Aralık Değerli Tip-2 Bulanık Mantık Sistemleri İçin Yüksek Başarımlı Cmos Devre Tasarımı

Abstract

Bulanık küme teorisinin ilk olarak Lotfi A. Zadeh tarafından 1965 yılında ortaya atılması ile birlikte, keskin olmayan verilerin işlenmesi için sistematik bir yöntem olan bulanık mantıksal sistemler geliştirilmiştir. Klasik mantıksal sistemlerinin temeli “yanlış” ve “doğru” elemanlarından oluşan iki değerli kümeler iken, bulanık mantık sistemleri [0, 1] kapalı aralığında sürekli değerler alabilen çok değerli sistemlerdir. [0, 1] kümesinin sınır noktaları olan 0 ve 1 değerleri, sırasıyla klasik mantıksal sistemlerindeki “yanlış” ve “doğru” durumuna karşı gelmektedir. Bu çok değerli yaklaşım gerçek dünyada karşılaşılan bilginin genelde muğlak olması, keskin olmaması nedeniyle, fiziksel sistemlerin tanımlanmasında çok yararlı olmaktadır. Bulanık mantık tabanlı denetleyici sistemler, kısaca bulanık mantık denetleyicileri olarak adlandırılmaktadır. Bulanık mantık denetleyicileri işaret işleme, örüntü tanıma, sınıflandırma ve sistem modelleme gibi farklı mühendislik sistemlerinin analizinde kullanılmaktadır. Buna karşın bulanık mantığın en önemli mühendislik uygulaması, kontrol sistemlerinde olmuştur. Farklı sistemlerin denetlenmesi için hem yazılım tabanlı, hem de donanım tabanlı farklı bulanık denetleyiciler geliştirilmiştir. Bulanık küme işlemlerinin paralel işleme ve yoğun hesaplamalara imkan veren yapısından dolayı, bu tür sistemler özel donanım kullanılarak etkin bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Bu doğrultuda, bulanık denetleyicilerin yüksek başarımlı gerçeklenmeleri için, CMOS, BJT ve BiCMOS entegre devre teknolojileri ile özel tümdevre tasarımları geliştirilmiştir. Literatürde, iki ana bulanık mantıksal denetleyici sınıfı bulunmaktadır. Bunlardan tip-1 bulanık mantıksal denetleyicilerinde üyelik fonksiyonları tamamen belirlidir. Literatürde, bu konuda çok fazla çalışma yapılmıştır. İkinci grup denetleyiciler tip-2 tür denetleyici olarak adlandırılmaktadır ki, bu yapılarda üyelik fonksiyonları da bulanık fonksiyonlardır. Gerçekte, tip-1 bulanık mantık denetleyicileri, tip-2 türü denetleyicilerin özel hali olarak elde edilebilmektedir. Deneysel sonuçlar, tip-2 türü denetleyicilerin kullanılmasıyla, daha yüksek başarımın sağlandığını göstermektedir. Bunun temel nedeni, tip-2 türü denetleyicilerin yüksek serbestlik derecesine sahip üyelik fonksiyonları içermesi ve bu sayede sistemdeki belirsizliğin daha iyi yönetilebilmesidir. Literatürde, tip-2 tür bulanık denetleyicilerin gerçekleştirilmesi için sınırlı sayıda çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmalarda da, tüm sistemin özel alt blokları ele alınmıştır. Bu tezde, bu türden bir denetleyicinin içerdiği temel blokların yüksek başarımlı donanımsal gerçeklemesi üzerinde yoğunlaşılmıştır. Tip-2 türü bulanık mantık denetleyicilerinin gerçeklenmesine üç farklı açıdan yaklaşılabilir: analog, sayısal veya karmaşık mod. Hangi yaklaşımın seçileceği, uygulamanın gerektirdiği şartlara bağlı olup, her yaklaşımın kendine göre üstünlük ve zayıflıkları bulunmaktadır. Analog denetleyiciler, sürekli-zamanlı olarak çalışmakta olup, sürekli zamanlı işaretler olan sensör ve aktuatörler çıkışları ile tam uyumlu çalışabilmektedir. Bu sayede, doğal olarak bulanık olan analog işaretleri işlemede etkin olarak kullanılabilirler. Buna karşın, analog devrelerin sayısal devrelere göre en önemli zayıflığı, esnek yapıda ve uyarlanabilir olmamasıdır. Programlanabilir ve esnek yapıda olmaları, sayısal bulanık mantık denetleyici gerçeklemelerin en temel üstünlüğü olarak ortaya çıkmaktadır. Bu gerçeklemeler genelde çok kullanıcılı, çok amaçlı sistem uygulamaları için kullanılır. Sayısal sistemlerde çok fazla sayıda üyelik fonksiyonları, bulanık işlemciler yer almaktadır. Öte yandan, bulanık vektörlerin ve paralel sistemlerin gösterilimi yüksek hızlı ve doğruluklu işlem gücü gerektirmektedir. Yaygın olarak bulanık mantık işlemleri ancak çok karmaşık VLSI sayısal devreler ile gerçeklenebilmektedir. Sayısal bulanık denetleyicilerin bu karmaşık yapısı yüzünden ortaya çıkan yüksek güç sarfiyatı, bu yaklaşımın en temel sorunu olarak ortaya çıkmaktadır. Buna karşın, sayısal ve analog sistemlerin farklı açıdan birbirlerine göre üstün olan yanlarını birarada kullanmak için, bu iki yaklaşımı tek bir kırmık içinde bir araya getirmek yararlı bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Üyelik fonksiyonlarına ilişkin parametrelerinin saklı olduğu özel alanlardan oluşan sayısal hafıza modülleri kullanılarak, bulanık bilgi programlanabilir hale getirilebilmektedir. Bu tezde, sayısal ve analog yaklaşımın bir arada kullanıldığı, karmaşık tür bulanık devre gerçeklemesine yönelik çalışmalar yer almaktadır. Tasarımda kullanılan elektrik büyüklüğe göre, bulanık mantık denetleyicileri gerilim-modlu ve akım-modlu olarak iki ana grup altında sınıflandırılabilir: Akım-modlu devrelerin yüksek frekanslı çalışmaya uygun olma, düşük güç tüketimi ve basit iç yapı gibi özellikleri sayesinde, son on yılda bu tür devrelerin tasarımı konusunda çok fazla çalışma yer almıştır. Bu yaklaşımın diğer bir üstünlüğü, akım ile bilginin işlenmesi sayesinde, üretim belirsizliklerinin ve malzeme eşleşme hatalarının olumsuz etkilerinin azalmasıdır. Akım-modlu temel mantıksal hücreler, gerilim-modlu olarak gerçekleştirilemeyecek kadar iyi lineer davranışa sahiptir. Ayrıca, gerilim-modlu devrelerin aksine, akım-modlu devreler ile toplama ve çıkarma işlemleri kolaylıkla gerçeklenebilmektedir. Bu üstünlükleri dikkate alınarak, bu tezde bulanık mantık denetleyicisinde kullanılan devrelerin tasarımında akım-modlu yapılar üzerinde çalışılmıştır. Tez iki ana kısımdan oluşmaktadır: ilk kısım tip-2 bulanık mantık sistemler için yüksek başarımlı devrelerin tasarımı ile ilgilidir. Bu doğrultuda, literatürde ilk defa analog bir elmas-türü tip-2 üyelik fonksiyonu tasarlanmıştır. Elde edilen devrenin tüm eğimleri programlanabilir olduğundan, sistem tasarımcısı üçgen, trapez türü gibi farklı tip-2 üyelik fonksiyonlarına ilişkin devre gerçeklemelerini de bu yapıyı düzenleyerek kolaylıkla elde edebilmektedir. Takip eden bölümde akım modlu kaybeden-hepsini-alır (loser-take-all) devresi önerilmiştir. Bu devre her giriş için yeni bir hücre ekleyerek geliştirilebilen bir mimaride olup, özellikle çok girişli devre gerçeklemelerine uygundur. Yüksek hızlı geribesleme yapısı sayesinde, girişlere uygulanabilecek işaretlerin alt sınırları belirlenmiştir. Ayrıca, devrenin giriş dinamik aralığı, kullanılan kutuplama akımlarının değerleri ile etkin bir şekilde ayarlanabilmektedir. Bunun dışında önerilen diğer bir devre, dört-bölgeli analog çarpma devresidir. Bu devrenin en temel üstünlüğü, başarımının transistorlerin gövde etkilerine, bir başka deyişle eşik gerilimindeki sapmalara daha az duyarlı olmasıdır. Devrede kullanılan translineer yapı sayesinde, devrenin diğer üstünlükleri yüksek lineerlik, yüksek doğruluk ve geniş dinamik aralık olarak ortaya çıkmıştır. Buna ilave olarak, devrenin translineer çevrimlerde yer alan transistorların eşik gerilimlerindeki eşleşme hatalarına olan duyarlığı da incelenmiştir. Devrenin yüksek başarımını göstermek amacıyla, devre dengeli modülatör ve frekans çiftleyici olarak çalıştırılmış ve yüksek başarımı doğrulanmıştır. Bunu takiben, bulanık mantık denetleyicisinde durulaştırıcı blok olarak kullanılabilecek yeni bir lineerliği iyileştirilmiş OTA yapısı önerilmiştir. Bu devrenin hem lineer, hem de lineer olmayan temel blokların gerçeklenmesinde nasıl kullanılabileceği araştırılmış, benzetim sonuçlarından devrenin geniş bir işaret aralığında sabit bir geçiş iletkenliğine sahip olduğu görülmüştür. Bu sayede, devre yüksek doğruluklu işlem devrelerinde kullanılabilecektir. Önerilen devrenin bir diğer avantajı geçiş iletkenliğinin kutuplama akımı ile doğrusal olarak ayarlanabilmesidir. Basit iç yapısı sayesinde, devre düşük güç harcamasına sahiptir. Tezin ikinci kısmında, tip-2 mantıksal denetleyicinin, birinci kısımda elde edilen devreler ile gerçeklenmesi konusu ele alınmıştır. Akım-modlu iki giriş ve tek çıkışlı tip-2 Takagi-Sugeno-Kang türünden bulanık mantık denetleyicisi CMOS teknolojisinde gerçeklenmiştir. Karmaşık analog/sayısal modlu gerçekleme sistemin hem düşük güç sarfiyatına sahip olmasını, hem de programlanabilir ve ayarlanabilir olmasını sağlamıştır. 0.35 µm standard CMOS prosesi tabanlı HSPICE benzetim sonuçları denetleyicinin beklentilere uygun olarak etkin bir şekilde çalıştığını göstermiştir.

Fuzzy logic has been applied to many fields, from control theory to artificial intelligence. The main application of fuzzy logic in engineering is in the area of control systems. In order to do this, fuzzy logic controllers have been proposed to control various systems implemented either in hardware or software. Due to the nature of fuzzy inference system computations, like possibility of parallel processing and its intensive calculations, the system is more appropriate to be implemented on a specialized hardware. Following that, many fuzzy logic controllers have been especially designed and implemented for different applications. On the basis of fuzzy logic controllers type, two groups of fuzzy logic systems exist in the literature: type-1 fuzzy logic controller in which membership functions are totally certain. There are numerous number of works which have presented in this classification. The second group is called type-2 fuzzy logic controller in which membership functions are themselves fuzzy. There are limited implementation of type-2 controllers, while they have realized particular blocks of the whole system. Therefor the dissertation will focus on this type of fuzzy logic controller. The concept of type-2 fuzzy logic systems are the extension of the type-1 fuzzy logic systems which were first introduced by Zadeh. Experiments show that the type-2 fuzzy logic system may achieve better performance in comparison with type-1 fuzzy logic system because of the additional degree of freedom in their membership functions. The dissertation consists of two main parts: first part will focus on the designing of high-performance circuits for type-2 fuzzy logic systems. In this regard, a diamond-shaped type-2 membership function is designed and implemented for a first time. Since the designed circuit is programmable in terms of slopes, upper and lower modal points, so the expert of the system can create other shapes of type-2 membership functions including rectangular, rhombus, triangular and trapezoidal. A current-mode loser-take-all circuit is presented in the next section. The proposed circuit consists of a basic cell which allows implementation of a multi-input configuration by repeating the cell for each additional input. A high-speed feedback structure is employed to determine the minimum current among the applied inputs. Additionally, input dynamic range of the circuit can be efficiently controlled via the biasing current. Another designed circuit is a new CMOS four-quadrant analog multiplier. High linearity, high precision and a wide dynamic range originating from the dual-translinear loop configuration are advantages of the circuit. Following that, the applicability of a new linearly tunable OTA as a basic building block for implementation of computational circuits either linear or nonlinear functions is investigated. The proposed transconductance amplifier provides a constant Gm over a wide range of input voltage which allows the implementation of high precision computational circuits. In addition, the proposed linearly tunable OTA behaves as a bipolar OTA in which its transconductance is linearly tuned by the bias current, therefore all of the bipolar based OTA configurations can be easily replaced by the CMOS linearly tunable OTA, while their performance nearly remains the same. Second part of the dissertation deals with realization of type-2 fuzzy logic controller using designed circuits in the first part. A current-mode two-input, single-output Takagi-Sugeno-Kang type-2 fuzzy logic controller is implemented in CMOS technology. Mixed analog/digital realization of the controller makes the design programmable and tunable (as the advantage of digital realization), while having relatively low power consumption (as the advantage of analog design), thus it can be programmed to employ in various applications. Simulation results of the controller are presented using HSPICE and level 49 parameters (BSIM3v3) in 0.35 µm technology. In order to compare the simulation results of the controller with the ideal functionality, the controller is programmed with a particular set of parameters. The simulation results are compared with the ideal results to prove the efficiency of the controller.