In low power, battery-operated, portable applications, like cell phones, PDAs, digital cameras, etc., miniaturization at a low cost is a prominent driving factor behind product development and marketing efforts. As such, power supplies in portable applications must not only conform and adapt to their highly integrated on-chip and in-package environments but also, more intrinsically, respond quickly to fast load dumps to achieve and maintain high accuracy. The frequency-compensation network, however, limits speed and regulation performance because, in catering to all combinations of the output capacitor, its equivalent series resistance Resr, and the power inductor resulting from tolerance and modal design targets, it must compensate the worst-case condition and therefore restrain the performance of all other possible scenarios. Sigma-delta control, which addresses this issue in buck converters by easing its compensation requirements and offering one-cycle transient response, has not been able to simultaneously achieve high bandwidth, high accuracy, and wide LC-Resr compliance in boost (step-up) converters. This thesis investigates and presents techniques to achieve sigma-delta control in boost converters by essentially using explicit current and voltage control loops. The proposed techniques are developed conceptually and analytical expressions for stability range and transient response are derived. The proposed concepts are validated and quantified through PCB and IC prototypes to yield 1.41 to 6 times faster transient response than the state of the art in current-mode boost supplies, and this without any compromise in LC-Resr compliance range.

When more induction generator based wind farms are integrated into the power system, the system voltage dips and stability problems may arise due to the draw of reactive power by induction generators. The power system short-circuit event induced wind turbine trips could result in power imbalance and lead to power system instability. This thesis studies the influence of two compensation techniques on the wind turbine low voltage ride-through (LVRT) capability. One of which is based on a parallel compensation by a static synchronous compensator (STATCOM), and the other one is a series compensation by a dynamic voltage restorer (DVR). In this study, Matlab tools and models are used to simulate an active-stall controlled fixed-speed induction generator connected to a power system. Two system configurations are used to simulate three phase faults and compare the improvement of wind turbine LVRT capability due to the two studied compensation techniques. Simulation results indicate that wind turbine compensated by DVR would have better LVRT performance than that by STATCOM in dealing with the low voltage situations due to system faults.

Low voltage, low power amplifiers are proposed. One of the operational amplifiers is an Operational Transconductance Amplifier (OTA) with wide input and output swing and constant gm. The second and third amplifiers are high-performance Current Operational amplifiers (COAs). All amplifiers have power supply as low as one threshold voltage plus two overdrive voltage. In this thesis, the supply voltage is 1V. Simulation results show that the OTA has the maximum linear range over 0.7V. The transconductance can be 147£gA/V, the power consumption is 0.133mW. There are two designs of the COA. Simulation results show COA(1) with a current gain of 143. The input impedance is 110£[, the output impedance is 240K£[ and the power consumption is 0.15mW. In the simulation results of the COA(2), the current gain is 110. The DC power dissipation is 0.07mW. The input and output impedance are 95£[ and 500K£[, respectively. All the proposed amplifiers are implemented on a TSMC 0.35£gm 2p4m CMOS process technology and analyzed using HSPICE.

Este trabalho apresenta a proposta de um instrumento para utilização nos ensaios previstos nas Normas Brasileiras para certificação das instalações elétricas de baixa tensão. Descreve-se o projeto e a implementação do instrumento desenvolvido, bem como a metodologia para a execução dos testes de conformidade, de acordo com as Normas Brasileiras aplicáveis, utilizando os recursos disponíveis na instrumentação proposta. Um conjunto de testes para exemplificação de uso e validação dos testes é também apresentado. / This work presents an instrumentation system to perform tests and certification of low voltage electrical networks on residential and industrial buildings in accordance to Brazilian Norms. It intends to propose a methodology for tests executions using available resources on the developed instrumentation system. To show how the proposed system works several tests were done regarding to attend Brazilian technical standards.

Referências de tensão integradas sempre foram um bloco fundamental de qualquer sistema eletrônico e um importante tópico de pesquisa que tem sido estudado extensivamente nos últimos 50 anos. Uma tensão de referência é um circuito que provê uma tensão estável com baixa sensibilidade a variações em temperatura, alimentação, carga, características do processo de fabricação e tensões mecânicas de encapsulamento. Elas são normalmente implementadas através da soma ponderada de dois fenômenos físicos diferentes, com comportamentos em temperatura opostos. Normalmente, a tensão térmica, relacionada à constante de Boltzmann e à carga do elétron, fornece uma dependência positiva com temperatura, enquanto que a tensão base-emissor VBE de um transistor bipolar ou a tensão de limiar de um MOSFET fornece o termo complementar. Um bloco auxiliar é às vezes utilizado para fornecer as correntes de polarização do circuito, e outros blocos adicionais implementam a soma ponderada. A evolução da tecnologia de processos é o principal fator para aplicações em baixa tensão, enquanto que a emergência de dispositivos portáteis operados a bateria, circuitos biomédicos implantáveis e dispostivos de captura de energia do ambiente restringem cada circuito a consumir o mínimo possivel. Portanto, alimentações abaixo de 1 V e consumos na ordem de nanoWatts se tornaram características fundamentais de tais circuitos. Contudo, existem diversos desafios ao projetar referências de tensão de alta exatidão em processos CMOS modernos sob essas condições. As topologias tradicionais não são adequadas pois elas provêm uma referência de tensão acima de 1 V, e requerem resistências da ordem de G para atingir tão baixo consumo de potência, ocupando assim uma grande área de silício. Avanços recentes atingiram tais níveis de consumo de potência, porém com limitada exatidão, custosos procedimentos de calibração e grande área ocupada em silício. Nesta dissertação apresentam-se duas novas topologias de circuitos: uma tensão de junção bipolar com compensação de curvatura que não utiliza resistores e é auto-polarizada; e um circuito de referência bandgap sem resistores que opera abaixo de 1 V (também chamado de sub-bandgap). Ambos circuitos operam com consumo na ordem de nanoWatts e ocupam pequenas áreas de silício. Resultados de simulação para dois processos diferentes, 180 nm e 130 nm, e resultados experimentais de uma rodada de fabricação em 130 nm apresentam melhorias sobre tais limitações, mantendo as características desejadas de não conter resistores, ultra baixo consumo, baixa tensão de alimentação e áreas muito pequenas. / Integrated voltage references have always been a fundamental block of any electronic system, and an important research topic that has been extensively studied in the past 50 years. A voltage reference is a circuit that provides a stable voltage with low sensitivity to variations in temperature, supply, load, process characteristics and packaging stresses. They are usually implemented through the weighted sum of two independent physical phenomena with opposite temperature dependencies. Usually the thermal voltage, related to the Boltzmann’s constant and the electron charge, provides a positive temperature dependence, while the silicon bandgap voltage or a MOSFET’s threshold voltage provide the complementary term. An auxiliary biasing block is sometimes necessary to provide the necessary currents for the circuit to work, and additional blocks implement the weighted sum. The scaling of process technologies is the main driving factor for low voltage operation, while the emergence of portable battery-operated, implantable biomedical and energy harvesting devices mandate that every circuit consume as little power as possible. Therefore, sub-1 V supplies and nanoWatt power have become key characteristics for these kind of circuits, but there are several challenges when designing high accuracy voltage references in modern CMOS technologies under these conditions. The traditional topologies are not suitable because they provide a reference voltage above 1 V, and to achieve such power consumption levels would require G resistances, that occupy a huge silicon area. Recent advances have achieved these levels of power consumption but with limited accuracy, expensive calibration procedures and large silicon area.

Este trabalho apresenta a proposta de um instrumento para utilização nos ensaios previstos nas Normas Brasileiras para certificação das instalações elétricas de baixa tensão. Descreve-se o projeto e a implementação do instrumento desenvolvido, bem como a metodologia para a execução dos testes de conformidade, de acordo com as Normas Brasileiras aplicáveis, utilizando os recursos disponíveis na instrumentação proposta. Um conjunto de testes para exemplificação de uso e validação dos testes é também apresentado. / This work presents an instrumentation system to perform tests and certification of low voltage electrical networks on residential and industrial buildings in accordance to Brazilian Norms. It intends to propose a methodology for tests executions using available resources on the developed instrumentation system. To show how the proposed system works several tests were done regarding to attend Brazilian technical standards.

Com o crescimento constante da infraestrutura do sistema de distribuição de baixa tensão, tem-se a necessidade de um monitoramento mais preciso das grandezas elétricas no ponto de conexão com os clientes. O impacto da implantação de sistemas smart grids são positivos, visto que para o lado do consumidor o acompanhamento do consumo de forma online permite realizar um melhor planejamento, e para o lado da concessionária, o levantamento de perfil dos clientes e planejamento de demanda, visto que os medidores podem fornecer os dados em tempo real de horários de maior consumo e acompanhamento dos níveis, de forma a adequar conforme os níveis de qualidade de energia definidos pelo módulo 8 PRODIST. Além do acompanhamento, das variáveis e limites, este projeto poderá atuar de forma a auxiliar as companhias elétricas a comparar os pontos de cargas estimadas com o fornecimento para detectar possíveis fraudes no ponto de distribuição. Outro aspecto importante é tornar possível a integração com uma rede de clientes que além de consumidores podem tornar-se pequenas unidades geradoras, alimentando o sistema maior. / With the constant growth of the infrastructure of the low voltage distribution system, there is a need for a more refined monitoring of the electrical quantities in the distribution network. The impact of the implementation of smart grids systems are positive, since for the consumer side the monitoring of consumption in an online way allows to carry out consumption planning, and for the side of the concessionaire, customer profile survey and demand planning, Since the meters can provide the real time data of schedules of greater consumption and monitoring of the levels, in order to adapt according to the levels of quality of energy defined by the module 8 PRODIST. In addition to the monitoring of variables and limits, this project may act in a way that helps utilities compare the estimated load points with the supply to detect possible fraud at the distribution point. Another important aspect is to make it possible to integrate with a network of customers that in addition to consumers can become small generating units, feeding the larger system.

Referências de tensão integradas sempre foram um bloco fundamental de qualquer sistema eletrônico e um importante tópico de pesquisa que tem sido estudado extensivamente nos últimos 50 anos. Uma tensão de referência é um circuito que provê uma tensão estável com baixa sensibilidade a variações em temperatura, alimentação, carga, características do processo de fabricação e tensões mecânicas de encapsulamento. Elas são normalmente implementadas através da soma ponderada de dois fenômenos físicos diferentes, com comportamentos em temperatura opostos. Normalmente, a tensão térmica, relacionada à constante de Boltzmann e à carga do elétron, fornece uma dependência positiva com temperatura, enquanto que a tensão base-emissor VBE de um transistor bipolar ou a tensão de limiar de um MOSFET fornece o termo complementar. Um bloco auxiliar é às vezes utilizado para fornecer as correntes de polarização do circuito, e outros blocos adicionais implementam a soma ponderada. A evolução da tecnologia de processos é o principal fator para aplicações em baixa tensão, enquanto que a emergência de dispositivos portáteis operados a bateria, circuitos biomédicos implantáveis e dispostivos de captura de energia do ambiente restringem cada circuito a consumir o mínimo possivel. Portanto, alimentações abaixo de 1 V e consumos na ordem de nanoWatts se tornaram características fundamentais de tais circuitos. Contudo, existem diversos desafios ao projetar referências de tensão de alta exatidão em processos CMOS modernos sob essas condições. As topologias tradicionais não são adequadas pois elas provêm uma referência de tensão acima de 1 V, e requerem resistências da ordem de G para atingir tão baixo consumo de potência, ocupando assim uma grande área de silício. Avanços recentes atingiram tais níveis de consumo de potência, porém com limitada exatidão, custosos procedimentos de calibração e grande área ocupada em silício. Nesta dissertação apresentam-se duas novas topologias de circuitos: uma tensão de junção bipolar com compensação de curvatura que não utiliza resistores e é auto-polarizada; e um circuito de referência bandgap sem resistores que opera abaixo de 1 V (também chamado de sub-bandgap). Ambos circuitos operam com consumo na ordem de nanoWatts e ocupam pequenas áreas de silício. Resultados de simulação para dois processos diferentes, 180 nm e 130 nm, e resultados experimentais de uma rodada de fabricação em 130 nm apresentam melhorias sobre tais limitações, mantendo as características desejadas de não conter resistores, ultra baixo consumo, baixa tensão de alimentação e áreas muito pequenas. / Integrated voltage references have always been a fundamental block of any electronic system, and an important research topic that has been extensively studied in the past 50 years. A voltage reference is a circuit that provides a stable voltage with low sensitivity to variations in temperature, supply, load, process characteristics and packaging stresses. They are usually implemented through the weighted sum of two independent physical phenomena with opposite temperature dependencies. Usually the thermal voltage, related to the Boltzmann’s constant and the electron charge, provides a positive temperature dependence, while the silicon bandgap voltage or a MOSFET’s threshold voltage provide the complementary term. An auxiliary biasing block is sometimes necessary to provide the necessary currents for the circuit to work, and additional blocks implement the weighted sum. The scaling of process technologies is the main driving factor for low voltage operation, while the emergence of portable battery-operated, implantable biomedical and energy harvesting devices mandate that every circuit consume as little power as possible. Therefore, sub-1 V supplies and nanoWatt power have become key characteristics for these kind of circuits, but there are several challenges when designing high accuracy voltage references in modern CMOS technologies under these conditions. The traditional topologies are not suitable because they provide a reference voltage above 1 V, and to achieve such power consumption levels would require G resistances, that occupy a huge silicon area. Recent advances have achieved these levels of power consumption but with limited accuracy, expensive calibration procedures and large silicon area.

Este trabalho apresenta a proposta de um instrumento para utilização nos ensaios previstos nas Normas Brasileiras para certificação das instalações elétricas de baixa tensão. Descreve-se o projeto e a implementação do instrumento desenvolvido, bem como a metodologia para a execução dos testes de conformidade, de acordo com as Normas Brasileiras aplicáveis, utilizando os recursos disponíveis na instrumentação proposta. Um conjunto de testes para exemplificação de uso e validação dos testes é também apresentado. / This work presents an instrumentation system to perform tests and certification of low voltage electrical networks on residential and industrial buildings in accordance to Brazilian Norms. It intends to propose a methodology for tests executions using available resources on the developed instrumentation system. To show how the proposed system works several tests were done regarding to attend Brazilian technical standards.

Referências de tensão integradas sempre foram um bloco fundamental de qualquer sistema eletrônico e um importante tópico de pesquisa que tem sido estudado extensivamente nos últimos 50 anos. Uma tensão de referência é um circuito que provê uma tensão estável com baixa sensibilidade a variações em temperatura, alimentação, carga, características do processo de fabricação e tensões mecânicas de encapsulamento. Elas são normalmente implementadas através da soma ponderada de dois fenômenos físicos diferentes, com comportamentos em temperatura opostos. Normalmente, a tensão térmica, relacionada à constante de Boltzmann e à carga do elétron, fornece uma dependência positiva com temperatura, enquanto que a tensão base-emissor VBE de um transistor bipolar ou a tensão de limiar de um MOSFET fornece o termo complementar. Um bloco auxiliar é às vezes utilizado para fornecer as correntes de polarização do circuito, e outros blocos adicionais implementam a soma ponderada. A evolução da tecnologia de processos é o principal fator para aplicações em baixa tensão, enquanto que a emergência de dispositivos portáteis operados a bateria, circuitos biomédicos implantáveis e dispostivos de captura de energia do ambiente restringem cada circuito a consumir o mínimo possivel. Portanto, alimentações abaixo de 1 V e consumos na ordem de nanoWatts se tornaram características fundamentais de tais circuitos. Contudo, existem diversos desafios ao projetar referências de tensão de alta exatidão em processos CMOS modernos sob essas condições. As topologias tradicionais não são adequadas pois elas provêm uma referência de tensão acima de 1 V, e requerem resistências da ordem de G para atingir tão baixo consumo de potência, ocupando assim uma grande área de silício. Avanços recentes atingiram tais níveis de consumo de potência, porém com limitada exatidão, custosos procedimentos de calibração e grande área ocupada em silício. Nesta dissertação apresentam-se duas novas topologias de circuitos: uma tensão de junção bipolar com compensação de curvatura que não utiliza resistores e é auto-polarizada; e um circuito de referência bandgap sem resistores que opera abaixo de 1 V (também chamado de sub-bandgap). Ambos circuitos operam com consumo na ordem de nanoWatts e ocupam pequenas áreas de silício. Resultados de simulação para dois processos diferentes, 180 nm e 130 nm, e resultados experimentais de uma rodada de fabricação em 130 nm apresentam melhorias sobre tais limitações, mantendo as características desejadas de não conter resistores, ultra baixo consumo, baixa tensão de alimentação e áreas muito pequenas. / Integrated voltage references have always been a fundamental block of any electronic system, and an important research topic that has been extensively studied in the past 50 years. A voltage reference is a circuit that provides a stable voltage with low sensitivity to variations in temperature, supply, load, process characteristics and packaging stresses. They are usually implemented through the weighted sum of two independent physical phenomena with opposite temperature dependencies. Usually the thermal voltage, related to the Boltzmann’s constant and the electron charge, provides a positive temperature dependence, while the silicon bandgap voltage or a MOSFET’s threshold voltage provide the complementary term. An auxiliary biasing block is sometimes necessary to provide the necessary currents for the circuit to work, and additional blocks implement the weighted sum. The scaling of process technologies is the main driving factor for low voltage operation, while the emergence of portable battery-operated, implantable biomedical and energy harvesting devices mandate that every circuit consume as little power as possible. Therefore, sub-1 V supplies and nanoWatt power have become key characteristics for these kind of circuits, but there are several challenges when designing high accuracy voltage references in modern CMOS technologies under these conditions. The traditional topologies are not suitable because they provide a reference voltage above 1 V, and to achieve such power consumption levels would require G resistances, that occupy a huge silicon area. Recent advances have achieved these levels of power consumption but with limited accuracy, expensive calibration procedures and large silicon area.