Closed-Loop Control of a Piezo-Fluidic Amplifier

Fluidic valves based on the Coand\u{a} effect are increasingly being considered for use in aerodynamic flow control applications. A limiting factor is their variation in switching time, which often precludes their use. The purpose of this paper is to demonstrate the closed-loop control of a recently developed, novel piezo-fluidic valve that reduces response time uncertainty at the expense of operating bandwidth. Use is made of the fact that a fluidic jet responds to a piezo tone by deflecting away from its steady state position. A control signal used to vary this deflection is amplitude modulated onto the piezo tone. Using only a pressure measurement from one of the device output channels, an output-based LQG regulator was designed to follow a desired reference deflection, achieving control of a 90 m/s jet. Finally, the controller's performance in terms of disturbance rejection and response time predictability is demonstrated.Comment: 31 pages, 23 figures. Published in AIAA Journal, 4th May 202

Systematic Comparison of HF CMOS Transconductors

Transconductors are commonly used as active elements in high-frequency (HF) filters, amplifiers, mixers, and oscillators. This paper reviews transconductor design by focusing on the V-I kernel that determines the key transconductor properties. Based on bandwidth considerations, simple V-I kernels with few or no internal nodes are preferred. In a systematic way, virtually all simple kernels published in literature are generated. This is done in two steps: 1) basic 3-terminal transconductors are covered and 2) then five different techniques to combine two of them in a composite V-I kernel. In order to compare transconductors in a fair way, a normalized signal-to-noise ratio (NSNR) is defined. The basic V-I kernels and the five classes of composite V-I kernels are then compared, leading to insight in the key mechanisms that affect NSNR. Symbolic equations are derived to estimate NSNR, while simulations with more advanced MOSFET models verify the results. The results show a strong tradeoff between NSNR and transconductance tuning range. Resistively generated MOSFETs render the best NSNR results and are robust for future technology developments

CMOS Design of Reconfigurable SoC Systems for Impedance Sensor Devices

La rápida evolución en el campo de los sensores inteligentes, junto con los avances en las tecnologías de la computación y la comunicación, está revolucionando la forma en que recopilamos y analizamos datos del mundo físico para tomar decisiones, facilitando nuevas soluciones que desempeñan tareas que antes eran inconcebibles de lograr.La inclusión en un mismo dado de silicio de todos los elementos necesarios para un proceso de monitorización y actuación ha sido posible gracias a los avances en micro (y nano) electrónica. Al mismo tiempo, la evolución de las tecnologías de procesamiento y micromecanizado de superficies de silicio y otros materiales complementarios ha dado lugar al desarrollo de sensores integrados compatibles con CMOS, lo que permite la implementación de matrices de sensores de alta densidad. Así, la combinación de un sistema de adquisición basado en sensores on-Chip, junto con un microprocesador como núcleo digital donde se puede ejecutar la digitalización de señales, el procesamiento y la comunicación de datos proporciona características adicionales como reducción del coste, compacidad, portabilidad, alimentación por batería, facilidad de uso e intercambio inteligente de datos, aumentando su potencial número de aplicaciones.Esta tesis pretende profundizar en el diseño de un sistema portátil de medición de espectroscopía de impedancia de baja potencia operado por batería, basado en tecnologías microelectrónicas CMOS, que pueda integrarse con el sensor, proporcionando una implementación paralelizable sin incrementar significativamente el tamaño o el consumo, pero manteniendo las principales características de fiabilidad y sensibilidad de un instrumento de laboratorio. Esto requiere el diseño tanto de la etapa de gestión de la energía como de las diferentes celdas que conforman la interfaz, que habrán de satisfacer los requisitos de un alto rendimiento a la par que las exigentes restricciones de tamaño mínimo y bajo consumo requeridas en la monitorización portátil, características que son aún más críticas al considerar la tendencia actual hacia matrices de sensores.A nivel de celdas, se proponen diferentes circuitos en un proceso CMOS de 180 nm: un regulador de baja caída de voltaje como unidad de gestión de energía, que proporciona una alimentación de 1.8 V estable, de bajo ruido, precisa e independiente de la carga para todo el sistema; amplificadores de instrumentación con una aproximación completamente diferencial, que incluyen una etapa de entrada de voltaje/corriente configurable, ganancia programable y ancho de banda ajustable, tanto en la frecuencia de corte baja como alta; un multiplicador para conformar la demodulación dual, que está embebido en el amplificador para optimizar consumo y área; y filtros pasa baja totalmente integrados, que actúan como extractores de magnitud de DC, con frecuencias de corte ajustables desde sub-Hz hasta cientos de Hz.<br /

High linearity analog and mixed-signal integrated circuit design

Linearity is one of the most important specifications in electrical circuits.;In Chapter 1, a ladder-based transconductance networks has been adopted first time to build a low distortion analog filters for low frequency applications. This new technique eliminated the limitation of the application with the traditional passive resistors for low frequency applications. Based on the understanding of this relationship, a strategy for designing high linear analog continuous-time filters has been developed. According to our strategy, a prototype analog integrated filter has been designed and fabricated with AMI05 0.5 um standard CMOS process. Experimental results proved this technique has the ability to provide excellent linearity with very limited active area.;In Chapter 2, the relationships between the transconductance networks and major circuit specifications have been explored. The analysis reveals the trade off between the silicon area saved by the transconductance networks and the some other important specifications such as linearity, noise level and the process variations of the overall circuit. Experimental results of discrete component circuit matched very well with our analytical outcomes to predict the change of linearity and noise performance associated with different transconductance networks.;The Chapter 3 contains the analysis and mathematical proves of the optimum passive area allocations for several most popular analog active filters. Because the total area is now manageable by the technique introduced in the Chapter 1, the further reduce of the total area will be very important and useful for efficient utilizing the silicon area, especially with the today\u27s fast growing area efficiency of the highly density digital circuits. This study presents the mathematical conclusion that the minimum passive area will be achieved with the equalized resistor and capacitor.;In the Chapter 4, a well recognized and highly honored current division circuit has been studied. Although it was claimed to be inherently linear and there are over 60 published works reported with high linearity based on this technique, our study discovered that this current division circuit can achieve, if proper circuit condition being managed, very limited linearity and all the experimental verified performance actually based on more general circuit principle. Besides its limitation, however, we invented a novel current division digital to analog converter (DAC) based on this technique. Benefiting from the simple circuit structure and moderate good linearity, a prototype 8-bit DAC was designed in TSMC018 0.2 um CMOS process and the post layout simulations exhibited the good linearity with very low power consumption and extreme small active area.;As the part of study of the output stage for the current division DAC discussed in the Chapter 4, a current mirror is expected to amplify the output current to drive the low resistive load. The strategy of achieving the optimum bandwidth of the cascode current mirror with fixed total current gain is discussed in the Chapter 5.;Improving the linearity of pipeline ADC has been the hottest and hardest topic in solid-state circuit community for decade. In the Chapter 6, a comprehensive study focus on the existing calibration algorithms for pipeline ADCs is presented. The benefits and limitations of different calibration algorithms have been discussed. Based on the understanding of those reported works, a new model-based calibration is delivered. The simulation results demonstrate that the model-based algorithms are vulnerable to the model accuracy and this weakness is very hard to be removed. From there, we predict the future developments of calibration algorithms that can break the linearity limitations for pipelined ADC. (Abstract shortened by UMI.

Robust low power CMOS methodologies for ISFETs instrumentation

I have developed a robust design methodology in a 0.18 [Mu]m commercial CMOS process to circumvent the performance issues of the integrated Ions Sensitive Field Effect Transistor (ISFET) for pH detection. In circuit design, I have developed frequency domain signal processing, which transforms pH information into a frequency modulated signal. The frequency modulated signal is subsequently digitized and encoded into a bit-stream of data. The architecture of the instrumentation system consists of a) A novel front-end averaging amplifier to interface an array of ISFETs for converting pH into a voltage signal, b) A high linear voltage controlled oscillator for converting the voltage signal into a frequency modulated signal, and c) Digital gates for digitizing and differentiating the frequency modulated signal into an output bit-stream. The output bit stream is indistinguishable to a 1st order sigma delta modulation, whose noise floor is shaped by +20dB/decade. The fabricated instrumentation system has a dimension of 1565 [Mu] m 1565 [Mu] m. The chip responds linearly to the pH in a chemical solution and produces a digital output, with up to an 8-bit accuracy. Most importantly, the fabricated chips do not need any post-CMOS processing for neutralizing any trapped-charged effect, which can modulate on-chip ISFETs’ threshold voltages into atypical values. As compared to other ISFET-related works in the literature, the instrumentation system proposed in this thesis can cope with the mismatched ISFETs on chip for analogue-to-digital conversions. The design methodology is thus very accurate and robust for chemical sensing

CMOS OTA-C high-frequency sinusoidal oscillators

Several topology families are given to implement practical CMOS sinusoidal oscillators by using operational transconductance amplifier-capacitor (OTA-C) techniques. Design techniques are proposed taking into account the CMOS OTA's dominant nonidealities. Building blocks are presented for amplitude control, both by automatic gain control (AGC) schemes and by limitation schemes. Experimental results from 3- and 2- mu m CMOS (MOSIS) prototypes that exhibit oscillation frequencies of up to 69 MHz are obtained. The amplitudes can be adjusted between 1 V peak to peak and 100 mV peak to peak. Total harmonic distortions from 2.8% down to 0.2% have been measured experimentally.Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología ME87-000

Large scale reconfigurable analog system design enabled through floating-gate transistors

This work is concerned with the implementation and implication of non-volatile charge storage on VLSI system design. To that end, the floating-gate pFET (fg-pFET) is considered in the context of large-scale arrays. The programming of the element in an efficient and predictable way is essential to the implementation of these systems, and is thus explored. The overhead of the control circuitry for the fg-pFET, a key scalability issue, is examined. A light-weight, trend-accurate model is absolutely necessary for VLSI system design and simulation, and is also provided. Finally, several reconfigurable and reprogrammable systems that were built are discussed.Ph.D.Committee Chair: Hasler, Paul E.; Committee Member: Anderson, David V.; Committee Member: Ayazi, Farrokh; Committee Member: Degertekin, F. Levent; Committee Member: Hunt, William D

Design and demonstration of digital pre-distortion using software defined radio

Abstract. High data rates for large number of users set tight requirements for signal quality measured in terms of error vector magnitude (EVM). In radio transmitters, nonlinear distortion dominated by power amplifiers (PAs) often limits the achievable EVM. However, the linearity can be improved by linearization techniques. Digital pre-distortion (DPD) is one of these widely used linearization techniques for an effective distortion reduction over a wide bandwidth. In DPD, the nonlinearity of the transmitter is pre-compensated in the digital domain to achieve linear output. Moreover, DPD is used to enable PAs to operate in the power-efficient region with a decent linearity. As we are moving towards millimetre-wave frequencies to enable the wideband communications, the design of the DPD algorithm must be optimized in terms of performance and power consumption. Moreover, continuous development of wireless infrastructure motivates to make research on programmable and reconfigurable platforms in order to decrease the demonstration cost and time, especially for the demonstration purposes. This thesis illustrates and presents how software defined radio (SDR) platforms can be used to demonstrate DPD. Universal software defined peripheral (USRP) X300 is a commercial software defined radio (SDR) platform. The chosen model, X300, has two independent channels equipped with individual transceiver cards. SIMULINK is used to communicate with the device and the two channels of X300 are used as transmitter and receiver simultaneously in full-duplex mode. Hence, a single USRP device is acting as an operational transmitter and feedback receiver, simultaneously. The implemented USRP design consists of SIMULINK based transceiver design and lookup table based DPD in which the coefficients are calculated in MATLAB offline. An external PA, i.e. ZFL-2000+ together with a directional coupler and attenuator are connected between the TX/RX port and RX2 port to measure the nonlinearity. The nonlinearity transceiver is measured with and without the external PA. The experimental results show decent performance for linearization by using the USRP platform. However, the results differ widely due to the used USRP transceiver parameterization and PA operational point. The 16 QAM test signal with 500 kHz bandwidth is fed to the USRP transmit chain. As an example, the DPD algorithm improves the EVM from 7.6% to 2.1% and also the ACPR is reduced around 10 dB with the 16 QAM input signal where approximately + 2.2 dBm input power applied to the external PA

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Analysis and Design Methodologies for Switched-Capacitor Filter Circuits in Advanced CMOS Technologies

Analog filters are an extremely important block in several electronic systems, such as RF transceivers, data acquisition channels, or sigma-delta modulators. They allow the suppression of unwanted frequencies bands in a signal, improving the system’s performance. These blocks are typically implemented using active RC filters, gm-C filters, or switched-capacitor (SC) filters. In modern deep-submicron CMOS technologies, the transistors intrinsic gain is small and has a large variability, making the design of moderate and high-gain amplifiers, used in the implementation of filter blocks, extremely difficult. To avoid this difficulty, in the case of SC filters, the opamp can be replaced with a voltage buffer or a low-gain amplifier (< 2), simplifying the amplifier’s design and making it easier to achieve higher bandwidths, for the same power. However, due to the loss of the virtual ground node, the circuit becomes sensitive to the effects of parasitic capacitances, which effect needs to be compensated during the design process. This thesis addresses the task of optimizing SC filters (mainly focused on implementations using low-gain amplifiers), helping designers with the complex task of designing high performance SC filters in advanced CMOS technologies. An efficient optimization methodology is introduced, based on hybrid cost functions (equation-based/simulation-based) and using genetic algorithms. The optimization software starts by using equations in the cost function to estimate the filter’s frequency response reducing computation time, when compared with the electrical simulation of the circuit’s impulse response. Using equations, the frequency response can be quickly computed (< 1 s), allowing the use of larger populations in the genetic algorithm (GA) to cover the entire design space. Once the specifications are met, the population size is reduced and the equation-based design is fine-tuned using the more computationally intensive, but more accurate, simulation-based cost function, allowing to accurately compensate the parasitic capacitances, which are harder to estimate using equations. With this hybrid approach, it is possible to obtain the final optimized design within a reasonable amount of computation time. Two methods are described for the estimation of the filter’s frequency response. The first method is hierarchical in nature where, in the first step, the frequency response is optimized using the circuit’s ideal transfer function. The following steps are used to optimize circuits, at transistor level, to replace the ideal blocks (amplifier and switches) used in the first step, while compensating the effects of the circuit’s parasitic capacitances in the ideal design. The second method uses a novel efficient numerical methodology to obtain the frequency response of SC filters, based on the circuit’s first-order differential equations. The methodology uses a non-hierarchical approach, where the non-ideal effects of the transistors (in the amplifier and in the switches) are taken into consideration, allowing the accurate computation of the frequency response, even in the case of incomplete settling in the SC branches. Several design and optimization examples are given to demonstrate the performance of the proposed methods. The prototypes of a second order programmable bandpass SC filter and a 50 Hz notch SC filter have been designed in UMC 130 nm CMOS technology and optimized using the proposed optimization software with a supply voltage of 0.9 V. The bandpass SC filter has a total power consumption of 249 uW. The filter’s central frequency can be tuned between 3.9 kHz and 7.1 kHz, the gain between -6.4 dB and 12.6 dB, and the quality factor between 0.9 and 6.9. Depending on the bit configuration, the circuit’s THD is between -54.7 dB and -61.7 dB. The 50 Hz notch SC filter has a total power consumption of 273 uW. The transient simulation of the circuit’s extracted view (C+CC) shows an attenuation of 52.3 dB in the 50 Hz interference and that the desired 5 kHz signal has a THD of -92.3 dB