku algebry liniowej umożliwia bezpośrednią implementację wyprowadzonych formuł i użycie we wspomaganej komputerowo optymalizacji szumów filtrów OTA-C. Jako ilustracje, przedstawiono zastosowanie modelu do rozwiązania wybranych problemów: znajdowania struktur filtrów z wielopętlowym sprzężeniem zwrotnym o minimalnych szumach na przykładzie filtrów realizujących funkcje przenoszenia Butterworth'a oraz Bessela piątego rzędu oraz optymalizacji szumów filtru Butterwortłfa ósmego rzędu w realizacji kaskadowej. Przedstawiony model może być zastosowany w komputerowych systemach wspomagania projektowania filtrów klasy OTA-C do rozwiązywania problemów związanych z optymalizacją parametrów szumowych oraz zakresu dynamiki.

18

Distortion Analysis of Gm-C Filters : Numerical Approach

Kozieł S.

Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji

|

2005

|

Vol. 51, z. 1

37--54

EN

In the paper, an efficient procedure for numerical simulation of nonlinear distortion of Gm-C filters is introduced. A general model of Gm-C filters containing nonlinear transconductors is presented. The analysis of the model in the time domain is performed which results in formulation of a nonlinear differential system for the considered filter structure. This allows us to earry out an effective and fast transient analysis of any Gm-C filter using standard numerical methods. The presented approach is applied to determine the Total Harmonic Distortion (THD) of filters and to compare canonical all-pole low-pass Gm-C filter structures with respect to THD. Moreover, we consider interdependence between the transconductor nonlinearities and THD of a filter. Other nonlinear effects such as nonlinearity induced distortion of the transfer function shape are also dealt with. Finally, applications to filter design and optimization are discussed.

PL

W pracy przedstawiono efektywną procedurę symulacji numerycznej zniekształceń nieliniowych dla dowolnych filtrów Gm-C. Zaprezentowano ogólny model filtrów Gm-C zawierających nieliniowe elementy aktywne (transkonduktory). Przeprowadzono analizę modelu, która prowadzi do sformułowania ogólnego nieliniowego układu równań różniczkowych zwyczajnych opisujących dynamikę napięć węzłowych filtru w dziedzinie czasu. Scałkowanie numeryczne takiego układu równań umożliwia zrealizowanie analizy przejściowej filtrów Gm-C. Może to być wykonane dla dowolnego filtru Gm-C dowolnego rzędu, co wynika z ogólności modelu zastosowanego do wyprowadzenia równań. Przedstawiona metodologia została zilustrowana za pomocą szeregu przykładów. Między innymi, wyznaczono współczynnik zawartości harmonicznych (ang. Total Harmonic Distortion, THD) dla wybranego filtru Gm-C, porównano rodzinę kanonicznych struktur dolnoprzepustowych filtrów Gm-C pod względem zniekształceń nieliniowych. Rozważano zależności pomiędzy nieliniowościami elementów aktywnych filtru a współczynnikiem zawartości harmonicznych sygnału wyjściowego. Badano także inne efekty nieliniowe takie jak zniekształcenia charakterystyk częstotliwościowych filtru powodowane nieliniowością transkonduktorów. Nieliniowości elementów aktywnych modelowane były za pomocą rozwinięć charakterystyki przejściowej w szereg potęgowy. W pracy przedyskutowano również możliwości zastosowania prezentowanej metodologii do projektowania i optymalizacji filtrów.

19

Continuous-time active-RC filter model for computer-aided design and optimization

Kozieł S.

Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji

|

2005

|

Vol. 51, z. 2

335--359

EN

In the paper, a general model of integrator-based continuous-time Active-RC filters is presented. More specifically, filter structures containing inverting amplifiers and passive feedback network are considered. The structure is analyzed using matrix description. The explicit transfer function formula is given in general case. The extensions of the model that take into account finite DC gain and finite bandwidth of operational amplifiers as well as other non-ideal effects are presented. We also perform a noise analysis of the Active-RC filters in general setting. The matrix-based approach is formulated especially for efficient use in computer-aided analysis and design of Active-RC filters. For the sake of illustration, a few examples of application of the proposed approach are given.

PL

W pracy przedstawiono ogólny model filtru aktywnego RC opartego na wzmacniaczach odwracających fazę. Model analizowany jest przy użyciu równań macierzowych. Podano jawna formule określająca funkcje przenoszenia filtru w ogólnym przypadku. Przedstawiono rozszerzenia modelu pozwalające uwzględniać nieidealność wzmacniaczy operacyjnych, w tym skończone wzmocnienie i pasmo przenoszenia oraz niezerową rezystancję wyjściową. Wyprowadzono również ogólne formuły pozwalające wyznaczyć odniesione do wejścia widmo szumów dla dowolnego filtru rozważanej klasy. Otrzymane wyniki teoretyczne zostały zweryfikowane poprzez porównanie z wynikami otrzymywanymi za pomocą symulatora SPICE dla wybranych przykładów filtrów dolnoprzepustowych: filtru Czebyszewa 3-go rzędu oraz filtru Butterwortha 5-go rzędu. Dzięki sformułowaniu modelu w języku algebry liniowej może on być łatwo zaadoptowany do użycia we wspomaganym komputerowo projektowaniu i optymalizacji filtrów aktywnych RC. Jako ilustracje, przedstawiono zastosowanie modelu do rozwiązania praktycznych problemów: określenia wymagań projektowych dla wzmacniacza operacyjnego jako elementu aktywnego w dolnoprzepustowym filtrze Czebyszewa trzeciego rzędu dla zastosowań w części analogowej modemu VDSL, oraz optymalizacji parametrów szumowych tegoż filtru.

20

Active-error feedforward technique for linearization of CMOS transconductance amplifier

Szczepański S., Kozieł S.

Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji

|

2005

|

Vol. 51, z. 3

465--477

EN

In the paper, a novel highly linear operational transconductance amplifier (OTA) is proposed. The circuit is developed using simple differential pair transconductors and linearization technique based on an active-error feedforward concept. As a result, improved linearity of the single-input two-output OTA is obtained. SPICE simulations show that for the circuit working with a š 1.25V power supply, total harmonic distortion (THD) at 0.6Vpp is less then 0.38% in comparison to 10.0% without linearization. Moreover, the input voltage range of linear operation is increased. Power consumption of the overall circuit is 0.3mW. As an example, the linearized OTA is used to design a highly linear Gm-C filter that implements 5th order Butterworth low-pass transfer function.

PL

W pracy przedstawiono koncepcję układową operacyjnego wzmacniacza transkonduktancyjnego CMOS o zwiększonej liniowości charakterystyk przejściowych. Proponowana struktura wzmacniacza transkonduktancyjnego opiera się na wykorzystaniu prostych transkonduktorów realizowanych za pomocą par różnicowych. Linearyzacja charakterystyki przejściowej układu następuje dzięki zastosowaniu w ścieżce „feedforward" wzmacniacza błędu. Wzmacniacz ten sterowany jest sygnałem będącym różnicą pobudzenia układu oraz sygnału wyjściowego podstawowego (nieliniowego) transkonduktora przetworzonego do postaci napięciowej. Różnica ta jest w istocie proporcjonalna do sumy składników nieliniowych w sygnale wyjściowym transkonduktora. Efekt ten warunkowany jest użyciem, jako elementu odwzoro-wującego, liniowego rezystora, który może być zrealizowany zarówno jako element dyskretny jak też monolitycznie, wewnątrz wzmacniacza operacyjnego (jest to możliwe przy zastosowaniu odpowiednich technologii, tzw. „high-resistive poly"). Sygnał wyjściowy wzmacniacza błędu zostaje następnie odjęty od sygnału wyjściowego wzmacniacza toru głównego. Przy założeniu liniowości wzmacniacza błędu powoduje to całkowite usunięcie składników nieliniowych w sygnale wyjściowym wzmacniacza głównego. W praktyce, wzmacniacz błędu realizowany jest w identycznej strukturze jak wzmaczniacz główny. Jego nieliniowość nie odgrywa jednak większej roli z uwagi na fakt, że wzmaczniacz błędu sterowany jest sygnałem, którego poziom jest znacznie niższy niż sygnał pobudzający wzmaczniacz główny. Wzmaczniacz pracujący zgodnie z opisaną wyżej koncepcją został zaprojektowany z uwzględnieniem parametrów technologii 0.35um AMS dla napięcia zasilania š1.25V. Wyniki symulacji komputerowej pokazują, że współczynnik zawartości harmonicznych (THD) dla napięcia wejściowego 0.6Vpp jest niniejszy niż 0.38% w porównaniu do 10% otrzymanych w przypadku układu nielinearyzowanego. Ponadto, układ inearyzowany wykazuje poszerzenie zakresu liniowej pracy (co należy rozumieć jako zwiększenie progu napięciowego, w którym charakterystyka przejściowa wchodzi w zakres nasycenia) w porównaniu do układu podstawowego transkonduktora. Pobór mocy układu wynosi zaledwie 0.3mW. co czyni prezentowany układ atrakcyjnym dla wielu zastosowań niskomocowych, np. w radiokomunikacji bezprzewodowej. Jako przykład, linearyzowany wzmacniacz transkonduktancyjny zastosowano do zaprojektowania filtru Gm-C implementującego maksymalnie płaską charakterystykę amplitudową 5-go rzędu. Wyniki symulacji potwierdziły, że filtr wykorzystujący wzmacniacz linearyzowany posiada znacznie lepszą liniowość niż taki sam filtr wykorzystujący podstawowy układ transkonduktora.