Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με την μελέτη, ανάλυση και εξομοίωση του πιο διαδεδομένου αναλογικού κυκλώματος, του Τελεστικού Ενισχυτή. Αρχικά επιχειρήθηκε μια ανάλυση της επιμέρους δομής ενός Τ.Ε, ενώ παράλληλα γίνεται μια παρουσίαση κάποιων βασικών αναλογικών κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται στον σχεδιασμό του. Ακολούθως επεξηγούνται οι βασικές καθώς και οι προηγμένες επιδόσεις και τεχνικά χαρακτηριστικά του Τ.Ε και δίνονται παραδείγματα για την διασαφήνιση των φαινομένων που τις επηρεάζουν καθώς και των τεχνικών βελτίωσής τους. Σε όλες τις εξομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν EDA (Electronic design automation) tools και η όλη προσέγγιση γίνεται με την χρήση της CMOS τεχνολογίας. Τέλος, παρουσιάζονται οι κατευθύνσεις που τείνει να ακολουθεί σήμερα η τεχνολογία των Τ.Ε. καθώς και θέματα που απασχολούν ή και πρόκειται να απασχολήσουν και στο μέλλον τους σχεδιαστές. / In this Diploma Thesis, I studied, analyzed and simulated today’s most widely used analog circuit block, the Operational Amplifier. In the beginning an analysis of the basic OpAmp structure is presented and various analog circuits that are commonly used during the design process of an OpAmp are described. Then, basic as well as more advanced technical characteristics of the OpΑmp are explained and simulation results are presented to illustrate the phenomena and the parameters that affect the performance of the OpAmp. In simulations EDA (Electronic design automation) tools were used and the whole approach was made with the use of CMOS technology. Concluding, technology trends and issues that designers will face in the future are presented.

Η ανάγκη για εξοικονόμηση ενέργειας δεν θα μπορούσε να αφήσει ανεπηρέαστα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Έτσι, κατά τον σχεδιασμό ενός σύγχρονου ηλεκτρονικού κυκλώματος γίνεται προσπάθεια για αύξηση της αποδοτικότητας διαχείρισης της ισχύος ώστε να μειωθεί η κατανάλωση και να αυξηθεί η αυτονομία. Ένα από τα πιο γνωστά κυκλώματα που συναντάται στις περισσότερες εφαρμογές της ηλεκτρονικής είτε πρόκειται για αναλογικές είτε για ψηφιακές, είναι αυτό του τελεστικού ενισχυτή. Προς, αυτήν την κατεύθυνση, διάφορες καινοτόμες τοπολογίες έχουν προταθεί για την σύγχρονη ενισχυτική βαθμίδα που σκοπό έχουν την μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας διαχείρισης του σήματος, με την ελάχιστη κατανάλωση. Συνεπώς, ένας αποδοτικός τελεστικός ενισχυτής, εκτός από μεγάλο κέρδος σε μεγάλη περιοχή συχνοτήτων, θα πρέπει να παρέχει ταυτόχρονα την ικανότητα διαχείρισης σημάτων με το μέγιστο δυνατό εύρος και την δυνατότητα οδήγησης μεγάλων φορτίων. Κατά συνέπεια, νέες τεχνικές παρουσιάζονται για την διαχείριση του σήματος, τόσο στην είσοδο όσο και στην έξοδο κάτω από συνθήκες χαμηλής τροφοδοσίας. Αυτή η εργασία έχει σαν αντικείμενο την μελέτη των βαθμίδων εισόδου τελεστικών ενισχυτών με εύρος rail-to-rail καθώς και των βαθμίδων εξόδου τάξεως ΑΒ. Μια rail-to-rail βαθμίδα εισόδου, μπορεί να διαχειριστεί την τάση τροφοδοσίας στο έπακρο δεχόμενη σήματα μεγάλου εύρους τάσεων, ενώ η βαθμίδα εξόδου έχει σαν κύριο πλεονέκτημα την γρηγορότερη οδήγηση μεγάλων φορτίων με ελαχιστοποίηση της παραμόρφωσης. Έτσι, στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές αρχές που διέπουν τα κυκλώματα χαμηλής τροφοδοσίας και οι περιορισμοί που πρέπει να ληφθούν υπ’ όψιν κατά τον σχεδιασμό των κυκλωμάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αυτής της εργασίας παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας των rail-to-rail βαθμίδων εισόδου και οι βασικές τεχνικές υλοποίησής τους. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας των βαθμίδων εξόδου τάξεως ΑΒ με τις αντίστοιχες τεχνικές υλοποίησης. Στα επόμενα κεφάλαια αυτού του συγγράμματος προτείνεται ένας νέος τελεστικός ενισχυτής ο οποίος αποτελείται από μια rail-to-rail βαθμίδα εισόδου και από μία βαθμίδα εξόδου τάξεως ΑΒ ενώ γίνεται χρήση 1V για την τάση τροφοδοσίας. Άλλο ένα πλεονέκτημα της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, είναι αυτό της δυνατότητας ρύθμισης των συνθηκών πόλωσης ώστε να διατηρείται η λειτουργικότητα του ενισχυτή αλλά και να προσαρμόζεται στις εκάστοτε ανάγκες της κάθε εφαρμογής. Πιο συγκεκριμένα ένα από τα πλεονεκτήματα αυτού του τελεστικού ενισχυτή, είναι η δυνατότητα ρύθμισης της διαγωγιμότητας της εισόδου με γραμμικό τρόπο μέσω μιας πηγής ρεύματος. Αντίστοιχα, επιλέγοντας μεγαλύτερο ρεύμα για την βαθμίδα εξόδου υπάρχει η δυνατότητα μείωσης της καθυστέρησης μετάδοσης του σήματος σε μεγάλα φορτία. / A new technique for rail-to-rail input stage is proposed in this Letters. The proposed technique is based on the master-slave approach of complementary MOS transistor pairs. The input transconductance is linearly tunable over a large range and is almost constant for rail-to-rail common-mode range. The effectiveness of the proposed technique was verified by simulations using a standard 0.18μm CMOS process.

Είναι γνωστό ότι τα κυκλώματα των τελεστικών ενισχυτών (Op-Amps) είναι από τις βασικότερες δομικές βαθμίδες στον χώρο της σχεδίασης αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Μια εναλλακτική δομή του τελεστικού ενισχυτή αποτελεί το κύκλωμα ενός Current Feedback Operational Amplifier (CFOA). Ένας CFOA είναι ουσιαστικά ένας μεταφορέας ρεύματος (Current Conveyor-CCII) σε σειρά με έναν ακολουθητή τάσης (Voltage Follower), και είναι ιδιαιτέρως χρήσιμος κατά την σχεδίαση κυκλωμάτων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν τέσσερις δομές CFOA, σχεδιασμένες για λειτουργία με χαμηλή τάση τροφοδοσίας, και χρησιμοποιήθηκαν για τον σχεδιασμό φίλτρων με τις μεθόδους Leapfrog, τοπολογικής εξομοίωσης και κυματική. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται οι γενικές αρχές που ισχύουν στην σχεδίαση κυκλωμάτων για λειτουργία με χαμηλή τάση τροφοδοσίας καθώς και τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες τεχνικές σχεδίασης. Στο δεύτερο κεφάλαιο μελετώνται αναλυτικά οι τέσσερις δομές CFOA συγκρίνοντας τους βασικότερους παράγοντες απόδοσής τους. Τα κυκλώματα των CFOA που μελετώνται βασίζονται σε πρόσφατα δημοσιευμένες δομές Current Conveyor (CCII). Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται η μέθοδος σχεδίασης φίλτρων Leapfrog, και χρησιμοποιείται για την σχεδίαση ενός Butterworth φίλτρου 3ης τάξης. Ως δομική βαθμίδα για την σχεδίαση αυτού του φίλτρου χρησιμοποείται ο CFOA [2]. Το τρίτο κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την παρουσίαση των βασικότερων παραγώντων απόδοσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η τοπολογική μέθοδος σχεδίασης φίλτρων, στην οποία γίνεται τοπολογική αντικατάσταση πηνίου, σε παθητικό φίλτρο, από ισοδύναμο κύκλωμα με ενεργά στοιχεία. Και στην περίπτωση αυτή η δομική μονάδα σχεδιασμού είναι ο CFOA [2]. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η σχεδίαση ενός Butterworth φίλτρου 3ης τάξης με την κυματική μέθοδο. Η σχεδίαση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ως δομική βαθμίδα τον CFOA [1]. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η φυσική σχεδίαση (layout) του Butterworth φίλτρου 3ης τάξης που σχεδιάστηκε με την leapfrog μέθοδο στο τρίτο κεφάλαιο. Η φυσική σχεδίαση πραγματοποιήθηκε με την χρήση του λογισμικού Cadence και του περιβάλλοντος Virtuoso που περιλαμβάνει για την φυσική σχεδίαση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων . Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων εξομοίωσης των δομών CFOA’s αλλά και των αποτελεσμάτων εξομοίωσης των φίλτρων που σχεδιάστηκαν στα παραπάνω κεφάλαια . Επίσης παρουσιάζονται κάποιες προτάσεις για μελλοντική και περαιτέρω έρευνα. / Operational amplifier is one of most important analog building block. An alternative structure for operational amplifier is a Current Feedback Operational Amplifier (CFOA). A CFOA is essentially consists of a current conveyor (CCII) connecting with a Voltage Follower (VF). The usage of CFOA for the low-voltage analog IC design is quite useful. In this work four different CFOA structures, designed for low-voltage operation, were considered. Also the aforementioned CFOAs were used to build a butterworth filter with Leapfrog method, topological simulation method and wave method. In first chapter the basic design rules and the most common design techniques for low-voltage IC design is presented. In chapter 2 the four structures of CFOAs circuits were considered, under the light of comparison of most critical factors of operation. The CFOAs circuits were based in most resent published topologies of Current Conveyor (CCII). In chapter 3 the Leapfrog method for filters design was discussed. Also a 3rd order butterworth filter is designed based on this method. The CFOA of ref [2] is the main building lock to construct this filter. In chapter 4 another method for filter design is presented named topological simulation method. According to this method passive elements such as inductors and capacitors are replaced by active elements. The main building block is also CFOA of ref [2]. In Chapter 5 a 3rd order butterworth filter based on wave method is designed. In this case the main building block was the CFOA circuit of ref [1]. Chapter 6 presents the layout of the 3rd order butterworth filter which designed at chapter 3 with leapfrog method. The layout design was implemented using Virtuoso environment of Cadence design framework II platform. Chapter 7 conclude this work presenting the simulated comparison results for all four CFOAs circuits and the 3rd order butterworth filters that were designed with the three different methods. Some thoughts for further research in the this subject are also presented.