VLF-MF UYGULAMALARI İÇİN TAMSAYI VE KESİR-MERTEBELİ AKIM-MODLU SÜZGEÇ TASARIMLARININ GERÇEKLEŞTİRİLMESİ

Abstract

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 MonteCarlo 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.