Frequency behavior of saturated nonlinear function series based on opamps

Abstract

In multiscroll chaotic circuit design based on active devices, piece-wise linear (PWL) approaches are often used to model the behavior of nonlinear functions, thereby that the behavior of a chaotic system can be forecasted through numerical simulations. However, although PWL models are relatively easy to build, they do not include any information related on the performance parameters of the active devices to be used. This a serious shortcoming, since PWL-models introduces a level of inaccuracy into a numerical analysis which is more evident when numerical simulations and experimental results are compared. These differences are more pronounced when the chaotic waveforms to be generated are pushed to operate at high-frequency. This paper introduces experimental results on the frequency behavior of a nonlinear function called saturated nonlinear function series based on operational amplifiers. These new results are key not only on the automatic synthesis of chaotic attractors and on the synchronization schemes used in secure communication systems based on chaos, but also on the metrics used to evaluate the complexity of a chaotic system. A mathematical model to characterize the behavior of the nonlinear function is also derived, showing a better accuracy compared with the PWL approach. The theoretical derivations and related results are experimentally validated through implementations from commercially available devices.

En el diseño de circuitos cáoticos con múltiples enrollamientos basado en dispositivos activos, el comportamiento de las funciones no lineales es representado por aproximaciones lineales a trozos (PWL). Sin embargo, aunque modelos PWL son fáciles de construir, estos no incluyen ninguna información relacionada con los parámetros de desempeño de los dispositivos activos a ser usados. Este es un serio inconveniente, ya que modelos PWL introducen un nivel de inexactitud en un análisis numérico el cual llega a ser más evidente cuando las simulaciones numéricas son comparadas con resultados experimentales. Estas diferencias son más pronunciadas cuando las formas de onda cáoticas a ser generadas son empujadas a operar en alta frecuencia. Este artículo introduce resultados experimentales sobre el comportamiento en frecuencia de la función no lineal llamada serie de funciones saturadas las cuales son diseñadas con amplificadores operacionales. Los nuevos resultados son clave no solamente en la síntesis automática de atractores cáoticos y en los esquemas de sincronización usados en los sistemas de comunicación basados en caos, pero también en las métricas usadas para evaluar la complejidad de un sistema cáotico. Un modelo analítico para caracterizar el comportamiento de la función no lineal es derivado y este es más exacto que el modelo PWL. Los resultados teóricos son validados con resultados experimentales a través del uso de dispositivos comerciales.