Realization of Integrable Incommensurate-Fractional-Order-Rössler-System Design Using Operational Transconductance Amplifiers (OTAs) and Its Experimental Verification

2017 ◽  
Vol 27 (05) ◽  
pp. 1750077 ◽  
Author(s):  
Mohammad Rafiq Dar ◽  
Nasir Ali Kant ◽  
Farooq Ahmad Khanday
Keyword(s):  
Fractional Order ◽  
Low Voltage ◽  
Chaotic Behavior ◽  
Vlsi Design ◽  
Cmos Process ◽  
Operational Transconductance Amplifiers ◽  
Rossler System ◽  
Theoretical Predictions ◽  
Rössler System ◽  
Transconductance Amplifiers

In this paper, electronic implementation of fractional-order Rössler system using operational transconductance amplifiers (OTAs) is presented which until now was only being investigated through numerical simulations. The realization offers the benefits of low-voltage implementation, integrability and electronic tunability. In addition, the proposed circuit is a MOS only design (as no BJTs have been used) which contains only grounded components and is therefore suitable for monolithic VLSI design. The chaotic behavior of the fractional-order Rössler system in consideration with the incommensurate orders has been demonstrated which finds many applications in several fields. The theoretical predictions of the proposed implementation have been verified through experimentation and HSPICE simulator using Austrian Micro System (AMS) 0.35[Formula: see text][Formula: see text]m CMOS process and the obtained results have been found in good agreement with the Matlab simulink theoretical results obtained using FOMCON simulink toolbox. Besides, a secure message communication system has been considered to demonstrate fully the usefulness of the chaotic system.

Realization of Fractional-Order Double-Scroll Chaotic System Using Operational Transconductance Amplifier (OTA)

2017 ◽  
Vol 27 (01) ◽  
pp. 1850006 ◽  
Author(s):  
Mohammad Rafiq Dar ◽  
Nasir Ali Kant ◽  
Farooq Ahmad Khanday
Keyword(s):  
Fractional Order ◽  
Chaotic System ◽  
Low Voltage ◽  
Complementary Metal Oxide Semiconductor ◽  
Oxide Semiconductor ◽  
Cmos Process ◽  
Operational Transconductance Amplifiers ◽  
System A ◽  
Transconductance Amplifier ◽  
Theoretical Predictions

Realization of fractional-order double-scroll chaotic system using Operational Transconductance Amplifiers (OTAs) as active elements are presented in this paper. The fractional-order double-scroll chaotic system has been studied before as well using passive RC-ladder and tree-based structures but in this paper the requisite fractional-order integration has been accomplished through an integer-order multiple-feedback topology. As compared to double or multiple scroll chaotic systems existing in the open literature, the proposed realization offers the advantages of (a) low-voltage implementation, (b) integrablity as the design is resistor- and inductor-less and only grounded components have been employed in the design, and, (c) electronic tunability of the fractional order, time-constants and gain factors. In order to demonstrate the usefulness of the chaotic system, a simple secure message communication system has been designed and verified for its operation. The theoretical predictions of the proposed implementations have been verified by using 0.35[Formula: see text][Formula: see text]m complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process file provided by Austrian Micro System (AMS).

Electronic Implementation of Fractional-Order Newton–Leipnik Chaotic System With Application to Communication

2017 ◽  
Vol 12 (5) ◽  
Author(s):  
Mohammad Rafiq Dar ◽  
Nasir Ali Kant ◽  
Farooq Ahmad Khanday
Keyword(s):  
Fractional Order ◽  
Chaotic System ◽  
Chaotic Behavior ◽  
Complementary Metal Oxide Semiconductor ◽  
Oxide Semiconductor ◽  
Cmos Process ◽  
Transconductance Amplifier ◽  
Theoretical Predictions ◽  
On Chip ◽  
System Order

A complementary metal oxide semiconductor-operational transconductance amplifier (CMOS-OTA)-based implementation of fractional-order Newton–Leipnik chaotic system is introduced in this paper. The proposed circuit offers the advantages of electronic tunability of system order and on-chip integration due to MOS only design. The double strange attractor chaotic behavior of the system in consideration for an order of 2.9 has been demonstrated, and effectiveness of this chaotic system in preliminary secure message communication has also been presented. The theoretical predictions of the proposed implementation have been verified by hspice simulator using Austrian Microsystem (AMS) 0.35 μm CMOS process and subsequently compared with matlab simulink results. The power consumption of the system was 103.6 μW for standalone Newton–Leipnik chaotic generator.

Local Bifurcations and Chaos in the Fractional Rössler System

2018 ◽  
Vol 28 (08) ◽  
pp. 1850098 ◽  
Author(s):  
Jan Čermák ◽  
Luděk Nechvátal
Keyword(s):  
Fractional Order ◽  
Control Method ◽  
Chaotic Behavior ◽  
A Priori ◽  
Hopf Bifurcations ◽  
Rossler System ◽  
Master System ◽  
Rössler System ◽  
Active Control Method

The paper discusses the fractional Rössler system and the dependence of its dynamics on some entry parameters. An explicit algorithm for a priori determination of fractional Hopf bifurcations is derived and scenarios documenting a route of the system from stability to chaos are performed with respect to a varying system’s fractional order as well as to a varying system’s coefficient. Contrary to the existing results, the searched values of the fractional Hopf bifurcations follow directly from a revealed analytical dependence between these two systems’ entries. Their various critical values are established and confirmed by numerical experiments demonstrating not only the loss of stability of an equilibrium point, but also other phenomena of transition to chaotic behavior. In addition, we suggest an active control method for synchronization of two chaotic fractional-order Rössler systems. Our theoretical analysis enables to synchronize them for any value of a free parameter under which the master system displays a chaotic behavior.

scholarly journals Ultra-Low-Voltage Inverter-Based Operational Transconductance Amplifiers with Voltage Gain Enhancement by Improved Composite Transistors

Electronics ◽  
2020 ◽  
Vol 9 (9) ◽  
pp. 1410
Author(s):  
Luis Henrique Rodovalho ◽  
Orazio Aiello ◽  
Cesar Ramos Rodrigues
Keyword(s):  
Low Voltage ◽  
Supply Voltage ◽  
Voltage Gain ◽  
Design Environment ◽  
Operational Transconductance Amplifiers ◽  
Gain Enhancement ◽  
Transconductance Amplifiers ◽  
Forward Body Bias ◽  
The Cost ◽  
The Impact

This paper proposes topological enhancements to increase voltage gain of ultra-low-voltage (ULV) inverter-based OTAs. The two proposed improvements rely on adoption of composite transistors and forward-body-biasing. The impact of the proposed techniques on performance figures is demonstrated through simulations of two OTAs. The first OTA achieves a 39 dB voltage gain, with a power consumption of 600 pW and an active area of 447 μm2. The latter allies the forward-body-bias approach with the benefit of the independently biased composite transistors. By combining both solutions, voltage gain is raised to 51 dB, consuming less power (500 pW) at the cost of an increased area of 727 μm2. The validation has been performed through post-layout simulations with the Cadence Analog Design Environment and the TSMC 180 nm design kit, with the supply voltage ranging from 0.3 V to 0.6 V.

scholarly journals Dynamic and Static Calibration of Ultra-Low-Voltage, Digital-Based Operational Transconductance Amplifiers

Electronics ◽  
2020 ◽  
Vol 9 (6) ◽  
pp. 983 ◽  
Author(s):  
Pedro Toledo ◽  
Paolo Crovetti ◽  
Hamilton Klimach ◽  
Sergio Bampi
Keyword(s):  
Pulse Width Modulation ◽  
Low Voltage ◽  
Process Variations ◽  
Pulse Modulation ◽  
Silicon Area ◽  
Operational Transconductance Amplifiers ◽  
Static Calibration ◽  
Digital Pulse ◽  
Transconductance Amplifiers ◽  
The Impact

The calibration of the effects of process variations and device mismatch in Ultra Low Voltage (ULV) Digital-Based Operational Transconductance Amplifiers (DB-OTAs) is addressed in this paper. For this purpose, two dynamic calibration techniques, intended to dynamically vary the effective strength of critical gates by different modulation strategies, i.e., Digital Pulse Width Modulation (DPWM) and Dyadic Digital Pulse Modulation (DDPM), are explored and compared to classic static calibration. The effectiveness of the calibration approaches as a mean to recover acceptable performance in non-functional samples is verified by Monte-Carlo (MC) post-layout simulations performed on a 300 mV power supply, nW-power DB-OTA in 180 nm CMOS. Based on the same MC post-layout simulations, the impact of each calibration strategy on silicon area, power consumption, and OTA performance is discussed.

scholarly journals Novel Reconnection-Less Reconfigurable Filter Design Based on Unknown Nodal Voltages Method and Its Fractional-Order Counterpart

2019 ◽  
Vol 25 (3) ◽  
pp. 34-38
Author(s):  
Lukas Langhammer ◽  
Roman Sotner ◽  
Jan Dvorak ◽  
Jan Jerabek ◽  
Peter A. Ushakov
Keyword(s):  
Fractional Order ◽  
Filter Design ◽  
Variable Gain Amplifier ◽  
Pass Band ◽  
Direct Transfer ◽  
Electronic Control ◽  
Operational Transconductance Amplifiers ◽  
Variable Gain ◽  
Transconductance Amplifiers ◽  
High Pass

A novel solution of reconnection-less electronically reconfigurable filter is introduced in the paper. The filter is designed based on unknown nodal voltages method (MUNV) using operational transconductance amplifiers (OTAs) and variable gain amplifier (VGA). The structure can provide all-pass, band-stop, high-pass 2nd order functions, high-pass function of the 1st order and direct transfer from the same topology without requirement of manual reconnection. The proposed structure also offers the electronic control of the pole frequency. Moreover, fractional-order design of the proposed filter is also provided. The behaviour is verified by simulations using Cadence IC6 (spectre) software.

scholarly journals Design of fractional-order analog integrated circuits

2017 ◽  
Author(s):  
Γεωργία Τσιριμώκου
Keyword(s):  
Integrated Circuits ◽  
Fractional Order ◽  
Continued Fraction ◽  
Analog Integrated Circuits ◽  
Sampled Data ◽  
Continued Fraction Expansion ◽  
Operational Transconductance Amplifiers ◽  
Transconductance Amplifiers ◽  
On Chip ◽  
Cole Model

Το αντικείμενο της Διδακτορικής Διατριβής αφορά τη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων κλασματικής τάξης. Τα συστήματα κλασματικής τάξης είναι μια αναπτυσσόμενη περιοχή της έρευνας και έχουν χαρακτηριστεί ακόμη και ως τα συστήματα του 21ου αιώνα! Αυτό πηγάζει κυρίως από το διεπιστημονικό τους χαρακτήρα, αλλά και από το γεγονός ότι παρουσιάζουν χαρακτηριστικά που δεν είναι διαθέσιμα με τον συμβατικό λογισμό ακέραιης τάξης. Για παράδειγμα, με τον κλασματικό λογισμό υπάρχει η δυνατότητα καλύτερου ελέγχου της κλίσης της απόκρισης συχνότητας των φίλτρων. Τα κυκλώματα εμπέδησης κλασματικής τάξης είναι πολλά υποσχόμενα στην προσομοίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των βιολογικών υλικών, ιστών ή κυττάρων. Ένα από τα πιο γνωστά στοιχεία που επιδεικνύει χαρακτηριστικά εμπέδησης κλασματικής τάξης είναι το Κλασματικό Στοιχείο (fractance device), η οποία ανάλογα με την τιμής της τάξης αυτής παρουσιάζει και ιδιότητες διαφορετικών στοιχείων (δηλ. πυκνωτή, πηνίου, αντιστάτη κλπ). Λαμβάνοντας υπόψη ότι δεν υπάρχουν εμπορικά διαθέσιμα Κλασματικά Στοιχεία (fractance devices) που να εκμεταλλεύονται τα πλεονεκτήματα του Λαπλασιανού τελεστή s^α, προσεγγίσεις ακέραιης τάξης επιβάλλεται να χρησιμοποιηθούν. Για το σκοπό αυτό, γίνεται χρήση της μαθηματικής μεθόδου Συνεχούς Κλασματικής Επέκτασης (Continued Fraction Expansion), όπου συναρτήσεις κλασματικής τάξης προσεγγίζονται από ρητά πολυώνυμα ακέραιης τάξης. Στα πλαίσια αυτής της Διατριβής θα χρησιμοποιηθούν προσεγγίσεις 2ης-τάξης, καθώς αποτελούν ένα ιδιαίτερα αποτελεσματικό εργαλείο όσον αφορά το ποσοστό ακρίβειας και την πολυπλοκότητα των κυκλωμάτων. Επομένως, συναρτήσεις κλασματικής τάξης θα προσεγγίζονται από συναρτήσεις ακέραιης τάξης, προσφέροντας την δυνατότητα να περιγραφούν γενικευμένες εκφράσεις συναρτήσεων μεταφοράς με μια συστηματική διαδικασία που έχει ελκυστικά οφέλη ταυτόχρονα. Προς αυτήν την κατεύθυνση, προτείνεται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων κλασματικής τάξης που προσφέρουν: (i) δυνατότητα on-chip ολοκλήρωσης, (ii) δυνατότητα λειτουργίας σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας, (iii) ηλεκτρονική ρύθμιση των συχνοτικών χαρακτηριστικών. Επιπλέον είναι κυκλώματα που υλοποιούνται απουσία αντιστατών, και με χρήση μόνο γειωμένων πυκνωτών.Αρχικά, προτείνονται τοπολογίες διαφοριστών/ολοκληρωτών που πληρούν τα παρακάτω πλεονεκτήματα: (i) δυνατότητα υλοποίησης τους από την ίδια τοπολογία, (ii) ηλεκτρονική ρύθμιση, τόσο των συχνοτικών χαρακτηριστικών, όσο και της κλασματικής τάξης (α), και (iii) είναι τοπολογίες απόλυτα ολοκληρώσιμες. Επιπλέον, προτείνονται γενικευμένα φίλτρα κλασματικής τάξης τα οποία προσφέρουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: (i) δυνατότητα υλοποίησης διαφορετικών οικογενειών φίλτρων (δηλ. Butterworth, Chebyshev, κλπ) από την ίδια τοπολογία, (ii) δυνατότητα υλοποίησης διαφορετικών τύπων φίλτρου τα οποία κατηγοριοποιούνται ανάλογα με την μορφή της απόκρισης συχνότητας (lowpass, highpass, bandpass, κλπ) από την ίδια τοπολογία. Όλα τα παραπάνω συχνοτικά χαρακτηριστικά καθώς και η κλασματική τάξη ρυθμίζονται ηλεκτρονικά προσφέροντας ευελιξία και δυνατότητα προγραμματισμού. Επίσης, προτείνονται για πρώτη φορά φίλτρα κλασματικής τάξης με δειγματοληψία δεδομένων (sampled-data filters).Τα κύρια ενεργά δομικά στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν είναι καθρέπτες ρεύματος, μη-γραμμικοί διαγωγοί, και τελεστικοί ενισχυτές διαγωγιμότητας (Operational Transconductance Amplifiers-OTAs). Συνεπώς, ο σχεδιαστής έχει μόνο να επιλέξει τις κατάλληλες τιμές των ρευμάτων πόλωσης προκειμένου να επιλέξει την επιθυμητή συνάρτηση μεταφοράς με αποτέλεσμα τα προτεινόμενα κυκλώματα να προσφέρουν ιδιαίτερα ελκυστικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, κατασκευάστηκαν πλήρως ολοκληρωμένοι εξομοιωτές πυκνωτών και πηνίων με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm, τα οποία προσφέρουν τη δυνατότητα ηλεκτρονικής ρύθμισης της εμπέδησης, της τάξης, και του συχνοτικού εύρους λειτουργίας. Τα αποτελέσματα από τις πειραματικές μετρήσεις επιβεβαίωσαν την ορθή λειτουργία τους. Τέλος, παρουσιάζονται κάποιες εφαρμογές κυκλωμάτων κλασματικής τάξης τα οποία αποδεικνύουν την χρησιμότητά τους ειδικά όταν αυτά συγκρίνονται με τα αντίστοιχα κυκλώματα ακέραιης τάξης. Έτσι, υλοποιήθηκε ένα στάδιο προ-επεξαργασίας κατάλληλο για την υλοποίηση του Pan-Tompkins αλγορίθμου για την ανίχνευση του QRS συμπλέγματος ενός θορυβώδους ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ECG). Επίσης, υλοποιήθηκε ένα πολύ γνωστό μοντέλο (Cole-Cole model), το οποίο είναι ικανό να προσομοιώνει τη συμπεριφορά βιολογικών ιστών, αλλά προτάθηκε και μια πολύ απλή τεχνική χαρακτηρισμού κυκλωμάτων κλασματικής τάξης το οποίο είναι πολύ σημαντικό αν ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι είναι μια πολύ σημαντική διαδικασία που γενικά απαιτεί ένα πολύ ακριβό εξοπλισμό.

Chaos in a fractional-order Rössler system

2009 ◽  
Vol 42 (3) ◽  
pp. 1684-1691 ◽  
Author(s):  
Weiwei Zhang ◽  
Shangbo Zhou ◽  
Hua Li ◽  
Hao Zhu
Keyword(s):  
Fractional Order ◽  
Rossler System ◽  
Rössler System
Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document