Silicon carbide (SiC) integrated circuits (ICs) can enable the emergence of robust and reliable systems, including data acquisition and on-site control for extreme environments with high temperature and high radiation such as deep earth drilling, space and aviation, electric and hybrid vehicles, and combustion engines. In particular, SiC ICs provide significant benefit by reducing power dissipation and leakage current at temperatures above 300 °C compared to the Si counterpart. In fact, Si-based ICs have a limited maximum operating temperature which is around 300 °C for silicon on insulator (SOI). Owing to its superior material properties such as wide bandgap, three times larger than Silicon, and low intrinsic carrier concentration, SiC is an excellent candidate for high-temperature applications. In this thesis, analog and mixed-signal circuits have been implemented using SiC bipolar technology, including bandgap references, amplifiers, a master-slave comparator, an 8-bit R-2R ladder-based digital-to-analog converter (DAC), a 4-bit flash analog-to-digital converter (ADC), and a 10-bit successive-approximation-register (SAR) ADC. Spice models were developed at binned temperature points from room temperature to 500 °C, to simulate and predict the circuits’ behavior with temperature variation. The high-temperature performance of the fabricated chips has been investigated and verified over a wide temperature range from 25 °C to 500 °C. A stable gain of 39 dB was measured in the temperature range from 25 °C up to 500 °C for the inverting operational amplifier with ideal closed-loop gain of 40 dB. Although the circuit design in an immature SiC bipolar technology is challenging due to the low current gain of the transistors and lack of complete AC models, various circuit techniques have been applied to mitigate these problems. This thesis details the challenges faced and methods employed for device modeling, integrated circuit design, layout implementation and finally performance verification using on-wafer characterization of the fabricated SiC ICs over a wide temperature range. / <p>QC 20170905</p>

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / A novel method of power management and sequential monitoring of several sensors is proposed in this work. Application specific integrated circuits (ASICs) consisting of analog and digital sub-systems forming a system on chip (SoC) has been designed using complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. The analog sub-system comprises the sensor-drivers that convert the input voltage variations to output pulse-frequency. The digital sub-system includes the system management unit (SMU), counter, and shift register modules. This performs the power-usagemanagement, sensor-sequence-control, and output-data-frame-generation functions. The SMU is the key unit within the digital sub-system is that enables or disables a sensor. It captures the pulse waves from a sensor for 3 clocks out of a 16-clock cycle, and transmits the signal to the counter modules. As a result, the analog sub-system is at on-state for only 3/16th fraction (18 %) of the time, leading to reduced power consumption. Three cycles is an optimal number selected for the presented design as the system is unstable with less than 3 cycles and higher clock cycles results in increased power consumption. However, the system can achieve both higher sensitivity and better stability with increased on-state clock cycles. A current-starved-ring-oscillator generates pulse waves that depend on the sensor input parameter. By counting the number of pulses of a sensor-driver in one clock cycle, a sensor input parameter is converted to digital. The digital sub-system constructs a 16-bit frame consisting of 8-bit sensor data, start and stop bits, and a parity bit. Ring oscillators that drive capacitance and resistance-based sensors use an arrangement of delay elements with two levels of control voltages. A bias unit which provides these two levels of control voltages consists of CMOS cascade current mirror to maximize voltage swing for control voltage level swings which give the oscillator wider tuning range and lower temperature induced variations. The ring oscillator was simulated separately for 250 nm and 180 nm CMOS technologies. The simulation results show that when the input voltage of the oscillator is changed by 1 V, the output frequency changes linearly by 440 MHz for 180 nm technology and 206 MHz for 250 nm technology. In a separate design, a temperature sensitive ring oscillator with symmetrical load and temperature dependent input voltage was implemented. When the temperature in the simulation model was varied from -50C to 100C the oscillator output frequency reduced by 510 MHz for the 250 nm and by 810 MHz for 180 nm CMOS technologies, respectively. The presented system does not include memory unit, thus, the captured sensor data has to be instantaneously transmitted to a remote station, e.g. end user interface. This may result in a loss of sensor data in an event of loss of communication link with the remote station. In addition, the presented design does not include transmitter and receiver modules, and thus necessitates the use of separate modules for the transfer of the data.

Vodní energie se nyní stala nejlepším zdrojem elektrické energie na zemi. Vyrábí se pomocí energie poskytované pohybem nebo pádem vody. Historie dokazuje, že náklady na tuto elektrickou energii zůstávají konstantní v průběhu celého roku. Vzhledem k mnoha výhodám, většina zemí nyní využívá vodní energie jako hlavní zdroj pro výrobu elektrické energie.Nejdůležitější výhodou je, že vodní energie je zelená energie, což znamená, že žádné vzdušné nebo vodní znečišťující látky nejsou vyráběny, také žádné skleníkové plyny jako oxid uhličitý nejsou vyráběny, což činí tento zdroj energie šetrný k životnímu prostředí. A tak brání nebezpečí globálního oteplování. Použití internetové techniky k ovladání několika vodních elektráren má velmi významné výhody, jako snížení provozních nákladů a flexibilitu uspokojení změny poptávky po energii na straně spotřeby. Také velmi efektivně čelí velkým narušením elektrické sítě, jako je například přidání nebo odebrání velké zátěže, a poruch. Na druhou stranu, systém získávání dat poskytuje velmi užitečné informace pro typické i vědecké analýzy, jako jsou ekonomické náklady, predikce poruchy systémů, predikce poptávky, plány údržby, systémů pro podporu rozhodování a mnoho dalších výhod. Tato práce popisuje všeobecný model, který může být použit k simulaci pro sběr dat a kontrolní systémy pro vodní elektrárny v prostředí Matlab / Simulink a TrueTime Simulink knihovnu. Uvažovaná elektrárna sestává z vodní turbíny připojené k synchronnímu generátoru s budicí soustavou, generátor je připojen k veřejné elektrické síti. Simulací vodní turbíny a synchronního generátoru lze provést pomocí různých simulačních nástrojů. V této práci je upřednostňován SIMULINK / MATLAB před jinými nástroji k modelování dynamik vodní turbíny a synchronního stroje. Program s prostředím MATLAB SIMULINK využívá k řešení schematický model vodní elektrárny sestavený ze základních funkčních bloků. Tento přístup je pedagogicky lepší než komplikované kódy jiných softwarových programů. Knihovna programu Simulink obsahuje funkční bloky, které mohou být spojovány, upravovány a modelovány. K vytvoření a simulování internetových a Real Time systémů je možné použít bud‘ knihovnu simulinku Real-Time nebo TRUETIME, v práci byla použita knihovna TRUETIME.