Στόχος μου ήταν να αναφέρω τις βασικές μεθόδους βελτιστοποίησης της επιφάνειας και της καθυστέρησης ενός FIR φίλτρου σταθερών συντελεστών που έχουν προταθεί τα τελευταία χρόνια, να υλοποιήσω τις μεθόδους βελτιστοποίησης της επιφάνειας και να παραθέσω τα αποτελέσματα εξομοίωσης των παραπάνω μεθόδων. / My aim was to present the basic methods of reducing the area and delay of FIR filters of constant coefficients, to create the methods of reducing the area of FIR filters and to compare these methods.

- / -

Το αντικείμενο της παρούσης διπλωματικής επικεντρώνεται στη σχεδίαση ανάπτυξη και μέτρηση κυκλώματος κάτω μεταλλάκτη (down converter) συχνότητας στην περιοχή 1 έως 6 GHz. Η αρχιτεκτονική περιλαμβάνει ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA) κατανεμημένης τοπολογίας (distributed amplifier), μίκτη καθώς και ενισχυτές και φίλτρα στην ενδιάμεση συχνότητα. Ο σχεδιασμός συνοδεύεται από μετρήσεις όπου και διαπιστώνεται η σύγκλιση με τα αποτελέσματα εντατικών εξομοιώσεων. Κύρια εργαλεία του σχεδιασμού απετέλεσαν κυκλωματικοί και ηλεκτρομαγνητικοί εξομοιωτές. / The object of this thesis focuses on design development and measurement down converter circuit in the frequency range 1 to 6 GHz. The architecture includes low noise amplifier (LNA) Distributed topology (distributed amplifier), mixer and amplifiers and filters in intermediate frequency. The design is accompanied by measurements and found where the convergence of the results of intensive simulations. Main tools of design were kyklomatikoi and electromagnetic simulators.

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.

Αντικείμενο της παρούσας Ειδικής Επιστημονικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη φίλτρων στο πεδίο της τετραγωνικής ρίζας με τη μέθοδο του γραμμικού μετασχηματισμού (Linear Transformation). Ως παράδειγμα, δίνεται η σχεδίαση, η εξομοίωση και τέλος η φυσική σχεδίαση ενός ελλειπτικού βαθυπερατού φίλτρου 3ης τάξης στο πεδίο της τετραγωνικής ρίζας (Square-Root Domain). Για λόγους σύγκρισης, η σχεδίαση του φίλτρου γίνεται με τέσσερις διαφορετικές μεθόδους εξομοίωσης παθητικών φίλτρων (Leapfrog, Topologic, Wave και Linear Trasformation method) και η ανάλυση κάθε μεθόδου παρουσιάζεται σε αντίστοιχο κεφάλαιο. / The subject of this master thesis is the design of analog filters in square root domain utilizing the method of Linear Transformation. As a design example a third order elliptic lowpass filter transfer function will be realized. For comparison results we are using four different design methods (Leapfrog, Topologic, Wave and Linear Trasformation)in order to realize such filter. Each synthesis method is demonstrated in different chapter.

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.

Dans les systèmes actuels de communication, qu’ils soient terrestre ou spatial, qu’ils soient mobile ou fixe, il y a un réel intérêt à développer des front-ends radiofréquences et hyperfréquences miniatures et performants. Ceci s’applique en particulier aux dispositifs de filtrage où l’encombrement et les facteurs de qualité sont clairement antagonistes. Pour les bandes de fréquences basses aux alentours du GHz, les longueurs d’onde restent encore importantes, rendant difficiles les efforts de miniaturisation. D’autre part il faut aussi s’assurer que ces filtres viendront s’interconnecter aisément avec les autres composants du système, notamment les actifs.Pour toutes ces raisons, le développement de structures de filtres multicouches utilisant des substrats à haute permittivité (εr = 68) selon une approche LTCC apparait comme une alternative intéressante. Elle peut en effet conduire à une réduction significative de l'empreinte (footprint) sans pour autant trop nuire aux performances électriques.Dans le cadre de ce travail, deux structures de filtres multicouches ont été développées pour répondre à des spécifications proposées en bandes L et S, par un équipementier du spatial. Ces filtres ont pour caractéristiques principales un haut niveau de rejection et des faibles pertes dans la bande passante. Pour atteindre les spécifications, un filtre SIW empilé verticalement et un filtre à stubs en court-circuit en configuration triplaque ont été étudiés. Le filtre SIW se distingue par un facteur de qualité élevé, ce qui entraîne des faibles pertes d’insertion et une bonne platitude. La solution à stub permet quant à elle de réduire l’encombrement mais au prix d’un impact sur les performances électriques. Dans les deux cas on tire parti de la souplesse offerte par la technologie LTCC, puisqu’elle offre finalement un degré de liberté supplémentaire, par rapport à une approche planaire classique. Si dans le cas SIW, c’est surtout l’architecture topologique qui a été étudiée finement pour pouvoir agencer et coupler douze cavités, dans le cas du filtre à stub une synthèse mettant à profit tous les degrés de liberté offerts a été spécifiquement développée.Compte tenu de la complexité des filtres, notamment à cause de l’ordre élevé et de la mise en oeuvre de murs « électriques » à partir d’arrangements de via spécifiques, une attention particulière doit être apportée lors des phases de simulation et d’optimisation. De plus la très forte permittivité du substrat ne permet pas d’utiliser de ligne 50 Ohms. Enfin les transitions constituent un point dur de l’exercice surtout dans le cas SIW.Cette thèse co-financée par le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) et Thales Alenia Space, était accompagnée par un projet R&T financé par le CNES. Le fondeur allemand Via Electronic avait en charge la fabrication des filtres. / In current communication systems, whether terrestrial or spatial, whether fixed or mobile, there is a real interest in developing high performance miniature RF front-ends. This is applied in particular to filter devices, in which the size and the quality factors are clearly in conflict. For low frequency bands around the GHz, the wavelengths remain significant, making it difficult the miniaturization efforts. On the other hand, we must also ensure that these filters will be easily interconnected with other other system components, including active devices.For all these reasons, the development of multilayer filter structures using high permittivity substrates (Er = 68) in an LTCC approach is consolidated as an interesting alternative. It may lead to a significant footprint reduction without decreasing the electrical performances.As part of this work, two multilayer filter structures have been developed to meet the given specifications in L and S bands, given by a space manufacturer. These filters have as main features a high rejection level and low losses in the passband. To meet the specifications, a vertically stacked SIW filter and a short-circuited stubs filter in a stripline configuration were studied. The SIW filter is characterized by a high quality factor, which results in low insertion loss and good flatness. The stubs filter allows in contrast to reduce the footprint but at the price of impacting the electrical performance. In both cases we take advantage of the flexibility offered by the LTCC technology as it finally provides an additional freedom degree compared to a conventional planar approach. For the SIW filter, the topological architecture was studied and designed in detail, to be able to arrange and synthetize couplings between twelve cavities. In a similar way, for the stub filter a synthesis that takes profit of all the offered freedom degrees was developed.Given the filters complexity, especially due to the high order and the implementation of “electrical walls" based on specific vias patterns, a close attention must be paid during the simulation and optimization phase. In addition, the high permittivity substrate does not allow to conceive 50-Ohms lines. Finally, access transitions constitute a challenging task, especially for the SIW case.This thesis was co-funded by CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) and Thales Alenia Space, and was accompanied by an R&T project funded by CNES. The German foundry Via Electronic was responsible for the filters fabrication.

Οι εφαρμογές της σύγχρονης τεχνολογίας επιτάσσουν τη χρήση συσκευών με όσο το δυνατόν μικρότερες διαστάσεις, χαμηλή τάση τροφοδοσίας, χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα υψηλές επιδόσεις. Το αντικείμενο της εργασίας αυτής, αφορά στη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων φίλτρων, χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, για υλοποίηση μεγάλων σταθερών χρόνου, στο πεδίο του λογαρίθμου. Προς αυτή την κατεύθυνση, μελετώντας και σχεδιάζοντας δομές αναλογικών φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου, επιτεύχθηκε η σχεδίαση φίλτρων δεύτερης τάξης με μεγάλες σταθερές χρόνου, διατηρώντας τις φυσικές διαστάσεις των κυκλωμάτων σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα. Αρχικά, παρουσιάζονται κάποια εισαγωγικά στοιχεία για την σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Γίνεται εισαγωγή στην ιδέα των λογαριθμικών φίλτρων και αναλύονται οι βασικές αρχές σχεδίασης. Παρουσιάζονται βασικά χαρακτηριστικά των κυκλωμάτων στο πεδίο του λογαρίθμου, καθώς και ανάλυση των τελεστών και των διαγωγών που αποτελούν τη βάση της σχεδίασης στο λογαριθμικό πεδίο. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι υλοποιήσεις των ολοκληρωτών των φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου. Στη συνέχεια, γίνεται τοπολογική εξομοίωση 2ης τάξης βαθυπερατών φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου. Σχεδιάζονται φίλτρα με την κλασική μέθοδο υλοποίησης, κάνοντας χρήση ισοδύναμων των παθητικών στοιχείων στο λογαριθμικό πεδίο, αλλά και φίλτρα υλοποιημένα με διάγραμμα ροής (SFG). Παρουσιάζονται τα πρώτα αποτελέσματα των εξομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν με το λογισμικό Cadence και το γραφικό περιβάλλον που διαθέτει για την σχεδίαση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (Virtuoso Analog Environment). Προτείνονται, δύο κυκλώματα τα οποία πραγματοποιούν πολλαπλασιασμό της χωρητικότητας των πυκνωτών, επιτυγχάνοντας έτσι μεγάλες σταθερές χρόνου, και η υλοποίηση νέων ολοκληρωτών που κάνουν χρήση των πολλαπλασιαστών. Δημιουργούνται έτσι οι βάσεις για την υλοποίηση φίλτρων με εξαιρετικά μικρές διαστάσεις, των οποίων η σχεδίαση, η εξομοίωση και η φυσική σχεδίαση (layout design) παρουσιάζονται, αναλύονται και συγκρίνονται. / The technological evolution and market requirements have led to an increasing demand of low - power portable devices, featuring the reduced size of the devises and high efficiency. This M.Sc project deals with the design of analog integrated, Log - Domain filters, for low - voltage implementation, with large time - constants. In this direction, the design of a second order, low - pass filter, with the above features, and with the occupied silicon area maintained at very low levels, was achieved. In Chapters 1 and 2, an introduction to the design of integrated circuits in low voltage environment is presented. There is an introduction to the idea and the basic principles of Log - Domain filters. The key characteristics of circuits in a large signal operation point of view, and an analysis of the operators and the exponential transconductor cells are, also presented. Furthermore, the basic Log - Domain integrators has been analyzed. A topologic analysis of second order Log - Domain filters is given in Chapter 3. Filters has been initially designed firstly with the classic implementation, using Log - Domain equivalent of passive elements. In a second step, the filter has been realizes by employing the signal flow diagram (SFG) representation. These filters were simulated with the Analog Design environment of the Cadence software. the obtained simulation results confirmed the correct operation of the circuit. Two implementations for realizing the Log - Domain equivalent of a capacitor multiplier are introduced. In addition, implementations of new Log - Domain integrators, that use the capacitor multipliers, are given in Chapter 4. Using these implementations, Log - Domain filters, with reduced total area and large time - constants, are designed, simulated and characterized in Chapter 5. Finally, the layout design of a second - order has been performed in Chapter 6 and the provided post - layout simulation results show that the performance of the filter was close to that of the filter realized in schematic level.

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.