STEHLÍK, J. Obvody s proudovou zpětnou vazbou pro zpracování analogových signálů [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2009.
Ing. Jiří Stehlík zahájil doktorské studium v roce 2003. Téma jeho práce Obvody s proudovou zpětnou vazbou pro zpracování analogových signálů se zabývá využitím prvků CFA, které najdou uplatnění v nové topologii univerzálního programovatelného pole pro zpracování signálu ve smíšeném módu. Během studia literatury se seznámil s výhodami obvodů využívajících proudovou zpětnou vazbu, které umožňují realizaci širokého spektra analogových bloků. Následně navrhl obvodovou realizaci prvku CFA v technologii CMOS. Svoje poznatky využil při aplikovaném výzkumu nových struktur inteligentních mikrosystémů v návaznosti na projekty GAAV, GAČR a výzkumný záměr MSM 00216 30503. Během řešení disertační práce a studia předmětů v dané odborné oblasti se zapojil i do výuky studentů v bakalářském a magisterském studiu zejména v předmětech BDOM, BNAO, MMEO. Při svém doktorském studiu a během řešení své disertace pan Ing. Jiří Stehlík prokázal, že je schopen vykonávat práci s charakterem vědecké činnosti. Jeho disertační práci proto doporučuji k obhajobě.
Ing. Zdeněk Bartoň, Ph.D. CEDO, spol. s r.o. Vídeňská 147, 619 00 Posudek doktorské disertační práce Doktorand: Ing. Stehlík Jiří Název práce: Obvody s proudovou zpětnou vazbou pro zpracování analogových signálů Oponent: Ing. Zdeněk Bartoň, Ph.D. Školitel: Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. Oponovaná disertační práce se zabývá významnou a aktuální tématikou návrhu mikro-elektronických integrovaných systémů, v tomto případě se zaměřuje hlavně na oblast zpracování analogových signálů z mikrosenzorů. Rozsah práce je 90 stran včetně příloh a je logicky rozčleněna do šesti hlavních kapitol. Práce obsahuje 37 odkazů na literaturu. K práci jsem zaujal níže uvedené stanovisko. Aktuálnost zvoleného tématu V současné době jsou inteligentní senzorické mikrosystémy oblastí s velmi prudkou dynamikou rozvoje. Nacházejí uplatnění v téměř libovolné oblasti lidské činnosti. V podstatě pokud máme senzor schopný detekovat a či snímat hlídanou veličinu či jev je možné aplikovat inteligentní mikrosystém. Z tohoto pohledu je téma předložené disertační práce, které se zabývá konfigurovatelným systémem pro vyhodnocení signálu ze senzoru, aktuální a plně odpovídá moderním trendům v oboru doktorského studia (Mikroelektronika a technologie) a přispívá k dalšímu rozvoji oblasti integrovaných mikrosenzorů. Cíle disertace Předložená práce se zabývá možnostmi zpracování analogových signálů senzorů s vy-užitím obvodů pracujících v proudovém či smíšeném módu. Hlavním cílem byl návrh a ově-ření nové struktury programovatelného analogového pole s obvody pracujících ve zmíněných režimech, což je disertabilním cílem práce. Tento cíl byl splněn návrhem, experimentální realizací a ověřením programovatelného analogového pole s možností digitálního řízení analogových funkcí. Práce je rozdělena do tří částí, které představují realizaci jednotlivých cílů a jsou formulovány následovně (str. 16 disertační práce): - nalezení vhodných obvodových struktur pro výše uvedené programovatelné pole, - experimentální realizaci a ověření vybraných struktur, - návrh, realizaci a testování programovatelného pole pro zpracování analogových signálů ze senzorů. Tyto cíle byly stanoveny na základě rozboru problematiky a aktuálních potřeb návrhu programovatelného analogového pole, jsou směrovány k získání nových poznatků a jsou tedy disertabilní. Metody zpracování, výsledky disertační práce a nové poznatky Práce je rozdělena do dvou celků (nepočítaje kapitoly 1 a 2, které se zabývají formulacemi cílů a rozborem současného stavu tématu, možná až příliš stručným), teoretický základ práce s kapitolou 3 a praktické části s kapitolami 4 až 5, kde je podrobně rozvedeno, jak byly jednotlivé cíle splněny. Kapitola 3 je systematicky dělena podle probíraných základních bloků na jednotlivé podkapitoly. Tyto podkapitoly se potom věnují analytickému popisu principu a odvození základních obvodových rovnic jednotlivých bloků, které lze využít v rámci obecného konfigurovatelného sytému pro zpracování analogového signálu. Kapitola 4 je zaměřena už na praktický návrh a realizaci bloku operačního zesilovače s proudovou zpětnou vazbou, který byl autorem vybrán jako prvek, ze kterého vycházejí všechny bloky popisované v kapitole 3. Jsou zde uvedené i výsledky měření realizovaných vzorků. Následující 5. kapitola popisuje principiální uspořádání univerzálního analogového programovatelného pole, které má plnit funkci konfigurovatelného systému pro zpracování signálu ze senzoru. Je zde uvedeno i blokové uspořádání autorem navrženého zjednodušeného vzorku pole, které byl následně zrealizován na experimentální desce plošných spojů. K to-muto vzorku doktorand navrhl i software v rámci laboratorního systému LABVIEW. Díky tomu mohl autor odměřit množství konfigurací tohoto vzorku a získané výsledky porovnat s teoretickými výsledky a simulacemi jednotlivých základních bloků uvedených v kapitole 3. Na tomto místě bych autorovi vytknul poněkud nevyvážené obsahové rozdělení zmiňovaných kapitol 3, 4 a 5. Kapitoly 4 a 5 jsou v porovnání s kapitolou 3 co do obsahu nepoměrně chudší a vzhledem k jejich zaměření je to určitě škoda. Zvláště, když je v materiálech příloh uvedeno poměrně značné množství materiálu vztahujícího se k těmto dvěma zmiňovaným kapitolám. Lze si tedy představit, že autor doktorand měl množství dalšího materiálu, který zde bohužel náležitě nevyužil. Disertant v práci postupoval od známých skutečností postupně k řešení vlastního disertabilního jádra práce. Ing. Stehlík využil znalostí teorie obvodů a metodiku návrhu integrovaných struktur za podpory příslušného matematického aparátu a programových prostředků. Ukázal, že umí využít i potenciál programovatelných laboratorních systémů jako je např. již zmiňovaný LABVIEW. Přínos práce z předložených výsledků (str. 68 práce) lze formulovat zejména v následujících disertabilních výsledcích pro teorii, praxi a aplikace: 1. nalezení vhodných obvodových struktur pro výše uvedené programovatelné pole 2. experimentální realizaci a ověření vybraných struktur 3. návrh, realizaci a testování programovatelného pole pro zpracování analogových signálů ze senzorů. Práce je realizována na 90 stranách, z toho je 17 stran příloh. Teoretické kapitoly 1, 2 a 3 jsou uvedeny na 45 stranách, kapitola 4 a 5 popisující praktické realizace a experimentální výsledky na 10 stranách, závěr návrh dalšího vývoje v kapitole 6 na 2 stranách. Největší pozornost je věnována kapitole 3, kde Ing. Stehlík představuje svůj ucelený soubor analogových bloků pro univerzální systémy zpracování analogových signálů a to včetně analýz a simulací těchto bloků. Znovu bych zde zdůraznil, že škodou je malý rozsah kapitoly 5, zabývající se praktickou realizací pole, kde je materiál v přílohách, při jeho přesunu a lepším zpracování by celek disertační práce působil vyváženěji. Na str. 70 a 71 je seznam 7 publikací, kde je Ing. Stehlík spoluautorem. Jde o jeden článek v knize (Springer), 4 příspěvky na významných zahraničních konferencích, jeden příspěvek na domácích konferenci a jedna výzkumná zpráva. Ve všech případech se články týkají problematiky související s disertační prací. Je tedy možné konstatovat, že Ing. Stehlík během doktorského studia se zapojil do výzkumné a vývojové práce a publikoval dosažené výsledky. Formální úpravě disertační práce a jazykové úrovni: Autor vytvořil práci vcelku srozumitelnou a jas-nou, ale dosti stručnou. Našel jsem jen několik ojedinělých překlepů. Vůči odbornému slohu a ter-minologii nemám námitek, slangové výrazy nejsou používány. Snad jen poznámka, že autor např. používá v práci pro napětí anglické V namísto U. Význam pro praxi nebo rozvoj vědního oboru: Přímý praktický přínos práce v této chvíli není příliš velký. A to hlavně z důvodu realizace pouze zjednodušené varianty programovatelné buňky zamýšleného systému, navíc pouze v diskrétní podobě. Nicméně potenciál zde určitě je, a to zejména pokud by se řešený systém podařilo úspěšně implementovat na čipu. V této formě se zamýšenou funkčností by celý systém byl určitě přínosem do oblasti inteligentních senzorických mikrosystémů. Z tohoto pohledu vidím celkový přínos předkládané práce kladně, a to včetně teoretické části, kde disertant představil soubor zakladních programovatelných analogových bloků včetně jejich podrobné analýzy a praktického ověření. Jako originální přínos pro praxi vidím také realizaci celého souboru bloků založených na obvodovém prvku pracujícím ve smíšeném režimu, který jde navíc využít jako proudový konvejor či operační zesilovač. Z hlediska přínosu práce pro aplikace lze konstatovat, že disertantem navržený ucelený řídicí systém společně s realizovanou deskou jednoduché varianty programovatelného pole je určitě nejdůležitější částí celé práce. Tento komplet lze využít v dalším vývoji v oblasti senzorických systémů a případně ho dále rozšiřovat. Shrnutí Oponovaná práce je zaměřena na teoretické a také praktické otázky návrhu programovatelného systému pro zpracování analogových signálů se zaměřením na signály ze senzorů. Z předložených materiálů vyplývá, že doktorand se uvedenou problematikou zabýval a seznámil se s potřebnými částmi technologie polovodičových struktur a návrhu integrovaných obvodů. Problematika byla dořešena do realizační fáze, byť praktický význam má v současné době pouze realizace v diskrétní podobě. Toto bylo vyváženo návrhem ovládacího a řídicího softwaru v rámci laboratorního systému LABVIEW, který lze dále rozšiřovat a využívat v dalším vývoji. V oponované práci nejsou patrny zásadní chyby teoretického charakteru. Disertace splňuje podmínky samostatné tvůrčí vědecké práce a obsahuje původní výsledky, které byly publikovány. Práce splňuje podmínky §47, odst. 4 zákona č. 111/98 Sb. a předpisů platných na Vysokém učení technickém v Brně. Proto doporučuji disertační práci Ing. Jiřího Stehlíka k obhajobě. V Brně dne 10.12.2009 Otázky: 1) Uveďte nějaké další realizace analogových polí a v čem jsou odlišné od Vašeho řešení. 2) Jaké jsou požadavky na signály ze senzorů a jaké má navržené pole omezení na maximální kmitočet a na rozkmit zpracovávaného signálu.
Prof. Ing. Tomáš D o s t á l, DrSc. Ústav radioelektroniky, FEKT VUT, Purkyňova 118, 612 00, Brno. Posudek doktorské disertační práce Doktorand: Ing. Jiří Stehlík. Název práce: Obvody s proudovou zpětnou vazbou pro zpracování analogových signálů. Školitel: Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. Studijní obor: Mikroelektronika a technologie Předložená doktorská disertační práce (DP) Ing. Jiřího Stehlíka má po formální stránce všechny náležitosti prováděcího předpisu pro zpracování DP. Obsahuje 57 stran základního textu, 17 stran příloh a několik dalších stran formálních požadavků. Ke zvolenému tématu: Námět DP odpovídá oboru disertace - mikroelektronika a technologie. Téma práce považuji za aktuální, i když zesilovače s proudovou zpětnou vazbou (CFA) jsou komerčně dostupné již dvě desetiletí a o těchto obvodech byla napsána celá řada publikací. Tyto funkční bloky jsou velmi rychlé a dovolují navrhnout vhodné aplikace i pro vyšší kmitočtová pásma (řádově desítky MHz). Jejich použití však vyžaduje specifické přístupy. Návrh nových aplikací CFA je i v současnosti předmětem zájmu odborné veřejnosti. Bylo třeba vybrat takovou oblast, ve které by doktorand svojí prací mohl přispět k dalšímu rozšíření dosud známých poznatků, a při tom to bylo v jeho silách. V úvodu DP si Ing. Stehlík vymezuje řešenou oblast na zpracování analogových signálů pouze ze senzorů. Pro mne dost nepřesvědčivě zdůvodňuje potřebu zvláštního přístupu a specifických požadavků na tyto aplikace, které vedou k použití CFA. Myslím, že na zpracování signálů ze senzorů by se daly vhodně využít i jiné funkční bloky. Název DP je tak daleko širší, než pak její obsah. Proudovou zpětnou vazbu lze použít i v dalších obvodech pro zpracování analogových signálů, ne jen s CFA. Ke stanoveným cílům: V kapitole 1 uchazeč provádí rozbor stavu dané problematiky, a to však ve velmi omezeném rozsahu a ne příliš výstižně. Tento přehled je důležitá část DP, která má dokladovat uchazečovy vědomosti a pomoci recenzentovi ohodnotit pak jeho podíl na řešení dané problematiky. O obvodech s CFA byla napsána celá řada článků i kapitol knih. Ty měl disertant nastudovat a z nich mohl čerpat náměty pro svoji DP. V seznamu použité literatury uvádí jen nepatrný zlomek těchto publikací a tvrdí, že další nepoužil, což mě silně zaráží. Bylo třeba, udělat si lepší rešerši na dané téma, abyste nevymýšlel věci, již dříve objevené. Nebo jste opomenul některé uvést? I na naši fakultě totiž vznikly pozoruhodné práce s tématikou CFA (Čajka, Vrba, Axman, Prokop, Šotner a další) včetně i již úspěšně obhájené DP (Vochyán). Navíc vámi zvolené aplikace CFA jsou de facto jen známé, případně modifikované, aplikace s tříbranovými proudovými konvejory CC II, takže i o nich měl být uveden hlubší rozbor současného stavu. Na základě nepříliš kvalitního rozboru (kap. 1), si pak Ing. Stehlík v kap. 2 stanovuje pro svoji DP tři základní cíle. Ty považuji za přiměřené, ale ne dost dobře formulované. Není zde jasně řečeno co se myslí pod pojmem návrh nového univerzálního prvku (166) a realizace vnitřních bloků (166). V souhrnu (s. 16) neuvedl ani hlavní cíl DP, který uvádí až v závěru (673), a to návrh, realizaci a experimentální ověření nové struktury programovatelného analogového pole s těmito bloky respektive s jejich subbloky - proudovými a napěťovými sledovači. Formulaci cílů měl doktorand věnovat větší péči. Předpis striktně požaduje, aby cíle DP byly vytýčeny jasně a konkrétně, aby se pak dalo jejich splnění recenzentem lehce ohodnotit. Cíle měly plynout z předchozího rozboru a měly specifikovat ty oblasti či úkoly, které v předchozí části byly uvedeny jako zatím neřešené, neprobádané, neaplikované. To ve vaši DP není v požadovaném rozsahu. Tuto kapitolu proto považuji za nejslabší část vaší DP. Zde mělo být také uvedeno, proč se dále omezíte jen na aplikace určitého typu CFA (s vyvedenou svorkou Z) a proč jiné funkční bloky nejsou (nebo jsou) vhodné. Proudová ZV, jejíž rozbor slibujete v názvu DP, je možná i u jiných obvodů a i s jinými funkčními bloky. Stanovené cíle by bylo vhodné ještě doplnit o podrobný rozbor a studium vlivu parazitních jevů v navržených reálných obvodech. Jako i rozbor vlivu dalších parametrů reálných CFA (RX, RO, CP, ZT(f)). Jakož i o toleranční a citlivostní analýzu, případně i analýzu šumu v těchto obvodech. Malou část těchto problémů nakonec doktorand ve své DP i řeší a to pouze neideálnost přenosu sledovačů ( 1, 1), ty jsou však navíc i kmitočtově závislé. K dosaženým výsledkům: Za hlavní a disertabilní přínos předložené DP Ing. Jiřího Stehlíka považuji návrh, realizaci a experimentální ověření nové struktury programovatelného analogového pole, s možností digitálního řízení parametrů požadovaných obvodových funkcí. Domnívám se, že toto zařízení bude možno použít obecněji na libovolné obvody, obsahující napěťové a proudové sledovače a to nejen pro obvody zpracovávající signály ze senzorů. V kap. 3 jsou uvedeny vybraná zapojení s minimálním počtem CFA. Menší počet aktivních prvků však podle mých zkušeností přináší větší vliv parazitních jevů, větší kmitočtovou závislost parametrů a přídavnou ztrátovost. Doktorand se omezil jen na některé obvody s CFA a to na aplikace vyžívající svorku (Z), výrobcem původně určenou ku kompenzaci. Moderní typy CFA však tuto svorku nemají (kompenzace je provedena ve vnitřní struktuře IO). Bylo by vhodné uvažovat i tyto modernější CFA a ověřit jejich další možné aplikace. Většina z uvedených zapojení byla již publikována nebo je mi známa z aplikací s CC II (např. zapojení na obr. 7). Proto při obhajobě uveďte, která z uvedených zapojení jste vymyslel přímo vy, která vhodně jen modifikoval, nebo přímo jen přebral. Předpokládám, že snad aspoň jste u každého uváděného zapojení provedl svoji kontrolní analýzu. V kap. 3.1 disertant uvádí SI a FDNR s jedním a dvěma CFA a to jak zemněné tak i plovoucí. Výtku mám k testovacímu obvodu na obr. 5, který přece nelze realizovat induktory z obr. 3, jak mylně uvádíte na s. 20. Preferované zapojení SI na obr. 3a je silně ztrátové. Aby tomu tak nebylo, musí R1 0. Pro dokonalý rozbor reálných SI a FDNR nestačí uvažovat jen neideálnost hodnot parametrů ( , ), ty jsou totiž navíc i kmitočtově závislé. Velký vliv budou mít i RX, RO a CP. Dále bylo nutno ověřit stabilitu těchto obvodů. Zajímalo by mě, jak získáte CFA(-) (Obr. 7 a 8). Kap. 3.2 je věnována obvodům 1. a 2. řádu s CFA a takový měl být i její název. Nesouhlasím s tvrzením v úvodu této kapitoly, že pro tyto aplikace lze s výhodou použít CFA. Ty umožní jenom zvětšit kmitočtový rozsah použitelnosti. Na druhé straně s realizací integrátorů využívající CFA jsou problémy, které jsou v literatuře podrobně rozebírány. S CFA není možno přímo použít klasický invertující integrátor s OZ nebo jakýkoliv obvod (např. ARC biquad), kde je kondenzátor připojen mezi bránami (o) a (x). V literatuře i v DP kolegy Vochyána, by jste pak našel vhodné způsoby jak tento problém řešit. V kap. 3.2 uváděné obvody jsou v podstatě jen modifikací známých zapojení s CC II, kdy se místo konvejoru se použije vstupní část CFA. Obvody uvedené v kap. 3.2.4 mají velkou nevýhodu v tom, že jejich činnost výrazně ovlivní zátěž na bráně (y). Výhodnější je výstup na bráně (o), kdy zátěž je oddělena napěťovým sledovačem. Takovéto obvody byly již publikovány. Bylo vhodné je ověřit. V dalších kapitolách této části DP jsou vybrány vhodné obvodové struktury všepropustných fázovacích dvojbranů (kap. 3.3), multifunkčních filtrů 2. řádu (kap. 3.4) a oscilátorů (kap. 3.5). Zde mne zaujala zapojení napětím přelaďovaných oscilátorů (Obr. 32, Obr. 33), kde jsou vedle dvou CFA použity analogové násobičky pro řízení časových konstant. Hlavně pak obvod na obr. 35 vyznačující se lineární závislostí změny kmitočtu na řídícím napětí, což bylo simulacemi ověřeno. V předchozích odstavcích hodnocená první část vlastní práce podává jistý, ne však vyčerpávající, přehled o obvodech s CFA, které lze využít pro zpracování signálů. V druhé části DP, tvořené kap. 4 a 5, je podle mého názoru disertabilní jádro předložené DP. Je zde stručně, a ne příliš výstižně, popsán návrh, realizace a ověření velmi užitečného experimentálního pracoviště pro studium vlastností obvodů s CFA, které byly uvedeny v první části DP. Ani zpracování této části však doktorand nevěnoval odpovídající pozornost. Tato část měla být šíře a lépe zpracována (vždyť zde prodáváte svou práci!). Popis vlastního konfigurovatelného bloku s CFA (CAB) není jasný, na obr. 45 chybí označení spínačů, korespondující s Tab. 5. Není zde vysvětlena značka spínače v trojúhelníku. Podrobněji mělo být popsáno i navržené programovatelné pole. Jedna ukázka dosažených výsledků je málo. Doporučuji vám, věnovat prezentaci této části práce při obhajobě největší pozornost. K formě zpracování DP: " Neurčitý způsob vyjadřování v 3. osobě trpným rodem, např. bylo navrženo, odvozeno ověřeno apod., jen zamlžuje váš přínos a do práce tohoto druhu se vůbec nehodí. Proto aspoň u obhajoby používejte 1. osobu jednotného čísla a jasně formulujte svůj přínos. " Za hrubý prohřešek považuji, že u použitých zapojení neuvádíte jejich původ. I na dalších místech chybí důsledná citace. Např. při prezentaci přebíraných výsledků analýz. Pokud to byla vaše práce, tak bylo nutné to uvést zároveň i se způsobem získání (např. programem SNAP jsem odvodil). " Grafická úroveň zpracování DP je velmi pěkná. Proč však na obr. 3 jsou jiné značky CFA? Na obr. 45 nejsou označeny spínače. " Nechápu, proč v cílech práce uvádíte blokové schéma senzorického systému na čipu (Obr. 1), to snad mělo být až v další kapitole. " Překlepů je jen nepatrně, např. místo FNDR (175) má být FDNR. " Tabulku nedáváme do textu (s. 20), v textu se na ni odvoláváme (stejně jako na obr.). " Vzorce i odrážky mají být v češtině součástí věty. U vzorců a většiny odrážek uvedených v DP však chybí čárky nebo tečky. " Proč uvádíte jméno Zdeňka Novotného v citacích [1], [4], [32], on je vydavatel? " V některých částech DP vaše odborné vyjadřování trochu skřípe, např.: "největší induktor" (197), "elektrický symbol" (172), "fázová odezva" (4210) aj. V obr. 35 není návrh, ale schéma obvodu. " Některé přílohy mohly být zapracovány přímo v textu, na jiné jste se měl v textu lépe odvolávat. Otázky k obhajobě: 1. Rozeberte (více a konkrétněji než v DP) specifické požadavky na zpracování signálů ze senzorů. Zdůvodněte nutnost použití proudové ZV a CFA. 2. Uveďte vlastnosti a definujte následující funkční bloky: proudový zesilovač, proudový operační zesilovač, zesilovač v proudovém módu, zesilovač s proudovou zpětnou vazbou a transimpedanční zesilovač. 3. Co výrobci doporučují při aplikaci CFA? 4. Proč se nedá použít klasický Millerův integrátor a jaké opatření byla v literatuře navržena? 5. Popište zapojení integrátoru s CFA typu Deboo. 6. Jak, kde a co hodláte publikovat ze své DP? Původní myšlenky by měly vyústit v článek v odborném časopisu. Závěr Disertační práce Ing. Jiřího Stehlíka splnila stanovené cíle, má všechny náležitosti prováděcího předpisu a obsahuje určité, původní myšlenky a proto ji doporučuji přijat k obhajobě. Zde by měl uchazeč více zdůraznit svůj osobní podíl na řešení dané problematiky a vhodně reagovat na mé podstatné připomínky a dotazy. Ing. Jiří Stehlík prokázal, že je schopen tvůrčí vědecké práce. Některé nové poznatky publikoval jako spoluautor příspěvků na konferencích a podílel se i na tvorbě výzkumných zpráv. V Brně dne 14. prosince 2009
eVSKP id 28473