Synthesis and Analysis of Circuits with Modern Active Elements

Disertační práce pojednává o návrhu a realizaci aktivních kmitočtových filtrů s proudovými (CC – Current Conveyor) a napěťovými konvejory (VC – Voltage Conveyor), dále pak s proudovými aktivními prvky CMI (Current Mirror and Inverter), MCMI (Multi-output CMI) a PCA (Programmable Current Amplifier). V úvodu práce jsou tyto aktivní prvky popsány jako elementy příhodné pro návrh obvodů pracujících v napěťovém, proudovém a smíšeném módu, resp. v tzv. čistě proudovém módu, jedná-li se o proudové aktivní prvky. Nové struktury kmitočtových filtrů s vybranými aktivními prvky uvedené v práci jsou navrženy použitím metod zobecněných autonomních obvodů, transformačních článků a grafů signálových toků. Zobecněná metoda autonomních obvodů je založena na tom, že je definována úplná admitanční síť, ke které je připojen zobecněný aktivní prvek či prvky. Definované admitanční sítě pak lze aplikovat pro různé aktivní prvky. Další metoda návrhu užívá transformační články, které jsou použity pro realizaci syntetických prvků s imitacemi vyšších řádů. Jsou uvedeny původní podmínky realizace těchto bloků, které vedou na maximální jednoduchost výsledné struktury s minimálním počtem pasivních a aktivních prvků. Pro efektivní využití další metody využívající grafů signálových toků jsou diskutovány nové redukované grafy vybraných aktivních prvků. Jejich použití vede na přímou syntézu funkčních bloků, které vykazují požadované vlastnosti. Činnost vybraných zapojení byla podrobena analýze v simulačních programech. Aktivní prvky byly přitom realizovány univerzálními proudovými (UCC) nebo napěťovými konvejory (UVC), které byly na našem pracovišti ve spolupráci s firmou AMI Semiconductor Design Centre v Brně navrženy a vyrobeny v technologii CMOS 0,35 m. Tyto aktivní prvky byly také použity k realizaci vybraných zapojení. Reálná měření byla provedeny ve frekvenční oblasti 10 kHz až 100 MHz.The dissertation thesis deals with the synthesis and design of active frequency filters using current (CC) and voltage (VC) conveyors, or current active elements CMI (Current Mirror and Inverter), MCMI (Multi-output CMI) and PCA (Programmable Current Amplifier). As introduction, these active elements are described as suitable for the design of the circuits working in the voltage-, current,- ,and mixed-mode, or in pure current-mode speaking about the current active elements. The new frequency filter structures presented in this thesis using the above mentioned active elements were designed by the generalized autonomous circuit method, transformation cells and signal flow-graph theory. The generalized autonomous circuit method is based on full admittance network to which generalized active elements are connected. The described admittance networks can be used for other active elements. The next method is based on the transformation cells that subsequently are used for the design of synthetic elements with higher-order imittance. Original conditions for the design of such blocks are given that lead to maximal simplicity of the final structure with minimal number of passive and active elements. For effective usage of another method utilizing signal flow-graphs, new reduced graphs of chosen active elements are given. Their usage leads to direct function blocks synthesis with required properties. The functionality and behavior of chosen circuit solutions have been verified by analyses in simulation programs. The active elements were simulated by the universal current conveyor (UCC) or universal voltage conveyors (UVC) that were designed at the FEEC, BUT in cooperation with AMI Semiconductor Design Centre Brno with the CMOS 0.35 m technology. These active elements have been also used for the realization of chosen filter structures. The experimental measurements were performed in the in the frequency range 10 KHz to 100 MHz.