O advento da utilização de circuitos integrados pela sociedade se deu por dois motivos. O primeiro consiste na miniaturização das dimensões dos dispositivos integrados. Essa miniaturização permitiu a construção de dispositivos menores, mais rápidos e que consomem menos frequência. O outro fator é a utilização da metodologia baseada em biblioteca de células. Esta metodologia permite o projeto de um circuito eficiente em um curto espaço de tempo. Com a redução dos dispositivos, novos fatores que eram desconsiderados no fluxo automático passaram a ter importância. Dentre eles podemos citar o consumo estático, a variabilidade, a manufaturabilidade e o envelhecimento. Alguns desses fatores, como o consumo estático e a variabilidade, já estão integrados à metodologia baseada em biblioteca de células. Os efeitos de envelhecimento tem sua degradação aumentada a cada novo processo tecnológico, assim como tem aumentado também a sua importância em relação à confiabilidade do circuito ao longo da sua vida útil. Este trabalho irá explorar estes efeitos de envelhecimento no projeto de circuitos integrados digitais. Dentre as principais contribuições pode-se destacar a definição de um custo de envelhecimento na definição de portas lógicas, que pode ser explorado pelos algoritmos de síntese lógica para obterem um circuito mais confiável. Este custo também pode ser utilizado pelas ferramentas de análise a fim de obter uma estimativa da degradação que o circuito proposto irá sofrer ao longo da sua vida útil. Além disso, é apresentada uma proposta de reordenamento estrutural do arranjo de transistores em portas lógicas, a fim de tratar os efeitos de envelhecimento nos níveis mais iniciais do fluxo. Por fim, uma análise simplificada de características a serem exploradas ao nível de circuito é discutida utilizando o auxílio do projeto de portas lógicas complexas. Os resultados apresentam uma boa e rápida estimativa da degradação das portas lógicas. A reestruturação do arranjo dos transistores tem se apresentado como uma boa alternativa ao projeto de circuitos mais confiáveis. Além disso, a utilização de arranjos mais complexos também é uma excelente alternativa que explora a robustez intrínseca da associação de transistores em série. Além disso, as alternativas propostas podem ser utilizadas em conjunto com técnicas já existentes na literatura. / The increased presence of integrated circuit (IC) in the people’s life has occurred for main two reasons. The first is the aggressive scaling of integrated device dimensions. This miniaturization enabled the construction of smaller, faster and lower power consumption devices. The other factor is the use of a cell based methodology in IC design. This methodology is able to provide efficient circuits in a short time. With the devices scaling, new factors that were usually ignored in micrometer technologies have become relevant in nanometer designs. Among them, it can be mentioned the static consumption, process parameters variability, manufacturability and aging effects. Some of these factors, such as static consumption and variability, are already taken into account by the standard cell design methodology. On the other hand, the degradation caused by aging effects has increased at each new technology node, as well as the importance in relation to the circuit reliability throughout its entire lifetime has also increased. This thesis explores such aging effects in the design of digital IC. The main contributions can be highlighted as the definition of a cost of aging that can be exploited by logic synthesis algorithms to produce a more reliable circuit. This cost can be also used by the analysis tools in order to obtain an estimative of the degradation that specific circuit experiences throughout their lifetime. In addition, a proposal to reorder the transistor structural arrangement of logic gates is presented in order to treat the effects of aging on initial steps in the design flow. Finally, a simplified analysis of the characteristics to be exploited at circuit level is performed exploring details of the design of complex logic gates. The aging cost results have given a good and fast prediction of logic gates degradation. The transistor arrangement restructuring approach is a good alternative to design more reliable circuits. Furthermore, the use of complex arrangements is also an excellent alternative which exploits the intrinsic robustness of series transistors association. Moreover, the discussed approaches can be easily used together with existing techniques in the literature to achieve better results.

No intervalo de valores de frequência de poucos kHz até 1 MHz, nomeado às vezes como região de dispersão ?, as estruturas das células são o principal determinante da impedância do tecido. Esse é o fundamento básico da Espectroscopia da Bioimpedância Elétrica - EBE, a qual tem importância significativa como ferramenta de diagnóstico do câncer de colo no útero - CCU. A EBE consiste na medição de impedância elétrica do tecido cervical para diferentes valores de frequência. A diferença do comportamento no valor da impedância na frequência entre o tecido normal e o cancerígeno é usada para detectar o nível de neoplasia. Um bloco importante do Sistema EBE é o bloco gerador de sinal, o qual está composto principalmente de: a) Oscilador Controlado Numericamente - NCO, b) Conversor Digital - Analógico - DAC e c) Fonte de Corrente Controlada por Tensão - VCCS. O Objetivo do presente trabalho foi o projeto dos blocos principais do Gerador de Sinal para aplicação da Espectroscopia da Bioimpedância Elétrica na Detecção do Câncer no colo do Útero. O Gerador de Sinal é composto de: Oscilador Controlado Numericamente baseado no algoritmo de CORDIC, Conversor Digital - Analógico de 10 bits e Fonte de Corrente Controlada por Tensão. É apresentado o projeto do Oscilador Controlado Numericamente (NCO) de 10 bits baseado na arquitetura iterativa do CORDIC e otimizado em termos da área. O NCO foi implementado na Tecnologia CMOS do Processo da TSMC 180 nm por meio do FREE MINI@SIC IMEC-TSMC 2015. As especificações do projeto foram obtidas dos requerimentos da aplicação da Espectroscopia da Bioimpedância Elétrica - EBE na detecção do Câncer no Colo do Útero - CCU. A arquitetura proposta é composta fundamentalmente de: seletor de frequência de 5 bits, gerador do valor angular, bloco de pré-rotação, unidade aritmética do CORDIC, Unidade de Controle e tabela de busca da referência para arco-tangente. A área do núcleo para este componente foi de 133µmx133µm, ou seja, 0,017689 mm². Foi configurado para gerar 32 valores de frequência de sinais sinusoidais no intervalo de valores de frequência de 100 Hz até 1 MHz com um erro máximo de 0,00623% entre os valores de frequência obtidos da simulação e os resultados experimentais. O Conversor Digital - Analógico foi projetado no nível do esquemático numa arquitetura Current-Steering Segmentada 6-4 com valores de DNL<0,1 LSB e INL<0,2 LSB obtidos na análise de corners. O circuito VCCS foi projetado, simulado e fabricado em Tecnologia CMOS da TSMC 130 nm com polarização de 1,3 V. A Fonte de Corrente de Howland proposta foi baseada no amplificador operacional auto polarizado complementar de cascode dobrado (SB-CFC). De acordo com os requerimentos do padrão internacional IEC:60601-1 o valor pico da corrente sinusoidal foi ajustado em 10 µA. De acordo com aplicação da EBE para a CCD, as especificações do SB-CFC-AO foram calculadas para obter uma corrente sinusoidal na faixa de frequência de 100 Hz até 1 MHz com impedância de saída maior do que 1 MOhm a 1 MHz de frequência. Foram executadas simulações post-layout e os principais resultados foram: 10±0,0035 µA para a amplitude na corrente de saída na faixa de frequência especificada com 5 kOhm de resistência de carga, valores de impedância de saída maiores do 1,6 MOhm a 1 MHz; variações na amplitude da corrente de saída menores do que 0,4% para impedância de carga de 10 Ohm até 5 kOhm. O resultado experimental em termos de não-linearidade apresentou o máximo de 2% da plena escala. De acordo com os resultados obtidos, o desempenho do VCCS é adequado para aplicações da EBE na CCD. / In the frequency range of a few kHz to 1 MHz, sometimes referred to as the ? dispersion region, cell structures are the main determinant of tissue impedance. That is a basic fundamental of Electrical Bio-Impedance Spectroscopy - EBS, which has a significant importance as a diagnostic tool for Cervical Cancer Detection - CCD. EBS consists in the measurements of Electrical Impedance of cervical tissue at different values of frequency. The difference of behavior of impedance value in the frequency of normal tissue and cancerous tissue is used to detect the level of neoplasia. An important block of EBS System is the block signal generator, which is mainly composed of: a) Numerically Controlled Oscillator - NCO, b) Digital to Analog Converter - DAC and c) Voltage Controlled Current Source - VCCS. The aims of this work was to design the main blocks of a Signal Generator for Electrical Bio-Impedance Spectroscopy applied to Cervical Cancer Detection. The signal generator is composed by: CORDIC-Based Numerically Controlled Oscillator, 10-bits Digital-to-Analog Converter and Voltage Controlled Current Source - VCCS. A 10-bit Numerically Controlled Oscillator (NCO) based on the iterative architecture of COordinate Rotation DIgital Computer (CORDIC) optimized in terms of area is presented. The NCO was implemented in a TSMC CMOS 180 nm technology process on the FREE MINI@SIC IMEC-TSMC. The design specifications were obtained from the requirements for application of Electrical Bio-Impedance Spectroscopy (EBS) to Cervical Cancer Detection (CCD). The proposed architecture is basically composed by: 5-bit frequency selector, angle generator, pre-rotator block, CORDIC Arithmetic Unit, Control Unit and lookup table for arctangent reference. The area of this IC for the CORE circuit was 133µm X 133µm, i.e. 0,017689 mm². It was configured in order to generate 32 different frequencies for output sinusoidal signals in the frequency range of 100Hz up to 1MHz with maximum error of 0,00623% in frequency values obtained of comparison of theoretical and experimental results. The 10 bits DAC was implemented in a 6-to-4 Current Steering Segmented architecture with DNL<0,1 LSB and INL<0,2LSB obtained from corners analysis. The circuit VCCS was designed, simulated and fabricated in TSMC 130 nm CMOS technology at 1.3V power supply. The proposed Howland Current Source is based on Self-Biased Complementary Folded Cascode (SB-CFC) Operational Amplifier (OA). Complying with the requirements for medical electrical equipment of international standard ABNT-NBR-IEC-60601-1 the sinusoidal current peak amplitude was settled at 10 µA. In accordance with the requirements of the EBS for CCD, the specifications for the SB-CFC-OA were calculated to meet the 100 Hz to 1 MHz frequency range for the sinusoidal output current and the output impedance higher than 1 MOhm at 1 MHz frequency. Post-layout simulations were run and the main results were: 10 ± 0.0335 µA for the output current peak amplitude over the specified frequency range and with 5 kOhm load impedance; values above 1.6 MOhm output impedance @ 1 MHz; nominal current amplitude variations lower than 0.4% for load impedances in the range of 10 Ohm up to 5 kOhm. And the experimental result for maximum non-linearity was 2% of full scale. From these results, the performance of the VCCS is adequate for EBS-CCD applications.

Orientador: Nobuo Oki / Banca: Carlos Antonio Alves / Banca: Fabiano Fruett / Resumo: Este trabalho apresenta um Oscilador Controlado por Corrente (CCO) com configuração em anel usando tecnologia CMOS, com melhorias na faixa de operação e ruído de fase. O oscilador proposto tem uma faixa de oscilação de 0,0989 GHz a 1,2 GHz com uma corrente de controle com um intervalo de 0,1 mA a 3 mA com uma potência dissipada de 11,8 mW. A arquitetura apresenta uma melhoria na fase de ruído de -7 dBc / Hz em relação a um oscilador em anel de três estágios (VCO), também apresentado neste trabalho. A estrutura proposta é baseada na mudança da entrada de controle do oscilador e também em modificações nas polarizações dos transistor de carga do estágio de atraso. Estas mudanças, além de aumentar a faixa de operação do oscilador e diminuir o efeito do ruído de fase, também reduzem a variação da amplitude do sinal de saída que acontece a medida que a frequência de operação aumenta ou diminui. Simulações realizadas com ambos os osciladores, confirmam os resultados. / Abstract: This dissertation presents a Current Controlled Oscillator (CCO-Current-Controlled Oscillator) at ring configuration using CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) technology, with improvements in operating range and phase noise. The proposed oscillator has an oscillation range of 98.959 MHz to 1.2 GHz with a current control with a range of 0.1 mA to 3 mA with a power dissipation of 11.8 mW. The architecture shows an improvement in phase noise of -7 dBc / Hz when compared with a ring oscillator in three stages (VCO-Voltage- Controlled Oscillator), also presented in this paper. The proposed structure is in the change of input control and also in the polarizations of the load transistor stage of delay. These changes, in modifications increase the operations range of the oscillator, reduce the phase noise and minimize the amplitude variation of the output signal when the frequency operation increase or decrease. Simulations with both oscillators and their comparisons confirm these results. / Mestre

O advento da utilização de circuitos integrados pela sociedade se deu por dois motivos. O primeiro consiste na miniaturização das dimensões dos dispositivos integrados. Essa miniaturização permitiu a construção de dispositivos menores, mais rápidos e que consomem menos frequência. O outro fator é a utilização da metodologia baseada em biblioteca de células. Esta metodologia permite o projeto de um circuito eficiente em um curto espaço de tempo. Com a redução dos dispositivos, novos fatores que eram desconsiderados no fluxo automático passaram a ter importância. Dentre eles podemos citar o consumo estático, a variabilidade, a manufaturabilidade e o envelhecimento. Alguns desses fatores, como o consumo estático e a variabilidade, já estão integrados à metodologia baseada em biblioteca de células. Os efeitos de envelhecimento tem sua degradação aumentada a cada novo processo tecnológico, assim como tem aumentado também a sua importância em relação à confiabilidade do circuito ao longo da sua vida útil. Este trabalho irá explorar estes efeitos de envelhecimento no projeto de circuitos integrados digitais. Dentre as principais contribuições pode-se destacar a definição de um custo de envelhecimento na definição de portas lógicas, que pode ser explorado pelos algoritmos de síntese lógica para obterem um circuito mais confiável. Este custo também pode ser utilizado pelas ferramentas de análise a fim de obter uma estimativa da degradação que o circuito proposto irá sofrer ao longo da sua vida útil. Além disso, é apresentada uma proposta de reordenamento estrutural do arranjo de transistores em portas lógicas, a fim de tratar os efeitos de envelhecimento nos níveis mais iniciais do fluxo. Por fim, uma análise simplificada de características a serem exploradas ao nível de circuito é discutida utilizando o auxílio do projeto de portas lógicas complexas. Os resultados apresentam uma boa e rápida estimativa da degradação das portas lógicas. A reestruturação do arranjo dos transistores tem se apresentado como uma boa alternativa ao projeto de circuitos mais confiáveis. Além disso, a utilização de arranjos mais complexos também é uma excelente alternativa que explora a robustez intrínseca da associação de transistores em série. Além disso, as alternativas propostas podem ser utilizadas em conjunto com técnicas já existentes na literatura. / The increased presence of integrated circuit (IC) in the people’s life has occurred for main two reasons. The first is the aggressive scaling of integrated device dimensions. This miniaturization enabled the construction of smaller, faster and lower power consumption devices. The other factor is the use of a cell based methodology in IC design. This methodology is able to provide efficient circuits in a short time. With the devices scaling, new factors that were usually ignored in micrometer technologies have become relevant in nanometer designs. Among them, it can be mentioned the static consumption, process parameters variability, manufacturability and aging effects. Some of these factors, such as static consumption and variability, are already taken into account by the standard cell design methodology. On the other hand, the degradation caused by aging effects has increased at each new technology node, as well as the importance in relation to the circuit reliability throughout its entire lifetime has also increased. This thesis explores such aging effects in the design of digital IC. The main contributions can be highlighted as the definition of a cost of aging that can be exploited by logic synthesis algorithms to produce a more reliable circuit. This cost can be also used by the analysis tools in order to obtain an estimative of the degradation that specific circuit experiences throughout their lifetime. In addition, a proposal to reorder the transistor structural arrangement of logic gates is presented in order to treat the effects of aging on initial steps in the design flow. Finally, a simplified analysis of the characteristics to be exploited at circuit level is performed exploring details of the design of complex logic gates. The aging cost results have given a good and fast prediction of logic gates degradation. The transistor arrangement restructuring approach is a good alternative to design more reliable circuits. Furthermore, the use of complex arrangements is also an excellent alternative which exploits the intrinsic robustness of series transistors association. Moreover, the discussed approaches can be easily used together with existing techniques in the literature to achieve better results.

O advento da utilização de circuitos integrados pela sociedade se deu por dois motivos. O primeiro consiste na miniaturização das dimensões dos dispositivos integrados. Essa miniaturização permitiu a construção de dispositivos menores, mais rápidos e que consomem menos frequência. O outro fator é a utilização da metodologia baseada em biblioteca de células. Esta metodologia permite o projeto de um circuito eficiente em um curto espaço de tempo. Com a redução dos dispositivos, novos fatores que eram desconsiderados no fluxo automático passaram a ter importância. Dentre eles podemos citar o consumo estático, a variabilidade, a manufaturabilidade e o envelhecimento. Alguns desses fatores, como o consumo estático e a variabilidade, já estão integrados à metodologia baseada em biblioteca de células. Os efeitos de envelhecimento tem sua degradação aumentada a cada novo processo tecnológico, assim como tem aumentado também a sua importância em relação à confiabilidade do circuito ao longo da sua vida útil. Este trabalho irá explorar estes efeitos de envelhecimento no projeto de circuitos integrados digitais. Dentre as principais contribuições pode-se destacar a definição de um custo de envelhecimento na definição de portas lógicas, que pode ser explorado pelos algoritmos de síntese lógica para obterem um circuito mais confiável. Este custo também pode ser utilizado pelas ferramentas de análise a fim de obter uma estimativa da degradação que o circuito proposto irá sofrer ao longo da sua vida útil. Além disso, é apresentada uma proposta de reordenamento estrutural do arranjo de transistores em portas lógicas, a fim de tratar os efeitos de envelhecimento nos níveis mais iniciais do fluxo. Por fim, uma análise simplificada de características a serem exploradas ao nível de circuito é discutida utilizando o auxílio do projeto de portas lógicas complexas. Os resultados apresentam uma boa e rápida estimativa da degradação das portas lógicas. A reestruturação do arranjo dos transistores tem se apresentado como uma boa alternativa ao projeto de circuitos mais confiáveis. Além disso, a utilização de arranjos mais complexos também é uma excelente alternativa que explora a robustez intrínseca da associação de transistores em série. Além disso, as alternativas propostas podem ser utilizadas em conjunto com técnicas já existentes na literatura. / The increased presence of integrated circuit (IC) in the people’s life has occurred for main two reasons. The first is the aggressive scaling of integrated device dimensions. This miniaturization enabled the construction of smaller, faster and lower power consumption devices. The other factor is the use of a cell based methodology in IC design. This methodology is able to provide efficient circuits in a short time. With the devices scaling, new factors that were usually ignored in micrometer technologies have become relevant in nanometer designs. Among them, it can be mentioned the static consumption, process parameters variability, manufacturability and aging effects. Some of these factors, such as static consumption and variability, are already taken into account by the standard cell design methodology. On the other hand, the degradation caused by aging effects has increased at each new technology node, as well as the importance in relation to the circuit reliability throughout its entire lifetime has also increased. This thesis explores such aging effects in the design of digital IC. The main contributions can be highlighted as the definition of a cost of aging that can be exploited by logic synthesis algorithms to produce a more reliable circuit. This cost can be also used by the analysis tools in order to obtain an estimative of the degradation that specific circuit experiences throughout their lifetime. In addition, a proposal to reorder the transistor structural arrangement of logic gates is presented in order to treat the effects of aging on initial steps in the design flow. Finally, a simplified analysis of the characteristics to be exploited at circuit level is performed exploring details of the design of complex logic gates. The aging cost results have given a good and fast prediction of logic gates degradation. The transistor arrangement restructuring approach is a good alternative to design more reliable circuits. Furthermore, the use of complex arrangements is also an excellent alternative which exploits the intrinsic robustness of series transistors association. Moreover, the discussed approaches can be easily used together with existing techniques in the literature to achieve better results.

Este informe técnico propone el diseño de un bloque llamado Amplificador Limitador que se encuentra en los equipos que trabajan con fibra óptica o con altas tasas de transmision de datos y que estan integrados en una pastilla de silicio. El objetivo principal es aumentar el ancho de banda de un Amplificador Limitador mediante la aplicación de la técnica Inductive Peaking para lograr velocidades que corresponden a una portadora óptica OC-192 equivalente a 10 Gbps bajo el estándar SONET. Haciendo uso de tecnología CMOS con transistores de 130 nm de ancho de canal. A su vez se propone disminuir el consumo de potencia y el área ocupada en la pastilla de Silicio utilizando inductores activos y la eliminación de los capacitores de desacople DC entre etapas. Los resultados finales Post Layout demuestran que es posible extender el ancho de banda con las técnicas mencionadas anteriormente, reducir el consumo total y el área ocupada en la pastilla de Silicio y cumplir con las especificaciones técnicas requeridas. This technical report proposes the design of a block called Limiting Amplifier which is found in equipment that works with optical fiber or with high rates of data transmission and that are integrated in a silicon wafer. The main objective is to increase the bandwidth of a limiter amplifier by applying the Inductive Peaking technique to achieve speeds that correspond to an OC-192 optical carrier equivalent to 10 Gbps under the SONET standard, making use of CMOS technology with 130 nm channel width transistors. At the same time, it is proposed to reduce the power consumption and the area occupied in the chip using active inductors and the elimination of DC decoupling capacitors between stages. The final results of Post Layout show that it is possible to extend the bandwidth with the techniques mentioned above, reducing the total consumption and the area occupied in the silicon pellet and accomplishing with the required technical specifications.

Operational amplifier will be designed and optimized with respect to set of required parameters. Real CMOS technology (available at Department of Microelectronics) will be used for designed OTA circuit and its simulations. Designed OTA will be used as universal operation amplifier configurable block in FPAA (field-programmable analog array) structures.

Operational amplifier will be designed and optimized with respect to set of required parameters. Real CMOS technology (available at Department of Microelectronics) will be used for designed OTA circuit and its simulations. Designed OTA will be used as universal operation amplifier configurable block in FPAA (field-programmable analog array) structures.

The work deals with design of the converter digital to analog on transistor level. Requirements converter a minimum resolution of 10 bits, short conversion time, low power and small chip area. For the realization of the converter is selected technology I3T25

This work deals with the two-stage operational amplifier with automatic offset compensation. An operational amplifier is designed in Cadence design environment for possible implementation in technology CMOS07. Emphasis work is placed on minimum offset of the operational amplifier and the parameters, that are listed in the assignment of work.