An accurate, high-speed, fully differential difference amplifier for current sensing utilizing the chopper approach was implemented in a 0.18 μm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. Unlike state-of-the-art solutions, we use a higher chopping frequency in the MHz range due to the bandwidth requirements of the introduced circuits for the latter application, namely, low-side phase-current measurement in motor control circuits. Except the low-pass filter (LPF) effect of the output stage, no additional LPF was integrated in hardware at the output of the circuits. We show that on the other hand a digital LPF, which can be integrated in the field-programmable gate-array (FPGA) logic or microcontroller used for the motor control, offers a higher flexibility in terms of filter design. Weak input signals of only few mV can be reconstructed with a high accuracy. This is demonstrated for a 500 kHz rectangular signal and a chopping frequency of 20 MHz. Note that an input-signal frequency of several hundreds of kHz with harmonics in the MHz region is very challenging for chopper amplifiers. Still, a significant decrease of the input-referred noise is demonstrated, especially cancelling out the 1/f-noise achieving a remaining noise floor of approximately 8.5 nV/√Hz. Overall, the input-referred noise level can be pushed far below 50 μV (root mean square). Moreover, using a quite relaxed second-order Butterworth filter with a 3 dB corner frequency of 1 MHz, input-referred noise levels of 10 μV (root mean square) can be easily achieved at the costs of reduced bandwidth. The lowest achieved input offset is 50 μV. The gain is adjusted by resistive feedback and is approximately 40 dB. Hence, the amplifier is suitable for current sensing in motor control circuits, and a significant reduction of the shunt resistance typically used for this purpose will be possible.

Die Modulation von Distorsionsprodukt-Otoemissionen (DPOAE) durch Töne tiefer Frequenz ist ein Methode, mit der die Auswirkung von Verlagerungen der kochleären Trennwand auf die Funktion des kochleären Verstärkers untersucht werden kann. Damit bietet sie einen neuen objektiven Ansatz zur Diagnostik unterschiedlicher kochleärer Hörstörungen sowie zur Untersuchung physiologischer Mechanismen der Kochlea. Durch einen tieffrequenten Ton (f = 32,8 Hz) werden die DPOAE in Abhängigkeit von dessen Phase periodisch verändert. Die Ausprägung der Modulation hängt von den Parametern des Tieftons und der Primärtöne (mit den Frequenzen f1 und f2) ab. Bei zwölf normalhörenden Probanden wird der Einfluß des Tieftonpegels, der Primärtonpegel und der Primärtonfrequenzen auf die Modulation der DPOAE mit der Frequenz 2f1-f2 untersucht. Die Ergebnisse dieser Methode werden mit denen der subjektiven Phasenaudiometrie bei diesen Probanden verglichen. Mit den Primärtonfrequenzen f1 = 2,5 und f2 = 3 kHz steigt die mittlere Modulationstiefe der DPOAE mit zunehmendem Tieftonpegel sowie mit abnehmenden Primärtonpegeln nichtlinear. Mit hohem Tieftonpegel (L = 115 dB SPL) und geringen Primärtonpegeln (bis zu L1 = 50 und L2 = 30 dB HL) sind DPOAE-Pegelverläufe mit zwei Minima und zwei Maxima pro Tieftonperiode zu beobachten. Die Pegelminima liegen kurz nach der maximalen Druck- bzw. Sogphase des Tieftons vor dem Trommelfell, entsprechend der maximalen Auslenkung der kochleären Trennwand in Richtung Scala vestibuli bzw. Scala tympani. Sie zeigen eine mittlere Latenz von 4 ms gegenüber den Verdeckungsmaxima der subjektiven Mithörschwelle im Phasenaudiogramm, die wahrscheinlich durch die Summe der Antwortzeit der aktiven kochleären Prozesse und der Laufzeit der DPOAE-Signale retrograd aus der Kochlea zur Meßsonde im äußeren Gehörgang zustande kommt. Mit geringeren Tieftonpegeln (L = 110 dB SPL) bzw. höheren Primärtonpegeln (ab L1 = 55 und L2 = 40 dB HL) sowie höheren Primärtonfrequenzen (f1 = 4, f2 = 4,8 kHz) sind nur noch jeweils ein DPOAE-Pegelminimum und -maximum pro Tieftonperiode zu beobachten. Mit den Primärtonfrequenzen f1 = 5 und f2 = 6 kHz zeigt sich keine Modulation der DPOAE mehr. Die Ergebnisse werden unter Verwendung einer Boltzmannfunktion zweiter Ordnung als Annäherung an die mechano-elektrische Transferfunktion äußerer Haarzellen simuliert. Bei einigen Probanden werden außerdem die Modulation der DPOAE mit der Frequenz 3f1-2f2 durch den tieffrequenten Ton sowie der Einfluß spontaner otoakustischer Emissionen (SOAE) auf die Messung tieftonmodulierter DPOAE untersucht. / Low-frequency modulation of distortion product otoacoustic emissions (DPOAE) is a method which allows to investigate the effect of the displacement of the cochlear partition on the function of the active cochlear process. It offers a new objective approach to diagnose different sensory hearing disorders as well as to investigate physiological cochlear mechanisms. The DPOAE are modulated by a low-frequency tone (with the frequency f = 32,8 Hz), depending on its phase. The extent of this modulation depends on the acoustic parameters of the suppressing low-frequency tone and the stimulating primary tones (f1 and f2). In twelve normal hearing subjects the influence of the low-frequency tone level, the levels and the frequencies of the primary tones on the modulation of the DPOAE with the frequency 2f1-f2 are investigated. In these subjects, the phase-dependent masked subjective threshold is also registered. The results of both methods are compared. With the primary tone frequencies f1 = 2,5 and f2 = 3 kHz the mean value of the DPOAE modulation depth presents a nonlinear growth with increasing low-frequency tone level and decreasing primary tone levels, respectively. With high low-frequency tone level (L = 115 dB SPL) and low primary tone levels (up to L1 = 55 and L2 = 40 dB HL), the time course of the DPOAE level shows two minima and two maxima within one period of the low-frequency tone. The minimal DPOAE levels are registered shortly after the phases of maximal condensation and rarefaction of the low-frequency tone in front of the eardrum, respectively, corresponding to the largest displacement of the cochlear partition towards the scala tympani and the scala vestibuli. The time course of the DPOAE level shows a mean latency of 4 ms with regard to the masking patterns of the phase-dependent masked threshold, due to the response time of the active cochlear process and the retrograde travelling time of the DPOAE. With lower low-frequency tone levels (L1 = 110 dB SPL), higher primary tone levels (from L1 = 55, L2 = 40 dB HL), and higher primary tone frequencies (f1 = 4, f2 = 4,8 kHz), respectively, the DPOAE level presents only one maximum and one minimum per period of the low-frequency tone. With the primary frequencies f1 = 5 and f2 = 6 kHz no modulation of the DPOAE is registered. The results are simulated using a second-order Boltzmann function as an approximation of the mechano-electric transfer function of the outer hair cells. Additionally, in some subjects the low-frequency modulation of the DPOAE with the frequency 3f1-2f2 and the influence of spontaneous otoacoustic emissions (SOAE) on the registration of low-frequency modulated DPOAE are investigated.

With the explosive development of wireless communication systems the specifications of the supporting hardware platforms have become more and more demanding. According to the long term goals of the industry, future communications systems should integrate a wide variety of standards. This leads to the idea of software defined radio, implemented on fully reconfigurable hardware.Among other reconfigurable hardware blocks, suitable for the software radio concept, an outstanding importance belongs to the reconfigurable filters that are responsible for the selectivity of the system. The problematic of filtering is strictly connected to the architecture chosen for a multi-mode receiver realization. According to the chosen architecture, the filters can exhibit low pass or band pass frequency responses.The idea of reconfigurable frequency parameters has been introduced since the beginning of modern filtering applications due to the required precision of the frequency response. However, the reconfiguration of the parameters was usually done in a limited range around ideal values. The purpose of the presented research is to transform the classical filter structures with simple self-correction into fully reconfigurable filters over a wide range of frequencies. The ideal variation of the frequency parameters is continuous and consequently difficult to implement in real circuits. Therefore, it is usually sufficient to use a discrete programming template with reasonably small steps.There are several methods to implement variable frequency parameters. The most often used programming templates employ resistor and capacitor arrays, switched according to a given code. The low pass filter implementation proposed in this work uses a special switching template, optimized for a quasi-linear frequency variation over logarithmic axes. The template also includes the possibility to compensate errors caused by component tolerances and temperature. Another important topic concerns the implementation of programmable band pass filters, suitable for IF sampling receivers. The discussion is centered on the feasibility and the flexibility of different band pass filter architectures. Due to the high frequency requirements, the emphasis lays on filters that employ transconductance amplifiers and capacitors. / Die rasch fortschreitende Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme führt zu immer anspruchsvolleren Spezifikationen der diese Systeme unterstützenden Hardwareplattformen. Zukünftige Kommunikationssysteme sollen übereinstimmend mit den längerfristigen Zielen der Industrie verschiedene Standards integrieren. Dies führt zu der Idee von vollständig rekonfigurierbarer Hardware, welche mittels Software gesteuert wird.Inmitten anderer rekonfigurierbarer Hardwareblöcke, die für das Software Radio Konzept geeignet sind, besitzen die steuerbaren Filter, welche wesentlichen Einfluss auf die Selektivität des Systems haben, eine enorme Bedeutung. Die Filterproblematik ist eng mit der gewählten Architektur der standardübergreifenden Empfängerrealisierung verknüpft. Die Filter können entsprechend der ausgesuchten Architektur Tiefpass- oder Bandpasscharakter annehmen.Die Idee rekonfigurierbarer Frequenzparameter wurde bereits mit Beginn moderner Filteranwendungen auf Grund geforderter Frequenzganggenauigkeit umgesetzt. Jedoch wurde die Parameterrekonfiguration üblicherweise nur in einem begrenzten Bereich um die Idealwerte herum vorgenommen. Das Ziel der vorgestellten Forschungsarbeit ist es, diese klassischen Filterstrukturen mit einfacher Selbstkorrektur in über große Frequenzbereiche voll rekonfigurierbare Filter zu transformieren. Idealerweise werden die Frequenzparameter kontinuierlich variiert weswegen sich die Implementierung in reellen Schaltkreisen als schwierig erweist. Deshalb ist es üblicherweise ausreichend, ein diskretes Steuerschema mit kleinen Schrittweiten zu verwenden.Es gibt verschiedene Methoden, variable Frequenzparameter zu implementieren. Die meisten Schemata verwenden Widerstands- und Kondensatorfelder, die entsprechend eines Kodes geschaltet werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung eines Tiefpassfilters nutzt ein spezielles Umschaltschema, welches für die quasi-lineare Frequenzvariation bei Darstellung über logarithmischen Axen optimiert wurde. Es beinhaltet weiterhin die Möglichkeit, Fehler zu kompensieren, die durch Bauelementtoleranzen und Temperaturschwankungen hervorgerufen werden.Ein weiteres interessantes Thema betrifft die Implementierung steuerbarer Bandpassfilter, die für Empfänger mit Zwischenfrequenzabtastung geeignet sind. Die Betrachtung beschränkt sich hierbei auf die Durchführbarkeit und Flexibilität verschiedener Bandpassfilterarchitekturen. Auf Grund hoher Frequenzanforderungen liegt der Schwerpunkt auf Filtern, die auf Transkonduktanzverstärkern und Kondensatoren basieren.

With the explosive development of wireless communication systems the specifications of the supporting hardware platforms have become more and more demanding. According to the long term goals of the industry, future communications systems should integrate a wide variety of standards. This leads to the idea of software defined radio, implemented on fully reconfigurable hardware.Among other reconfigurable hardware blocks, suitable for the software radio concept, an outstanding importance belongs to the reconfigurable filters that are responsible for the selectivity of the system. The problematic of filtering is strictly connected to the architecture chosen for a multi-mode receiver realization. According to the chosen architecture, the filters can exhibit low pass or band pass frequency responses.The idea of reconfigurable frequency parameters has been introduced since the beginning of modern filtering applications due to the required precision of the frequency response. However, the reconfiguration of the parameters was usually done in a limited range around ideal values. The purpose of the presented research is to transform the classical filter structures with simple self-correction into fully reconfigurable filters over a wide range of frequencies. The ideal variation of the frequency parameters is continuous and consequently difficult to implement in real circuits. Therefore, it is usually sufficient to use a discrete programming template with reasonably small steps.There are several methods to implement variable frequency parameters. The most often used programming templates employ resistor and capacitor arrays, switched according to a given code. The low pass filter implementation proposed in this work uses a special switching template, optimized for a quasi-linear frequency variation over logarithmic axes. The template also includes the possibility to compensate errors caused by component tolerances and temperature. Another important topic concerns the implementation of programmable band pass filters, suitable for IF sampling receivers. The discussion is centered on the feasibility and the flexibility of different band pass filter architectures. Due to the high frequency requirements, the emphasis lays on filters that employ transconductance amplifiers and capacitors. / Die rasch fortschreitende Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme führt zu immer anspruchsvolleren Spezifikationen der diese Systeme unterstützenden Hardwareplattformen. Zukünftige Kommunikationssysteme sollen übereinstimmend mit den längerfristigen Zielen der Industrie verschiedene Standards integrieren. Dies führt zu der Idee von vollständig rekonfigurierbarer Hardware, welche mittels Software gesteuert wird.Inmitten anderer rekonfigurierbarer Hardwareblöcke, die für das Software Radio Konzept geeignet sind, besitzen die steuerbaren Filter, welche wesentlichen Einfluss auf die Selektivität des Systems haben, eine enorme Bedeutung. Die Filterproblematik ist eng mit der gewählten Architektur der standardübergreifenden Empfängerrealisierung verknüpft. Die Filter können entsprechend der ausgesuchten Architektur Tiefpass- oder Bandpasscharakter annehmen.Die Idee rekonfigurierbarer Frequenzparameter wurde bereits mit Beginn moderner Filteranwendungen auf Grund geforderter Frequenzganggenauigkeit umgesetzt. Jedoch wurde die Parameterrekonfiguration üblicherweise nur in einem begrenzten Bereich um die Idealwerte herum vorgenommen. Das Ziel der vorgestellten Forschungsarbeit ist es, diese klassischen Filterstrukturen mit einfacher Selbstkorrektur in über große Frequenzbereiche voll rekonfigurierbare Filter zu transformieren. Idealerweise werden die Frequenzparameter kontinuierlich variiert weswegen sich die Implementierung in reellen Schaltkreisen als schwierig erweist. Deshalb ist es üblicherweise ausreichend, ein diskretes Steuerschema mit kleinen Schrittweiten zu verwenden.Es gibt verschiedene Methoden, variable Frequenzparameter zu implementieren. Die meisten Schemata verwenden Widerstands- und Kondensatorfelder, die entsprechend eines Kodes geschaltet werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung eines Tiefpassfilters nutzt ein spezielles Umschaltschema, welches für die quasi-lineare Frequenzvariation bei Darstellung über logarithmischen Axen optimiert wurde. Es beinhaltet weiterhin die Möglichkeit, Fehler zu kompensieren, die durch Bauelementtoleranzen und Temperaturschwankungen hervorgerufen werden.Ein weiteres interessantes Thema betrifft die Implementierung steuerbarer Bandpassfilter, die für Empfänger mit Zwischenfrequenzabtastung geeignet sind. Die Betrachtung beschränkt sich hierbei auf die Durchführbarkeit und Flexibilität verschiedener Bandpassfilterarchitekturen. Auf Grund hoher Frequenzanforderungen liegt der Schwerpunkt auf Filtern, die auf Transkonduktanzverstärkern und Kondensatoren basieren.

This thesis addresses the development of materials, technologies and circuits applied for the fabrication of a new class of microelectronic devices that are relying on a three-dimensional shape variation namely shapeable microelectronics. Shapeable microelectronics has a far-reachable future in foreseeable applications that are dealing with arbitrarily shaped geometries, revolutionizing the field of neuronal implants and interfaces, mechanical prosthetics and regenerative medicine in general. Shapeable microelectronics can deterministically interface and stimulate delicate biological tissue mechanically or electrically. Applied in flexible and printable devices shapeable microelectronics can provide novel functionalities with unmatched mechanical and electrical performance. For the purpose of shapeable microelectronics, novel materials based on metallic multilayers, photopatternable organic and metal-organic polymers were synthesized. Achieved polymeric platform, being mechanically adaptable, provides possibility of a gentle automatic attachment and subsequent release of active micro-scale devices. Equipped with integrated electronic the platform provides an interface to the neural tissue, confining neural fibers and, if necessary, guiding the regeneration of the tissue with a minimal impact. The self-assembly capability of the platform enables the high yield manufacture of three-dimensionally shaped devices that are relying on geometry/stress dependent physical effects that are evolving in magnetic materials including magentostriction and shape anisotropy. Developed arrays of giant magnetoimpedance sensors and cuff implants provide a possibility to address physiological processes locally or distantly via magnetic and electric fields that are generated deep inside the organism, providing unique real time health monitoring capabilities. Fabricated on a large scale shapeable magnetosensory systems and nanostructured materials demonstrate outstanding mechanical and electrical performance. The novel, shapeable form of electronics can revolutionize the field of mechanical prosthetics, wearable devices, medical aids and commercial devices by adding novel sensory functionalities, increasing their capabilities, reducing size and power consumption.

This thesis addresses the development of materials, technologies and circuits applied for the fabrication of a new class of microelectronic devices that are relying on a three-dimensional shape variation namely shapeable microelectronics. Shapeable microelectronics has a far-reachable future in foreseeable applications that are dealing with arbitrarily shaped geometries, revolutionizing the field of neuronal implants and interfaces, mechanical prosthetics and regenerative medicine in general. Shapeable microelectronics can deterministically interface and stimulate delicate biological tissue mechanically or electrically. Applied in flexible and printable devices shapeable microelectronics can provide novel functionalities with unmatched mechanical and electrical performance. For the purpose of shapeable microelectronics, novel materials based on metallic multilayers, photopatternable organic and metal-organic polymers were synthesized. Achieved polymeric platform, being mechanically adaptable, provides possibility of a gentle automatic attachment and subsequent release of active micro-scale devices. Equipped with integrated electronic the platform provides an interface to the neural tissue, confining neural fibers and, if necessary, guiding the regeneration of the tissue with a minimal impact. The self-assembly capability of the platform enables the high yield manufacture of three-dimensionally shaped devices that are relying on geometry/stress dependent physical effects that are evolving in magnetic materials including magentostriction and shape anisotropy. Developed arrays of giant magnetoimpedance sensors and cuff implants provide a possibility to address physiological processes locally or distantly via magnetic and electric fields that are generated deep inside the organism, providing unique real time health monitoring capabilities. Fabricated on a large scale shapeable magnetosensory systems and nanostructured materials demonstrate outstanding mechanical and electrical performance. The novel, shapeable form of electronics can revolutionize the field of mechanical prosthetics, wearable devices, medical aids and commercial devices by adding novel sensory functionalities, increasing their capabilities, reducing size and power consumption.