Diss. Teknillinen korkeakoulu, 2006. / Myös verkkojulkaisuna.

Referências de tensão são blocos fundamentais em uma série de aplicações de sinais mistos e de rádio frequência, como por exemplo, conversores de dados, PLL's e conversores de potência. A implementação CMOS mais usada para referências de tensão é o circuito Bandgap devido sua alta previbilidade, e baixa dependência em relação à temperatura e tensão de alimentação. Este trabalho estuda aplicação de Referência de Tensão Bandgap. O princípio, as topologias tradicionalmente usadas para implementar este método e as limitações que essas arquiteturas sofrem são investigadas. Será também apresentada uma pesquisa das questões recentes envolvendo alta precisão, operação com baixa tensão de alimentação e baixa potência, e ruído de saída para as referências Bandgap fabricadas em tecnologias submicrométricas. Além disso, uma investigação abrangente do impacto causado pelo o processo da fabricação e do ruído no desempenho da referência é apresentada. Será mostrado que o ruído de saída pode limitar a precisão dos circuitos Bandgap e seus circuitos de ajuste. Para desenvolver nosso trabalho, três Referências Bandgap foram projetadas utilizando o processo IBM 7RF 0.18 micra com uma tensão de alimentação de 1.8V. Também foram projetados os leiautes desses circuitos para prover informações pósleiaute extraídos e resultados de simulação elétrica. Este trabalho provê uma discussão de algumas topologias e das práticas de projeto para referências Bandgap. / A Voltage Reference is a pivotal block in several mixed-signal and radio-frequency applications, for instance, data converters, PLL's and power converters. The most used CMOS implementation for voltage references is the Bandgap circuit due to its highpredictability, and low dependence of the supply voltage and temperature of operation. This work studies the Bandgap Voltage References (BGR). The most relevant and the traditional topologies usually employed to implement Bandgap Voltage References are investigated, and the limitations of these architectures are discussed. A survey is also presented, discussing the most relevant issues and performance metrics for BGR, including, high-accuracy, low-voltage and low-power operation, as well as the output noise of Bandgap References fabricated in submicrometer technologies. Moreover, a comprehensive investigation on the impact of fabrication process effects and noise on the reference voltage is presented. It is shown that output noise can limit the accuracy of the BGR and trim circuits. To support and develop our work, three BGR´s were designed using the IBM 0.18 Micron 7RF process with a supply voltage of 1.8 V. The layouts of these circuits were also designed to provide post-extracted layout information and electrical simulation results. This work provides a comprehensive discussion on the structure and design practices for Bandgap References.

Referências de tensão são blocos fundamentais em uma série de aplicações de sinais mistos e de rádio frequência, como por exemplo, conversores de dados, PLL's e conversores de potência. A implementação CMOS mais usada para referências de tensão é o circuito Bandgap devido sua alta previbilidade, e baixa dependência em relação à temperatura e tensão de alimentação. Este trabalho estuda aplicação de Referência de Tensão Bandgap. O princípio, as topologias tradicionalmente usadas para implementar este método e as limitações que essas arquiteturas sofrem são investigadas. Será também apresentada uma pesquisa das questões recentes envolvendo alta precisão, operação com baixa tensão de alimentação e baixa potência, e ruído de saída para as referências Bandgap fabricadas em tecnologias submicrométricas. Além disso, uma investigação abrangente do impacto causado pelo o processo da fabricação e do ruído no desempenho da referência é apresentada. Será mostrado que o ruído de saída pode limitar a precisão dos circuitos Bandgap e seus circuitos de ajuste. Para desenvolver nosso trabalho, três Referências Bandgap foram projetadas utilizando o processo IBM 7RF 0.18 micra com uma tensão de alimentação de 1.8V. Também foram projetados os leiautes desses circuitos para prover informações pósleiaute extraídos e resultados de simulação elétrica. Este trabalho provê uma discussão de algumas topologias e das práticas de projeto para referências Bandgap. / A Voltage Reference is a pivotal block in several mixed-signal and radio-frequency applications, for instance, data converters, PLL's and power converters. The most used CMOS implementation for voltage references is the Bandgap circuit due to its highpredictability, and low dependence of the supply voltage and temperature of operation. This work studies the Bandgap Voltage References (BGR). The most relevant and the traditional topologies usually employed to implement Bandgap Voltage References are investigated, and the limitations of these architectures are discussed. A survey is also presented, discussing the most relevant issues and performance metrics for BGR, including, high-accuracy, low-voltage and low-power operation, as well as the output noise of Bandgap References fabricated in submicrometer technologies. Moreover, a comprehensive investigation on the impact of fabrication process effects and noise on the reference voltage is presented. It is shown that output noise can limit the accuracy of the BGR and trim circuits. To support and develop our work, three BGR´s were designed using the IBM 0.18 Micron 7RF process with a supply voltage of 1.8 V. The layouts of these circuits were also designed to provide post-extracted layout information and electrical simulation results. This work provides a comprehensive discussion on the structure and design practices for Bandgap References.

Referências de tensão são blocos fundamentais em uma série de aplicações de sinais mistos e de rádio frequência, como por exemplo, conversores de dados, PLL's e conversores de potência. A implementação CMOS mais usada para referências de tensão é o circuito Bandgap devido sua alta previbilidade, e baixa dependência em relação à temperatura e tensão de alimentação. Este trabalho estuda aplicação de Referência de Tensão Bandgap. O princípio, as topologias tradicionalmente usadas para implementar este método e as limitações que essas arquiteturas sofrem são investigadas. Será também apresentada uma pesquisa das questões recentes envolvendo alta precisão, operação com baixa tensão de alimentação e baixa potência, e ruído de saída para as referências Bandgap fabricadas em tecnologias submicrométricas. Além disso, uma investigação abrangente do impacto causado pelo o processo da fabricação e do ruído no desempenho da referência é apresentada. Será mostrado que o ruído de saída pode limitar a precisão dos circuitos Bandgap e seus circuitos de ajuste. Para desenvolver nosso trabalho, três Referências Bandgap foram projetadas utilizando o processo IBM 7RF 0.18 micra com uma tensão de alimentação de 1.8V. Também foram projetados os leiautes desses circuitos para prover informações pósleiaute extraídos e resultados de simulação elétrica. Este trabalho provê uma discussão de algumas topologias e das práticas de projeto para referências Bandgap. / A Voltage Reference is a pivotal block in several mixed-signal and radio-frequency applications, for instance, data converters, PLL's and power converters. The most used CMOS implementation for voltage references is the Bandgap circuit due to its highpredictability, and low dependence of the supply voltage and temperature of operation. This work studies the Bandgap Voltage References (BGR). The most relevant and the traditional topologies usually employed to implement Bandgap Voltage References are investigated, and the limitations of these architectures are discussed. A survey is also presented, discussing the most relevant issues and performance metrics for BGR, including, high-accuracy, low-voltage and low-power operation, as well as the output noise of Bandgap References fabricated in submicrometer technologies. Moreover, a comprehensive investigation on the impact of fabrication process effects and noise on the reference voltage is presented. It is shown that output noise can limit the accuracy of the BGR and trim circuits. To support and develop our work, three BGR´s were designed using the IBM 0.18 Micron 7RF process with a supply voltage of 1.8 V. The layouts of these circuits were also designed to provide post-extracted layout information and electrical simulation results. This work provides a comprehensive discussion on the structure and design practices for Bandgap References.

Geradores de referência, ou fontes de tensão de referência, são largamente empregados na composição de diversos circuitos eletrônicos, pois são responsáveis por gerar e manter uma tensão constante para o restante do circuito. Como se trata de um circuito analógico e que possui diversas condições a serem atendidas (baixo coeficiente de temperatura, baixa tensão de alimentação, baixa regulação de linha, dentre outras), sua complexidade é alta e isso se reflete no tempo/dificuldade de um projeto. Com a finalidade de aumentar a qualidade do circuito e diminuir o tempo de projeto, foi estudado o projeto de fontes de tensão de referência através da aplicação de metaheurísticas, que são métodos de otimização utilizados em problemas que não possuem solução analítica. As metaheurísticas aplicadas foram: algoritmos genéticos, simulated annealing e pattern search, todos disponíveis em uma toolbox de otimização do Matlab. A fonte projetada, utilizando uma topologia proposta neste trabalho, fornece uma tensão de referência de 0,302 V em 300 K a uma tensão mínima de operação de 1,01 V. O coeficiente de temperatura, no intervalo de -10°C a 90°C, é de 19 ppm/°C a 1,01 V e a regulação de linha, com tensão de alimentação no intervalo de 1,01 V a 2,5 V, é de 81 ppm/V a 300 K. O consumo de potência é de 4,2 \'mü\'W, também em 300 K e a 1,01 V e a área é de 0,061 \'MM POT.2\'. Como resultado, mostrou-se a eficiência da utilização destes métodos no dimensionamento de elementos do circuito escolhido e foi obtida uma fonte de tensão de referência que atende aos critérios estabelecidos e é superior quanto ao critério de regulação de linha, quando comparada a outras fontes da literatura. Neste trabalho, foi utilizada a tecnologia CMOS de 0,35 \'mü\'m da Austria Micro Systems (AMS). / Voltage references are widely employed to compose electronic circuits, since they are responsible for generating and maintaining a constant voltage to the rest of the circuit. As it is an analog circuit and it has several conditions to fulfill (low temperature coefficient, low supply voltage, low line regulation, among others), its complexity is high, which reflects at the time/difficulties of a design. In order to increase the quality of the circuit and to minimize the design time, it was studied voltage references design using metaheuristics, which are optimization methods used in problems with no analytical solution. The applied metaheuristics were: genetic algorithms, simulated annealing and pattern search, they are all available in an optimization toolbox at Matlab. The designed voltage reference, applying a topology proposed in this work, provides a reference voltage of 0.302 V at 300 K at a minimum supply voltage of 1.01 V. The temperature coefficient, from -10°C to 90°C, is 19 ppm/°C at 1.01 V and the line regulation, using a supply voltage from 1.01 V to 2.5 V, is 81 ppm/V at 300 K. The power consumption is 4.2 W also at 300 K and 1.01 V and the area is 0.061 \'MM POT.2\'. As a result, it was shown that those methods are efficient in sizing the devices of the chosen topology and it was obtained a voltage reference that fulfills all established criteria and that is superior at the line regulation criterion, when compared to other voltage reference of the literature. In this work, the 0.35-\'mü\'m CMOS technology provided by Austria Micro Systems (AMS) was used.

The aim and goal of this work has been to design and implement a voltage reference network for a 12-bit PSAADC, Parallell Successive Analog to Digital Converter. A chip containing the design has been sent away for fabrication. Because of the long processing time, no measurement data are presented. The main specifications for the voltage reference generator is to generate stable reference voltages with low noise and a good PSRR. Efforts has also been made to minimize the power consumption.

<p>The aim and goal of this work has been to design and implement a voltage reference network for a 12-bit PSAADC, Parallell Successive Analog to Digital Converter. A chip containing the design has been sent away for fabrication. Because of the long processing time, no measurement data are presented. The main specifications for the voltage reference generator is to generate stable reference voltages with low noise and a good PSRR. Efforts has also been made to minimize the power consumption.</p>

Geradores de referência, ou fontes de tensão de referência, são largamente empregados na composição de diversos circuitos eletrônicos, pois são responsáveis por gerar e manter uma tensão constante para o restante do circuito. Como se trata de um circuito analógico e que possui diversas condições a serem atendidas (baixo coeficiente de temperatura, baixa tensão de alimentação, baixa regulação de linha, dentre outras), sua complexidade é alta e isso se reflete no tempo/dificuldade de um projeto. Com a finalidade de aumentar a qualidade do circuito e diminuir o tempo de projeto, foi estudado o projeto de fontes de tensão de referência através da aplicação de metaheurísticas, que são métodos de otimização utilizados em problemas que não possuem solução analítica. As metaheurísticas aplicadas foram: algoritmos genéticos, simulated annealing e pattern search, todos disponíveis em uma toolbox de otimização do Matlab. A fonte projetada, utilizando uma topologia proposta neste trabalho, fornece uma tensão de referência de 0,302 V em 300 K a uma tensão mínima de operação de 1,01 V. O coeficiente de temperatura, no intervalo de -10°C a 90°C, é de 19 ppm/°C a 1,01 V e a regulação de linha, com tensão de alimentação no intervalo de 1,01 V a 2,5 V, é de 81 ppm/V a 300 K. O consumo de potência é de 4,2 \'mü\'W, também em 300 K e a 1,01 V e a área é de 0,061 \'MM POT.2\'. Como resultado, mostrou-se a eficiência da utilização destes métodos no dimensionamento de elementos do circuito escolhido e foi obtida uma fonte de tensão de referência que atende aos critérios estabelecidos e é superior quanto ao critério de regulação de linha, quando comparada a outras fontes da literatura. Neste trabalho, foi utilizada a tecnologia CMOS de 0,35 \'mü\'m da Austria Micro Systems (AMS). / Voltage references are widely employed to compose electronic circuits, since they are responsible for generating and maintaining a constant voltage to the rest of the circuit. As it is an analog circuit and it has several conditions to fulfill (low temperature coefficient, low supply voltage, low line regulation, among others), its complexity is high, which reflects at the time/difficulties of a design. In order to increase the quality of the circuit and to minimize the design time, it was studied voltage references design using metaheuristics, which are optimization methods used in problems with no analytical solution. The applied metaheuristics were: genetic algorithms, simulated annealing and pattern search, they are all available in an optimization toolbox at Matlab. The designed voltage reference, applying a topology proposed in this work, provides a reference voltage of 0.302 V at 300 K at a minimum supply voltage of 1.01 V. The temperature coefficient, from -10°C to 90°C, is 19 ppm/°C at 1.01 V and the line regulation, using a supply voltage from 1.01 V to 2.5 V, is 81 ppm/V at 300 K. The power consumption is 4.2 W also at 300 K and 1.01 V and the area is 0.061 \'MM POT.2\'. As a result, it was shown that those methods are efficient in sizing the devices of the chosen topology and it was obtained a voltage reference that fulfills all established criteria and that is superior at the line regulation criterion, when compared to other voltage reference of the literature. In this work, the 0.35-\'mü\'m CMOS technology provided by Austria Micro Systems (AMS) was used.

In this work, programmable analog techniques using floating-gate transistors have been developed to design precision analog circuits, low-power signal processing primitives and adaptive systems that learn on-chip. Traditional analog implementations lack programmability with the result that issues such as mismatch are corrected at the expense of area. Techniques have been proposed that use floating-gate transistors as an integral part of the circuit of interest to provide both programmability and the ability to correct for mismatch. Traditionally, signal processing has been performed in the digital domain with analog circuits handling the interface with the outside world. Such a partitioning of responsibilities is inefficient as signal processing involves repeated multiplication and addition operations that are both very power efficient in the analog domain. Using programmable analog techniques, fundamental signal processing primitives such as multipliers have been developed in a low-power fashion while preserving accuracy. This results in a paradigm shift in signal processing. A co-operative analog/digital signal processing framework is now possible such that the partitioning of tasks between the analog and digital domains is performed in a power efficient manner. Complex signal processing tasks such as adaptive filtering that learn the weight coefficients are implemented by exploiting the non-linearities inherent with floating-gate programming. The resulting floating-gate synapses are compact, low-power and offer the benefits of non-volatile weight storage. In summary, this research involves developing techniques for improving analog circuit performance and in developing power-efficient techniques for signal processing and on-chip learning.

This work investigates the challenges associated with designing silicon-germanium (SiGe) analog and mixed-signal circuits capable of operating reliably in extreme environment conditions. Three extreme environment operational conditions, namely, operation over an extremely wide temperature range, operation at extremely low temperatures, and operation under radiation exposure, are considered. As a representative for critical analog building blocks, bandgap voltage reference (BGR) circuit is chosen. Several architectures of the BGRs are implemented in two SiGe BiCMOS technology platforms. The effects of wide-temperature operation, deep cryogenic operation, and proton and x-ray irradiation on the performance of BGRs are investigated. The impact of Ge profile shape on BGR's wide-temperature performance is also addressed. Single-event transient response of the BGR circuit is studied through microbeam experiments. In addition, proton radiation response of high-voltage transistors, implemented in a low-voltage SiGe platform, is investigated. A platform consisting of a high-speed comparator, digital-to-analog (DAC) converter, and a high-speed flash analog-to-digital (ADC) converter is designed to facilitate the evaluation of the extreme environment capabilities of SiGe data converters. Room temperature measurement results are presented and predictions on how temperature and radiation will impact their key electrical properties are provided.