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.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστίασε το ενδιαφέρον της στην διερεύνηση των αναλογικών ολοκληρωμένων φίλτρων της κατηγορίας ELIN εξωτερικά γραμμικά, εσωτερικά μη-γραμμικά. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν και σχεδιάστηκαν, νέες δομές φίλτρων συμπίεσης-αποσυμπίεσης του προς επεξεργασία σήματος στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Η γοργή ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής στην υλοποίηση συστημάτων υψηλής αξιοπιστίας και απόδοσης μικρού βάρους και όγκου όπως φορητών ηλεκτρονικών πολυμέσων, επικοινωνιών, βιοϊατρικών συσκευών, ωθεί στην σχεδίαση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που τα απαρτίζουν με μειωμένη κατανάλωση ισχύος και κατ’ επέκταση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Σ’ ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα η ενσωμάτωση αναλογικών και ψηφιακών κυκλωμάτων σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, ώστε το κόστος των διατάξεων να διατηρείται χαμηλό, επηρεάζει άμεσα την απόδοση του αναλογικού τμήματος, προτάσσοντας την ανάγκη για νέες αρχιτεκτονικές σχεδίασης του. Οι διατάξεις των αναλογικών φίλτρων αποτελούν συχνά δομικό στοιχείο των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και η διερεύνηση τους για την επίτευξη μεγάλης δυναμικής περιοχής, ηλεκτρονική ρύθμισης της απόκρισης συχνότητας και ταυτόχρονα χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, έχει απασχολήσει αρκετά το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας. Προτείνεται αρχικά η συστηματική σχεδίαση φίλτρων υψηλής τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, αποσκοπώντας στη βελτίωση της διαδικασίας υλοποίησης τους, με χρήση ήδη υπαρχουσών 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. Με γνώμονα την εφαρμογή τους σε βιοϊατρικές συσκευές, εξομοιώνεται με δύο διαφορετικούς τρόπους φίλτρο 3ης τάξης leapfrog με συχνότητα αποκοπής 10Hz και τα αποτελέσματα που προκύπτουν συγκρίνονται με αντίστοιχο γραμμικής συμπεριφοράς. Στην συνέχεια, υλοποιείται η σχεδίαση BiCMOS φίλτρων οποιασδήποτε τάξης, δομημένα από μη-γραμμικούς διαγωγούς υπερβολικού ημιτόνου με δυνατότητα λειτουργίας σε υψηλές συχνότητες και σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Επιλέγονται οι μέθοδοι του γραμμικού μετασχηματισμού, λειτουργικής και τοπολογικής εξομοίωσης ενός πρωτότυπου ελλειπτικού βαθυπερατού 3ης τάξης με συχνότητα αποκοπής 0.5 kHz και κυμάτωση στην ζώνη διέλευσης 0.5dB. Ακολουθεί ανάλυση και σύγκριση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν στο περιβάλλον Analog Virtuoso της Cadence Software, της τεχνολογίας AMS CMOS S35 0.35μm, μεταξύ των φίλτρων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου καθώς και με αντίστοιχες διατάξεις στο πεδίο του λογαρίθμου τάξης-ΑΒ και (OTA)-C στο γραμμικό χώρο. Προτείνεται ακόμη, η BiCMOS σχεδίαση γενικευμένων φίλτρων 2ης τάξης απλής εισόδου-πολλαπλών εξόδων και πολλαπλής εισόδου-απλής εξόδου, με δυνατότητα λειτουργίας σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, ηλεκτρονικής ρύθμισης της συχνότητας αποκοπής ω0 του συντελεστή ποιότητας Q και της ορθογώνιας μεταβολής μεταξύ των. Από την εξομοίωση τους πρόκυψε ότι είναι ενεργειακά αποδοτικότερη η υλοποίηση τους συγκρινόμενα με αντίστοιχα στο πεδίο του λογαρίθμου. Τέλος, στα πλαίσια υλοποίησης βιοϊατρικών εφαρμογών προτείνεται η σχεδίαση ενός μη-γραμμικού τελεστή ενέργειας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου για την ανίχνευση αιχμών δραστηριότητας σε νευρωνικά δίκτυα με τάση τροφοδοσίας 0.5V. Ο μη-γραμμικός διαγωγός υπερβολικού ημιτόνου, του οποίου ο διαγραμμικός βρόγχος αποτελείται από (pMOS) τρανζίστορ δομεί τους διαφοριστές και πολλαπλασιαστές τεσσάρων τεταρτημορίων τάξης-ΑΒ που απαρτίζουν την διάταξη. Εξομοιώνεται, κάνοντας χρήση CMOS τρανζίστορ της τεχνολογίας TSMC 130 nm, στο περιβάλλον Analog Virtuoso της Cadence Software και συγκρινόμενος με ήδη υπάρχουσες διατάξεις, παρουσιάζει την μικρότερη κατανάλωση ισχύος. / This present Ph.D dissertation is focused its interest on the design of low voltage analog integrated circuits. Companding (compressing-expanding) systems are Externally Linear, Internally Non-linear (ELIN) processors with potential for low-voltage operation capability. In this direction novel topologies of companding filters in the Sinh-Domain are introduced. Τhe radical technological developments of microelectronics in the systems implementation with high reliability and performance, such as portable electronic devices for multimedia, communications and biomedical systems, demand the design of integrated circuits with reduced power consumption and thus low voltage supply. Integration of analog and digital circuits of systems-on-chip – (SoC) in order to be kept the low cost, directly affects the performance of the analog section, pointing forward the need for novel architectural design. One of the basic building blocks for circuit design is analog filters and their investigation in order to achieved large dynamic range, electronic tuning capability of their frequency characteristics which has gained a significant research effort toward these goals. At first, a new systematic method for designing Sinh-Domain filters is introduced. The proposed method offers the benefits of facilitating the design procedure of high-order Sinh-Domain filters using already introduced building blocks and of the absence of any restriction concerning the type and/or the order of the realized filter function. This is achieved by employing an appropriate set of complementary operators, in order to transpose the conventional functional block diagram representation of each linear operation to the corresponding one into the Sinh-Domain. In order to demonstrate the validity of the proposed systematic method, 3rd order leapfrog low-pass filter with a cut-off frequency at 10Hz which is typical for biomedical applications, has been realized following two alternative approaches and, also, a comparison has been performed among them and a conventional linear filter where the most important performance factors have been taken into account. Continuing, novel BiCMOS sinh-domain filter topologies, derived according to operational emulation, component substitution techniques and Linear Transformation of the corresponding 3rd-order passive prototype filters, with a cut-off frequency at 0.5 kHz and pass-band ripple 0.5dB, is proposed. This has been achieved by utilizing BiCMOS nonlinear ransconductor cells into the sinh domain. An attractive benefit of the proposed filter topologies is their capability for operating in high frequencies and a low-voltage environment. The performance of a leapfrog sinh-domain filter has been compared, using the Analog Design Environment of the Cadence software using AMS CMOS S35 0.35μm, with those of the corresponding log-domain and operational ransconductance amplifier (OTA)-C filters. Furthermore, the design of a family of Sinh-Domain universal biquad filters are introduced offering the benefits of low-voltage operation and, simultaneously, power efficient realizations in comparison with the corresponding already proposed biquads. Also, they have the capability for orthogonal adjustment between the resonance frequency and Q factor of the filter and these parameters could be also electronically adjusted through appropriate dc currents. Thus, they could be considered as attractive blocks for realizing high-performance analog signal processing systems. Finally, a Sinh-Domain topology for realizing the Non Linear Energy Operator (NEO) is introduced. For this purpose, a novel Sinh-Domain differentiator is proposed which offers the benefits of ultra low-voltage operation capability and electronic tuning of the realized time-constant. The whole system is also constructed from a four-quadrant current multiplier, realized by employing appropriately configured non-linear transconductors. Considering a single power supply voltage of 0.5V, the behavior of the proposed Sinh-Domain NEO realization has been simulated using the Analog Design Environment of the Cadence software using TSMC 130 nm design hit.