- / -

- / -

- / -

- / -

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας αυτής είναι μεσω του σχεδιασμού και της υλοποίησης της συνάρτησης κατακερματισμού Skein να κατανοηθούν σε βάθος οι αρχές της σχεδίασης κυκλωμάτων μεγάλης κλίμακας σε διαφορετικές πλατφόρμες υλικού. Στην ερχασία αυτή σχεδιάζονται και εξομοιώνονται η λειτουργία τεσσάρων κυκλωμάτων - υλοποιήσεων της συνάρτησης με διαφορετική σκόπευση η καθεμία και συγκρίνονται μεταξύ τους με βάση καλά ορισμένα κριτήρια και εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα. / -

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.

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.

Η παρούσα διπλωµατική εργασία πραγµατεύεται την κατασκευή µιας εργαλειοµηχανής µε αρθµητικό έλεγχο µέσω Η/Υ (CNC router) , ικανής για την κατασκευή ηλεκτρονικών πλακετών για τις ανάγκες του εργαστηρίου. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών. Σκοπός είναι η κατασκευή της µηχανικής διάταξης της εργαλειοµηχανής µε επιφάνεια κατεργασίας πλακέτας µεγέθους τουλάχιστον Α4, των ηλεκτρονικών διατάξεων οδήγησης των κινητήρων, της διάταξης και της διασύνδεσης µε τον υπολογιστή, καθώς και των απαραίτητων προγραµµάτων για την ανάγνωση και επεξεργασία των σχεδίων και τη δηµιουργία και διαβίβαση των εντολών ελέγχου από και προς το µηχάνηµα ώστε να υλοποιηθεί το σχέδιο. Αρχικά έγινε η ανάλυση των απαιτήσεων του εργαστηρίου, επιλέχθηκε η συγκεκριµένη µέθοδος και αναλυθήκαν οι προδιαγραφές που πρέπει να έχει το µηχάνηµα. Έπειτα, έγινε η επιλογή της τοπολογίας και του υλικού του µηχανήµατος, των κατάλληλων κινητήρων, του συστήµατος ολίσθησης και του συστήµατος µετατροπής της κίνησης από περιστροφική σε γραµµική, έτσι ώστε να καλύπτονται µε το, χαµηλότερο δυνατό κόστος, οι απαιτήσεις µεγέθους, δύναµης πρόωσης, επιτάχυνσης, ανάλυσης, ακρίβειας, στιβαρότητας και ταχύτητας κίνησης που αναλύθηκαν στο πρώτο στάδιο, µε το χαµηλότερο δυνατό κόστος. Στη συνέχεια σχεδιάστηκε σε πρόγραµµα τρισδιάστατου σχεδιασµού η µηχανική κατασκευή της διάταξης και ανατέθηκε σε κατάλληλο εργαστήριο η κατασκευή των κοµµατιών και η συναρµολόγηση της. Το επόµενο βήµα ήτανε να σχεδιαστούν και να κατασκευαστούν τα κυκλώµατα για την οδήγηση των κινητήρων και η κεντρική πλακέτα που αναλαµβάνει την οµαλή διασύνδεση τους µε τον υπολογιστή. Τέλος, γράφτηκαν κατάλληλα προγράµµατα τα οποία αναλαµβάνουν την ανάγνωση του σχεδίου της πλακέτας και παράγουν και διαβιβάζουν τις κατάλληλες εντολές στους οδηγούς των κινητήρων, ώστε να γίνουνε οι απαραίτητες κινήσεις από αυτούς και να υλοποιηθεί το σχέδιο στην πλακέτα. / This thesis is about designing and building a fully functional CNC machine, capable of building printed circuit boards.

Η επιστήμη της τεχνολογίας αυξάνεται ραγδαία μέρα με τη μέρα. Δυστυχώς όμως όλες αυτές οι νέες τεχνολογικές τάσεις μπορεί να κρύβουν δυσάρεστες «εκπλήξεις». Τα τελευταία χρόνια οι ασύρματες επικοινωνίες έχουν γίνει ένα πολύ σημαντικό κομμάτι της καθημερινότητάς μας. Εμπιστευόμαστε τις ασύρματες συσκευές μας και τις εταιρίες που τις παρέχουν. Ωστόσο, ερωτήματα όπως πόσο ασφαλείς μπορεί να είναι οι συσκευές μας ή οι ασύρματες επικοινωνίες μας δημιουργούνται κάθε μέρα. Παράλληλα με αυτά τα ερωτήματα, εμφανίζονται και τα Hardware Trojans. Τα Hardware Trojans είναι μέρος αυτών των καινούριων τάσεων και αποτελούν ένα πολύ σοβαρό πρόβλημα στο πεδίο των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Μέχρι σήμερα έχουν γίνει ποικίλες μελέτες, χρησιμοποιώντας διαφορετικές στρατηγικές, Trojans και μεθόδους ανίχνευσης. Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία παρουσιάζουμε ένα σύστημα ανίχνευσης για Hardware Trojans σε ολοκληρωμένα κυκλώματα ασύρματης κρυπτογράφησης (wireless cryptographic integrated circuit). Περιγράφεται η διαρροή των μυστικών πληροφοριών μέσω ασύρματης επικοινωνίας, χρησιμοποιώντας την τεχνική των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μικτού σήματος (mixed-signal integrated circuits). Δημιουργήθηκαν δύο διαφορετικά Hardware Trojans, τα οποία εισήχθησαν στο αρχικό μας σύστημα, τα οποία βέβαια δεν αλλάζουν τη λειτουργικότητά του. Παρ’ όλ’ αυτά, μπορούν να διαρρεύσουν μυστικές πληροφορίες του συστήματος. Παρουσιάζεται λοιπόν πως είναι δυνατόν να ανιχνευτεί ένα Trojan επιτυχώς μέσω διαφορετικών στατιστικών μετρήσεων που αφορούν τη συχνότητα και το πλάτος του ασύρματου σήματος μετάδοσης. / Technology grows so rapidly day by day. Unfortunately, all these new technological trends may hide unpleasant “surprises”. In recent years wireless communications have become an important part of our everyday life. We rely on our wireless devices and the companies who provide them. However, questions like how safe can our devices be or how secure can our wireless communications be, rise up almost every day. In parallel with these questions, the appearance of Hardware Trojans rise up too. Hardware Trojans are part of these new trends and they have become a serious issue in the field of integrated circuits. Various studies have been done till today, using different strategies, Trojans and detection methods. At this dissertation it is presented a Hardware Trojan detection framework in wireless cryptographic integrated circuit. Τhe leak of secret information through wireless communication is described, using the technic of mixed-signal integrated circuits. There are two Hardware Trojans created and inserted to the original system, which do not change the functionality of the system, but can leak secret information from it. It is presented how a Trojan can be successfully detected through different statistic measurements which are related to the frequency and amplitude of the wireless transmission signal.

Η περιοχή της σχεδίασης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στις RF συχνότητες είναι ιδιαίτερα δυναμική τα τελευταία χρόνια, πράγμα που αποδεικνύεται και από τις πολύ υψηλού επιπέδου δημοσιεύσεις σε ένα από τα πλέον έγκριτα περιοδικά του χώρου, το IEEE Journal of Solid State Circuits - JSSC. Οι προκλήσεις είναι τεράστιες διότι από τη μια μεριά οι τεχνικές ολοκλήρωσης επιφέρουν σμίκρυνση σε βαθιά υπομικρονικές μέχρι νάνο διαστάσεις, ενώ από την άλλη η σχεδίαση των κυκλωμάτων είναι πολύ απαιτητική με πολλές παγίδες λόγω των παρασιτικών φαινομένων που παίζουν τεράστιο ρόλο σε όλα τα μοντέλα. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας επικεντρωνό μαστε στη μελέτη των VCOs (voltage controlled oscillators). Παραθέτουμε τις πλέον σύγχρονες τοπολογίες που χρησιμοποιούνται σήμερα και μελετούμε τη συμπεριφορά τους ως προς το θόρυβο με το πολύ πρόσφατο μοντέλο που βασίζεται στη μέθοδο Impulse Sensitivity function. Εξετάζουμε συν τοις άλλοις τις ιδιαιτερότητες που εμφανίζουν τα παθητικά στοιχεία (πηνίο και πυκνωτής) στις υψηλές συχνότητες. Στη συνέχεια, εφαρμόζουμε τεχνικές βελτιστοποίησης ως προς το θόρυβο φάσης για κάθε μία από τις τοπολογίες, αναδεικνύοντας τους απαιτούμενους συμβιβασμούς στις απαιτήσεις της σχεδίασης και συγκρίνουμε τα αποτελέσματα θεωρίας και εξομοίωσης, τα οποία και συγκλίνουν. Τέλος, παρουσιάζονται και μελετώνται τοπολογίες που παράγουν ορθογώνια σήματα και προτείνεται μια νέα τοπολογία για τον ταλαντωτή Colpitts. / The RF integrated circuits design is an intensively developed region of electronics lately, which is also observed by the high level of publications in the world's most specialized journal of the field. Design challenges are huge due to the sub-micron processes of integration and the increased parasitics of the devices. in this work, the focus was on the study of VCOs (voltage controlled oscillators). We mention the latest topologies that are used nowadays and we study their behavior in terms of noise using the recently developed model of Impulse Sensitivity function. Moreover we examine the particularities of passive elements (inductor and capacitor) in high frequencies. Later, we apply optimization techniques regarding the phase noise, showing the necessary design trade-offs and compare the theoretical and simulation results, which converge. Finally, quadrature signal topologies are presented and studied and a new topology is proposed for Colpitts oscillator.