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.

ECCCII-Based Current-Mode Universal Filter with Orthogonal Control of w_o and Q

This paper presents a new current-mode current-controlled four-input five-output universal filter employing one current-controlled current conveyor (CCCII), one electronically tunable CCCII and two grounded capacitors. The proposed configuration provides lowpass, bandpass, highpass, bandstop and allpass current responses that taken from the high-output impedance terminals, which enable easy cascadability of the current-mode operation. The filter also offers both orthogonal and electronic controls of the natural frequency and the quality factor through adjusting the bias current of the CCCIIs. For realizing all the filter responses, the proposed filter does not require passive component-matching condition and both active and passive sensitivities are low. In addition, a new current-mode current-controlled single-input five-output universal filter can be achieved by using an additional multiple-output minus-type CCCII. The proposed filter is simulated using PSPICE simulations to confirm the theoretical analysis

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.

Current and Voltage Mode Multiphase Sinusoidal Oscillators Using CBTAs

Current-mode (CM) and voltage-mode (VM) multiphase sinusoidal oscillator (MSO) structures using current backward transconductance amplifier (CBTA) are proposed. The proposed oscillators can generate n current or voltage signals (n being even or odd) equally spaced in phase. n+1 CBTAs, n grounded capacitors and a grounded resistor are used for nth-state oscillator. The oscillation frequency can be independently controlled through transconductance (gm) of the CBTAs which are adjustable via their bias currents. The effects caused by the non-ideality of the CBTA on the oscillation frequency and condition have been analyzed. The performance of the proposed circuits is demonstrated on third-stage and fifth-stage MSOs by using PSPICE simulations based on the 0.25 µm TSMC level-7 CMOS technology parameters

Communication Subsystems for Emerging Wireless Technologies

The paper describes a multi-disciplinary design of modern communication systems. The design starts with the analysis of a system in order to define requirements on its individual components. The design exploits proper models of communication channels to adapt the systems to expected transmission conditions. Input filtering of signals both in the frequency domain and in the spatial domain is ensured by a properly designed antenna. Further signal processing (amplification and further filtering) is done by electronics circuits. Finally, signal processing techniques are applied to yield information about current properties of frequency spectrum and to distribute the transmission over free subcarrier channels