Τα φίλτρα λογαριθμικού πεδίου (log-domain filters) είναι μια οικογένεια φίλτρων συνεχούς χρόνου στην οποία γίνεται χρήση της μη-γραμμικής I/V χαρακτηριστικής των ενεργών στοιχείων (BJT τρανζίστορ, MOSFET τρανζίστορ σε ασθενή αναστροφή) για να επιτευχθεί γραμμική συμπεριφορά από είσοδο σε έξοδο. Επιπρόσθετα τα log-domain φίλτρα, προσφέρουν και άλλα πλεονεκτήματα, όπως την ηλεκτρονική ρύθμιση της συχνότητας αποκοπής, την λειτουργία σε υψηλές συχνότητες και την δυνατότητα λειτουργίας με χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Στην παρούσα διατριβή προτείνεται μια καινούρια τεχνική σχεδιασμού log-domain φίλτρων, η οποία στηρίζεται στη κυματική μέθοδο (log-domain wave filters). Με αυτή την τεχνική, log-domain φίλτρα μπορούν να σχεδιαστούν είτε με την χρήση των κυματικών παραμέτρων σκέδασης (wave scattering parameters), είτε με την χρήση κυματικών τερματιστών θύρας (wave port terminator). Έτσι αρχικά, προτείνονται δομές log-domain κυματικών φίλτρων με χρήση των κυματικών παραμέτρων σκέδασης. Σε αυτήν την προσέγγιση, το log-domain κυματικό ισοδύναμο ενός επαγωγού σε σειρά κλάδο μετασχηματίζεται από το γραμμικό στο λογαριθμικό πεδίο. Τα log-domain κυματικά ισοδύναμα των υπολοίπων βασικών στοιχείων του παθητικού πρωτοτύπου φίλτρου προκύπτουν από το κυματικό ισοδύναμο του επαγωγού σε σειρά κλάδο με την εναλλαγή των εξόδων του ή/και την προσθήκη αντιστροφέων τάσης. Χρησιμοποιώντας μια διαφορετική προσέγγιση, προτείνονται δομές log-domain κυματικών φίλτρων με χρήση του log-domain κυματικού τερμαστιστή θύρας. Με την χρήση του σχεδιάζεται το κυματικό ισοδύναμο στο log-domain ενός πυκνωτή σε παράλληλο κλάδο, το οποίο χρησιμοποιείται ως το βασικό κυματικό ισοδύναμο δομικό στοιχείο. Τα κυματικά ισοδύναμα των υπολοίπων στοιχείων του παθητικού κυκλώματος προκύπτουν με χρήση των παραπάνω κυματικών ισοδυνάμων. Τέλος γίνεται μελέτη της επίδρασης των μη-ιδανικών χαρακτηριστικών του BJT τρανζίστορ και της επίδρασης των θερμοκρασιακών μεταβολών στην συμπεριφορά των προτεινόμενων φίλτρων, ενώ προτείνονται μέθοδοι τόσο για την επιμέρους όσο και την συνολική αντιστάθμισή τους. / Log-domain filters are a family of continuous time filters that instead of being designed using locally linearized components, directly exploit the non-linear nature of a BJT, or a MOSFET transistor operating in weak inversion, in order to obtain a system with overall linear performance. This way they exhibit high linearity even for large signal to bias ratios. In addition they have some other interesting features like tunability and the ability to work at high frequencies even with low voltage supplies. In the present dissertation a new method for the design of log-domain filters is proposed, based on the well-known wave method. According to this method log-domain filters can be designed using the wave scattering parameters or using the wave port terminator block. Structures of log-domain wave filters using wave scattering parameters are initially proposed. In this approach the log-domain wave equivalent of a series inductor is transformed from linear to log-domain. Log-domain wave equivalents of the other basic elements of a passive prototype are then derived by the interchange of its outputs or/and the addition of voltage inverters. These equivalents are then connected together forming the actual filter. Log-domain differential wave filters can be designed by the introduction of the log-domain differential wave equivalent of the series inductor. Using a different approach, log-domain wave filters have been designed, introducing the block of a log-domain wave port terminator. Using this block, the log-domain wave equivalent of a shunt capacitor is derived as the based structure element. The wave equivalents of other basic elements of the passive prototype are derived as before interchanging its outputs or/and adding voltage inverters. Finally the influence of the non-ideal characteristics of the BJT transistor on the frequency response of the derived filters is analyzed and efficient methods are proposed for their compensation.

Τα αναλογικά φίλτρα συνεχούς χρόνου αποτελούν απαραίτητα μέρη ακόμη και στις πιο μοντέρνες ηλεκτρονικές συσκευές, οι οποίες λειτουργούν, κατά το μεγαλύτερο τμήμα τους ψηφιακά. Η εξήγηση είναι απλή, αν αναλογιστεί κανείς πρώτον, ότι, αποτελούν τις ενδιάμεσες βαθμίδες μεταξύ του φυσικού κόσμου και τις –κατά τα άλλα ψηφιακές– συσκευές και δεύτερον ότι, μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλές συχνότητες, όπου τα ψηφιακά κυκλώματα δεν μπορούν. Η προσπάθεια για όλο και πιο βελτιωμένα κυκλώματα, κάνει τους σχεδιαστές ηλεκτρονικών κυκλωμάτων να ψάχνουν για νέες μεθόδους σχεδίασης. Μία από αυτές είναι η σχεδίαση με χρήση τεχνικών τρόπου ρεύματος (current mode), χρήση της οποίας γίνεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Είναι γνωστό ότι, έως και πριν από μερικά χρόνια, η σχεδίαση κυκλωμάτων γινόταν, σχεδόν αποκλειστικά, για λειτουργία σε τρόπο τάσης. Αυτό σημαίνει ότι, για τα κυκλώματα αυτά, οι ηλεκτρικές μεταβλητές εισόδου και εξόδου είναι τάσεις αφού, η είσοδος των χρησιμοποιούμενων ηλεκτρονικών βαθμίδων είναι υψηλής εμπέδησης ενώ η έξοδός τους χαμηλής. Τα κυκλώματα τρόπου τάσης σχεδιάζονται, ώστε, να λειτουργούν σε αυτές τις στάθμες εμπέδησης, παρά το γεγονός ότι, τα στοιχειώδη ηλεκτρονικά στοιχεία, τα τρανζίστορ, συμπεριφέρονται ως ελεγχόμενες πηγές ρεύματος. Αυτό ακριβώς το γεγονός εκμεταλλεύονται τα κυκλώματα τρόπου ρεύματος, τα οποία, λόγω του ότι εμφανίζουν χαμηλή εμπέδηση εισόδου και υψηλή εμπέδηση εξόδου, επεξεργάζονται ρεύματα απλοποιώντας ταυτόχρονα τον τρόπο σχεδίασης. Για να είναι πραγματικά εφικτή η σχεδίαση για τα κυκλώματα τρόπου ρεύματος είναι απαραίτητο ένα τουλάχιστον ενεργό δομικό στοιχείο. Στην παρούσα διατριβή ως δομικό στοιχείο μελετάται, καταρχήν, ο απλός ενισχυτής ρεύματος. Ο ενισχυτής αυτός αποτελεί τη βάση του διαφορικού ενισχυτή ρεύματος, που με τη σειρά του αποτελεί ένα νέο δομικό στοιχείο πολύ πιο ευέλικτο για ανάπτυξη νέων κυκλωμάτων αναλογικής επεξεργασίας σήματος. Προκύπτει ότι, ο διαφορικός ενισχυτής ρεύματος, ο οποίος λειτουργεί συνήθως, έχοντας ενίσχυση ρεύματος ίση ή λίγο μεγαλύτερη από τη μονάδα, μπορεί να δώσει κυκλώματα, που λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες συγκριτικά με τα κυκλώματα τρόπου τάσης. Αρκετά κυκλώματα μπορούν να σχεδιαστούν με βάση, είτε τον απλό, είτε το διαφορικό ενισχυτή ρεύματος. Με τη βοήθειά των δύο αυτών στοιχείων αναπτύσσεται ένα πλήθος από βασικά κυκλώματα αναλογικής επεξεργασίας σήματος, όπως εξομοιωμένοι επαγωγοί, ολοκληρωτές, ταλαντωτές καθώς και ενεργά φίλτρα. Στη διατριβή αυτή, αναπτύσσεται, καταρχήν, η σχεδίαση διαφόρων βασικών αναλογικών δομικών βαθμίδων και ακολούθως, παρουσιάζονται οι τεχνικές για τη σχεδίαση ενεργών φίλτρων, ακολουθώντας δύο βασικές μεθόδους, όπως η μέθοδος διασύνδεσης βαθμίδων δεύτερης τάξης και η μέθοδος συναρτησιακής και τοπολογικής εξομοίωσης LC παθητικών κυκλωμάτων. Η μέθοδος της τοπολογικής εξομοίωσης κυκλωμάτων είναι αρκετά ελκυστική, λόγω των δυνατοτήτων, που προσφέρει. Είναι αρκετά εύκολη κατά το σχεδιασμό, τόσο τον ηλεκτρονικό όσο και τον φυσικό (layout), καθώς χρησιμοποιεί επαναλαμβανόμενες δομές. Δύο από τις τεχνικές, που ανήκουν στην κατηγορία της τοπολογικής εξομοίωσης κυκλωμάτων και αναπτύσσονται εδώ, είναι η σχεδίαση κυκλωμάτων με τεχνική τύπου "leapfrog" και η κυματική τεχνική. Με βάση τον διαφορικό ενισχυτή ρεύματος αναπτύσσεται ο τελεστικός ενισχυτής ρεύματος. Το στοιχείο αυτό είναι χρήσιμο σε εφαρμογές, όπου απαιτείται υψηλή ενίσχυση ρεύματος. Η ενίσχυση μπορεί να είναι μεταβαλλόμενη και εξαρτώμενη από μία τάση πόλωσης και αυτό κάνει τον τελεστικό ενισχυτή ρεύματος ένα αρκετά χρήσιμο στοιχείο στην ανάπτυξη εφαρμογών. Η ανάπτυξη ενός τελεστικού ενισχυτή ρεύματος παρουσιάζεται στο τέλος της διατριβής. Όλα τα κυκλώματα, που προτείνονται στην παρούσα διατριβή, είναι ολοκληρώσιμα σε οποιαδήποτε κοινή τεχνολογία ολοκλήρωσης. Ωστόσο, τα προτεινόμενα κυκλώματα σχεδιάζονται για CMOS τεχνολογία, επειδή είναι εξαιρετικά διαδεδομένη και κατάλληλη για τις περισσότερες εφαρμογές αναλογικής επεξεργασίας σήματος. Επιπλέον, τα CMOS κυκλώματα μπορούν σχετικά εύκολα να μετατραπούν σε διπολική ή και BiCMOS τεχνολογία, αφού τοπολογικά διατηρούν την ίδια περίπου δομή. / Continuous-time analog filters are essential parts even of the most modern electronic systems, which in their main part operate digitally. We can explain this by thinking, first, that analog circuits are usually used as necessary intermediate stages between the natural world signals and the electronic digital systems and second, that they are more suitable for operation at high frequencies compared to digital circuits. The designers of electronic circuits in their effort to improve circuits investigate for new design methods. Such a recent method is the so called "current-mode method". Current-mode circuits suitable, mainly for filtering applications, are studied in this thesis. It is known that until recently electronic circuits were considered as circuits operating in voltage-mode. This means that the electric variables for these circuits were taken mainly as voltages in spite of the fact that the elementary electronic devices, that is the transistors, behave as controlled current sources. On the contrary, current-mode circuits take advantage of the real nature of the transistors and thus process currents instead of voltages. This way, the circuit design procedure is significantly simplified, the derived current-mode circuits are much simpler in their structure and in addition, they show better performance at high frequencies. A structural active element is always necessary in every active filter either in the voltage or in the current-mode domain. In this thesis, a single input current amplifier is studied, as such structural active element. This amplifier is used as a subcircuit for obtaining the differential current amplifier, which, accordingly, is used as a new basic active device for the development of new analog signal processing circuits. It is found that the differential current amplifier, which usually operates having low current gain, is suitable for operation at high frequencies comparable to the fT of the transistors used in the amplifier. It is shown that various circuits of general purpose can be obtained, based on a single or a differential current amplifier. In addition, a number of new analog circuits suitable for signal processing are proposed in this thesis. Among them, there are lossy and lossless integrators, simulated inductors, and oscillators. However, emphasis is given to the development of integrated active filters of high order by following various design methods. As a result, the method of the topological simulation of passive LC filter prototypes appears to be more attractive for obtaining high order filters, due to the many possibilities that this method offers. All the proposed circuits in this thesis are suitable for integration in CMOS technology, which is more suitable for analog signal processing applications. Simulation and experimental results taken from implemented integrated circuits verify the accuracy of operation of the proposed circuits and their suitability for practical applications.

Αντικείμενο της παρούσας Ειδικής Επιστημονικής Εργασίας είναι η μελέτη, σχεδίαση, εξομοίωση και φυσική σχεδίαση ενός αναλογικού μιγαδικού ζωνοδιαβατού φίλτρου 6ης τάξης. Βασικές δομικές μονάδες του φίλτρου είναι ενισχυτές ρεύματος οι οποίοι χρησιμοποιούν τη βαθμίδα “Flipped Voltage Follower”. Με τη συγκεκριμένη βαθμίδα είναι εφικτή η σχεδίαση όλων των επιμέρους κυκλωμάτων σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας-χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. / The subject of this master thesis is the design, simulation and physical layout of a 6th order analog complex bandpass filter. The filter is constructed by current mirrors which are utilizing the cell "Fliped Voltage Follower". Thus, all of the circuits offer the benefit of operating in low-voltage/low-power environment.

Τα αναλογικά φίλτρα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain filters) είναι μια οικογένεια φίλτρων συνεχούς χρόνου στην οποία γίνεται χρήση της Ι/V χαρακτηριστικής των ενεργών στοιχείων (BJT τρανζίστορ) για να επιτευχτεί γραμμική συμπεριφορά από είσοδο σε έξοδο. Τα Sinh-Domain φίλτρα συμπίεσης/αποσυμπιέσης προσφέρουν πλεονεκτήματα, όπως την ηλεκτρονική ρύθμιση, τη δυνατότητα λειτουργίας σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας και τη λειτουργία σε υψηλές συχνότητες. Στη παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία προτείνεται μια νέα μέθοδος σχεδίασης Sinh-domain φίλτρων που στηρίζεται στη κυματική μέθοδο. Αρχικά αναπτύσσονται τα κυματικά ισοδύναμα των παθητικών στοιχείων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου χρησιμοποιώντας μια κοινή έως σήμερα λογική σχεδίασης η οποία έχει χρησιμοποιηθεί στη σχεδίαση κυματικών φίλτρων τόσο στο λογαριθμικό πεδίο (Log-Domain) όσο και στο πεδίο της τετραγωνικής ρίζας (Square Root-Domain). Έπειτα γίνεται χρήση των κυματικών ισοδυνάμων που πρόεκυψαν για να σχεδιαστούν ηλεκτρονικά φίλτρα τρίτης τάξης, των οποίων η λειτουργία εξομοιώνεται μέσω του Analog Design Environment του λογισμικού Cadence και με χρήση των μοντέλων των MOS transistor που παρέχονται από την τεχνολογία AMS 0.35μm. Στη συνέχεια προτείνεται μια νέα βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών ισοδυνάμων πρώτης και δεύτερης τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Τα βελτιωμένα κυματικά ισοδύναμα στηρίζονται σε μια νέα λογική σχεδίασης η οποία σκοπεύει στη μείωση των απαιτούμενων ενεργών στοιχείων και ως εκ τούτου στη μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος αλλά και στη προσθήκη της δυνατότητας εξωτερικά ελεγχόμενου προγραμματισμού της ηλεκτρονικής συμπεριφοράς των νέων κυματικών δίθυρων. Ακολουθεί ο σχεδιασμός ηλεκτρονικών φίλτρων χρησιμοποιώντας αυτή τη φορά τη νέα βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών διθύρων και η εξομοίωση της λειτουργίας αυτών με το Analog Design Environment του λογισμικού Cadence. Τέλος πραγματοποιείται συγκριτική μελέτη μεταξύ φίλτρων που σχεδιάστηκαν χρησιμοποιώντας την απλή και τη βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών διθύρων σκοπό να διαπιστωθεί ο βαθμός βελτίωσης που επιτυγχάνεται. / Sinh-Domain companding filters are a family of continuous time filters that instead of being designed using locally linearized components, directly exploit the non-linear nature of a BJT transistor, in forward active region or MOS transistor in weak inversion in order to obtain a system with overall linear performance. This way they, exhibit high linearity even for large signal to bias ratios. In addition, they have some other interesting features like tunability, resistorless realizations and capability of operating under low power supply voltage. In this Master Thesis it is proposed a new method of designing Sinh-Domain filters which is based on the wave method. Initially the wave equivalents of passive components in the Sinh-Domain have been introduced, using the conventional approach as in the case of Log Domain and Square Root Domain filters. As design examples, low pass ,band pass and high pass filters have been designed and their performance have been evaluated using the Analog Design Environment of the Cadence software.MOS and Bipolar transistors models provided by AMS 0.35μm. BiCmos technology have been employed in simulation. Later, it is proposed a new improved version of wave equivalents of first and second order in the Sinh-Domain. This offer the following benefits: a)reduced active element count and hence reduced power consumption and b) capability of externally controlled programming for obtaining all the equivalents from the same core. As design examples, low pass, band pass and high pass filters have been designed and their performance have been evaluated using the Analog Design Environment of the Cadence software As a final step a performance among the proposed filter topologies has been performed in order to be evident the attractive characteristics offered by the proposed wave equivalents.