بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله مدار تولید کننده تابع عضویت فازي با استفاده از OTA و مدار MIN,MAX در مد جریان ارائه شده است. توانایی تولید توابع مثلثی ,ذوزنقه اي S, شکل و Z شکل بصورت کاملاً خطی براي کاربردهاي برنامه ریزي عصبی فازي با کنترل ولتاژ در نظر گرفته شده است. مدار با یک ساختار ساده داراي رنج دینامیکی بالا و توان مصرفی پایین و در اندازه کوچک با سرعت و دقت بالا طراحی شده است. در پایان نیز نتایج شبیه سازي شده با - 49 LEVEL - Hspice با ابعاد استاندارد 0.35 m ارائه شده که ابعاد مدار در سطح برابر 36 m×5 m شده است.
کلمات کلیدي: کنترل فازي - - FLC - فاز عصبی - - OTA مدار تابع عضویت
-1مقدمه
کنترل فازي - FLC - براي سیستم هاي کنترلی مختلفی که نیاز به مدلهاي ریاضی دقیقی ندارند مورد استفاده قرار می گیرد که می تواند بصورت نرم افزار یا سخت افزار باشد. روش نرم افزاري در جایی که سرعت و ظرفیت مانند سیستم هاي فازي عصبی اهمیت چندانی ندارند مورد استفاده قرار می گیرند لذا سیستم نرم افزاري براي سرعت هاي بالا کاربرد نداشته و براي حل این مشکل باید از روش طراحی سخت افزاري استفاده نمود. دلیل بالا بودن سرعت سیستمهاي سخت افزاري در مقایسه با نرم افزاري استفاده از ساختارهاي موازي با سرعت بالا بوده که تنها محدودیت سرعت آنها به دلیل تأخیر انتقال سیگنال در سیستم می باشد که تعداد ترانزیستورها و حجم کم نیز در مقایسه با روش نرم افزاري باعث بالاتر بودن سرعت این روش خواهد شد.
در این مقاله چهار نوع تابع عضویت که با استفاده از OTA تولید شده مورد بررسی قرار می گیرد. سیستم هاي کنترل فازي موجود داراي مزایا و معایبی می باشد. مدارهاي فازي ارائه شده در رفرنس [3] و [5] قادر به تولید تابع سیگما نمی باشد و تولید همزمان چند خروجی باعث افزایش توان مصرفی و مساحت اجرایی می شود. در مدار ارائه شده در رفرنس [3] علاوه بر افزایش تعداد ترانزیستورها براي افزایش خروجی, مصرف توان و مساحت نیز بیشتر است. مدار فازي ارائه شده در این مقاله یک مدار بر اساس OTA همراه با مدار MIN,MAXمی باشد که علاوه بر داشتن انعطاف پذیري در برنامه ریزي داراي دقت و رنج دینامیکی بالا و توان مصرفی پایین با مدار ساده تر می باشد. ساختار OTA در بخش دوم و نحوه تولید و تغییر مدار شیب نیز در قسمت سوم و چهارم مورد بررسی قرار گرفته است. مدارهاي MIN,MAX و شبیه سازي آنها در بخش پنجم و نتیجه گیري در بخش ششم ارائه شده است.
-2 ساختار OTA
عمدتاً مدارهاي فازي از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند. مدار تابع عضویت - - FUZZIFIER اعمال قوانین فازي با مدارهاي Singletone و در این مقاله چهار نوع تابع فازي مثلثی , ذوزنقه اي S, شکل و Z شکل انجام شده است. براي تولید توابع بلوك هاي شکل 1 موارد زیر , انجام می گردد. براي تولید توابع عضویت S‐ shape و Z‐shape در بلوك سوم، خروجی مدار OTA را از مدار MIN,MAX می گذاریم.
-3 مدار تابع عضویت:
-A مدار شیب
مدار شکل 3 براي تولید تابع شیب خطی طراحی شده است. ترانزیستورهاي M3،M4،M5و M6 بعنوان یک بافر براي شیفت رجیستر در محور افقی استفاده شده است. ترانزیستورهاي M3 و M6با ولتاژ پیوند گیت سورس ,Vbجریانی را تولید می کنند که از ترانزیستورهاي M4 و M5 خواهد گذشت بنابراین اختلاف ولتاژ پیوند گیت سورس ترانزیستورهاي M4 و M5 برابر Vb بود در مدار شکل 2 اندازه ترانزیستورn2,M2 برابر ترانزیستور M1 می باشد n - نسبت ولتاژ ورودي می باشد - و اندازه دیگر ترانزیستورها بصورت قرینه قرار داده شده است. اندازه ترانزیستورهاي Mload و M7 و M8 نیز قرینه می باشد - با فراهم کردن bulk براي جداسازي ترانزیستورهاي ,NMOSاز PMOS نیز میتوان استفاده کرد - . در این مدار ولتاژ اعمال شده به گیت M1 جریانی با رابطه غیر خطی با ولتاژ سورس ایجاد می کند و جریان تولید شده توسط ترانزیستور M2 به گونه اي طراحی شده که با قسمت غیر خطی ترانزیستور M1 برابر باشد.
بنابراین جریان آینه اي M7 و M3 از جریان M1 کاسته میشود و قسمت خطی جریان M1 وارد ترانزیستور Mload خواهد شد در این حالت نسبت جریان بصورت زیر خواهد بود: جریان I2 وارد M8 شده و در M7 قرینه و آینه می شود. در این رابطه جریان Iload بصورت خطی با Vi تغییر می کند که Vb باعث شیفت در محور افقی شده و Id باعث شیفت در محور عمودي خواهد شد. براي تعیین مقدار شیب تابع عضویت ساخته شده به کمک OTA از دو روش می توانیم استفاده کنیم. می توان در زمان ساخت با تغییر در سایز و اندازه ترانزیستورها این کار را انجام داد و همینطور با تغییر ولتاژ کنترل شیب را تنظیم کرد که این کار با تغییر ولتاژ ترشلد با اعمال ولتاژ به Bulk ترانزیستورهاي M1 و M2 امکانپذیر می باشد. براي ایجاد شیب منفی ,خروجی مدار سوم را از یک مقدار ثابت کاهش می دهیم. با طراحی مناسب تر سایز ترانزیستورها می توان مدار خطی تري از لحاظ شیب بدست آورد. در شبیه سازي شکل 5 تغییرات شیب جریان با افزایش ولتاژ Bulkنشان داده شده است که با افزایش ولتاژbulk ,شیب کافی پیدا کرده است ولی با تغییرات زیاد ولتاژ ,bulkخروجی غیرخطی می شود لذا دامنه تغییرات نباید زیاد باشد. رابطه بین ولتاژ بالک سورس و ولتاژ ترشلد بصورت زیر می باشد.
-4 بلوك مدارMIN,MAX
1-4 مدار MAX
این مدار می تواند ورودي هاي مختلفی داشته باشد. مکانیزم مدار به این صورت است که وقتی جریان Iin1 بزرگتر از Iin2 باشد ولتاژ گره Aو متعاقباً گرههاي B و C افزایش می یابد. در صورتی که جریانIin1 کمتر از Iin2 فرض شود ولتاژ گره هاي D و E کمتر از گرههاي A و B خواهد شد. بنابراین به دلیل ولتاژ کم مابین درین و سورس ,M3این ترانزیستور وارد ناحیه خطی می شود و M7 نیز به دلیل ولتاژ کم مابین گیت سورس آن در ناحیه قطع خواهد بود و حداکثر جریان از M5 به خروجی منتقل می شود. اگر جریان تفاضلی ورودي پایین باشد M3 می تواند در ناحیه فعال کار کرده و مدار فقط بعنوان مدار Max عمل خواهد کرد و جریان تفاضلی با کاهش ولتاژ بین درین سورسM3 جبران سازي می شود.
