This thesis investigates how an energy meter should be constructed in order to apply to the Measurement Instrument Directive. The measuring instrument directive is a statutory industry standard. All meters used for billing purposes must abide by this standard. Multiple systems were investigated in order to find the optimal system according to the agreed upon demands. Each system is presented individually and need to be able to withstand 230V and 35A. The system which fulfills the demands the best is implemented. The choosen system is based around the M90E32AS and Atmega328pb IC:s from Microchip. The sensors used are current transformers and voltage dividers. The M90E32AS samples data from the sensors and forwards it to the Atmega328pb where they can be read by a computer. Communication is conducted via SPI (Serial Peripheral Interface). Isolation is needed to provide protection to low voltage components and other equipment. Because of this the transformers and optocouplers are used. The end result is a functioning energy meter. It measures voltage and current in a satisfying way with a very small margin om error. According to the test made regarding energymetering the measurement error is just above 1%. This is a bigger error than what was wanted but the tests are not very precise and the error is probably smaller in reality.

The mixed-signal and analog design on a pre-diffused array is a challenging task, given that the digital array is a linear matrix arrangement of minimum-length transistors. To surmount this drawback a specific discipline for designing analog circuits over such array is required. An important novel technique proposed is the use of TAT (Trapezoidal Associations of Transistors) composite transistors on the semi-custom Sea-Of-Transistors (SOT) array. The analysis and advantages of TAT arrangement are extensively analyzed and demonstrated, with simulation and measurement comparisons to equivalent single transistors. Basic analog cells were also designed as well in full-custom and TAT versions in 1.0mm and 0.5mm digital CMOS technologies. Most of the circuits were prototyped in full-custom and TAT-based on pre-diffused SOT arrays. An innovative demonstration of the TAT technique is shown with the design and implementation of a mixed-signal analog system, i. e., a fully differential 2nd order Sigma-Delta Analog-to-Digital (A/D) modulator, fabricated in both full-custom and SOT array methodologies in 0.5mm CMOS technology from MOSIS foundry. Three test-chips were designed and fabricated in 0.5mm. Two of them are IC chips containing the full-custom and SOT array versions of a 2nd-Order Sigma-Delta A/D modulator. The third IC contains a transistors-structure (TAT and single) and analog cells placed side-by-side, block components (Comparator and Folded-cascode OTA) of the Sigma-Delta modulator.

A metodologia de projeto semi-customizado usando associações trapezoidais de transistores (TATs) é especialmente viável para o projeto de circuitos integrados mistos analógico- digitais. Vários trabalhos foram desenvolvidos demonstrando exemplos de aplicações que geraram bons resultados utilizando esta metodologia. Entretanto, ficou evidente a falta de ferramentas de CAD apropriadas para automatizar o processo de síntese dos circuitos. Para preencher esta lacuna, foi desenvolvido o LIT, uma ferramenta de CAD especializada na geração do layout de células analógicas utilizando associações de transistores. O principal desafio da técnica de associações trapezoidais é a escolha adequada da associação equivalente ao transistor simples, de modo que os efeitos negativos da substituição deste transistor no desempenho do circuito sejam os menores possíveis. Podem existir diversas opções de associações equivalentes, e a escolha da mais adequada nem sempre é uma tarefa direta e intuitiva.O objetivo deste trabalho é a criação de ferramentas de auxílio ao projeto de circuitos analógicos utilizando a técnica de associação série-paralela de transistores MOS (Metal- Oxide-Semiconductor), desde o dimensionamento do circuito até a descrição do layout em formato de troca. Pretende-se fazer com que o tempo total de projeto seja reduzido e seus custos diminuídos. Além disso, o projeto visando a manufaturabilidade, de fundamental importância em tecnologias sub-micrométricas, também é abordado na ferramenta através da busca pela regularidade do layout. Um novo conceito de associação de transistores é introduzido: a associação do tipo T (TST - T-Shaped Transistor). Esta associação caracteriza-se por seu formato trapezoidal, porém sem limite quanto ao tamanho dos transistores unitários, os quais são considerados, em trabalhos anteriores sobre TATs (associações trapezoidais de transistores), como sendo todos iguais. Assim, uma ou duas variáveis livres a mais ficam disponíveis ao projetista, dando a liberdade da escolha de até quatro dimensões para os TSTs, o que faz com que o projeto se torne mais flexível. A modelagem deste tipo de associação é desenvolvida neste trabalho de modo que os efeitos de segunda ordem sejam previstos no desempenho geral do circuito e a verificação experimental comparada com simulações. / The semi-custom design methodology using trapezoidal associations of transistors (TATs) is specially viable for the design of mixed-signal integrated circuits. Several works have been developed demonstrating examples of applications that generated good results using this methodology. However, there is a lack of specific CAD tools able to automate the synthesis procedure. In order to fill this need, the LIT tool was developed. LIT is a CAD tool specialized in layout generation of analog cells using associations of transistors. The main challenge is the choice of the correct equivalent association for a given single transistor, in such a way that negative effects related to this substitution are minimized. The most adequate choice is not a direct and intuitive task, because many options of associations exist. The goal of this work is to develop a tool for the aid of analog circuits design using series-parallel associations of MOS transistors, from circuit sizing phase to layout description. Total time and costs can be reduced with this tool. Moreover, design for manufacturability is also improved through layout regularity. A new concept of associations of transistors is introduced: the T-Shaped Transistor (TST). The main characteristic of this association is its trapezoidal format, but with no limit on the sizes of unit transistors, which were fixed in previous works about TATs (Trapezoidal Associations of Transistors). Then, one or two more free variables are available to the designer, giving him the possibility to work with up to four dimensions for the TSTs. A model of this kind of association is developed in this work, since it is needed to prevent or minimize second order effects that degrade circuit performance. Experimental comparison with simulations are also presented.

The mixed-signal and analog design on a pre-diffused array is a challenging task, given that the digital array is a linear matrix arrangement of minimum-length transistors. To surmount this drawback a specific discipline for designing analog circuits over such array is required. An important novel technique proposed is the use of TAT (Trapezoidal Associations of Transistors) composite transistors on the semi-custom Sea-Of-Transistors (SOT) array. The analysis and advantages of TAT arrangement are extensively analyzed and demonstrated, with simulation and measurement comparisons to equivalent single transistors. Basic analog cells were also designed as well in full-custom and TAT versions in 1.0mm and 0.5mm digital CMOS technologies. Most of the circuits were prototyped in full-custom and TAT-based on pre-diffused SOT arrays. An innovative demonstration of the TAT technique is shown with the design and implementation of a mixed-signal analog system, i. e., a fully differential 2nd order Sigma-Delta Analog-to-Digital (A/D) modulator, fabricated in both full-custom and SOT array methodologies in 0.5mm CMOS technology from MOSIS foundry. Three test-chips were designed and fabricated in 0.5mm. Two of them are IC chips containing the full-custom and SOT array versions of a 2nd-Order Sigma-Delta A/D modulator. The third IC contains a transistors-structure (TAT and single) and analog cells placed side-by-side, block components (Comparator and Folded-cascode OTA) of the Sigma-Delta modulator.

Desde os anos 80 a evolução dos processos de fabricação de circuitos integrados MOS tem buscado a redução da tensão de alimentação, como forma de se reduzir o consumo de energia dos circuitos. Partiu-se dos antigos 5 V, padrão estabelecido pela lógica TTL nos anos 70, até os circuitos modernos que operam com alimentação pouco abaixo de 1 V. Entretanto, desde os primeiros anos da década de 2000, a tensão de alimentação está estabilizada neste patamar, devido a limitações tecnológicas que tem se mostrado difíceis de serem transpostas. Tal desafio tem sido estudado por grupos de pesquisa ao redor do mundo, e diversas estratégias tem sido propostas para se chegar a circuitos analógicos e digitais que operem sob tensão de alimentação bem inferior a 1 V. De fato estes grupos têm focado seus estudos em circuitos que operam com tensão de alimentação inferior a 0,5 V, alguns chegando à casa de 200 ou 100 mV, ou até menor. Dentre as diversas classes de circuitos, os conversores de dados dos tipos digital-analógico (DAC) e analógicodigital (ADC) são circuitos fundamentais ao processo de integração entre os módulos que processam sinais analogicamente e os que processam sinais digitalmente, sendo assim essenciais à implementação dos complexos SoCs (System-on-Chips) da atualidade. Este trabalho apresenta um estudo sobre o desempenho da configuração MOSFET em rede M-2M (similar à rede R-2R que emprega resistores), utilizada como circuito conversor digital-analógico, quando dimensionada para operar sob tensão de alimentação muito baixa, da ordem de 200 mV ou inferior. Tal estudo se baseia no emprego de um modelo para os MOSFETs que é contínuo desde a condição de inversão fraca (subthreshold) até a inversão forte, e inclui o uso de um modelo de descasamento entre MOSFETs que é válido para qualquer condição de operação. Com base neste estudo foi desenvolvida uma metodologia de projeto, capaz de estabelecer as relações de compromisso entre “tensão de alimentação”, “resolução efetiva” e “área ocupada em silício”, fundamentais para se atingir um circuito otimizado. Resultados de simulação elétrica são apresentados e confrontados com os resultados analíticos, visando a comprovação da metodologia. O circuito já foi enviado para fabricação, e deve começar a ser testado em breve.

The mixed-signal and analog design on a pre-diffused array is a challenging task, given that the digital array is a linear matrix arrangement of minimum-length transistors. To surmount this drawback a specific discipline for designing analog circuits over such array is required. An important novel technique proposed is the use of TAT (Trapezoidal Associations of Transistors) composite transistors on the semi-custom Sea-Of-Transistors (SOT) array. The analysis and advantages of TAT arrangement are extensively analyzed and demonstrated, with simulation and measurement comparisons to equivalent single transistors. Basic analog cells were also designed as well in full-custom and TAT versions in 1.0mm and 0.5mm digital CMOS technologies. Most of the circuits were prototyped in full-custom and TAT-based on pre-diffused SOT arrays. An innovative demonstration of the TAT technique is shown with the design and implementation of a mixed-signal analog system, i. e., a fully differential 2nd order Sigma-Delta Analog-to-Digital (A/D) modulator, fabricated in both full-custom and SOT array methodologies in 0.5mm CMOS technology from MOSIS foundry. Three test-chips were designed and fabricated in 0.5mm. Two of them are IC chips containing the full-custom and SOT array versions of a 2nd-Order Sigma-Delta A/D modulator. The third IC contains a transistors-structure (TAT and single) and analog cells placed side-by-side, block components (Comparator and Folded-cascode OTA) of the Sigma-Delta modulator.

A metodologia de projeto semi-customizado usando associações trapezoidais de transistores (TATs) é especialmente viável para o projeto de circuitos integrados mistos analógico- digitais. Vários trabalhos foram desenvolvidos demonstrando exemplos de aplicações que geraram bons resultados utilizando esta metodologia. Entretanto, ficou evidente a falta de ferramentas de CAD apropriadas para automatizar o processo de síntese dos circuitos. Para preencher esta lacuna, foi desenvolvido o LIT, uma ferramenta de CAD especializada na geração do layout de células analógicas utilizando associações de transistores. O principal desafio da técnica de associações trapezoidais é a escolha adequada da associação equivalente ao transistor simples, de modo que os efeitos negativos da substituição deste transistor no desempenho do circuito sejam os menores possíveis. Podem existir diversas opções de associações equivalentes, e a escolha da mais adequada nem sempre é uma tarefa direta e intuitiva.O objetivo deste trabalho é a criação de ferramentas de auxílio ao projeto de circuitos analógicos utilizando a técnica de associação série-paralela de transistores MOS (Metal- Oxide-Semiconductor), desde o dimensionamento do circuito até a descrição do layout em formato de troca. Pretende-se fazer com que o tempo total de projeto seja reduzido e seus custos diminuídos. Além disso, o projeto visando a manufaturabilidade, de fundamental importância em tecnologias sub-micrométricas, também é abordado na ferramenta através da busca pela regularidade do layout. Um novo conceito de associação de transistores é introduzido: a associação do tipo T (TST - T-Shaped Transistor). Esta associação caracteriza-se por seu formato trapezoidal, porém sem limite quanto ao tamanho dos transistores unitários, os quais são considerados, em trabalhos anteriores sobre TATs (associações trapezoidais de transistores), como sendo todos iguais. Assim, uma ou duas variáveis livres a mais ficam disponíveis ao projetista, dando a liberdade da escolha de até quatro dimensões para os TSTs, o que faz com que o projeto se torne mais flexível. A modelagem deste tipo de associação é desenvolvida neste trabalho de modo que os efeitos de segunda ordem sejam previstos no desempenho geral do circuito e a verificação experimental comparada com simulações. / The semi-custom design methodology using trapezoidal associations of transistors (TATs) is specially viable for the design of mixed-signal integrated circuits. Several works have been developed demonstrating examples of applications that generated good results using this methodology. However, there is a lack of specific CAD tools able to automate the synthesis procedure. In order to fill this need, the LIT tool was developed. LIT is a CAD tool specialized in layout generation of analog cells using associations of transistors. The main challenge is the choice of the correct equivalent association for a given single transistor, in such a way that negative effects related to this substitution are minimized. The most adequate choice is not a direct and intuitive task, because many options of associations exist. The goal of this work is to develop a tool for the aid of analog circuits design using series-parallel associations of MOS transistors, from circuit sizing phase to layout description. Total time and costs can be reduced with this tool. Moreover, design for manufacturability is also improved through layout regularity. A new concept of associations of transistors is introduced: the T-Shaped Transistor (TST). The main characteristic of this association is its trapezoidal format, but with no limit on the sizes of unit transistors, which were fixed in previous works about TATs (Trapezoidal Associations of Transistors). Then, one or two more free variables are available to the designer, giving him the possibility to work with up to four dimensions for the TSTs. A model of this kind of association is developed in this work, since it is needed to prevent or minimize second order effects that degrade circuit performance. Experimental comparison with simulations are also presented.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Circuits for sampling and retention of analogue signals are commonly implemented with techniques such as switched capacitors (SC). SC circuits employing the storage of charge in a linear capacitor to represent a signal in the form of voltage. Operational Amplifiers (AmpOp's) are used to transfer the load of a capacitor to another, sampling and holding circuits for analogue signals in closed loop. Recently, another technique has been developed without the need of building linear capacitors, making possible projects compatible with VLSI CMOS processes. This technique, called Switched Current (SI), is characterized by processing the signals in the current form, and implemented through the memory retention of electric charge on the gate of a MOS transistor in saturation zone. The charge is hold in a gate-source voltage and hence the current in a transistor. In this model, the excursion of the signal is not directly dependent on the supply voltage, but dependent on the polarization and current signal. This makes the model attractive for low voltage. The technique does not require AmpOp's and capacitors. The speed of the circuit is not limited by AmpOp's and its gainbandwidth product, but by design and manufacturing process. This technique is not yet consolidated and its performance is still not competitive with SC circuits [1] However, SI circuits become interesting as they constitute an open field for future research and the opportunity to be fully implemented in processes manufacturing oriented to purely digital circuits. This work begins with a framework of the subject matter, placing the reader in the state of the art manufacturing technology and some implications that directly affect analog circuits. Are also presented in this section some implementations which serve to characterize what is being done recently in terms of Sigma Delta (ΣΔ) modulators. Abstract vi In Chapter 2, are made a review of sampling and holding bases, the AD conversion techniques with focuses in oversampled AD converters, the circuits that implementing SC and SI modulators and their influences, and finally a review of the nonidealities that involve the practice of project. Chapter 3 a comparative study is done between memory cells SC and SI. Based on a simplified model of small signals, the behavior analyzes on the signal-noise-ratio (SNR), power consumption and speed, providing indications of performance throughout the operating region of MOS transistors. Chapter 4 deals with the initial specifications for the development of a ΣΔ AD converter for a specific implementation. The s tudies and estimates lead to pre-design of the project's ultimate goal the creation of a ΣΔ modulator in the SC and SI techniques. In Chapter 5 is intended to make the measures and tests that establish the standards of comparison, the discussion of results and conclusions. Finally, in Chapter 6, an alternative proposal is presented based on an architecture that performs a sigma-delta modulator with low distortion, implemented with SI circuit. The final conclusions and contributions are presented in Chapter 7. / Circuitos de amostragem e retenção de sinais analógicos são comumente implementados com técnicas de chaveamento de capacitores (Switched Capacitor SC). Circuitos SC empregam o armazenamento de cargas em um capacitor linear para representar um sinal sob a forma de tensão. Amplificadores Operacionais (AmpOp s) são usados para transferir essa carga de um capacitor a outro, amostrando e retendo sinais analógicos em circuitos de malha fechada. Recentemente, uma outra técnica tem sido desenvolvida sem a necessidade de construção de capacitores lineares, tornando possíveis projetos compatíveis com processos de fabricação VLSI CMOS. Esta técnica, chamada de Switched Current (SI), caracteriza-se por processar os sinais sob a forma de correntes, sendo a operação de memorização implementada através da retenção de carga elétrica na porta de um transistor MOS na zona de saturação. A carga retida corresponde a uma tensão portafonte e, conseqüentemente, a uma corrente no transistor. Neste modelo, a excursão do sinal não é diretamente dependente da tensão de alimentação, mas dependente das correntes de polarização e de sinal. Isso torna o modelo atrativo para baixas tensões. A técnica não requer AmpOp s e implementação física de capacitores. A velocidade do circuito não é limitada por AmpOp s e seu produto ganho-banda, mas pelo projeto e processo de fabricação. Essa técnica ainda não está consolidada e sua performance ainda não é competitiva com os circuitos SC [1], Contudo, os circuitos SI tornam-se interessantes na medida em que constituem um campo aberto para futuras pesquisas e pela possibilidade de serem completamente implementados em processos de fabricação voltados a circuitos puramente digitais. Este trabalho inicia com um enquadramento do trabalho proposto, situando o leitor no contexto do estado da arte das tecnologias de fabricação e algumas implicações diretas que afetam circuitos analógicos. São apresentadas ainda nesta seção algumas implementações que servem para caracterizar o que está sendo feito recentemente em termos de conversores tipo Sigma Delta (ΣΔ). No Capítulo 2, faz-se o embasamento sobre as técnicas utilizadas no processo de amostragem e retenção utilizadas para conversão ADΣΔ e uma revisão das não idealidades que envolvem a prática de projeto. No Capítulo 3 é feito um estudo comparativo, entre células de memória SC e SI. Baseado em modelo simplificado de pequenos sinais, analisa-se o comportamento quanto à relação-sinal-ruido (SNR), ao consumo e à velocidade, fornecendo indicações de desempenho em toda região de funcionamento dos transistores MOS. No Capitulo 4 são abordadas as especificações iniciais ao desenvolvimento de um conversor ΣΔ para uma implementação específica. Os estudos e estimativas que conduzem a pré-concepção do projeto têm como objetivo final a geração de um modulador ΣΔ nas técnicas SC e SI. Nos Capítulos 5 efetuam-se as medidas e testes que estabelecem os padrões de comparação, a discussão dos resultados e conclusões. Por fim, no Capítulo 6, uma proposta alternativa é apresentada com base em uma arquitetura de modulador sigma-delta de baixa distorção, implementada em circuito SI. As conclusões e contribuições finais são apresentadas no capítulo 7.

Desde os anos 80 a evolução dos processos de fabricação de circuitos integrados MOS tem buscado a redução da tensão de alimentação, como forma de se reduzir o consumo de energia dos circuitos. Partiu-se dos antigos 5 V, padrão estabelecido pela lógica TTL nos anos 70, até os circuitos modernos que operam com alimentação pouco abaixo de 1 V. Entretanto, desde os primeiros anos da década de 2000, a tensão de alimentação está estabilizada neste patamar, devido a limitações tecnológicas que tem se mostrado difíceis de serem transpostas. Tal desafio tem sido estudado por grupos de pesquisa ao redor do mundo, e diversas estratégias tem sido propostas para se chegar a circuitos analógicos e digitais que operem sob tensão de alimentação bem inferior a 1 V. De fato estes grupos têm focado seus estudos em circuitos que operam com tensão de alimentação inferior a 0,5 V, alguns chegando à casa de 200 ou 100 mV, ou até menor. Dentre as diversas classes de circuitos, os conversores de dados dos tipos digital-analógico (DAC) e analógicodigital (ADC) são circuitos fundamentais ao processo de integração entre os módulos que processam sinais analogicamente e os que processam sinais digitalmente, sendo assim essenciais à implementação dos complexos SoCs (System-on-Chips) da atualidade. Este trabalho apresenta um estudo sobre o desempenho da configuração MOSFET em rede M-2M (similar à rede R-2R que emprega resistores), utilizada como circuito conversor digital-analógico, quando dimensionada para operar sob tensão de alimentação muito baixa, da ordem de 200 mV ou inferior. Tal estudo se baseia no emprego de um modelo para os MOSFETs que é contínuo desde a condição de inversão fraca (subthreshold) até a inversão forte, e inclui o uso de um modelo de descasamento entre MOSFETs que é válido para qualquer condição de operação. Com base neste estudo foi desenvolvida uma metodologia de projeto, capaz de estabelecer as relações de compromisso entre “tensão de alimentação”, “resolução efetiva” e “área ocupada em silício”, fundamentais para se atingir um circuito otimizado. Resultados de simulação elétrica são apresentados e confrontados com os resultados analíticos, visando a comprovação da metodologia. O circuito já foi enviado para fabricação, e deve começar a ser testado em breve.

abstract: Switch mode DC/DC converters are suited for battery powered applications, due to their high efficiency, which help in conserving the battery lifetime. Fixed Frequency PWM based converters, which are generally used for these applications offer good voltage regulation, low ripple and excellent efficiency at high load currents. However at light load currents, fixed frequency PWM converters suffer from poor efficiencies The PFM control offers higher efficiency at light loads at the cost of a higher ripple. The PWM has a poor efficiency at light loads but good voltage ripple characteristics, due to a high switching frequency. To get the best of both control modes, both loops are used together with the control switched from one loop to another based on the load current. Such architectures are referred to as hybrid converters. While transition from PFM to PWM loop can be made by estimating the average load current, transition from PFM to PWM requires voltage or peak current sensing. This theses implements a hysteretic PFM solution for a synchronous buck converter with external MOSFET's, to achieve efficiencies of about 80% at light loads. As the PFM loop operates independently of the PWM loop, a transition circuit for automatically transitioning from PFM to PWM is implemented. The transition circuit is implemented digitally without needing any external voltage or current sensing circuit. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2014