Είναι γνωστό ότι τα κυκλώματα των τελεστικών ενισχυτών (Op-Amps) είναι από τις βασικότερες δομικές βαθμίδες στον χώρο της σχεδίασης αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Μια εναλλακτική δομή του τελεστικού ενισχυτή αποτελεί το κύκλωμα ενός Current Feedback Operational Amplifier (CFOA). Ένας CFOA είναι ουσιαστικά ένας μεταφορέας ρεύματος (Current Conveyor-CCII) σε σειρά με έναν ακολουθητή τάσης (Voltage Follower), και είναι ιδιαιτέρως χρήσιμος κατά την σχεδίαση κυκλωμάτων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν τέσσερις δομές CFOA, σχεδιασμένες για λειτουργία με χαμηλή τάση τροφοδοσίας, και χρησιμοποιήθηκαν για τον σχεδιασμό φίλτρων με τις μεθόδους Leapfrog, τοπολογικής εξομοίωσης και κυματική. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται οι γενικές αρχές που ισχύουν στην σχεδίαση κυκλωμάτων για λειτουργία με χαμηλή τάση τροφοδοσίας καθώς και τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες τεχνικές σχεδίασης. Στο δεύτερο κεφάλαιο μελετώνται αναλυτικά οι τέσσερις δομές CFOA συγκρίνοντας τους βασικότερους παράγοντες απόδοσής τους. Τα κυκλώματα των CFOA που μελετώνται βασίζονται σε πρόσφατα δημοσιευμένες δομές Current Conveyor (CCII). Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται η μέθοδος σχεδίασης φίλτρων Leapfrog, και χρησιμοποιείται για την σχεδίαση ενός Butterworth φίλτρου 3ης τάξης. Ως δομική βαθμίδα για την σχεδίαση αυτού του φίλτρου χρησιμοποείται ο CFOA [2]. Το τρίτο κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την παρουσίαση των βασικότερων παραγώντων απόδοσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η τοπολογική μέθοδος σχεδίασης φίλτρων, στην οποία γίνεται τοπολογική αντικατάσταση πηνίου, σε παθητικό φίλτρο, από ισοδύναμο κύκλωμα με ενεργά στοιχεία. Και στην περίπτωση αυτή η δομική μονάδα σχεδιασμού είναι ο CFOA [2]. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η σχεδίαση ενός Butterworth φίλτρου 3ης τάξης με την κυματική μέθοδο. Η σχεδίαση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ως δομική βαθμίδα τον CFOA [1]. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η φυσική σχεδίαση (layout) του Butterworth φίλτρου 3ης τάξης που σχεδιάστηκε με την leapfrog μέθοδο στο τρίτο κεφάλαιο. Η φυσική σχεδίαση πραγματοποιήθηκε με την χρήση του λογισμικού Cadence και του περιβάλλοντος Virtuoso που περιλαμβάνει για την φυσική σχεδίαση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων . Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων εξομοίωσης των δομών CFOA’s αλλά και των αποτελεσμάτων εξομοίωσης των φίλτρων που σχεδιάστηκαν στα παραπάνω κεφάλαια . Επίσης παρουσιάζονται κάποιες προτάσεις για μελλοντική και περαιτέρω έρευνα. / Operational amplifier is one of most important analog building block. An alternative structure for operational amplifier is a Current Feedback Operational Amplifier (CFOA). A CFOA is essentially consists of a current conveyor (CCII) connecting with a Voltage Follower (VF). The usage of CFOA for the low-voltage analog IC design is quite useful. In this work four different CFOA structures, designed for low-voltage operation, were considered. Also the aforementioned CFOAs were used to build a butterworth filter with Leapfrog method, topological simulation method and wave method. In first chapter the basic design rules and the most common design techniques for low-voltage IC design is presented. In chapter 2 the four structures of CFOAs circuits were considered, under the light of comparison of most critical factors of operation. The CFOAs circuits were based in most resent published topologies of Current Conveyor (CCII). In chapter 3 the Leapfrog method for filters design was discussed. Also a 3rd order butterworth filter is designed based on this method. The CFOA of ref [2] is the main building lock to construct this filter. In chapter 4 another method for filter design is presented named topological simulation method. According to this method passive elements such as inductors and capacitors are replaced by active elements. The main building block is also CFOA of ref [2]. In Chapter 5 a 3rd order butterworth filter based on wave method is designed. In this case the main building block was the CFOA circuit of ref [1]. Chapter 6 presents the layout of the 3rd order butterworth filter which designed at chapter 3 with leapfrog method. The layout design was implemented using Virtuoso environment of Cadence design framework II platform. Chapter 7 conclude this work presenting the simulated comparison results for all four CFOAs circuits and the 3rd order butterworth filters that were designed with the three different methods. Some thoughts for further research in the this subject are also presented.

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.

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. Το αντικείμενο της εργασίας αυτής, αφορά στη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων φίλτρων, χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, για υλοποίηση μεγάλων σταθερών χρόνου, στο πεδίο του λογαρίθμου. Προς αυτή την κατεύθυνση, μελετώντας και σχεδιάζοντας δομές αναλογικών φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου, επιτεύχθηκε η σχεδίαση φίλτρων δεύτερης τάξης με μεγάλες σταθερές χρόνου, διατηρώντας τις φυσικές διαστάσεις των κυκλωμάτων σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα. Αρχικά, παρουσιάζονται κάποια εισαγωγικά στοιχεία για την σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Γίνεται εισαγωγή στην ιδέα των λογαριθμικών φίλτρων και αναλύονται οι βασικές αρχές σχεδίασης. Παρουσιάζονται βασικά χαρακτηριστικά των κυκλωμάτων στο πεδίο του λογαρίθμου, καθώς και ανάλυση των τελεστών και των διαγωγών που αποτελούν τη βάση της σχεδίασης στο λογαριθμικό πεδίο. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι υλοποιήσεις των ολοκληρωτών των φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου. Στη συνέχεια, γίνεται τοπολογική εξομοίωση 2ης τάξης βαθυπερατών φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου. Σχεδιάζονται φίλτρα με την κλασική μέθοδο υλοποίησης, κάνοντας χρήση ισοδύναμων των παθητικών στοιχείων στο λογαριθμικό πεδίο, αλλά και φίλτρα υλοποιημένα με διάγραμμα ροής (SFG). Παρουσιάζονται τα πρώτα αποτελέσματα των εξομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν με το λογισμικό Cadence και το γραφικό περιβάλλον που διαθέτει για την σχεδίαση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (Virtuoso Analog Environment). Προτείνονται, δύο κυκλώματα τα οποία πραγματοποιούν πολλαπλασιασμό της χωρητικότητας των πυκνωτών, επιτυγχάνοντας έτσι μεγάλες σταθερές χρόνου, και η υλοποίηση νέων ολοκληρωτών που κάνουν χρήση των πολλαπλασιαστών. Δημιουργούνται έτσι οι βάσεις για την υλοποίηση φίλτρων με εξαιρετικά μικρές διαστάσεις, των οποίων η σχεδίαση, η εξομοίωση και η φυσική σχεδίαση (layout design) παρουσιάζονται, αναλύονται και συγκρίνονται. / The technological evolution and market requirements have led to an increasing demand of low - power portable devices, featuring the reduced size of the devises and high efficiency. This M.Sc project deals with the design of analog integrated, Log - Domain filters, for low - voltage implementation, with large time - constants. In this direction, the design of a second order, low - pass filter, with the above features, and with the occupied silicon area maintained at very low levels, was achieved. In Chapters 1 and 2, an introduction to the design of integrated circuits in low voltage environment is presented. There is an introduction to the idea and the basic principles of Log - Domain filters. The key characteristics of circuits in a large signal operation point of view, and an analysis of the operators and the exponential transconductor cells are, also presented. Furthermore, the basic Log - Domain integrators has been analyzed. A topologic analysis of second order Log - Domain filters is given in Chapter 3. Filters has been initially designed firstly with the classic implementation, using Log - Domain equivalent of passive elements. In a second step, the filter has been realizes by employing the signal flow diagram (SFG) representation. These filters were simulated with the Analog Design environment of the Cadence software. the obtained simulation results confirmed the correct operation of the circuit. Two implementations for realizing the Log - Domain equivalent of a capacitor multiplier are introduced. In addition, implementations of new Log - Domain integrators, that use the capacitor multipliers, are given in Chapter 4. Using these implementations, Log - Domain filters, with reduced total area and large time - constants, are designed, simulated and characterized in Chapter 5. Finally, the layout design of a second - order has been performed in Chapter 6 and the provided post - layout simulation results show that the performance of the filter was close to that of the filter realized in schematic level.

Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση ενός βιοϊατρικού συστήματος που είναι κατάλληλο για την ανίχνευση εμβοών σε ασθενείς. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα αναλογικό τμήμα το οποίο περιλαμβάνει τους εξαγωγείς ενέργειας ζώνης συχνοτήτων για τα alpha, gamma και theta waves του εγκεφάλου που τροφοδοτούν τα αντίστοιχα κανάλια του συστήματος. Επίσης, το σύστημα περιλαμβάνει και ένα ψηφιακό τμήμα αποτελούμενο από συγκριτές ρεύματος και μια πύλη AND και το οποίο θα χρησιμεύσει για την λήψη της απόφασης σχετικά με το αν πάσχει ή όχι ο ασθενής. Η έξοδος του συστήματος θα οδηγεί ένα σύστημα ανάδρασης, ο οποίος θα προσαρμόζει τα επίπεδα έντασης των αντίστοιχων σημάτων που δέχεται ο ασθενής για την αποφυγή της εμφάνισης του φαινομένου της εμβοής. Η υλοποίηση του συστήματος γίνεται με χρήση MOS transistors τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου. Η χρήση μικρών ρευμάτων πόλωσης δίνει τη δυνατότητα για σχεδίαση συστημάτων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα επιτρέπει την υλοποίηση μεγάλων τιμών αντιστάσεων, οι οποίες είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση μεγάλων σταθερών χρόνου που απαιτούνται για τη διαχείριση των χαμηλής συχνότητας βιοϊατρικών σημάτων. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη πρωτότυπης τοπολογίας για το αναλογικό τμήμα του συστήματος. Αυτό επιτεύχθηκε με την ανάπτυξη νέων δομών φίλτρων τα οποία λειτουργούν στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Οι κύριοι λόγοι υιοθέτησης αυτής της τεχνικής είναι ότι προσφέρει ταυτόχρονα τα παρακάτω: (α) δυνατότητα επεξεργασίας σημάτων τα οποία είναι μεγαλύτερα από το ρεύμα πόλωσης, λόγω της ενσωματωμένης λειτουργίας σε τάξη-ΑΒ, (β) δυνατότητα λειτουργίας με καλή γραμμικότητα σε πολύ χαμηλή τάση τροφοδοσίας, (γ) ηλεκτρονική ρύθμιση των συχνοτικών χαρακτηριστικών τους από το ρεύμα πόλωσης, (δ) υλοποίηση φίλτρων χωρίς αντιστάτες, (ε) υλοποίηση φίλτρων με χρήση μόνο γειωμένων πυκνωτών. Η σχεδίαση των κυκλωμάτων, τόσο σε επίπεδο σχηματικού, όσο και σε επίπεδο μασκών, έγινε με τη χρήση του λογισμικού Cadence και με το Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία AMS CMOS C35 0.35μm. Συγκρινόμενη με την αντίστοιχη ήδη προταθείσα δομή ανιχνευτή εμβοών, η προτεινόμενη τοπολογία προσφέρει τα παρακάτω ελκυστικά χαρακτηριστικά: (α) μειωμένη κατανάλωση ισχύος και (β) λειτουργία του αναλογικού τμήματος σε μικρότερη τάση τροφοδοσίας (0.5V). / Subject of this M. Sc.Τhesis is the design of a biomedical system that is suitable for detecting tinnitus in patients. This system consists of an analog subsystem comprising band energy extractors for alpha, gamma and theta waves of the EEG that feed the channels of the system. The system also includes a digital section composed of current comparator and AND gate, which will serve as a decision on whether or not the suffering patient. The output of the system will drive a feedback system, which will adjust the intensity levels of the respective signals received by the patient to prevent the occurrence of the phenomenon of tinnitus. The system implementation is done using MOS transistors operating in the subthreshold region. The use of low-level bias currents allows for system design with low power consumption and, simultaneously, enables the implementation of large values of resistors that are necessary for the realization of large time constants required for the handling of low frequency biomedical signals. The aim of this thesis is to develop novel topology for the analog subsystem. Tjhis was achieved through the development ddevelopment of novel structures of filters using the concept of filtering in the Sinh-Domain. The main reasons for using this technique is that it simultaneously offers the following attractive characteristics: (a) capability for processing signals which are larger than the bias current, due to the inherent class-AB operation, (b) ability to achieve a relative high linearity at very low power supply voltage, (c) electronic adjustment of frequency characteristics through the bias current, (d) implementation of filters without resistors, and (e) implementation of filters using only grounded capacitors. The design of circuits, both at schematic and post-layout levels was performed using the Cadence software and the Design Kit provided by the AMS CMOS C35 0.35μm technology. Compared with the corresponding already proposed structure tinnitus detector, the proposed topology to offer the following attractive features: (a) reduced power consumption, and (b) operation of the analog section in lower supply voltage (0.5V).

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εστίασε το ενδιαφέρον της στην ανίχνευση του QRS συμπλέγματος στα ηλεκτροκαρδιογραφήματα με σκοπό τον εντοπισμό χρόνιων ή μη παθήσεων της ανθρώπινης καρδιάς. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα ζωνοπερατό φίλτρο 2ης-τάξης, ένα διαφοριστή, έναν τετραγωνιστή και ένα βαθυπερατό φίλτρο 1ης-τάξης. Η υλοποίηση του συστήματος γίνεται με χρήση MOS transistor τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου. Η χρήση μικρών ρευμάτων πόλωσης επιτρέπει τη σχεδίαση συστημάτων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα την υλοποίηση μεγάλων τιμών αντιστάσεων, οι οποίες είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση μεγάλων σταθερών χρόνου, που απαιτούνται για τη διαχείριση των χαμηλής συχνότητας βιοϊατρικών σημάτων. Στόχος της Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη τοπολογίας για το αναλογικό τμήμα του συστήματος. Για το σκοπό αυτό προτείνεται η συστηματική σχεδίαση φίλτρων υψηλής τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, με χρήση ήδη υπαρχόντων μη-γραμμικών διαγωγών υπερβολικού ημιτόνου, συνημίτονου. Η συμπίεση-αποσυμπίεση του προς επεξεργασία σήματος επιτυγχάνεται με την κατάλληλη τοποθέτηση συμπληρωματικών τελεστών ενώ ταυτόχρονα διατηρείται γραμμική η συνολική συμπεριφορά των διατάξεων. Η εφαρμογή της μεθόδου του κατωφλίου, ωστόσο, αλλά και η επαλήθευση της λειτουργίας του αναλογικού μέρους, πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού Matlab. Η σχεδίαση των κυκλωμάτων σε όλα τα επίπεδα ιεραρχίας πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού Cadence και με το Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία AMS CMOS C35 0.35μm. / This M.Sc. Thesis focused on proper detection of QRS complex on electrocardiograms to identify chronic or non-chronic diseases of human heart. This system consists of a 2nd-order bandpass filter, a differentiator, a squarer and a 1st-order low-pass filter. The system implementation is using MOS transistors operating in the subthreshold region. The use of low-level bias currents allows the design of systems with low power consumption and simultaneously implementing large resistance values , which are necessary for the realization of large time constants required for the management of low frequency biomedical signals. The aim of this thesis is to develop topology for the analog subsystem. For this purpose a systematic design of high order filters in the field of Sinh-Domain , using existing trims nonlinear hyperbolic sine and cosine. The compression - expansion of the signal to be processed is achieved by proper placement of additional constants while maintaining the total linear behavior of the devices. The application of the threshold, however, but also to verify the operation of the analog part , performed using the software Matlab. The design of circuits at all levels of hierarchy was performed using the software Cadence and the Design Kit provided by technology AMS CMOS C35 0.35μm.

Οι μετατροπείς της ενεργούς τιμής σήματος σε συνεχές είναι βαθμίδες με ευρεία εφαρμογή σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα και σε βιοϊατρικά συστήματα. Στην εργασία αυτή, προτείνεται μια νέα γενική τοπολογία μετατροπέα ενεργούς τιμής σήματος σε συνεχές, η οποία λειτουργεί στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Κύρια πλεονεκτήματα είναι η δυνατότητα λειτουργίας σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας και η δυνατότητα επεξεργασίας σημάτων πολύ μεγαλύτερων της πόλωσης. Η εξομοίωση της λειτουργίας του κυκλώματος έγινε με τη χρήση του λογισμικού Analog Design Environment της Cadence. / Rms to DC converters, are stages with wide range of applications in telecommunication and biomedical systems. In this project, a new rms to dc converter topology is proposed, operating in sinh domain. Main advantages are the ability to operate in low voltage and the ability to process signals larger than bias. The circuit was simulated using Cadence Analog Design Environment software.

Οι ηλεκτρονικοί αρμονικοί ταλαντωτές είναι βαθμίδες με ευρεία εφαρμογή σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα, σε συστήματα επεξεργασίας σήματος και σε ηλεκτρονικά ισχύος. Στην εργασία αυτή, προτείνεται μια νέα γενική τοπολογία ταλαντωτή πολλαπλών φάσεων, η οποία λειτουργεί στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Κύρια πλεονεκτήματα είναι η δυνατότητα λειτουργίας σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας και η ηλεκτρονική ρύθμιση της συμπεριφοράς του ταλαντωτή. Ως παράδειγμα σχεδίασης δίνεται ένας αρμονικός ταλαντωτής πολλαπλών φάσεων εξόδου 3ης/6ης τάξης, που η εξομοίωση της λειτουργίας του έγινε με τη χρήση του λογισμικού Analog Design Environment της Cadence. / Electronic harmonic oscillators are stages with wide application in telecommunication systems, in signal processing systems and power electronics. In this project, a new multiphase oscillator topology is proposed, designed to operate in sinh domain. Main advantages are the ability to operate at low voltage and the electronic tuning of the oscillator’s behavior. A multiphase sinusoidal oscillator, 3rd/6th order, is given as an example. The validity of the proposed methods is verified through simulation results using the Cadence Analog Design Environment software.