Τα ασύρματα δίκτυα μικρής εμβέλειας (short-range wireless networks) γνωρίζουν σήμερα μεγάλη ανάπτυξη. Ένα βασικό δομικό στοιχείο των ασύρματων δικτύων είναι οι δέκτες (receivers), οι οποίοι περιλαμβάνουν μεταξύ των άλλων συστήματα για τον υποβιβασμό της συχνότητας του σήματος (down conversion) σε χαμηλότερες ενδιάμεσες συχνότητες (Intermediate Frequencies-IF). Κατά τη διαδικασία αυτή δημιουργείται το πρόβλημα της εμφάνισης ενός ειδώλου συχνότητας (image frequency), το οποίο συνυπάρχει με το σήμα προς επεξεργασία και θα πρέπει να απομακρυνθεί με χρήση κατάλληλων ηλεκτρονικών μιγαδικών φίλτρων (complex filters). Στόχος της Μεταπτυχιακής Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη νέων δομών μιγαδικών φίλτρων τα οποία χρησιμοποιούνται σε δέκτες που λειτουργούν με τα πρότυπα Bluetooth/Zigbee. Κύρια πλεονεκτήματα αποτελούν η δυνατότητα λειτουργίας σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας (1.2V), η ρύθμιση των χαρακτηριστικών τους με το ρεύμα πόλωσης, καθώς και η απουσία αντιστατών. Η εξομοίωση της λειτουργίας καθώς και η φυσική τους σχεδίαση έγιναν με χρήση του λογισμικού Cadence, σε τεχνολογία AMS 0.35μm. / Short-range wireless networks nowadays find great development. A basic structural component of wireless networks is the receivers, which include among others systems for down conversion of the signal into lower Intermediate Frequencies (IF). The problem of image frequency is created due to this procedure, which coexists with the under process signal and it should be removed through suitable electronic complex filters. The objective of this diploma Thesis is the development of new complex filters structures which are compatible with the Bluetooth/ZigBee standards. The main advantages are the operation availability in low-voltage supply (1.2V) environment, the adjustment of its characteristics through the dc bias current, and also the absence of resistors. The simulation of the filter and, also, the physical layout design were performed through the utilization of the Cadence with AMS BiCMOS 0.35um design kit.

This thesis presents an active Complex Filter implementation that that creates a transfer function with with a single real pole and a complex zero. The two-input/two-output network developed in in this thesis responds differently based upon upon the relative phase difference of of the two inputs. If a negative ninety-degree phase difference occurs between the two inputs, the filter will exhibits a bandstop response. While a positive ninety-degree phase difference exhibits a bandpass response. This topology is relatesd to to Gingell’s RC-CR polyphase topology but because of of the use of of op-amps, can be cascadedd without without suffering loading effects. This thesis will focusfocuses primarily on on the bandstop response characteristics of of the filter. In a several stage cascade, each stage contributes a notch to broaden the attenuation bandWhen several sections are cascaded, multiple notches will be created from each stage that forms a broader attenuation band. Closed form design equations were were derived to to give expressions for for the “attenuation floor”. These equations can be used by a designer to predict the attenuation provided by by a cascaded system. The closed form expressions derived in in this thesis are used to implement an example five-stage topology that that operates from from 147 Hz to to 3.34 KHz. The thesis also investigates the robustness of of multi-stage cascades to to component variations. Monte Carlo analysis is used to determines the effects of of cascading the filter in in different orders, component tolerances, and a comparison to to an idealized polyphase RC-CR topology.

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.

Οι συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες της σημερινής αγοράς για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές και τηλεπικοινωνιακά συστήματα χαμηλής τάσης τροφοδοσίας και χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, καθιστά απαραίτητη τη σχεδίαση ενεργών βαθμίδων οι οποίες θα είναι ικανές να λειτουργήσουν σε ένα περιβάλλον όπου μία απλή τάση τροφοδοσίας μικρότερη ή ίση με 1.5V είναι διαθέσιμη. Έτσι, στην εργασία αυτή θα γίνει μια μελέτη διαφορετικών ενεργών βαθμίδων που δύνανται να λειτουργήσουν στο περιβάλλον αυτό, συγκρίνοντας τις δυνατότητες τους. Η μελέτη αυτή αφορά στις ενεργές βαθμίδες CCII και CFOA, καθώς και σε παραλλαγές τους που αφορούν στη λειτουργία των βαθμίδων αυτών με διαφορική τάση εισόδου (DVCCII και DVCFOA).Απώτερος σκοπός της σύγκρισης των βαθμίδων αυτών, αποτελεί η εφαρμογή τους στη σχεδίαση και υλοποίηση μιγαδικών φίλτρων. Έτσι, έπειτα από μία πλήρη περιγραφή των μιγαδικών φίλτρων ώστε να κατανοηθεί η λειτουργία τους, αλλά και των προβλημάτων που εισάγουν την ανάγκη χρήσης τέτοιων φίλτρων, θα μελετηθεί η χρησιμότητα καθεμιάς από τις παραπάνω ενεργές βαθμίδες στη σχεδίαση μιγαδικών φίλτρων ανώτερης τάξης, τα οποία πληρούν τις προδιαγραφές της εκάστοτε τεχνολογίας. Συγκεκριμένα θα γίνει η σχεδίαση και υλοποίηση ενός μιγαδικού φίλτρου 12ης τάξης ικανού να λειτουργεί (κατ’ επιλογή) τόσο για ένα κανάλι μετάδοσης μέσω του πρωτοκόλλου Bluetooth, όσο και για ένα κανάλι μετάδοσης μέσω του πρωτοκόλλου ZigBee.Τελικό βήμα της εργασίας, αποτελεί η φυσική σχεδίαση του κυκλώματος που θα προκύψει, ώστε να επαληθευτεί η ορθή λειτουργία του σε ένα περισσότερο ρεαλιστικό περιβάλλον. / The ever-increasing needs of today's market for portable electronic devices and telecommunication systems of low voltage and low power consumption, necessitates the design of active building blocks that are likely to operate in an environment where a single supply voltage less than or equal to 1.5V is available. Thus, this work will be a study of different active building blocks that may operate in this environment, comparing their abilities. The study refers to active building blocks CCII and CFOA, as well as variations related to their operation involving differential input voltage (DVCCII and DVCFOA). The ultimate goal of comparing these blocks is their application in the design and implementation of complex filters. Thus, after a full description of complex filters to understand their functioning and the problems that introduce the need to use such filters, the usefulness of each of these blocks will be studied in the design of higher-order complex filters, which meet the specifications of each technology. In particular a 12th order complex filter able to function (optional) for both a transmission channel over Bluetooth Protocol, and a transmission channel over ZigBee Protocol, will be designed and implemented. Final step of the work is the physical layout of the circuit, so as to verify the proper functioning in a more realistic environment.

The electronics industry has developed incredibly in last few years and the need for low voltage and low power consuming devices is reflected with its growth. A small extension in battery life can be reflected in an order of magnitude in terms of retail prices. From multimedia gadgets (like laptops, mobiles, notebook etc.) to the biomedical device, all applications have seen a rapid advancement. All these devices need a low voltage and low power transceiver to connect with the wireless networks. This PhD thesis is focused on the development of new designing techniques for low voltage, low power integrated circuits, having close attention on circuits suitable for analog devices. The vast majority of high performance analog circuit cells realized in metal–oxide–semiconductor field-effect transistor (MOSFET) technologies traditionally exploits transistors operating in saturation. Meanwhile there exists a region of weak inversion, which was left unexploited until recently, where the behavior of a MOS transistor is similar to a bipolar transistor in qualitative terms. This region could be exploited for the devices which require operating with low voltage supply. Instead of operating in saturation region, the MOS devices employed in this design, operate in weak inversion. The MOS devices in the proposed circuits are bulk-controlled. In the conventional mode of biasing the bulk terminal is left unused and is connected with lowest supply voltage or ground while the gate is usually chosen for the input signal introduction to bias the circuit. The bulk can be used as an input for signal, can lower the threshold of a transistor if biased properly, ultimately lowering the supply voltage requirement of the transistor. In this work a modified Nauta’s Transconductor, which operates on very low voltages and have a tunable transconductance is employed to design filters. The filter constructed can be tuned in the range of few MHz. The proposed filter is operated using a 0.5V supply and its cutoff frequency can be easily adjusted. All circuits are designed and analyzed using a triple well 0.13μm CMOS process. This OTA is further modified to achieve better performance, in order to implement it in a complex filter. In low IF devices the down-conversion of image signal along with the wanted signal at the same frequency is a major problem. Complex filter can easily remove this image signal by applying a frequency shifting operation. A sixth order complex filter by implementing Leapfrog technique is designed using the differential OTA. The filter is designed to meet the Bluetooth and Zigbee standard requirements. The filter operates on a 0.5V supply voltage, and has very good results for Image rejection, sensitivity, noise and the filter is orthogonally tunable. The performance of the filter has been evaluated through simulation results by employing a triple well 0.13μm CMOS process. This filter design can be implemented in the Bluetooth devices used for the biomedical applications. / Η βιομηχανία της ηλεκτρονικής έχει αναπτυχθεί απίστευτα τα τελευταία χρόνια και η ανάπτυξη αυτή συνδυάζεται με την ανάγκη για συσκευές που λειτουργούν σε χαμηλή τάση και με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Σε ότι αφορά την εμπορική τιμή, μια μικρή αύξηση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας μπορεί να αντανακλάται σε μια αύξηση κατά μία τάξη μεγέθους της τιμής. Όλες οι εφαρμογές, από τις συσκευές πολυμέσων (όπως κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, notebook κ.λπ.) έως και τις βιοϊατρικές συσκευές έχουν δει μια ταχεία πρόοδο. Όλες αυτές οι συσκευές, για να συνδέονται με ασύρματα δίκτυα, χρειάζονται πομποδέκτη χαμηλής τάσης και χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη νέων τεχνικών σχεδιασμού για ολοκληρωμένα κυκλώματα με έμφαση στα αναλογικά κυκλώματα, χαμηλής τάσης και χαμηλής ισχύος. Η συντριπτική πλειοψηφία των δομικών βαθμίδων αναλογικών κυκλωμάτων υψηλών επιδόσεων πραγματοποιείται σε τεχνολογία μετάλλου οξειδίου ημιαγωγού τρανζίστορ φαινομένου πεδίου (MOSFET) και εκμεταλλεύεται τα τρανζίστορ που παραδοσιακά λειτουργούν σε κόρο. Ωστόσο, υπάρχει η περιοχή ασθενούς αναστροφής, η οποία αφέθηκε ανεκμετάλλευτη μέχρι πρόσφατα, όπου η συμπεριφορά των τρανζίστορ MOS είναι παρόμοια με αυτήν των διπολικών τρανζίστορ. Αυτή η περιοχή θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τις συσκευές που απαιτούν λειτουργία με χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Αντί να λειτουργούν στην περιοχή κόρου, τα τρανζίστορ MOS που χρησιμοποιούνται σε αυτό το σχεδιασμό, λειτουργούν σε ασθενή αναστροφή. Τα τρανζίστορ MOS στα προτεινόμενα κυκλώματα είναι ελεγχόμενα από το υπόστρωμα (bulk-driven). Στο συμβατικό τρόπο οδήγησης το υπόστρωμα παραμένει αχρησιμοποίητο και συνδέεται με την χαμηλότερη τάση τροφοδοσίας ή τη γείωση, ενώ η πύλη συνήθως, επιλέγεται για την εισαγωγή σήματος εισόδου και οδηγεί το κύκλωμα. Το υπόστρωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως είσοδος για το σήμα, μπορεί να μειώσει την τάση κατωφλίου (threshold voltage) των τρανζίστορ, και τελικά, χαμηλώνει την τάση λειτουργίας του τρανζίστορ. Σε αυτήν την διδακτορική διατριβή χρησιμοποιείται ως διαγωγός (transconductor) ένα τροποποιημένο κύκλωμα Nauta, ο οποίος λειτουργεί σε πολύ χαμηλές τάσεις. Οι ελεγχόμενοι διαγωγοί χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό των προτεινόμενων συντονιζόμενων φίλτρων. Τα κατασκευασμένα φίλτρα μπορούν να συντονιστούν στην περιοχή των λίγων MHz. Τα προτεινόμενα φίλτρα λειτουργούν χρησιμοποιώντας τάση τροφοδοσίας 0.5V και η συχνότητα αποκοπής τους μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί. Όλα τα κυκλώματα σχεδιάζονται και εξομοιώνονται χρησιμοποιώντας μία τεχνολογία CMOS triple well 0.13μm. Ο υπό μελέτη τελεστικός ενισχυτής διαγωγιμότητας (Operational Transconductor Amplifier - OTA) έχει τροποποιηθεί περαιτέρω, για να επιτευχθεί καλύτερη απόδοση και να εφαρμοστεί σε ένα μιγαδικό φίλτρο. Η μετατροπή σήματος από τις μεσαίες συχνότητες (IF) στις χαμηλές συχνότητες παρουσιάζεται ένα σημαντικό πρόβλημα όπου μαζί με το επιθυμητό σήμα εμφανίζεται και το σήμα εικόνας στην ίδια συχνότητα. Τα μιγαδικά (complex) φίλτρα μπορούν να αφαιρέσουν εύκολα το σήμα εικόνας, εφαρμόζοντας μια διαδικασία μετατόπισης συχνότητας. Ένα μιγαδικό Leapfrog φίλτρο έχει σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας διαφορικούς ενισχυτές διαγωγιμότητας. Το τελικό μιγαδικό φίλτρο δωδέκατης τάξης έχει σχεδιαστεί για να καλύψει τις απαιτήσεις του προτύπου Bluetooth και Zigbee. Το φίλτρο λειτουργεί με τάση τροφοδοσίας 0.5V και έχει πολύ καλά αποτελέσματα στην απόρριψη εικόνας, την ευαισθησία και το θόρυβο. Επίσης, η κεντρική συχνότητα και το εύρος συχνοτήτων είναι ανεξάρτητα ρυθμιζόμενα. Η απόδοση του φίλτρου έχει επαληθευτεί μέσω προσομοίωσης χρησιμοποιώντας μοντέλα τρανζίστορ μιας τεχνολογίας CMOS triple well 0.13μm. Φίλτρα που σχεδιάζονται με την προτεινόμενη μέθοδο μπορούν να εφαρμοστούν σε συσκευές Bluetooth που χρησιμοποιούνται και σε βιοϊατρικές εφαρμογές.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αφορά στη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων φίλτρων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας με χρήση καθρεπτών ρεύματος. 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. Η μείωση της τάσης τροφοδοσίας θέτει αρκετές προκλήσεις στη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, καθώς οδηγεί σε μειωμένη απόδοση όσον αφορά το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας αλλά και το επιτρεπόμενο πλάτος σημάτων που μπορούν να διαχειριστούν. Προς αυτήν την κατεύθυνση, μελετώνται και σχεδιάζονται δομές αναλογικών φίλτρων χρησιμοποιώντας καθρέπτες ρεύματος χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, οι οποίοι μπορούν να διαχειριστούν σήματα με σχετικά μεγάλη διακύμανση. Όλες οι δομές έχουν τη δυνατότητα ηλεκτρονικής ρύθμισης της συχνοτικής τους απόκρισης, μεταβάλλοντας το ρεύμα πόλωσης των καθρεπτών ρεύματος. Με αυτό τον τρόπο αντισταθμίζονται οι επιπτώσεις από τις μεταβολές των παραμέτρων κατασκευής, της τάσης τροφοδοσίας και της θερμοκρασίας. Αρχικά, προτείνονται διάφορες τοπολογίες γενικευμένων φίλτρων 2ης τάξης (universal biquads) με δυνατότητα ανεξάρτητης μεταβολής της συχνότητας και του συντελεστή ποιότητας των πόλων τους. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης ερευνητικής εργασίας κατασκευάστηκε ένα ολοκληρωμένο με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm, το οποίο περιέχει δύο από τις προτεινόμενες τοπολογίες γενικευμένων φίλτρων 2ης τάξης. Τα αποτελέσματα από την πειραματική μέτρηση του ολοκληρωμένου παρουσιάζουν πολύ μικρή απόκλιση από τις προσομοιώσεις. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια συστηματική μέθοδος σχεδίασης ενεργών κυματικών φίλτρων με κυματικούς προσαρμογείς θύρας. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται για τη σχεδίαση ενός ελλειπτικού βαθυπερατού φίλτρου 3ης τάξης με συχνότητα αποκοπής 2MHz και κυμάτωση στη ζώνη διέλευσης 0.1dB. Ακόμη, προτείνονται δύο μιγαδικά φίλτρα Butterworth 12ης τάξης για εφαρμογή σε ασύρματους δέκτες χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, τα οποία σχεδιάστηκαν με την μέθοδο Leapfrog και την τοπολογική εξομοίωση LC κλιμακωτών φίλτρων. Στα πλαίσια της παρούσας ερευνητικής εργασίας πραγματοποιήθηκε η κατασκευή ενός ακόμη ολοκληρωμένου με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm, το οποίο περιέχει τις δύο προτεινόμενες τοπολογίες μιγαδικών φίλτρων. Τα αποτελέσματα από την πειραματική μέτρηση του ολοκληρωμένου έχουν πολύ μικρή απόκλιση από τις προσομοιώσεις, επιβεβαιώνοντας την ορθή λειτουργία των μιγαδικών φίλτρων και καθιστώντας τις εν λόγω τοπολογίες αξιόπιστες για χρήση σε ασύρματους δέκτες που λειτουργούν με βάση τα πρότυπα Bluetooth/ZigBee. Μια άλλη κατηγορία φίλτρων που μελετάται, είναι αναλογικά φίλτρα τα οποία υλοποιούν συναρτήσεις κυματιδίου (wavelet filters), κατάλληλα για την επεξεργασία καρδιακών σημάτων. Οι καθρέπτες ρεύματος που χρησιμοποιούνται λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα χρήσης της πολύ χαμηλής τάσης τροφοδοσίας 0.5V. Ταυτόχρονα, λόγω των μικρών ρευμάτων πόλωσης, τα φίλτρα που προκύπτουν παρουσιάζουν εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις καταδεικνύουν τη χρησιμότητα τους σε σύγχρονες βιοϊατρικές εφαρμογές. Τέλος, προτείνεται μια νέα τοπολογία καθρέπτη ρεύματος χαμηλής τάσης τροφοδοσίας με μεταβλητό κέρδος το οποίο ελέγχεται ηλεκτρονικά, μεταβάλλοντας τα ρεύματα πόλωσης της βαθμίδας. Η συγκεκριμένη τοπολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σχεδίαση ηλεκτρονικά ρυθμιζόμενων φίλτρων. Η ορθή λειτουργία της προτεινόμενης βαθμίδας επαληθεύεται από την πειραματική μέτρηση του αντίστοιχου ολοκληρωμένου κυκλώματος που κατασκευάστηκε με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm. / This Ph.D. dissertation deals with the design of low-voltage analog integrated circuits. The technological evolution and market requirements have led to an increasing demand of low-power portable devices, featuring the reduced size and high efficiency. The supply voltage scaling sets new challenges in analog circuit design as this leads to a degraded circuit performance in terms of available bandwidth and smaller available signal swings. In this direction, novel analog filters using low-voltage high swing current mirrors are introduced. The resonant frequency of the proposed filters can be electronically controlled by modifying appropriate dc currents. Thus, any effect from process, voltage and temperature variations can be eliminated. At first, novel universal biquad filters are introduced offering the feature of orthogonal adjustment between the resonant frequency and quality factor. As part of this research work, a chip prototype containing two of the proposed universal biquad filter topologies has been fabricated using AMS 0.35μm CMOS process. The experimental results from the fabricated chip are very close to those theoretically predicted. Continuing, a new systematic method for designing high-order wave active filters employing the wave port adaptors is proposed. Attractive characteristics of the derived filters are the repeated structures and the low sensitivity in passive and active mismatches. In order to demonstrate the validity of the proposed method, a 3rd order elliptic lowpass filter with cutoff frequency at 2MHz and pass band ripple 0.1dB is designed. Furthermore, the design of two 12th Butterworth complex filters using current mirrors for low-IF receivers is discussed. The proposed topologies derived according to the Leapfrog and topological emulation techniques. As part of this work, a second prototype chip containing the two complex filters has been fabricated using AMS 0.35μm CMOS process. The experimental results from the fabricated chip demonstrate the high efficiency of the proposed topologies; thus, they can be considered as very promising counterparts for realizing filters in modern wireless systems. Moreover, novel analog wavelet filters suitable for cardiac signal analysis are introduced. The employed current mirrors are operating in subthreshold region, thus combining the operation under the low supply voltage of 0.5V and the low biasing currents. The simulation results evince their usefulness in nowadays biomedical applications. Finally, a novel scheme of a low-voltage current mirror with electronically adjustable current gain is introduced. The proposed building block is suitable for electronically controllable filters or performing signal scaling. The behavior of the proposed topology is experimentally verified through a fabricated chip.