Metamutator: Its realizations and its applications

Abstract

Leon Chua'nın 1971 yılında memristorları, onları kullanarak gerçeklemesinden sonra mutatorlar ilgi odağı olmaya başladılar. Mutatorların bu kadar ilgi çekmelerinin nedeni, kolay gerçeklenebilir 2-kapılılar olmalarının yanı sıra piyasada bulunmayan yeni ortaya atılmış memristor gibi, ya da bobin benzeri entegre devre teknolojisi ile uyumlu olmayan elemanların mutator devreleri kullanarak simüle/emüle edilebilmesidir.Diğer yandan, literatürde 2-kapılılar ile elemanlar simüle/emüle edilirken, kişiler farkına varmadan çoğu zaman genelleştirilmiş mutator benzeri bir 4-kapılı yapı kullanmışlardır. Altta yatan bu gizli 4-kapılılar ve bunların iki kapıları uygun sonlandırıldığında diğer iki kapıdan mutator gibi davranmaları, metamutator adının takılmasına neden olmuştur. Bu tezde metamutatorun, farkına varılmayan gerçeklenmeleri yanı sıra, yeni geliştirilmiş bir veya iki aktif elemanlı devreleri verilmiş ve sadece on iki tranzistor kullanılarak yeni tasarlanmış bir toplayıcı ve çıkarıcı entegre devresi ile (AD-IC) bu devre tabanlı bir metamutator tanıtılmıştır.Ayrıca metamutator kullanarak çeşitli 1-kapılı ve 2-kapılı gerçeklemeleri ile bunların birçok farklı uygulamaları tanıtılmıştır. 1 kapılı devre gerçeklemeleri ile yapılmış uygulamalara örnek olarak, endüktans simülatörü, kapasitans çarpım devresi, frekansa bağlı negatif direnç (FDNR), osilatörler ve yüzer veya topraklanmış empedans dönüştürme uygulamaları tanıtılıp simülasyonları yapılmıştır. 2 kapılı olarak yapılmış uygulamalara örnek olarak: transkondüktans/transempedans kuvvetlendiricileri, gerilim modlu çok girişli tek çıkışlı (VM-MISO) ve akım modlu tek girişli çok çıkışlı (CM-SIMO) evrensel süzgeçlerin uygulamaları yapılmıştır. Ayrıca, bu tezde AD-IC tabanlı iki farklı uygulama da önerilmiştir. Birincisi AD-IC tabanlı analog çarpma devresi, ikincisi AD-IC tabanlı tam dalga doğrultucu devresidir.

Mutators became very popular after 1971, when Leon Chua realized the memristor, his postulated fourth circuit element, using them. The reason for the popularity of mutators, which are easily realizable 2-port devices, lies in the fact that they render possible the simulation/emulation of, hence experimentation with, postulated non-existing (not off the shelf available) elements like memstors .On the other hand, in the literature when simulating/emulating elements with 2-ports, many 4-port `generalized mutator-like` realizations that nobody has been able to identify are being used. These underlying 4-ports, and their ability to act as a mutator when two of the ports are properly terminated, have been thus named metamutator. In this thesis, in addition to introducing some of metamutator realizations, newly designed metamutator circuits with one or two active devices are introduced. Also, a new active device, with only twelve transistors, named Additive and Differential IC (AD-IC), is proposed with its layout and use in metamutator circuit design.In addition, many 1-port and 2-port circuit realizations using metamutators have been introduced. 1-port applications are memstor simulation/emulation, floating and/or grounded impedance scaling which comprise inductance simulation, capacitance multiplication, oscillators and Frequency Dependent Negative Resistor (FDNR) simulation. 2- port applications cover Voltage Mode Multiple Input Single Output (VM-MISO) and Current Mode Single Input Multiple Output (CM-SIMO) universal filters and implementations of transconductance and transimpedance amplifiers.Also, two different applications of AD-IC: AD-IC based analog multiplier and AD-IC based full-wave rectifier are proposed in the thesis.