Energy-Efficient Amplifiers Based on Quasi-Floating Gate Techniques

Energy efficiency is a key requirement in the design of amplifiers for modern wireless applications. The use of quasi-floating gate (QFG) transistors is a very convenient approach to achieve such energy efficiency. We illustrate different QFG circuit design techniques aimed to implement low-voltage, energy-efficient class AB amplifiers. A new super class AB QFG amplifier is presented as a design example, including some of the techniques described. The amplifier has been fabricated in a 130 nm CMOS test chip prototype. Measurement results confirm that low-voltage, ultra-low-power amplifiers can be designed, preserving, at the same time, excellent small-signal and large-signal performance.Agencia Estatal de Investigación PID2019-107258RB-C32Unión Europea PID2019-107258RB-C3

Energy-efficient amplifiers based on quasi-floating gate techniques

Energy efficiency is a key requirement in the design of amplifiers for modern wireless applications. The use of quasi-floating gate (QFG) transistors is a very convenient approach to achieve such energy efficiency. We illustrate different QFG circuit design techniques aimed to implement low-voltage energy-efficient class AB amplifiers. A new super class AB QFG amplifier is presented as a design example including some of the techniques described. The amplifier has been fabricated in a 130 nm CMOS test chip prototype. Measurement results confirm that low-voltage ultra low power amplifiers can be designed preserving at the same time excellent small-signal and large-signal performance.This research was funded by AEI/FEDER, grant number PID2019-107258RB-C32

A CMOS Micro-power, Class-AB “Flipped” Voltage Follower using the quasi floating-gate technique

This paper presents the design and characterization of a new analog voltage follower for low-voltage applications. The main idea is based on the “Flipped” Voltage Follower and the use of the quasi-floating gate technique for achieving class AB operation. A test cell was simulated and fabricated using a 0,5 μm CMOS technology. When the proposed circuit is supplied with VDD = 1,5 V, it presents a power consumption of only 413 μW. Measurement and experimental results show a gain bandwidth product of 10 MHz and a total harmonic distortion of 1,12 % at 1 MHz.En este trabajo se presenta el diseño y caracterización de un nuevo seguidor de voltaje analógico para aplicaciones de bajo voltaje. La idea principal aquí desarrollada, está basada en el Seguidor de Voltaje “Volteado” y el uso de técnicas de compuerta casiflotante para lograr un funcionamiento de clase AB. Usando una tecnología CMOS de 0.5 μm, se simuló y se fabricó una celda de prueba. Cuando el circuito propuesto se alimenta con VDD = 1,5 V, este presenta un consumo de potencia de tan solo 413 μW. Las mediciones y los resultados experimentales muestran un producto ganancia-ancho de banda de 10 MHz y una distorsión harmónica total de 1,12 % a 1 MHz

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 /

Design of low-voltage operational amplifier

Tato práce se zabývá návrhem operačního zesilovače s extrémně nízkým napájecím napětím a nízkou spotřebou. V teoretické části je představena teorie zabývající se strukturou a návrhem operačního zesilovače. V následující části jsou popsány návrhové metody vhodné k realizaci nízkonapěťových obvodů. V další části byly navrhnuty dva operační zesilovače s použitím nízkonapěťových metod. Vlastnosti těchto operačních zesilovačů byly poté ověřeny simulacemi.This work deals with the design of operational amplifier with extremely low supply voltage and low power consumption. In the theoretical part is presented theory dealing with the structure and design of operational amplifier. In the following part are desribed design methods suitable for realization of low-voltage circuits. In the next part were designed two operational amplifiers using low-voltage design methods. Properties of these operational amplifiers were then tested by simulations.