The aim of master's thesis was design of electronically reconfigurable filters. Adjustability of pole frequency or quality factor is possible. First part of thesis deals with theoretical analysis of filters, their operation modes, design of frequency filters using Signal-Flow graph method and parasitic analysis. The next part describes active elements used in thesis. In a third part, three reconfigurable filters are described and designed and their simulations and parasitic analysis are made. Last part deals with filter design in EAGLE and experimental measurement.

This document is focused on already existing single-ended frequency filters with modern active components working in current mode and their modification into fully-differential ended form. After the modification both versions were compared between each other. The first part informs about problems concerning analogue frequency filters. The second part deals with used active components - MO-CF (Multiple Output Current Follower), BOTA (Balanced transconductance amplifier), UCC (universal current conveyor), VDTA (Voltage differencing transconductance amplifier), CDTA (Current differencing transconductance amplifier) and VDCC (voltage differencing current conveyor). Four circuits have been chosen and transformed into their differential form. Two circuits have been chosen and realised into PCB and then practicaly measured in a laboratory. The last part is a summary of simulations and measured results and check of circuits behavior result.

This diploma thesis deals with design of reconection-less electronically reconfigurable filter structures which have single input and single output using unconventional active elements, which have ability to adjust one of their parameter e.g. gain or transconductance. The first part describes basic parameters of frequency filters, the division of filters by frequency transfer response and used circuit elements, their operational modes, the principle of reconnection-less electronically reconfiguration and the circuit design method MUNV. Second part describes all active elements used in the proposal of filters, their properties and the implementation using existing transistor-level models. The third part contains the design of three reconnection-less electronically reconfigurable filters and the simulations results obtained from simulation programs OrCAD Capture and PSpice. The obtained results were compared with theoretical behaviour. This part also contains results of these analyses: sensitivity, parasitic, Monte Carlo and temperature to determine the behaviour in varied cases.

Disertační práce se zabývá syntézou a analýzou nových obvodových struktur neceločíselného (fraktálního) řádu s řiditelnými parametry. Hlavní cíl této práce je návrh nových řešení filtračních struktur fraktálního řádu v proudovém módu, emulátorů prvků fraktálního řádu a také oscilátorů. Práce obsahuje návrh tří emulátorů pasivního prvku fraktálního řádu, tři filtrační struktury a dva oscilátory navržené na základě využití pasivního prvku fraktálního řádu v jejich obvodové struktuře a dvě obecné koncepce filtrů fraktálního řádu založené na využití aproximace přenosové funkce fraktálního řádu. Na základě obecných koncepcí jsou v práci navrženy filtry fraktálního řádu typu dolní a horní propust. Díky aktivním prvkům s přeladitelnými parametry, které jsou užity v obvodových strukturách je zajištěna řiditelnost řádu filtru, jeho pólového kmitočtu a některých případech i činitele jakosti. Vlastnosti všech zapojení jsou ověřeny počítačovými simulacemi za pomoci behavioralních simulačních modelů aktivních prvků. Některé z uvedených obvodů byly realizovány na DPS a jejich vlastnosti ověřeny experimentálním měřením.

This master’s thesis describes the design of the frequency filters by the help of the graph of the signal flows. There are defined by modern components like GVC (Generalized Voltage Conveyor), GCC (Generalized Current Conveyor), CF (Current Follower), DO-CF (Dual-Output Current Follower), OTA (Operational Transconductance Amplifier), BOTA (Ballanced Operational Transconductance Amplifier) and CFTA (Current Follower Transconductance Amplifier), the graphs of the signal flows, which describe their activity in the thesis. In the other part of the thesis is illustrated the procedure of the design of the frequency filters by the help of the graphs of the signal flows. For the concrete design was selected in the first case as the active component double output current follower and in the second case the CFTA. There are noted all designed circuits of the frequency filters also their characteristic equations in this thesis. The activity of the selected circuits was remitted to the analysis in the simulation program called PSpice. Because the active components, with which was engaged in the design of the filter which doesn’t exist in the real form, that is why the UCC, which is sufficing for attestation of the function of the circuit, was used for the simulation. The simulation was implemented in the frequency range 10 Hz to 10 MHz.

This doctoral thesis is focused mainly on research of new current active elements and their applications in frequency filters suitable for current-mode. Work is focused on design of new filtering structures suitable for traditional single-ended signal processing and also on structures suitable for fully-differential applications. The thesis contains three designed general conceptions of KHN-type second-order filters. Adjustability of quality factor and pole frequency is provided by controllable current amplifiers that are placed properly in designed structures. Structures also contain second-generation current conveyors, multiple-output current followers, transconductance amplifiers and their fully-differential equivalents. There are lot of possible solutions that could be obtained from general structures, some of them are presented in the work. The thesis also presents several multifunctional and also single-purpose filtering structures of second-order and two variants of n-th order synthetic elements which are suitable to realize higher order filters both in single ended and fully differential type. In each case, functionality of new solutions is verified by simulations and in several cases also by real measurement.

Kmitočtové filtry jsou lineární elektrické obvody, které jsou využívány v různých oblastech elektroniky. Současně tvoří základní stavební bloky pro analogové zpracování signálů. V poslední dekádě bylo zavedeno množství aktivních stavebních bloků pro analogové zpracování signálů. Stále však existuje potřeba vývoje nových aktivních součástek, které by poskytovaly nové možnosti a lepší parametry. V práci jsou diskutovány různé aspekty obvodů pracujících v napěťovém, proudovém a smíšném módu. Práce reaguje na dnešní potřebu nízkovýkonových a nízkonapěťových aplikací pro přenosné přístroje a mobilní komunikační systémy a na problémy jejich návrhu. Potřeba těchto výkonných nízkonapěťových zařízení je výzvou návrhářů k hledání nových obvodových topologií a nových nízkonapěťových technik. V práci je popsána řada aktivních prvků, jako například operační transkonduktanční zesilovač (OTA), proudový konvejor II. generace (CCII) a CDTA (Current Differencing Transconductance Amplifier). Dále jsou navrženy nové prvky, jako jsou VDTA (Voltage Differencing Transconductance Amplifier) a VDVTA (Voltage Differencing Voltage Transconductance Amplifier). Všechny tyto prvky byly rovněž implementovány pomocí "bulk-driven" techniky CMOS s cílem realizace nízkonapěťových aplikací. Tato práce je rovněž zaměřena na náhrady klasických induktorů syntetickými induktory v pasivních LC příčkových filtrech. Tyto náhrady pak mohou vést k syntéze aktivních filtrů se zajímavými vlastnostmi.

Disertační práce se zabývá zaváděním nových struktur moderních aktivních prvků pracujících v napěťovém, proudovém a smíšeném režimu. Funkčnost a chování těchto prvků byly ověřeny prostřednictvím SPICE simulací. V této práci je zahrnuta řada simulací, které dokazují přesnost a dobré vlastnosti těchto prvků, přičemž velký důraz byl kladen na to, aby tyto prvky byly schopny pracovat při nízkém napájecím napětí, jelikož poptávka po přenosných elektronických zařízeních a implantabilních zdravotnických přístrojích stále roste. Tyto přístroje jsou napájeny bateriemi a k tomu, aby byla prodloužena jejich životnost, trend navrhování analogových obvodů směřuje k stále většímu snižování spotřeby a napájecího napětí. Hlavním přínosem této práce je návrh nových CMOS struktur: CCII (Current Conveyor Second Generation) na základě BD (Bulk Driven), FG (Floating Gate) a QFG (Quasi Floating Gate); DVCC (Differential Voltage Current Conveyor) na základě FG, transkonduktor na základě nové techniky BD_QFG (Bulk Driven_Quasi Floating Gate), CCCDBA (Current Controlled Current Differencing Buffered Amplifier) na základě GD (Gate Driven), VDBA (Voltage Differencing Buffered Amplifier) na základě GD a DBeTA (Differential_Input Buffered and External Transconductance Amplifier) na základě BD. Dále je uvedeno několik zajímavých aplikací užívajících výše jmenované prvky. Získané výsledky simulací odpovídají teoretickým předpokladům.

The aim of the thesis was design of reconnection-less and electronically reconfigurable filters of SISO type with non-traditional active elements. Adjustability of bandwidth or quality factor is also required. First part of the thesis deals with theoretical analysis of filters, their operation modes and design of frequency filters using Signal-flow graph method aswell. Last but not least, electronical reconfiguration of transfer function and parasitic analysis was discussed. Another part describes active elements used in the practical part of thesis. Behaviors and design of active elements using existing circuits (e.g. UCC,EL2082) are described and their transformation into the Signal-flow graph form too. In the practical part five reconnection-less and reconfigurable filters of SISO type was designed using SNAP program. Simulations were done using Orcad program with ideal and real simulation models of active elements. Last part deals with filter design in EAGLE and experimental measurement.

Tato disertační práce se zaměřuje na výzkum v oblasti frekvenčních filtrů. Hlavním cílem je navrhnout a analyzovat plně diferenční kmitočtové filtry pracující v proudovém módu a využívající moderní aktivní prvky. Prezentované filtry jsou navrženy za použití proudových sledovačů, operačních transkonduktančních zesilovačů, plně diferenčních proudových zesilovačů a transrezistančních zesilovačů. Návrh se zaměřuje na možnost řídit některý z typických parametrů filtru pomocí řiditelných aktivních prvků, které jsou vhodně umístněny do obvodové struktury. Jednotlivé prezentované filtry jsou navrženy v nediferenční a diferenční verzi. Velký důraz je věnován srovnání plně diferenčních struktur s jejich odpovídajícími nediferenčními formami. Funkčnost jednotlivých návrhů je ověřena simulacemi a v některých případech i experimentálním měřením.