Ing. Jiří Náhlík, Ph.D.

A class of computer-aided optimization methods based on Differential Evolution (DE), Particle Swarm Optimization (PSO) and Nelder Mead algorithms applied to a switched-capacitor (SC) filter circuit design are investigated. Comparisons of these algorithms applied to a 4th order biquadratic two-channel filter bank CMOS design on 0. 35 μm technology are made. The frequency responses of the biquadratic filters must match ideal responses in a finite number of iterations with a limited number of ”particles”. The original and derived methods are evaluated on the base of their convergence progress and their reliability over different starting populations. An optimal design approach based on combining algorithms is derived as a more suitable and more reliable method for SC circuit optimization.

The paper investigates the performance of the Nelder-Mead (NM) and Differential Evolution (DE) hybrid algorithm applied to switched capacitor (SC) filter optimization. The performance is investigated on a design of four biquadratic filters and the results are compared to the original algorithm performances and other hybrid algorithms performances

Návrh spínaných analogových obvodů klade vysoké nároky jak na zkušenosti návrháře, tak na použité součásti obvodu. Optimalizační algoritmy mohou návrháři pomoci s laděním obvodu jak na parazitní vlivy reálných prvků, tak na změny ve výrobním procesu. Při použití strojových optimalizací je ale třeba brát v úvahu i potřebný výpočetní čas na jejich provedení a jejich úspěšnost při řešení daného problému. Tento příspěvek se zabývá efektivitou optimalizačních metod aplikovaných na návrh SC obvodů.

Implementace obvodů se spínanými kapacitory (SC) klade vy-so-ké nároky na použité součásti, jejichž reálné vlastnosti ovlivňují výslednou funkci obvodu. Výsledný obvod je tedy potřeba na jejich vlivy optimalizovat. Tento příspěvek se zabývá výkonem algoritmu Diferenciální evoluce (DE) a algoritmu Particle Swarm Optimization (PSO). Za účelem vylepšení vlastností pak navrhuje tři jejich kombinace. Výkon algoritmů je porovnáván na návrhu čtyř bikvadratických SC filtrů určených pro dvoukanálovou banku filtrů čtvrtého řádu.

The paper investigates the performance of the Differential Evolution (DE) and Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm for SC filter Optimization. In order to improve their performance the three algorithm based on their combination are proposed. The performance is investigated on the design of switched capacitor biquadratic filters and the resulting performance and limitations are discussed.

This paper deals with the design and optimization of biquadratic switched capacitor filters for 4th order quadrature-mirror filter banks allowing for real switch effects (e.g. on-state resistance, charge injection...) and the folded cascode OpAmp designed in 0.35 um CMOS technology. The filter is designed as a cascade of two biquads and each filter is separately optimized using the Differential Evolution Algorithm to obtain the required transfer function with deviation of less than ±0.1 dB from the designed transfer function. The filters process a baseband signals (0 - 8 kHz) using a clock frequency of 16 kHz. The resulting capacitor values are presented.

Při popisu fyzikálních skutečností se dnes již málokde obejdeme bez modelování a následného počítačového zpracování. To je na místě zejména v oblastech, kde jsou popisované procesy složité nebo se jedná o rozsáhlý soubor jednodušších dějů. Abychom mohli procesy kvantifikovat, je nejprve nutné je matematicky popsat. To se týká jak jednotlivých dějů tak i celých systémů, které tyto děje obsahují.

The aim of this paper is to describe the implementation of a two-channel filter bank (FB) using the switched capacitor (SC) technique considering real properties of operational amplifiers (OpAmps). The design procedure is presented and key recommendations for the implementation are given. The implementation procedure describes the design of two-channel filter bank using an IIR Cauer filter, conversion of IIR into the SC filters and the final implementation of the SC filters. The whole design and an SC circuit implementation is performed by a PraCAn package in Maple. To verify the whole filter bank, resulting real property circuit structures are completely simulated by WinSpice and ELDO simulators. The results confirm that perfect reconstruction conditions can be almost accepted for the filter bank implemented by the SC circuits. The phase response of the SC filter bank is not strictly linear due to the IIR filters. However, the final ripple of a magnitude frequency response in the passband is almost constant, app. 0.5 dB for a real circuit analysis.

Technika spínaných kapacitorů se často využívá při konstrukci filtrů integrovaných na čipu. Obvykle však tyto filtry pracují s řádově větším hodinovým kmitočtem, než je nejvyšší kmitočet zpracovávaného signálu. Tento příspěvek popisuje realizaci dvoukanálové banky filtrů se spínanými kapacitory, která zpracovává signál až do poloviny svého spínacího kmitočtu 16 kHz. Banka filtrů byla realizována na plošném spoji a výsledné naměřené frekvenční charakteristiky byly porovnány se simulovanými.

The aim of this paper is to describe the implementation of a two-channel filter bank (FB) using the switched capacitor (SC) technique. The implementation of two-channel filter bank using an IIR Cauer filter, conversion of IIR into the SC filters and the final implementation of the SC filters is described. The whole filter bank was realized on a printed board and the magnitude frequency response was measured for different timing of clock signals. Resulting magnitude frequency response is given. Measured responses are compared with simulated ones.

The aim of this paper is to describe method to obtain transfer function of the switched capacitor filter bank by the simulation in the WinSpice program. The method is based on transient analysis of bank followed by Fourier transformation of computed time response. In simulation nonideal parameters of bank parts are taking to account. The obtained results are discussed.

Technika spínaných kapacitorů je velmi často používána pro realizaci filtrů na čipu. Analýza těchto obvodů je však oproti spojitě pracujícím obvodům složitější a lze ji nejlépe provést pomocí simulace. Střídavou analýzu takových obvodů pak provádíme pomocí analýzy v časové oblasti a výslednou přenosovou charakteristiku získáme pomocí diskrétní Fourierovy transformace. Touto metodou byla v programu WinSpice simulována dvoukanálová banka filtrů pracující se spínacím kmitočtem 16 kHz resp. 8 kHz. V simulaci byly uvažovány reálné vlastnosti obvodových součástí tak, aby byl ukázán jejich vliv na funkci obvodu. Dle výsledků simulace byla následně banka filtrů upravena.