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Desenho de amplificadores com erro de ganho nulo em tecnologia CMOS
Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesA evolução da tecnologia CMOS mostra uma tendência dos amplificadores
operacionais feitos nesta tecnologia de terem um ganho diferencial cada vez
menor, o que faz com que o erro de ganho de circuitos que utilizam esta
tecnologia comece a tomar valores significativos.
Nesta dissertação debate-se o tema de erro de ganho que surge em malha
fechada em sistemas que empreguem amplificadores operacionais. São
apresentadas várias formas de melhoria de ganho, mas é dado um especial
enfoque ao cancelamento de erro de ganho baseado em ganho de modo
comum dos amplificadores operacionais.
ABSTRACT: Current CMOS evolution trends show a tendency of CMOS operational
amplifiers for having lower differential gain thus making the gain error of circuits
that employ such amplifiers no longer negligible.
In this dissertation is discussed the subject of gain error that emerges in
closed-loop systems that employ operational amplifiers. Various strategies to
cope with such non-ideality are presented, but is given a special focus on the
gain error nullifying technique based on common mode gain of operational
amplifiers
Sobre a aplicação de técnicas de controlo em redes industriais com falhas
Doutoramento em Engenharia EletrotécnicaThe performance of real-time networks is under continuous improvement as
a result of several trends in the digital world. However, these tendencies not
only cause improvements, but also exacerbates a series of unideal aspects
of real-time networks such as communication latency, jitter of the latency
and packet drop rate.
This Thesis focuses on the communication errors that appear on such realtime
networks, from the point-of-view of automatic control. Specifically, it
investigates the effects of packet drops in automatic control over fieldbuses,
as well as the architectures and optimal techniques for their compensation.
Firstly, a new approach to address the problems that rise in virtue of such
packet drops, is proposed. This novel approach is based on the simultaneous
transmission of several values in a single message. Such messages can
be from sensor to controller, in which case they are comprised of several
past sensor readings, or from controller to actuator in which case they are
comprised of estimates of several future control values. A series of tests
reveal the advantages of this approach.
The above-explained approach is then expanded as to accommodate the
techniques of contemporary optimal control. However, unlike the aforementioned
approach, that deliberately does not send certain messages in
order to make a more efficient use of network resources; in the second case,
the techniques are used to reduce the effects of packet losses.
After these two approaches that are based on data aggregation, it is also
studied the optimal control in packet dropping fieldbuses, using generalized
actuator output functions. This study ends with the development of a new
optimal controller, as well as the function, among the generalized functions
that dictate the actuator’s behaviour in the absence of a new control
message, that leads to the optimal performance.
The Thesis also presents a different line of research, related with the output
oscillations that take place as a consequence of the use of classic co-design
techniques of networked control. The proposed algorithm has the goal of
allowing the execution of such classical co-design algorithms without causing
an output oscillation that increases the value of the cost function. Such
increases may, under certain circumstances, negate the advantages of the
application of the classical co-design techniques. A yet another line of research, investigated algorithms, more efficient than
contemporary ones, to generate task execution sequences that guarantee
that at least a given number of activated jobs will be executed out of
every set composed by a predetermined number of contiguous activations.
This algorithm may, in the future, be applied to the generation of message
transmission patterns in the above-mentioned techniques for the efficient
use of network resources. The proposed task generation algorithm is better
than its predecessors in the sense that it is capable of scheduling systems
that cannot be scheduled by its predecessor algorithms.
The Thesis also presents a mechanism that allows to perform multi-path
routing in wireless sensor networks, while ensuring that no value will be
counted in duplicate. Thereby, this technique improves the performance of
wireless sensor networks, rendering them more suitable for control applications.
As mentioned before, this Thesis is centered around techniques for the
improvement of performance of distributed control systems in which several
elements are connected through a fieldbus that may be subject to packet
drops. The first three approaches are directly related to this topic, with the
first two approaching the problem from an architectural standpoint, whereas
the third one does so from more theoretical grounds. The fourth approach
ensures that the approaches to this and similar problems that can be found
in the literature that try to achieve goals similar to objectives of this Thesis,
can do so without causing other problems that may invalidate the solutions
in question. Then, the thesis presents an approach to the problem dealt
with in it, which is centered in the efficient generation of the transmission
patterns that are used in the aforementioned approaches.Em resultado de várias tendências que têm afetado o mundo digital, o desempenho
das redes de comunicação em tempo-real está continuamente a
ser melhorado. No entanto, tais tendências não só introduzem melhorias,
como também introduzem uma série de não idealidades, tais como a
latência, o jitter da latência de comunicação e uma maior probabilidade de
perda de pacotes.
Esta tese tem o seu cerne em falhas de comunicação que surgem em tais
redes, sob o ponto de vista do controlo automático. Concretamente, são
estudados os efeitos das perdas de pacotes em redes de controlo, bem como
arquitecturas e técnicas óptimas de compensação das mesmas.
Primeiramente, ´e proposta uma nova abordagem para colmatar os problemas
que surgem em virtude de tais perdas. Essa nova abordagem ´e baseada
no envio simultâneo de vários valores numa única mensagem. Tais mensagens
podem ser de sensor para controlador, caso em que as mesmas são
constituídas por um conjunto de valores passados, ou de controlador para
actuador, caso em que tais mensagens contˆem estimativas de futuros valores
de controlo. Uma série de testes revela as vantagens de tal abordagem.
A abordagem acima explanada ´e seguidamente expandida de modo a acomodar
o controlo óptimo. Contudo, ao contrário da abordagem acima
apresentada, que passa pelo não envio deliberado de certas mensagens com
vista a alcançar um uso mais eficiente dos recursos de rede; no presente
caso, as técnicas são usadas para reduzir os efeitos da perda de pacotes.
Em seguida são estudadas abordagens de controlo óptimo que em situações
de perda de pacotes empregam formas generalizadas da aplicação de valores
de saída. Este estudo culmina com o desenvolvimento de um novo
controlador óptimo, bem como a função, entre as funções generalizadas
do funcionamento do actuador, que conduz o sistema a um desempenho óptimo. É
também apresentada uma linha de investigação diferente, relacionada com a oscilação da saída que ocorre em consequência da utilização de técnicas e algoritmos clássicos de co-desenho de controlo e redes industriais. O algoritmo
proposto tem como finalidade permitir que tais algoritmos clássicos
possam ser executados sem causar oscilações de saída, oscilações que por
sua vez aumentam o valor da função de custo. Tais aumentos da função
do custo, podem, em certas circunstâncias, por em causa os benefícios da
aplicação das técnicas de co-desenho clássico. Numa outra linha de investigação, foram estudadas formas, mais eficientes
que as contemporâneas, de geração de sequências de execuções de tarefas
que garantam que pelo menos um dado número de tarefas activadas
serão executadas por cada conjunto contíguo composto por um número
predefinido de activações. Esta técnica poderá, no futuro, ser aplicada na
geração dos padrões de envio de mensagens que ´e empregue na abordagem
de utilização eficiente dos recursos de rede acima referida. A técnica proposta
de geração de tarefas é melhor que as anteriores no sentido em que
a mesma é capaz de escalonar sistemas que não são escalonáveis pelas
técnicas clássicas.
A tese também apresenta um mecanismo que permite fazer o encaminhamento
multi-caminho em redes de sensores sem fios com falhas sem
causar a contagem em duplicado. Assim sendo a mesma técnica melhora
o desempenho das redes de sensores sem fios, tornando as mesmas mais
maleável as necessidades do controlo aum´atico em redes sem fios.
Como foi referido acima, a tese foca-se em t´ecnicas de melhoria de desempenho
de sistemas de controlo distribu´ıdo em que os v´arios elementos
de controlo encontram-se interligados por meio de uma rede industrial que
pode estar sujeita a perda de pacotes. As primeiras três abordagens cingemse
a este tema, sendo que primeiras duas olham para o problema sob um
ponto de vista arquitetural, enquanto que a terceira olha sob um ponto de
vista mais teórico. A quarta abordagem garante que outras propostas que
podem ser encontradas na literatura e que visam atingir resultados semelhantes
aos que se pretendem atingir nesta tese, possam fazˆe-lo sem causar
outros problemas que invalidem as soluções em questão. Seguidamente, é
apresenta-se uma abordagem ao problema proposto nesta tese que foca-se
na geração eficiente de padrões para subsequente utilização nas abordagens
acima referidas. E por fim, apresentar-se-a uma técnica de optimização do
funcionamento de redes sem fios que promete melhorar o controlo em tais
redes