Doctoral Thesis

Selected Practical Applications of Fractional Two-Port Systems in Immittance and Transfer Functions

Final Thesis 29.43 MB Summary of Thesis 29.43 MB

Author of thesis: Ing. Ondřej Domanský

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Roman Šotner, Ph.D.

Reviewers: doc. Ing. Jiří Vávra, Ph.D., Assoc. Prof. Umut Engin AYTEN

Abstract:

This dissertation is organized into five consequential sections (excluding the bibliography). The initial section delves into the introduction of the implementation in the proposed structure of the element with a constant phase response (Constant Phase Element, henceforth referred to as CPE), based on a series-parallel configuration of resistors and capacitors. This is followed by analyses of selected configurations for the implementation of the proposed CPE element and a possible comparison with other configurations of a similar type in the State of the Art chapter. The objectives of the dissertation are described in four points in the Objectives of Work. The success in fulfilling these objectives is then discussed in the Concluding Discussion, along with further possibilities of the implementation of CPE elements and their applications in linear circuits. The second part is the core of this dissertation, consisting of published conference papers and articles in impact journals. Noteworthy are two impact journals for publication in CSSP (Circuits, Systems, and Signal Processing) on the topic of practical design of RC approximants and their application in CMOS conveyors. The second paper, which had the most significant impact on the dissertation, was published in the impactful journal IEEE Access and consists of issues related to electronically controllable and adjustable fractional filters. Both those proposed impact paper applications offer electronic control over the time constant, magnitude values, and reconfiguration. The reader will be introduced to new possibilities for the application of CPE elements. For the purpose of verification of the presented concepts, selected simulations were conducted in the PSpice program for some articles, as well as experimental tests with fabricated chips in the lab and with commercially available components.

Keywords:

Constant phase element (CPE), fractional-order dynamics, proportional integrational and differential controller (PID, also PID), voltage differencing current conveyor, frequency dependent elements, integer and non-integer integrations and derivations

Date of defence

17.09.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Doktorand předatavil hlavní výsledky své prtáce podle vytyčených cílů. Zmínil především nové přístupy návrhu obvodů frakčního řádu a přístupy navržené pro návrh CPE a aplikaci korekčních prvků přidaných k návrhu, stejně jako obvod PID navržený s aktivní složkou VDCC jako aplikací. Po zodpovězení otázek i některých připomínek oponentů se komise jednomyslně usnesla na závěru, že Ing. Ondřej Domanský splnil cíle dizertační práce a dosaženými výsledky a publikační činností splnil podmínky k udělení akademického titulu doktor.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Electronics and Communication Technologies (DKC-EKT)

Composition of Committee

prof. Ing. Aleš Prokeš, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Lubomír Brančík, CSc. (člen)
doc. Ing. Ladislav Polák, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Milan Štork, CSc. (člen)
doc. Dr. Ing. Pavel Horský (člen)
Assoc. Prof. Umut E. Ayten (člen)
doc. Ing. Jiří Vávra, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Roman Šotner, Ph.D.

Ing. Ondřej Domanský se ve svém studiu zabýval problematikou návrhu obvodů neceločíselného charakteru, které nabízí výhody v jistých situacích a aplikacích. V těchto řešeních se zaměřil na elektronické řízení parametrů obvodů a využití moderních aktivních součástek pro jejich konstrukční účely. To vedlo k získání zajímavých a unikátních obvodových topologií. Samotná disertační práce je sepsána formou předmluvy, stručné analýzy současného stavu a rozsáhlé přílohy ve formě komentovaných článků, kde je autorem a spoluautorem. Středobodem práce je využití pasivního prvku konstantního fázového posuvu v regulační aplikaci, vytvoření imitační struktury vysokého řádu s přeladitelnými vlastnostmi, studium odezev celočíselných a neceločíselných dvojbranů (integrátorů/derivátorů), návrh a aplikace rekonfigurovatelného rezonančního dvojbranu s neceločíselným charakterem. Ve všech těchto situacích bylo využito komerčně dostupných i integrovaných (v procesech návrhu integrovaných obvodů dostupných na pracovišti) součástek. Z mého pohledu byly výsledky doktorandovy práce prezentovány na adekvátní a kvalitní úrovni. Práce, kde je hlavním autorem, zahrnují dva konferenční články na mezinárodních konferencích a dva články v impaktovaných časopisech úrovně (WoS AIS Q2, Q3: IEEE Access a Springer/Nature Circuits Systems and Signal Processing). Dohromady je autorem a spoluautorem více než 20 publikací za roky 2017-2021 a to včetně tří dalších článků v časopisech (Q3, Q4). K březnu 2025 získal na tyto práce 137 citací bez autocitací (h-index = 7) dle WoS. To dokládá zájem odborné veřejnosti o získané výsledky a podporuje aktuálnost a disertabilnost oblasti výzkumu. Během studia se podílel (jako člen širšího kolektivu) na řešení projektů souvisejících s disertací diskutovanou problematikou. Zejména se jedná o projekt GAČR s názvem Deterministické, chaotické a stochastické jevy v sub-mikronových integrovaných strukturách (2019-2021). V rámci pedagogické praxe doktorand vyučoval v letech 2016-2019 praktickou laboratorní výuku v předmětech oblasti analogových obvodů (teorie obvodů, elektronické obvody) a oblasti elektromagnetické kompatibility. Během studia vedl dvě úspěšně obhájené bakalářské závěrečné práce. Doktorand zahájil studia v akademickém roce 2016/17 a disertační práci odevzdal po 8 letech. Mrzí mne, že došlo k finalizaci a odevzdání disertační práce až po 4 letech od přechodu na kombinované studium (což je dost nezvyklé, přispěl k tomu covid a řada osobních důvodů), i přes praktické splnění podmínek k řádnému dokončení studia (a odevzdání práce) již v roce 2021, ale neměl jsem žádné možnosti doktorandův přístup ke studiu nějak ovlivnit. Dle mého názoru doktorand po vědecké stránce splňuje podmínky pro získání titulu Ph.D.

Reviewer’s report
doc. Ing. Jiří Vávra, Ph.D.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 1,90 MB

Reviewer’s report
Assoc. Prof. Umut Engin AYTEN

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 260,19 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová