Students at Uppsala University have for some years been given the opportunity to take courses in subjects directly, or indirectly, related to the fields of signal processing and signal analysis. According to the directors of these courses, a considerable number of students are recurringly having difficulties grasping different concepts related to this field of study. This report covers a tool that easily allows teachers to visualize and listen to different manipulations of signals, which should help students get an intuitive understanding of the subject. Features of the system include multiple kinds of analog filters, sampling with variable settings and zero-order hold reconstruction. The finished system is flexible, tunable and modifiable to the teachers every need, making it usable for a wide variety of courses involving signal processing. The system meets its requirements even though individual components’ results de- viate slightly from ideal values. / Studenter vid Uppsala Universitet har, under ett antal år, givits möjligheten att läsa kurser inom ämnen direkt, eller indirekt, relaterade till signalbehandling/signalanalys. Enligt kursansvariga för dessa kurser har en ansenlig andel av studenterna svårigheter med att förstå en del av de begrepp och fenomen som förekommer under kurserna. Denna rapport behandlar ett verktyg som ger lärare i dessa kurser möjlighet att på ett enkelt sätt visualisera och lyssna på olika manipulationer av signaler, vilket bör hjälpa studenterna bygga en intuition för ämnet. Systemets olika funktioner inkluderar flera olika typer av analoga filter, sampling med olika inställningar, och så kallad ’Zero-Order-Hold’ rekonstruktion. Det resulterande systemet är flexibelt, inställbart och modifierbart till användarens behov, vilket gör det applicerbart i flera kurser som innefattar signalbehandling/analys. Systemet möter kraven som ställs, även fast resultaten hos individuella komponenter avviker aningen från ideala värden.

Active noise control (ANC) has been implemented using analog filters to reduce broadband noise from a small axial cooling fan. Previous work successfully attenuated narrow-band, tonal portions of the noise using a digital controller. The practical performance limits of this system were reached and it was desirable to attenuate the noise further. Additional research, therefore, sought to attenuate broadband noise from the fan using a digital controller, but performance was limited by the group delay inherent in the digital signal processor (DSP). Current research attempts to further attenuate broadband noise and improve performance of the system by combining the tonal controller with an analog feedback controller. An analog controller is implemented in parallel with the digital controller without degrading the performance of either individual controller. Broadband noise is attenuated in a certain frequency region, but at the expense of increasing noise in adjacent frequency regions. Results show that a single-input single-output (SISO) controller is preferable to a multiple-input multiple-output (MIMO) controller for this system.

Τα αναλογικά φίλτρα συνεχούς χρόνου αποτελούν απαραίτητα μέρη ακόμη και στις πιο μοντέρνες ηλεκτρονικές συσκευές, οι οποίες λειτουργούν, κατά το μεγαλύτερο τμήμα τους ψηφιακά. Η εξήγηση είναι απλή, αν αναλογιστεί κανείς πρώτον, ότι, αποτελούν τις ενδιάμεσες βαθμίδες μεταξύ του φυσικού κόσμου και τις –κατά τα άλλα ψηφιακές– συσκευές και δεύτερον ότι, μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλές συχνότητες, όπου τα ψηφιακά κυκλώματα δεν μπορούν. Η προσπάθεια για όλο και πιο βελτιωμένα κυκλώματα, κάνει τους σχεδιαστές ηλεκτρονικών κυκλωμάτων να ψάχνουν για νέες μεθόδους σχεδίασης. Μία από αυτές είναι η σχεδίαση με χρήση τεχνικών τρόπου ρεύματος (current mode), χρήση της οποίας γίνεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Είναι γνωστό ότι, έως και πριν από μερικά χρόνια, η σχεδίαση κυκλωμάτων γινόταν, σχεδόν αποκλειστικά, για λειτουργία σε τρόπο τάσης. Αυτό σημαίνει ότι, για τα κυκλώματα αυτά, οι ηλεκτρικές μεταβλητές εισόδου και εξόδου είναι τάσεις αφού, η είσοδος των χρησιμοποιούμενων ηλεκτρονικών βαθμίδων είναι υψηλής εμπέδησης ενώ η έξοδός τους χαμηλής. Τα κυκλώματα τρόπου τάσης σχεδιάζονται, ώστε, να λειτουργούν σε αυτές τις στάθμες εμπέδησης, παρά το γεγονός ότι, τα στοιχειώδη ηλεκτρονικά στοιχεία, τα τρανζίστορ, συμπεριφέρονται ως ελεγχόμενες πηγές ρεύματος. Αυτό ακριβώς το γεγονός εκμεταλλεύονται τα κυκλώματα τρόπου ρεύματος, τα οποία, λόγω του ότι εμφανίζουν χαμηλή εμπέδηση εισόδου και υψηλή εμπέδηση εξόδου, επεξεργάζονται ρεύματα απλοποιώντας ταυτόχρονα τον τρόπο σχεδίασης. Για να είναι πραγματικά εφικτή η σχεδίαση για τα κυκλώματα τρόπου ρεύματος είναι απαραίτητο ένα τουλάχιστον ενεργό δομικό στοιχείο. Στην παρούσα διατριβή ως δομικό στοιχείο μελετάται, καταρχήν, ο απλός ενισχυτής ρεύματος. Ο ενισχυτής αυτός αποτελεί τη βάση του διαφορικού ενισχυτή ρεύματος, που με τη σειρά του αποτελεί ένα νέο δομικό στοιχείο πολύ πιο ευέλικτο για ανάπτυξη νέων κυκλωμάτων αναλογικής επεξεργασίας σήματος. Προκύπτει ότι, ο διαφορικός ενισχυτής ρεύματος, ο οποίος λειτουργεί συνήθως, έχοντας ενίσχυση ρεύματος ίση ή λίγο μεγαλύτερη από τη μονάδα, μπορεί να δώσει κυκλώματα, που λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες συγκριτικά με τα κυκλώματα τρόπου τάσης. Αρκετά κυκλώματα μπορούν να σχεδιαστούν με βάση, είτε τον απλό, είτε το διαφορικό ενισχυτή ρεύματος. Με τη βοήθειά των δύο αυτών στοιχείων αναπτύσσεται ένα πλήθος από βασικά κυκλώματα αναλογικής επεξεργασίας σήματος, όπως εξομοιωμένοι επαγωγοί, ολοκληρωτές, ταλαντωτές καθώς και ενεργά φίλτρα. Στη διατριβή αυτή, αναπτύσσεται, καταρχήν, η σχεδίαση διαφόρων βασικών αναλογικών δομικών βαθμίδων και ακολούθως, παρουσιάζονται οι τεχνικές για τη σχεδίαση ενεργών φίλτρων, ακολουθώντας δύο βασικές μεθόδους, όπως η μέθοδος διασύνδεσης βαθμίδων δεύτερης τάξης και η μέθοδος συναρτησιακής και τοπολογικής εξομοίωσης LC παθητικών κυκλωμάτων. Η μέθοδος της τοπολογικής εξομοίωσης κυκλωμάτων είναι αρκετά ελκυστική, λόγω των δυνατοτήτων, που προσφέρει. Είναι αρκετά εύκολη κατά το σχεδιασμό, τόσο τον ηλεκτρονικό όσο και τον φυσικό (layout), καθώς χρησιμοποιεί επαναλαμβανόμενες δομές. Δύο από τις τεχνικές, που ανήκουν στην κατηγορία της τοπολογικής εξομοίωσης κυκλωμάτων και αναπτύσσονται εδώ, είναι η σχεδίαση κυκλωμάτων με τεχνική τύπου "leapfrog" και η κυματική τεχνική. Με βάση τον διαφορικό ενισχυτή ρεύματος αναπτύσσεται ο τελεστικός ενισχυτής ρεύματος. Το στοιχείο αυτό είναι χρήσιμο σε εφαρμογές, όπου απαιτείται υψηλή ενίσχυση ρεύματος. Η ενίσχυση μπορεί να είναι μεταβαλλόμενη και εξαρτώμενη από μία τάση πόλωσης και αυτό κάνει τον τελεστικό ενισχυτή ρεύματος ένα αρκετά χρήσιμο στοιχείο στην ανάπτυξη εφαρμογών. Η ανάπτυξη ενός τελεστικού ενισχυτή ρεύματος παρουσιάζεται στο τέλος της διατριβής. Όλα τα κυκλώματα, που προτείνονται στην παρούσα διατριβή, είναι ολοκληρώσιμα σε οποιαδήποτε κοινή τεχνολογία ολοκλήρωσης. Ωστόσο, τα προτεινόμενα κυκλώματα σχεδιάζονται για CMOS τεχνολογία, επειδή είναι εξαιρετικά διαδεδομένη και κατάλληλη για τις περισσότερες εφαρμογές αναλογικής επεξεργασίας σήματος. Επιπλέον, τα CMOS κυκλώματα μπορούν σχετικά εύκολα να μετατραπούν σε διπολική ή και BiCMOS τεχνολογία, αφού τοπολογικά διατηρούν την ίδια περίπου δομή. / Continuous-time analog filters are essential parts even of the most modern electronic systems, which in their main part operate digitally. We can explain this by thinking, first, that analog circuits are usually used as necessary intermediate stages between the natural world signals and the electronic digital systems and second, that they are more suitable for operation at high frequencies compared to digital circuits. The designers of electronic circuits in their effort to improve circuits investigate for new design methods. Such a recent method is the so called "current-mode method". Current-mode circuits suitable, mainly for filtering applications, are studied in this thesis. It is known that until recently electronic circuits were considered as circuits operating in voltage-mode. This means that the electric variables for these circuits were taken mainly as voltages in spite of the fact that the elementary electronic devices, that is the transistors, behave as controlled current sources. On the contrary, current-mode circuits take advantage of the real nature of the transistors and thus process currents instead of voltages. This way, the circuit design procedure is significantly simplified, the derived current-mode circuits are much simpler in their structure and in addition, they show better performance at high frequencies. A structural active element is always necessary in every active filter either in the voltage or in the current-mode domain. In this thesis, a single input current amplifier is studied, as such structural active element. This amplifier is used as a subcircuit for obtaining the differential current amplifier, which, accordingly, is used as a new basic active device for the development of new analog signal processing circuits. It is found that the differential current amplifier, which usually operates having low current gain, is suitable for operation at high frequencies comparable to the fT of the transistors used in the amplifier. It is shown that various circuits of general purpose can be obtained, based on a single or a differential current amplifier. In addition, a number of new analog circuits suitable for signal processing are proposed in this thesis. Among them, there are lossy and lossless integrators, simulated inductors, and oscillators. However, emphasis is given to the development of integrated active filters of high order by following various design methods. As a result, the method of the topological simulation of passive LC filter prototypes appears to be more attractive for obtaining high order filters, due to the many possibilities that this method offers. All the proposed circuits in this thesis are suitable for integration in CMOS technology, which is more suitable for analog signal processing applications. Simulation and experimental results taken from implemented integrated circuits verify the accuracy of operation of the proposed circuits and their suitability for practical applications.

Αντικείμενο της παρούσας Ειδικής Επιστημονικής Εργασίας είναι η μελέτη, σχεδίαση, εξομοίωση και φυσική σχεδίαση ενός αναλογικού μιγαδικού ζωνοδιαβατού φίλτρου 6ης τάξης. Βασικές δομικές μονάδες του φίλτρου είναι ενισχυτές ρεύματος οι οποίοι χρησιμοποιούν τη βαθμίδα “Flipped Voltage Follower”. Με τη συγκεκριμένη βαθμίδα είναι εφικτή η σχεδίαση όλων των επιμέρους κυκλωμάτων σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας-χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. / The subject of this master thesis is the design, simulation and physical layout of a 6th order analog complex bandpass filter. The filter is constructed by current mirrors which are utilizing the cell "Fliped Voltage Follower". Thus, all of the circuits offer the benefit of operating in low-voltage/low-power environment.

The diploma thesis deals with the modern design of the control circuits for digital potentiometers and their application in analog systems. The concept of the digital control is demonstrated on the electronically controlled active 2-nd order filter and programmable oscillator. The proposed design of the active filter describes a programmable active 2-nd order filter Sallen-Key. In this circuit it is possible independently programme cut-off frequency, Q factor and type of approximation with very good accuracy. The circuits of the designed filter and designed oscillator are simulated in PSpice (OrCAD), parasite effects and effects of the real parts are studied. Properties simulated circuits are compare with experimental results. These results appreciate quality and efficiency of the digitally controlled potentiometers in dependence on variable input circuit parameters. Integral part of this project is author’s universal control program called Digipot and comunications interface for many types of digital potentiometers with I2C, SPI or Up/Down interface. It is possible to use this device for many applications. The constructional details of the filter are presented at the end of this work. The software equipment is availability on enclosed CD.

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εστίασε το ενδιαφέρον της στην διερεύνηση των μοντέλων για νευρώνες (neuron models) ικανών να μιμηθούν την φυσική λειτουργία των βιολογικών νευρώνων. Συγκεκριμένα, έγινε μελέτη κάποιων μοντέλων για νευρώνες που παρουσιαστήκαν τα τελευταία χρόνια και στην συνέχεια, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα από τα μοντέλα αυτά κάνοντας χρήση κυκλωμάτων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Η γρήγορη 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. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή για τη σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Ακολούθως, δίνεται η περιγραφή της δομής και της λειτουργίας ενός βιολογικού νευρώνα και στην συνέχεια η περιγραφή των δύο βασικών μοντέλων νευρώνα (neuron models) που μελετήθηκαν στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας. Επίσης, παρουσιάζεται μία πρόσφατη υλοποίηση του βασικού μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur που ερευνάται στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, στο πεδίο του λογαρίθμου καθώς και τα μοτίβα αιχμών τα οποία είναι ικανό να παράγει το συγκεκριμένο μοντέλο στο πεδίο του λογαρίθμου. Τον πυρήνα στην σχεδίαση των συγκεκριμένων μοντέλων για νευρώνες που μελετώνται, αποτελεί η τοπολογία του Tau-Cell. Η συγκεκριμένη βαθμίδα χρησιμοποιείται για την συστηματική σχεδίαση φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain filters). Έπειτα, αναλύεται η μέθοδος σχεδίασης κυκλωμάτων, και συγκεκριμένα φίλτρων, χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Παρουσιάζονται οι βασικούς τελεστές καθώς και τα βασικά cells, για την σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Στην συνέχεια, περιγράφεται η σχεδίαση της τοπολογίας του Tau-Cell η οποία όπως αναφέραμε, αποτελεί τον πυρήνα στην υλοποίηση μοντέλων για νευρώνες, στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου και επιβεβαιώνεται η ορθή λειτουργία της συγκεκριμένης βαθμίδας, με την σχεδίαση και εξομοίωση φίλτρων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, με βασικό στοιχείο το Tau-Cell στο Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Αφότου έχει ολοκληρωθεί η σχεδίαση του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, περιγράφεται στην συνέχεια η υλοποίηση του μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Κάνοντας χρήση της βαθμίδας του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, γίνεται η υλοποίηση και στην συνέχεια η εξομοίωση, δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου, με βάση την ήδη υπάρχουσα υλοποίηση τους στο πεδίο του λογαρίθμου, ικανών να παράγουν διάφορα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) με βάση το συγκεκριμένο μοντέλο του νευρώνα. Η ορθή λειτουργία των δύο αυτών κυκλωμάτων του μοντέλου με βάση τα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) που είναι ικανά να παράγουν, επιβεβαιώνεται από τις εξομοιώσεις στο περιβάλλον του Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Τέλος, παρουσιάζεται η φυσική σχεδίαση (layout) των δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου νευρώνα καθώς και τα αποτελέσματα από την post-layout εξομοίωση του μοντέλου. Η φυσική σχεδίαση πραγματοποιήθηκε μέσω του λογισμικού Cadence το οποίο και περιέχει το περιβάλλον φυσικής σχεδίασης αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Virtuoso Layout Editor. Η τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε αναφέρεται ως AMS C35D4 CMOS διαστάσεων 0.35μm. / This present M.Sc. Thesis is focused its interest in the study of neuron models that emulate the physical behavior of biological neurons. More specifically, we present a study of some neuron models that have been presented the last years and we proceed with the design and the implementation one of them using low voltage circuits in the Sinh-Domain. 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. Initially, an introduction for the design of integrated circuits in low voltage environment is given and, also, the description of the structure and behavior of a biological neuron. Next, an analysis of two recently introduced neuron models realized in the Log-Domain, from which the Mihalas and Niebur neuron model constitutes the basic model studied in the context of this work and, also, the basic spiking patterns, that this implementation of the Mihalas-Niebur neuron model is capable of producing. The core in the implementation of this neuron models, is the topology of Tau-Cell. The topology of Tau-Cell is used for the systematic design of filters in the Log-Domain. Thereafter, is given an analysis of the method of designing low voltage circuits and more specifically filters, in the Sinh-Domain. The basic operators and the principal cells, for designing circuits in the Sinh-Domain are presented. Then, the design and implementation of the Tau-Cell topology which as mentioned is the core for the implementation of neuron models, is realized in the Sinh-Domain. The proper operation of this topology is confirmed through the design and simulation of filters in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. After the design of the Tau-Cell in the Sinh-Domain, we continue with the implementation of the Mihalas-Niebur neuron model. Using the topology of Tau-Cell in the Sinh-Domain, we proceed with the implementation and the simulation of the basic two topologies of the neuron model based on the existing implementation in the Log-Domain. The implemented topologies of the neuron are capable of producing spiking patterns based to the Mihalas-Niebur neuron model. The proper operation of these topologies based on the spiking patterns that are capable of producing, is confirmed through the design and simulation in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. Finally, is presented the layout design of the main two topologies of the neuron model and also the results of the post-layout simulations. The layout was conducted via the Cadence software through Virtuoso Layout Editor. The technology used is referred as AMS C35D4 CMOS in 0.35μm dimensions.

The diploma thesis deals about design of the ARC multifunctional filters using modern functional blocks. These active blocks are for example voltage feedback operational amplifiers (OAs), operational transconductance amplifiers (OTAs), current conveyors (CCIIs) or current mode analog multipliers, current feedback amplifiers (CFAs), integrated circuits with switched capacitors building blocks (SCs) and digital potentiometers. The filters are studied with ideal circuit models and models of third level (3) based on voltage controlled voltage sources, voltage controlled current sources etc. (analog behavioral modelling). The professional macromodels are used for example LT 1364 (Linear Technology), EL 2045 (Intersil), LT 1228 (Linear Technology), LM 13700 (National Semiconductor), EL 2082 (Intersil), AD 844 (Analog Devices) and others. The circuits of the designed filters are simulated in PSpice (OrCAD), parasite effects and effects of the real parts are studied. Tuning and electronic adjusting parameters these filters are discussed and controlled by simulation in PSpice. Properties some simulated circuits are compare with experimental results. In conclusion individual filters are discussed and compared their properties. The constructional details of the some filters are presented at the end of this work.

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.