Sparse approximation is an important class of optimization problem in signal and image processing applications. This thesis presents an analog solution to this problem, based on the Locally Competitive Algorithm (LCA). A Hopfield-Network-like analog system, operating on sub-threshold currents is proposed as a solution. The results of the circuit components' implementation on the RASP2.8a chip, a Field Programmable Analog Array, are presented.

O crescente avanço nas mais diversas áreas da eletrônica, desde instrumentação em baixa freqüência até telecomunicações operando em freqüências muito elevadas, e a necessidade de soluções baratas em curto espaço de tempo que acompanhem a demanda de mercado, torna a procura por circuitos programáveis, tanto digitais como analógicos, um ponto comum em diversas pesquisas. Os dispositivos digitais programáveis, que têm como grande representante os Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), vêm apresentando um elevado e contínuo crescimento em termos de complexidade, desempenho e número de transistores integrados, já há várias décadas. O desenvolvimento de dispositivos analógicos programáveis (Field Programmable Analog Arrays – FPAAs), entretanto, esbarra em dois pontos fundamentais que tornam sua evolução um tanto latente: a estreita largura de banda alcançada, conseqüência da necessidade de um grande número de chaves de programação e reconfiguração, e a elevada área consumida por componentes analógicos como resistores e capacitores, quando integrados em processos VLSI Este trabalho apresenta uma proposta para aumentar a faixa de freqüências das aplicações passíveis de serem utilizadas tanto em FPAAs comerciais quanto em outros FPAAs, através da utilização de uma interface de translação e seleção de sinais, mantendo características de programabilidade do FPAA em questão, sem aumentar em muito sua potência consumida. A proposta, a simulação e a implementação da interface são apresentadas ao longo desta dissertação. Resultados de simulação e resultados práticos obtidos comprovam a eficácia da proposta. / The increasing advance in several areas of electronics, from low frequency instrumentation to telecommunications operating in very high frequencies, and the necessity of low cost solutions in a short space of time, following the demand of the market, makes the search for digital and analog programmable circuits a common point in many researches. Digital programmable devices, which have as a great representant Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) devices, have shown a high and continuous increase in terms of complexity, performance and number of integrated transistors for many decades. The development of analog programmable devices (Field Programmable Analog Arrays – FPAAs), however, stops in two fundamental points that make their evolution slow: the narrow bandwidth reached, consequence of the necessity of a great number of programming and configuration switches, and the huge area occupied for analog components as resistors and capacitors, when integrated in a VLSI process. This work presents a proposal to increase the frequency range of the applications that can be used also with commercials FPAAs and others FPAAs, through the use of an interface to translate and select signals, keeping the programmability characteristics of the FPAA, without increasing so much the dissipated power. The proposal, simulation and implementation of the interface are presented in this dissertation. The simulations and practical results obtained show the proposal efficiency.

O crescente avanço nas mais diversas áreas da eletrônica, desde instrumentação em baixa freqüência até telecomunicações operando em freqüências muito elevadas, e a necessidade de soluções baratas em curto espaço de tempo que acompanhem a demanda de mercado, torna a procura por circuitos programáveis, tanto digitais como analógicos, um ponto comum em diversas pesquisas. Os dispositivos digitais programáveis, que têm como grande representante os Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), vêm apresentando um elevado e contínuo crescimento em termos de complexidade, desempenho e número de transistores integrados, já há várias décadas. O desenvolvimento de dispositivos analógicos programáveis (Field Programmable Analog Arrays – FPAAs), entretanto, esbarra em dois pontos fundamentais que tornam sua evolução um tanto latente: a estreita largura de banda alcançada, conseqüência da necessidade de um grande número de chaves de programação e reconfiguração, e a elevada área consumida por componentes analógicos como resistores e capacitores, quando integrados em processos VLSI Este trabalho apresenta uma proposta para aumentar a faixa de freqüências das aplicações passíveis de serem utilizadas tanto em FPAAs comerciais quanto em outros FPAAs, através da utilização de uma interface de translação e seleção de sinais, mantendo características de programabilidade do FPAA em questão, sem aumentar em muito sua potência consumida. A proposta, a simulação e a implementação da interface são apresentadas ao longo desta dissertação. Resultados de simulação e resultados práticos obtidos comprovam a eficácia da proposta. / The increasing advance in several areas of electronics, from low frequency instrumentation to telecommunications operating in very high frequencies, and the necessity of low cost solutions in a short space of time, following the demand of the market, makes the search for digital and analog programmable circuits a common point in many researches. Digital programmable devices, which have as a great representant Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) devices, have shown a high and continuous increase in terms of complexity, performance and number of integrated transistors for many decades. The development of analog programmable devices (Field Programmable Analog Arrays – FPAAs), however, stops in two fundamental points that make their evolution slow: the narrow bandwidth reached, consequence of the necessity of a great number of programming and configuration switches, and the huge area occupied for analog components as resistors and capacitors, when integrated in a VLSI process. This work presents a proposal to increase the frequency range of the applications that can be used also with commercials FPAAs and others FPAAs, through the use of an interface to translate and select signals, keeping the programmability characteristics of the FPAA, without increasing so much the dissipated power. The proposal, simulation and implementation of the interface are presented in this dissertation. The simulations and practical results obtained show the proposal efficiency.

O crescente avanço nas mais diversas áreas da eletrônica, desde instrumentação em baixa freqüência até telecomunicações operando em freqüências muito elevadas, e a necessidade de soluções baratas em curto espaço de tempo que acompanhem a demanda de mercado, torna a procura por circuitos programáveis, tanto digitais como analógicos, um ponto comum em diversas pesquisas. Os dispositivos digitais programáveis, que têm como grande representante os Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), vêm apresentando um elevado e contínuo crescimento em termos de complexidade, desempenho e número de transistores integrados, já há várias décadas. O desenvolvimento de dispositivos analógicos programáveis (Field Programmable Analog Arrays – FPAAs), entretanto, esbarra em dois pontos fundamentais que tornam sua evolução um tanto latente: a estreita largura de banda alcançada, conseqüência da necessidade de um grande número de chaves de programação e reconfiguração, e a elevada área consumida por componentes analógicos como resistores e capacitores, quando integrados em processos VLSI Este trabalho apresenta uma proposta para aumentar a faixa de freqüências das aplicações passíveis de serem utilizadas tanto em FPAAs comerciais quanto em outros FPAAs, através da utilização de uma interface de translação e seleção de sinais, mantendo características de programabilidade do FPAA em questão, sem aumentar em muito sua potência consumida. A proposta, a simulação e a implementação da interface são apresentadas ao longo desta dissertação. Resultados de simulação e resultados práticos obtidos comprovam a eficácia da proposta. / The increasing advance in several areas of electronics, from low frequency instrumentation to telecommunications operating in very high frequencies, and the necessity of low cost solutions in a short space of time, following the demand of the market, makes the search for digital and analog programmable circuits a common point in many researches. Digital programmable devices, which have as a great representant Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) devices, have shown a high and continuous increase in terms of complexity, performance and number of integrated transistors for many decades. The development of analog programmable devices (Field Programmable Analog Arrays – FPAAs), however, stops in two fundamental points that make their evolution slow: the narrow bandwidth reached, consequence of the necessity of a great number of programming and configuration switches, and the huge area occupied for analog components as resistors and capacitors, when integrated in a VLSI process. This work presents a proposal to increase the frequency range of the applications that can be used also with commercials FPAAs and others FPAAs, through the use of an interface to translate and select signals, keeping the programmability characteristics of the FPAA, without increasing so much the dissipated power. The proposal, simulation and implementation of the interface are presented in this dissertation. The simulations and practical results obtained show the proposal efficiency.

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Large-scale reconfigurable and programmable analog devices provide a new option for prototyping and synthesizing analog circuits for analog signal processing and beyond. Field-programmable analog arrays (FPAAs) built upon floating gate transistor technologies provide the analog reconfigurability and programmability density required for large-scale devices on a single integrated circuit (IC). A wide variety of synthesized circuits, such as OTA followers, band-pass filters, and capacitively coupled summation/difference circuits, were measured to demonstrate the flexibility of FPAAs. Three generations of devices were designed and tested to verify the viability of such floating gate based large-scale FPAAs. Various architectures and circuit topologies were also designed and tested to explore the trade-offs present in reconfigurable analog systems. In addition, large-scale FPAAs have been incorporated into class laboratory exercises, which provide students with a much broader range of circuit and IC design experiences than have been previously possible. By combining reconfigurable analog technologies with an equivalent large-scale digital device, such as a field-programmable gate array (FPGA), an extremely powerful and flexible mixed signal development system can be produced that will enable all of the benefits possible through cooperative analog/digital signal processing (CADSP).

While the development of reconfigurable analog platforms is a blossoming field, the tradeoff between usability and flexibility continues to be a major barrier. Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) built with translinear elements offer a promising solution to this problem. These FPAAs can be built to use previously developed synthesis procedures for translinear circuits. Furthermore, large-scale translinear FPAAs can be built using floating-gate transistors as both the computational elements and the reconfigurable interconnect network. Two FPAAs, built using Multiple Input Translinear Elements (MITEs), have been designed, fabricated, and tested. These devices have been programmed to implement various circuits including multipliers, squaring circuits, current splitters, and filters. In addition, synthesis, place-and-route, and programming tools have been created in order to implement a reconfigurable system where the circuits implemented are described only by equations. Supporting circuitry for interfacing with current-mode, translinear FPAAs has also been developed. This circuitry included a voltage-to-current converter, a current-to-voltage converter, and a pipelined analog-to-digital converter. The continued development of translinear FPAAs will lead to a reconfigurable analog system that allows for a large portion of the design to be abstracted away from the user.

O foco desta tese é a descrição e validação de uma arquitetura de interface para processamento de sinais analógicos para SOC de sinais mistos. A abordagem proposta apresenta a possibilidade de cobertura de uma larga faixa de freqüências com performance praticamente constante associada a uma estrutura digital de programação. A premissa é usar uma célula analógica fixa e promover a configuração da aplicação no domínio digital, levando a uma arquitetura de interface de sinais mistos. O emprego de um bloco analógico fixo busca eliminar a perda inerente de performance decorrente da própria estrutura de programação em circuitos reconfiguráveis analógicos. A emprego da programação no domínio digital abre espaço para usos da vasta gama de ferramentas disponíveis para o projeto em alto nível de abstração, simulação e síntese automática para implementar a aplicação alvo com excelente predição do desempenho final. A abordagem proposta baseia-se no conceito de translação em freqüência (mixagem) do sinal de entrada seguida pela sua conversão para o domínio ΣΔ. A estrutura de processamento possibilita o emprego de um bloco analógico constante, e também, um processamento uniforme de sinais de entrada indo de DC até altas freqüências. A aplicação é configurada no domínio ΣΔ onde a performance pode ser predita de acordo com as especificações alvo. Objetivando a exploração do espaço de projeto foi desenvolvido o modelo de performance teórico e de simulação. Os modelos desenvolvidos auxiliam no também no projeto físico da interface proposta. Objetivando, tanto a validação dos modelos propostos, bem como o desenvolvimento de aplicações, foram construídos dois protótipos. São apresentados os usos da interface como um ADC paramétrico multi-banda e como um multiplicador e um somador de sinais analógicos. É proposta também uma arquitetura para uma interface analógica multi-canal. Os resultados experimentais empregados para a caracterização da interface proposta suportam as vantagens da mesma. / The focus of this thesis is to discuss the development and modeling of an interface architecture to be employed for interfacing analog signals in mixed-signal SOC. We claim that the approach that is going to be presented is able to achieve wide frequency range, and covers a large range of applications with constant performance, allied to digital configuration compatibility. Our primary assumptions are to use a fixed analog block and to promote application configurability in the digital domain, which leads to a mixed-signal interface. The use of a fixed analog block avoids the performance loss common to configurable analog blocks. The usage of configurability on the digital domain makes possible the use of all existing tools for high level design, simulation and synthesis to implement the target application, with very good performance prediction. The proposed approach utilizes the concept of frequency translation (mixing) of the input signal followed by its conversion to the ΣΔ domain, which makes possible the use of a fairly constant analog block, and also, a uniform treatment of input signal from DC to high frequencies. The programmability is performed in the ΣΔ digital domain where performance can be closely achieved according to application specification. The interface performance theoretical and simulation model are developed for design space exploration and for physical design support. Two prototypes are built and characterized to validate the proposed model and to implement some application examples. The usage of this interface as a multi-band parametric ADC and as a two channels analog multiplier and adder are shown. The multi-channel analog interface architecture is also presented. The characterization measurements support the main advantages of the approach proposed.

O foco desta tese é a descrição e validação de uma arquitetura de interface para processamento de sinais analógicos para SOC de sinais mistos. A abordagem proposta apresenta a possibilidade de cobertura de uma larga faixa de freqüências com performance praticamente constante associada a uma estrutura digital de programação. A premissa é usar uma célula analógica fixa e promover a configuração da aplicação no domínio digital, levando a uma arquitetura de interface de sinais mistos. O emprego de um bloco analógico fixo busca eliminar a perda inerente de performance decorrente da própria estrutura de programação em circuitos reconfiguráveis analógicos. A emprego da programação no domínio digital abre espaço para usos da vasta gama de ferramentas disponíveis para o projeto em alto nível de abstração, simulação e síntese automática para implementar a aplicação alvo com excelente predição do desempenho final. A abordagem proposta baseia-se no conceito de translação em freqüência (mixagem) do sinal de entrada seguida pela sua conversão para o domínio ΣΔ. A estrutura de processamento possibilita o emprego de um bloco analógico constante, e também, um processamento uniforme de sinais de entrada indo de DC até altas freqüências. A aplicação é configurada no domínio ΣΔ onde a performance pode ser predita de acordo com as especificações alvo. Objetivando a exploração do espaço de projeto foi desenvolvido o modelo de performance teórico e de simulação. Os modelos desenvolvidos auxiliam no também no projeto físico da interface proposta. Objetivando, tanto a validação dos modelos propostos, bem como o desenvolvimento de aplicações, foram construídos dois protótipos. São apresentados os usos da interface como um ADC paramétrico multi-banda e como um multiplicador e um somador de sinais analógicos. É proposta também uma arquitetura para uma interface analógica multi-canal. Os resultados experimentais empregados para a caracterização da interface proposta suportam as vantagens da mesma. / The focus of this thesis is to discuss the development and modeling of an interface architecture to be employed for interfacing analog signals in mixed-signal SOC. We claim that the approach that is going to be presented is able to achieve wide frequency range, and covers a large range of applications with constant performance, allied to digital configuration compatibility. Our primary assumptions are to use a fixed analog block and to promote application configurability in the digital domain, which leads to a mixed-signal interface. The use of a fixed analog block avoids the performance loss common to configurable analog blocks. The usage of configurability on the digital domain makes possible the use of all existing tools for high level design, simulation and synthesis to implement the target application, with very good performance prediction. The proposed approach utilizes the concept of frequency translation (mixing) of the input signal followed by its conversion to the ΣΔ domain, which makes possible the use of a fairly constant analog block, and also, a uniform treatment of input signal from DC to high frequencies. The programmability is performed in the ΣΔ digital domain where performance can be closely achieved according to application specification. The interface performance theoretical and simulation model are developed for design space exploration and for physical design support. Two prototypes are built and characterized to validate the proposed model and to implement some application examples. The usage of this interface as a multi-band parametric ADC and as a two channels analog multiplier and adder are shown. The multi-channel analog interface architecture is also presented. The characterization measurements support the main advantages of the approach proposed.

O foco desta tese é a descrição e validação de uma arquitetura de interface para processamento de sinais analógicos para SOC de sinais mistos. A abordagem proposta apresenta a possibilidade de cobertura de uma larga faixa de freqüências com performance praticamente constante associada a uma estrutura digital de programação. A premissa é usar uma célula analógica fixa e promover a configuração da aplicação no domínio digital, levando a uma arquitetura de interface de sinais mistos. O emprego de um bloco analógico fixo busca eliminar a perda inerente de performance decorrente da própria estrutura de programação em circuitos reconfiguráveis analógicos. A emprego da programação no domínio digital abre espaço para usos da vasta gama de ferramentas disponíveis para o projeto em alto nível de abstração, simulação e síntese automática para implementar a aplicação alvo com excelente predição do desempenho final. A abordagem proposta baseia-se no conceito de translação em freqüência (mixagem) do sinal de entrada seguida pela sua conversão para o domínio ΣΔ. A estrutura de processamento possibilita o emprego de um bloco analógico constante, e também, um processamento uniforme de sinais de entrada indo de DC até altas freqüências. A aplicação é configurada no domínio ΣΔ onde a performance pode ser predita de acordo com as especificações alvo. Objetivando a exploração do espaço de projeto foi desenvolvido o modelo de performance teórico e de simulação. Os modelos desenvolvidos auxiliam no também no projeto físico da interface proposta. Objetivando, tanto a validação dos modelos propostos, bem como o desenvolvimento de aplicações, foram construídos dois protótipos. São apresentados os usos da interface como um ADC paramétrico multi-banda e como um multiplicador e um somador de sinais analógicos. É proposta também uma arquitetura para uma interface analógica multi-canal. Os resultados experimentais empregados para a caracterização da interface proposta suportam as vantagens da mesma. / The focus of this thesis is to discuss the development and modeling of an interface architecture to be employed for interfacing analog signals in mixed-signal SOC. We claim that the approach that is going to be presented is able to achieve wide frequency range, and covers a large range of applications with constant performance, allied to digital configuration compatibility. Our primary assumptions are to use a fixed analog block and to promote application configurability in the digital domain, which leads to a mixed-signal interface. The use of a fixed analog block avoids the performance loss common to configurable analog blocks. The usage of configurability on the digital domain makes possible the use of all existing tools for high level design, simulation and synthesis to implement the target application, with very good performance prediction. The proposed approach utilizes the concept of frequency translation (mixing) of the input signal followed by its conversion to the ΣΔ domain, which makes possible the use of a fairly constant analog block, and also, a uniform treatment of input signal from DC to high frequencies. The programmability is performed in the ΣΔ digital domain where performance can be closely achieved according to application specification. The interface performance theoretical and simulation model are developed for design space exploration and for physical design support. Two prototypes are built and characterized to validate the proposed model and to implement some application examples. The usage of this interface as a multi-band parametric ADC and as a two channels analog multiplier and adder are shown. The multi-channel analog interface architecture is also presented. The characterization measurements support the main advantages of the approach proposed.