Dr hab. inż. Stanisław Szczepański, prof. nadzw. PG Katedra

Dr hab. inż. Stanisław Szczepański, prof. nadzw. PG
Katedra Systemów Mikroelektronicznych
Wydział Elektroniki Telekomunikacji i Informatyki
Politechnika Gdańska
Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Piotra Katarzyńskiego
pt. „VHDL-AMS Language in Synthesis of Gyrator-Capacitor Filters”
Celem niniejszej rozprawy jest opracowanie zaawansowanego systemu komputerowo
wspomaganego projektowania w elektronice ang. Electronic Design Automation (EDA).
Proponowany system wraz z zestawem dedykowanych narzędzi programowych przeznaczony
jest do automatyzacji wczesnych etapów procesów syntezy oraz projektowania analogowych
scalonych filtrów aktywnych typu żyratorowo-pojemnościowego.
Od wielu lat liczne ośrodki naukowe na świecie prowadzą intensywne badania w
zakresie rozwoju różnorodnych metod syntezy oraz efektywnych procedur automatycznego
projektowania zarówno analogowych jak i cyfrowych układów scalonych. Można
zaobserwować, że z postępującym rozwojem współczesnych technologii monolitycznych
utrzymuje się stała tendencja do powiększania skali integracji układów scalonych, obecnie
największe z nich osiągają granicę jednego miliarda tranzystorów. Czynnik ten dodatkowo
wymusza potrzebę tworzenia nowych bardziej wydajnych narzędzi programowych do
automatyzacji systemów i środowisk projektowania. Można też zauważyć, że w procesie
syntezy, implementacji i testowania scalonych układów cyfrowych od wielu lat w sposób
dominujący wykorzystywane są dwa standardy języków opisu sprzętu: Verilog i Very High
Speed Integrated Circuits Hardware Description Language (VHDL). Podobnie dla scalonych
układów analogowych takim standardem, jednak głównie wykorzystywanym w procesie
symulacji, pozostaje język o nazwie VHDL-AMS.
Jak wskazują doniesienia literaturowe ostatnich lat, w badaniach dotyczących układów
analogowych, w tym również analogowych filtrów aktywnych, duży nacisk kładziono na
problemy modelowania matematycznego i rozwoju różnych metod analizy symbolicznej.
Obecnie dostępne narzędzia programowe tego typu, obok modułów analizy symbolicznej w
zakresie liniowym, często mają wbudowane dodatkowe moduły np. symbolicznej analizy
zniekształceń nieliniowych, analizy pasożytniczych sprzężeń podłożowych itp. W dużym też
stopniu rozwijano metody projektowania z wykorzystaniem zaawansowanych algorytmów
optymalizacyjnych, w szczególności dotyczy to układów analogowych dla zakresu wyższych
częstotliwości. Aktualnie również mocno akcentowana jest potrzeba tworzenia nowych
zintegrowanych narzędzi do automatyzacji i komputerowego wspomagania projektowania
układów mieszanych tzn. analogowo-cyfrowych. Wiele współczesnych układów scalonych
tego typu jest realizowanych jako układy „System on Chip” (SoC), gdzie na jednym podłożu
realizowane są np. bloki procesorowe i logiki programowalnej oraz moduły analogowe.
Rozwój nowych narzędzi programowych z wykorzystaniem języków z grupy HDL (ang.
Hardware Description Language) w tym języka VHDL-AMS jest w pełni uzasadniony, tym
bardziej, że klasyczne narzędzia takie jak np. Spice, Matlab, Spectre w niewystarczającym
stopniu uwzględniają specyfikę syntezy, projektowania i realizacji scalonych filtrów
aktywnych analogowych.
W mojej ocenie tematyka niniejszej rozprawy jest aktualna i ma bardzo duże
znaczenie praktyczne. Ostatnio obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania tą
problematyką, co potwierdzają liczne również przytoczone w pracy publikacje. Główna teza
rozprawy została trafnie i jasno sformułowana w sposób następujący: „Istnieje możliwość
adaptacji języka VHDL-AMS do komputerowo-zautomatyzowanego opisu prototypów
filtrów typu SISO górno- i dolno przepustowych jak również par filtrów opisanych w
domenie analogowej”.
Generalnie, autor pracy w zasadniczych rozdziałach koncentruje się na opracowaniu
funkcjonalnych modułów dla proponowanego systemu zgodnie z wymaganiami środowiska
EDA. W tym sensie dokonuje też wyboru odpowiednich algorytmów dla zapewnienia
wymaganego poziomu automatyzacji poszczególnych etapów projektowania filtrów. W
rozdziale pierwszym krótko zaprezentowano przegląd narzędzi EDA w ich historycznym
rozwoju oraz ich podział dla poszczególnych zastosowań. Rozdział drugi zawiera opis
wymagań funkcjonalnych, jakie sformułowano na wstępnym etapie realizacji systemu
projektowania filtrów ang. Filter Design System (FDS). W kolejnym rozdziale przedstawiono
rozważania dotyczące analizy symbolicznej w odniesieniu do filtrów realizowanych w
strukturach żyratorowo-pojemnościowych. Szczegółowo są tam też dyskutowane problemy
opisu filtru w postaci listy połączeń VHDL-AMS bezpośrednio z modelu struktury
obwodowej oraz istotne aspekty interpretacji tego zapisu przez oprogramowanie. Poświęcono
tam również uwagę procesowi analizy obwodu w postaci symbolicznej metodą potencjałów
węzłowych. W rozdziale czwartym autor pracy prezentuje szczegóły dotyczące teorii i metod
projektowania filtrów typu SISO oraz tzw. par filtrów. Między innymi, dla przykładowych
realizacji filtrów omawia wybrane aspekty aproksymacji ich charakterystyk
częstotliwościowych, głównie w sensie kształtów takich charakterystyk jak Butterwortha,
Czebyszewa i eliptycznych. Ponadto przedstawiono tam istotne dla tej pracy podstawy
matematyczne i algorytmy, na których oparto autorskie procedury implementacji, znanych z
przytoczonej literatury, metod syntezy i projektowania filtrów. W tym samym rozdziale
omówiono problemy dotyczące analizy parametrów i symulacji obwodu filtru oraz podano
opis algorytmów wykorzystanych w programie analizy wrażliwościowej. W rozdziale piątym
opisano opracowane oprogramowanie oraz wyniki projektowania przykładowych struktur
filtrów. Pracę autor kończy syntetycznym podsumowaniem i podaniem perspektyw oraz
możliwości rozwoju systemu w przyszłości.
W celu udowodnienia powyżej przytoczonej głównej tezy Doktorant w sposób
kompetentny i z profesjonalnym rozeznaniem problematyki we współczesnej literaturze
naukowej, zrealizował szereg postawionych zadań badawczych. Do oryginalnych osiągnięć
Doktoranta można zliczyć autorskie opracowanie trzech programów komputerowych
uruchamianych z linii poleceń, które tworzą środowisko do analizy symbolicznej obwodów
filtrów żyratorowo-pojemnoścowych, obliczeń ich parametrów na drodze optymalizacji,
symulacji charakterystyk częstotliwościowych oraz analizy wrażliwości. Opracowane
programy zostały połączone z aplikacją zawierająca interfejs graficzny. Wprowadzona
aplikacja pozwala na zarządzanie kompletnym systemem pod względem funkcjonalnym oraz
dostarcza, co jest ważne w praktyce, przyjazny interfejs użytkownikowi na wszystkich
etapach projektowania. Cennym osiągnięciem jest to, że stworzone środowisko pozwala na
wykonanie procedur projektowania w sposób niezależny od oprogramowania udostępnionego
z zewnątrz (np. programów Spice, Spectre, Matlab itp.). Opracowane środowisko ma
charakter modułowy, co umożliwia jego dalsze rozwijanie, w tym również skalowanie
dostępnych w nim narzędzi dla bardziej zaawansowanych architektur wielordzeniowych i
wieloprocesorowych. Na podkreślenie zasługuje fakt, że opracowany system FDS posiada
szerokie walory aplikacyjne, jest bowiem środowiskiem, które można zastosować nie tylko do
projektowania klasycznych filtrów klasy SISO, ale także wykorzystać w projektowaniu
układów w strukturach wielowrotników np. filtrów 2D, znajdujących zastosowanie m.in. w
niskomocowych systemach przetwarzania obrazów.
W mojej ocenie autor rozprawy trafnie przyjął metodologię badawczą, a osiągnięte
rezultaty wskazują na bardzo dobre przygotowanie merytoryczne zarówno w zagadnieniach
technik programistycznych jak i w zakresie metod analizy i projektowania analogowych
filtrów aktywnych. Wyniki przeprowadzonych przez Doktoranta badań cechują się dużym
znaczeniem praktycznym i komercyjnym.
Rozprawa jest napisana bardzo starannie zarówno od strony formalnej jak i językowej.
Streszczenie rozprawy napisane po polsku również nie budzi zastrzeżeń. Do drobnych usterek
pracy, nie obniżających jednak jej wysokiej wartości naukowej, można zaliczyć posługiwanie
się w tekście przez autora pracy kilkoma mało fortunnymi określeniami np. „układów
wielobramowych”, „na chipie”, itp. Wydaje się też, że nazwa podrozdziału 4.3 „Parametric
analysis” zaczynającego się na stronie 83 tylko częściowo koresponduje z treściami tam
zawartymi. Na stronie 18 doprecyzowania wymagają pojemności (Ci ), (Co ) i ich udział w
schemacie zastępczym na rys. 3.1 (tzn. Figure 3.1). Kilka niewielkich błędów edytorskich nie
ma istotnego dla pracy znaczenia.
Reasumując stwierdzam, że Doktorant sformułował interesujący problem badawczy i
rozwiązał go zgodnie z zasadami naukowymi. Wykazał przy tym bardzo duży zasób wiedzy
na temat analizy i syntezy symbolicznej w zakresie teorii układów filtrów aktywnych.
Profesjonalnie opracował moduły analizy i symulacji w procesie projektowania filtrów
żyratorowo-pojemnościowych. Potwierdził także swoje bardzo dobre przygotowanie
merytoryczne w dziedzinie algorytmów i dedykowanych narzędzi programowych
znajdujących zastosowanie w automatyzacji procesu projektowania. Opracowany system
projektowania filtrów można uznać za nowatorski w wielu aspektach. W moim przekonaniu
recenzowana rozprawa mgra inż. Piotra Katarzyńskiego znacznie wykracza poza poziom
przeciętny i spełnia z nadmiarem ustawowe wymagania. Jej Autor powinien zostać
dopuszczony do dalszych etapów procedury przewodu doktorskiego.
Biorąc pod uwagę bardzo wysoki poziom naukowy rozprawy oraz bardzo duże
znaczenie aplikacyjne uzyskanych wyników potwierdzone publikacjami w kraju i za granicą,
w tym artykułami w czasopismach naukowych z listy filadelfijskiej, m.in. w International
Journal of Circuit Theory and Applications, wnioskuję dodatkowo o wyróżnienie pracy.
Gdańsk, dn. 30. 03. 2012r.