Low Voltage Low Power Analogue Circuits Design

Disertační práce je zaměřena na výzkum nejběžnějších metod, které se využívají při návrhu analogových obvodů s využití nízkonapěťových (LV) a nízkopříkonových (LP) struktur. Tyto LV LP obvody mohou být vytvořeny díky vyspělým technologiím nebo také využitím pokročilých technik návrhu. Disertační práce se zabývá právě pokročilými technikami návrhu, především pak nekonvenčními. Mezi tyto techniky patří využití prvků s řízeným substrátem (bulk-driven - BD), s plovoucím hradlem (floating-gate - FG), s kvazi plovoucím hradlem (quasi-floating-gate - QFG), s řízeným substrátem s plovoucím hradlem (bulk-driven floating-gate - BD-FG) a s řízeným substrátem s kvazi plovoucím hradlem (quasi-floating-gate - BD-QFG). Práce je také orientována na možné způsoby implementace známých a moderních aktivních prvků pracujících v napěťovém, proudovém nebo mix-módu. Mezi tyto prvky lze začlenit zesilovače typu OTA (operational transconductance amplifier), CCII (second generation current conveyor), FB-CCII (fully-differential second generation current conveyor), FB-DDA (fully-balanced differential difference amplifier), VDTA (voltage differencing transconductance amplifier), CC-CDBA (current-controlled current differencing buffered amplifier) a CFOA (current feedback operational amplifier). Za účelem potvrzení funkčnosti a chování výše zmíněných struktur a prvků byly vytvořeny příklady aplikací, které simulují usměrňovací a induktanční vlastnosti diody, dále pak filtry dolní propusti, pásmové propusti a také univerzální filtry. Všechny aktivní prvky a příklady aplikací byly ověřeny pomocí PSpice simulací s využitím parametrů technologie 0,18 m TSMC CMOS. Pro ilustraci přesného a účinného chování struktur je v disertační práci zahrnuto velké množství simulačních výsledků.The dissertation thesis is aiming at examining the most common methods adopted by analog circuits' designers in order to achieve low voltage (LV) low power (LP) configurations. The capability of LV LP operation could be achieved either by developed technologies or by design techniques. The thesis is concentrating upon design techniques, especially the non–conventional ones which are bulk–driven (BD), floating–gate (FG), quasi–floating–gate (QFG), bulk–driven floating–gate (BD–FG) and bulk–driven quasi–floating–gate (BD–QFG) techniques. The thesis also looks at ways of implementing structures of well–known and modern active elements operating in voltage–, current–, and mixed–mode such as operational transconductance amplifier (OTA), second generation current conveyor (CCII), fully–differential second generation current conveyor (FB–CCII), fully–balanced differential difference amplifier (FB–DDA), voltage differencing transconductance amplifier (VDTA), current–controlled current differencing buffered amplifier (CC–CDBA) and current feedback operational amplifier (CFOA). In order to confirm the functionality and behavior of these configurations and elements, they have been utilized in application examples such as diode–less rectifier and inductance simulations, as well as low–pass, band–pass and universal filters. All active elements and application examples have been verified by PSpice simulator using the 0.18 m TSMC CMOS parameters. Sufficient numbers of simulated plots are included in this thesis to illustrate the precise and strong behavior of structures.

Techniques de conception de circuits analogiques intégrés à haute performance en CMOS

Amplificateurs opérationnels à réaction en courant et circuits de transconductance à hautes fréquences en technologie CMOS -- Amplificateurs opérationnels à réaction en courant -- Circuits de transconductance CMOS (VCT) -- Amplificateur opérationnel à réaction en courant, de gain élevé et de tension de décalage réduite -- An offset compensated and high gain CMOS current-feedback op.-amp. -- Technique de compensation pour réduire la tension de décalage et l'erreur de gain des amplificateurs opérationnels à réaction en courant en technologie CMOS : Conception et mesures -- Compensation technique to reduce offset and gain error of CMOS CFOA : design and subsequent measurements -- Circuit de transconductance à hautes performances en technologie CMOS pour les applications mixtes analogiques et numériques -- High performance CMOS transconductor for mixed-signal analog-digital applications -- Nouvelle architecture d'un CFOA en CMOS (partie A) -- Nouvelle architecture d'un VCT en CMOS (partie B)

Novel active function blocks and their applications in frequency filters and quadrature oscillators

Kmitočtové filtry a sinusoidní oscilátory jsou lineární elektronické obvody, které jsou používány v široké oblasti elektroniky a jsou základními stavebními bloky v analogovém zpracování signálu. V poslední dekádě pro tento účel bylo prezentováno velké množství stavebních funkčních bloků. V letech 2000 a 2006 na Ústavu telekomunikací, VUT v Brně byly definovány univerzální proudový konvejor (UCC) a univerzální napět'ový konvejor (UVC) a vyrobeny ve spolupráci s firmou AMI Semiconductor Czech, Ltd. Ovšem, stále existuje požadavek na vývoj nových aktivních prvků, které nabízejí nové výhody. Hlavní přínos práce proto spočívá v definici dalších původních aktivních stavebních bloků jako jsou differential-input buffered and transconductance amplifier (DBTA), current follower transconductance amplifier (CFTA), z-copy current-controlled current inverting transconductance amplifier (ZC-CCCITA), generalized current follower differential input transconductance amplifier (GCFDITA), voltage gain-controlled modified current-feedback operational amplifier (VGC-MCFOA), a minus-type current-controlled third-generation voltage conveyor (CC-VCIII-). Pomocí navržených aktivních stavebních bloků byly prezentovány původní zapojení fázovacích článků prvního řádu, univerzální filtry druhého řádu, ekvivalenty obvodu typu KHN, inverzní filtry, aktivní simulátory uzemněného induktoru a kvadraturní sinusoidní oscilátory pracující v proudovém, napět'ovém a smíšeném módu. Chování navržených obvodů byla ověřena simulací v prostředí SPICE a ve vybraných případech experimentálním měřením.Frequency filters and sinusoidal oscillators are linear electric circuits that are used in wide area of electronics and also are the basic building blocks in analogue signal processing. In the last decade, huge number of active building blocks (ABBs) were presented for this purpose. In 2000 and 2006, the universal current conveyor (UCC) and the universal voltage conveyor (UVC), respectively, were designed at the Department of Telecommunication, BUT, Brno, and produced in cooperation with AMI Semiconductor Czech, Ltd. There is still the need to develop new active elements that offer new advantages. The main contribution of this thesis is, therefore, the definition of other novel ABBs such as the differential-input buffered and transconductance amplifier (DBTA), the current follower transconductance amplifier (CFTA), the z-copy current-controlled current inverting transconductance amplifier (ZC-CCCITA), the generalized current follower differential input transconductance amplifier (GCFDITA), the voltage gain-controlled modified current-feedback operational amplifier (VGC-MCFOA), and the minus-type current-controlled third-generation voltage conveyor (CC-VCIII-). Using the proposed ABBs, novel structures of first-order all-pass filters, second-order universal filters, KHN-equivalent circuits, inverse filters, active grounded inductance simulators, and quadrature sinusoidal oscillators working in the current-, voltage-, or mixed-mode are presented. The behavior of the proposed circuits has been verified by SPICE simulations and in selected cases also by experimental measurements.

Unconventional Circuit Elements for Ladder Filter Design

Kmitočtové filtry jsou lineární elektrické obvody, které jsou využívány v různých oblastech elektroniky. Současně tvoří základní stavební bloky pro analogové zpracování signálů. V poslední dekádě bylo zavedeno množství aktivních stavebních bloků pro analogové zpracování signálů. Stále však existuje potřeba vývoje nových aktivních součástek, které by poskytovaly nové možnosti a lepší parametry. V práci jsou diskutovány různé aspekty obvodů pracujících v napěťovém, proudovém a smíšném módu. Práce reaguje na dnešní potřebu nízkovýkonových a nízkonapěťových aplikací pro přenosné přístroje a mobilní komunikační systémy a na problémy jejich návrhu. Potřeba těchto výkonných nízkonapěťových zařízení je výzvou návrhářů k hledání nových obvodových topologií a nových nízkonapěťových technik. V práci je popsána řada aktivních prvků, jako například operační transkonduktanční zesilovač (OTA), proudový konvejor II. generace (CCII) a CDTA (Current Differencing Transconductance Amplifier). Dále jsou navrženy nové prvky, jako jsou VDTA (Voltage Differencing Transconductance Amplifier) a VDVTA (Voltage Differencing Voltage Transconductance Amplifier). Všechny tyto prvky byly rovněž implementovány pomocí "bulk-driven" techniky CMOS s cílem realizace nízkonapěťových aplikací. Tato práce je rovněž zaměřena na náhrady klasických induktorů syntetickými induktory v pasivních LC příčkových filtrech. Tyto náhrady pak mohou vést k syntéze aktivních filtrů se zajímavými vlastnostmi.Frequency filters are linear electric circuits that are used in wide area of electronics. They are also the basic building blocks in analogue signal processing. In the last decade, a huge number of active building blocks for analogue signal processing was introduced. However, there is still the need to develop new active elements that offer new possibilities and better parameters. The current-, voltage-, or mixed-mode analog circuits and their various aspects are discussed in the thesis. This work reflects the trend of low-power (LP) low-voltage (LV) circuits for portable electronic and mobile communication systems and the problems of their design. The need for high-performance LV circuits encourages the analog designers to look for new circuit architectures and new LV techniques. This thesis presents various active elements such as Operational Transconductance Amplifier (OTA), Current Conveyor of Second Generation (CCII), and Current Differencing Transconductance Amplifier (CDTA), and introduces novel ones, such as Voltage Differencing Transconductance Amplifier (VDTA) and Voltage Differencing Voltage Transconductance Amplifier (VDVTA). All the above active elements were also designed in CMOS bulk-driven technology for LP LV applications. This thesis is also focused on replacement of conventional inductors by synthetic ones in passive LC ladder filters. These replacements can lead to the synthesis of active filters with interesting parameters.

Circuits for Analog Signal Processing Employing Unconventional Active Elements

Disertační práce se zabývá zaváděním nových struktur moderních aktivních prvků pracujících v napěťovém, proudovém a smíšeném režimu. Funkčnost a chování těchto prvků byly ověřeny prostřednictvím SPICE simulací. V této práci je zahrnuta řada simulací, které dokazují přesnost a dobré vlastnosti těchto prvků, přičemž velký důraz byl kladen na to, aby tyto prvky byly schopny pracovat při nízkém napájecím napětí, jelikož poptávka po přenosných elektronických zařízeních a implantabilních zdravotnických přístrojích stále roste. Tyto přístroje jsou napájeny bateriemi a k tomu, aby byla prodloužena jejich životnost, trend navrhování analogových obvodů směřuje k stále většímu snižování spotřeby a napájecího napětí. Hlavním přínosem této práce je návrh nových CMOS struktur: CCII (Current Conveyor Second Generation) na základě BD (Bulk Driven), FG (Floating Gate) a QFG (Quasi Floating Gate); DVCC (Differential Voltage Current Conveyor) na základě FG, transkonduktor na základě nové techniky BD_QFG (Bulk Driven_Quasi Floating Gate), CCCDBA (Current Controlled Current Differencing Buffered Amplifier) na základě GD (Gate Driven), VDBA (Voltage Differencing Buffered Amplifier) na základě GD a DBeTA (Differential_Input Buffered and External Transconductance Amplifier) na základě BD. Dále je uvedeno několik zajímavých aplikací užívajících výše jmenované prvky. Získané výsledky simulací odpovídají teoretickým předpokladům.The dissertation thesis deals with implementing new structures of modern active elements working in voltage_, current_, and mixed mode. The functionality and behavior of these elements have been verified by SPICE simulation. Sufficient numbers of simulated plots are included in this thesis to illustrate the precise and strong behavior of those elements. However, a big attention to implement active elements by utilizing LV LP (Low Voltage Low Power) techniques is given in this thesis. This attention came from the fact that growing demand of portable electronic equipments and implantable medical devices are pushing the development towards LV LP integrated circuits because of their influence on batteries lifetime. More specifically, the main contribution of this thesis is to implement new CMOS structures of: CCII (Current Conveyor Second Generation) based on BD (Bulk Driven), FG (Floating Gate) and QFG (Quasi Floating Gate); DVCC (Differential Voltage Current Conveyor) based on FG; Transconductor based on new technique of BD_QFG (Bulk Driven_Quasi Floating Gate); CCCDBA (Current Controlled Current Differencing Buffered Amplifier) based on conventional GD (Gate Driven); VDBA (Voltage Differencing Buffered Amplifier) based on GD. Moreover, defining new active element i.e. DBeTA (Differential_Input Buffered and External Transconductance Amplifier) based on BD is also one of the main contributions of this thesis. To confirm the workability and attractive properties of the proposed circuits many applications were exhibited. The given results agree well with the theoretical anticipation.