VLF-MF uygulamaları için tamsayı ve kesir-mertebeli akım-modlu süzgeç tasarımlarının gerçekleştirilmesi
Realization of current-mode integer and fractional-order filter designs for VLF-MF applications
- Tez No: 960857
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ KIRÇAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Harran Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, elektromanyetik spektrumun çok düşük frekans (VLF), düşük frekans (LF) ve orta frekans (MF) bant aralıklarında çalışan mühendislik sistemlerinin ihtiyaçlarına yanıt verebilecek analog süzgeç devrelerinin tasarımı ve analizi gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen süzgeç yapıları, akımmodlu olup, hem tamsayı-mertebeli hem de kesir-mertebeli olarak yapılandırılmış; denizaltı ve akustik haberleşme, havacılık ve denizcilik navigasyon sistemleri, biyomedikal uygulamalar ve kontrol sistemleri gibi dar bantlı ve düşük frekanslı uygulamalar için optimize edilmiştir. Çalışmanın kuramsal temelini, klasik türev ve integral işlemlerinin yalnızca tamsayı-mertebelerle sınırlı olmadığını savunan kesirli hesap disiplini oluşturmuştur. Bu bağlamda, analog süzgeç devrelerine kesirli hesap uygulanmasıyla; süzgeçlerin geçiş ve durdurma bantları arasındaki eğimin daha keskin ve hassas kontrol edilmesini sağlayarak, tasarımlara esneklik kazandırılmıştır. Tasarlanan süzgeç devreleri bünyelerindeki kapasitörler yardımıyla kesir-mertebeli hale getirilmiştir. Kesir-mertebeli kapasitörü ise süzgeçlerin kazanç cevaplarında gösterdiği üstün özelliklerinden dolayı Oustaloup yaklaşım aracı kullanılarak, uygun bir şekilde yapılandırılmış ve minimum sayıda pasif eleman içeren Foster type RC- I ağları yardımıyla elde edilmiştir. Tasarımı yapılan süzgeç devrelerinde iyileştirilmiş akım geri beslemeli işlemsel yükselteç (MCFOA) ve çok çıkışlı ikinci nesil akım kontrollü akım taşıyıcıları (MO-CCCII) gibi akım-modlu çalışmalara uygun aktif elemanlar tercih edilmiş, yalnızca topraklanmış pasif bileşenler kullanılarak; alçak-geçiren, yüksek-geçiren, bant-geçiren, bant-durduran, tüm-geçiren, basamak ve Chebyshev alçak geçiren süzgeç çıkışlarını verebilen sade, düşük güçlü ve entegre edilebilir yapılar elde edilmiştir. Tasarlanan süzgeç topolojilerinin performansları hem MATLAB ortamında hem de PSpice tabanlı simülasyon platformlarında test edilmiş; frekans tepkisi, geçiş eğimi ve kesim frekansı gibi özellikleri doğrulanmıştır. Simülasyon sonuçlarından akım-modlu çalışmanın getirdiği; düşük total harmonik bozulma, geniş dinamik aralık ve düşük güç tüketimi gibi önemli performans kriterlerini de sağladıkları görülmüştür. Tasarlanan süzgeç topolojilerine Monte-Carlo analizleri de yapılmış ve analizleri sonucunda; VLF, LF ve MF bandı gibi yüksek hassasiyet gerektiren uygulamalarda, parametrik değişkenliklere ve üretim toleranslarına karşı hedeflenen hassasiyet düzeylerini başarıyla sağladıkları görülmüştür. Ayrıca süzgeç topolojilerini sadece simülasyon ortamında değil gerçek dünyada da oluşturabilmek için kullanılan tüm pasif elemanların değerlerini IEC 60063' te tanımlanan E96 serisine uygun olarak seçilmiştir. Sonuç olarak bu çalışma, kesirli hesaplama teorisini analog süzgeç tasarımıyla birleştirerek, düşük frekanslı haberleşme ve kontrol sistemleri için uygulanabilirliği yüksek, yenilikçi ve entegre edilebilir devre çözümleri ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the design and analysis of analog filter circuits intended to meet the requirements of engineering systems operating within the very low frequency (VLF), low frequency (LF), and medium frequency (MF) bands of the electromagnetic spectrum have been carried out. The developed filter structures operate in current mode and are implemented in both integer-order and fractional-order configurations. These circuits are optimized for narrowband and low-frequency applications such as submarine and acoustic communication, aeronautical and maritime navigation systems, biomedical devices, and control systems. The theoretical foundation of this study is based on the discipline of fractional calculus, which asserts that differentiation and integration need not be limited to integer orders. By applying fractional calculus to analog filter design, enhanced flexibility has been achieved through sharper and more precisely controlled transitions between passbands and stopbands. Fractional-order functionality in the proposed filter circuits is realized via capacitors specifically configured to exhibit fractional behavior. These fractional capacitors are modeled using the Oustaloup approximation method, selected for their superior gain response characteristics, and are implemented with Foster type-I RC networks comprising a minimal number of passive components. To support current-mode operation, active building blocks such as the modified current feedback operational amplifier (MCFOA) and multi-output second-generation current-controlled current conveyors (MOCCCIIs) have been employed. The proposed topologies use only grounded passive components and are capable of producing various filter responses including low-pass, high-pass, band-pass, band-stop, all-pass, step, and Chebyshev low-pass filters, resulting in compact, low-power, and integration-friendly structures. The performance of the designed filter circuits was evaluated through comprehensive simulations in both MATLAB and PSpice environments. Frequency response, roll-off behavior, and cutoff frequency performance were verified. The simulation results also demonstrated that current-mode operation meets key performance metrics such as low total harmonic distortion (THD), wide dynamic range, and low power consumption. Additionally, Monte Carlo analyses were conducted on the proposed topologies, confirming that the filters maintain the required level of precision under parameter variations and manufacturing tolerances—particularly for sensitive applications within the VLF, LF, and MF bands. To ensure real-world implementation compatibility, all passive components were selected in accordance with the E96 series defined by the IEC 60063 standard. In conclusion, this study combines the theoretical principles of fractional calculus with analog filter design to present highly applicable, innovative, and integrable circuit solutions for low-frequency communication and control systems.
Benzer Tezler
- RSA algoritmasını kullanan şifreleme/deşifreleme yazılımının tasarımı
Data encyption/decryption methods and software design of RSA algorithm
METİN ERHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. BÜLENT ÖRENCİK
- Performance investigation of high bit rate degital subscriber line
Yüksek hız sayısal abone hattının performansının incelenmesi
BERNA HÜSEYİNOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
1997
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜMİT AYGÖLÜ
- Adi ve kısmi diferansiyel denklemlerin tekillik analizleri ve integre edilebilirlikleri
Singularity analysis and integrability of the ordinary and partial di̇fferential equations
ABDULLAH TOPÇU
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Matematikİstanbul Teknik ÜniversitesiMatematik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET CAN
- Mikrodalga difraksiyon tomografisi için adaptif bir görüntü oluşturma algoritması
An Adaptive reconstruction algorithm for microwave diffraction tomography
SELÇUK PAKER
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. BİNGÜL YAZGAN
- Yüksek yapıların hesabında rüzgar spektrumu yöntemi
Wind response techniques for calculation of high-rise buildings
AHMET KUTLU ŞANLI