Low temperature sensitivity CMOS transconductor based on GZTC MOSFET condition

Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Transconductors, or Gm cells, are key building blocks to implement a large variety of analog circuits such as adjustable filters, multipliers, controlled oscillators and amplifiers. Usually temperature stability is a must in such applications, and herein we define all required conditions to design low thermal sensitivity Gm cells by biasing MOSFETs at Transconductance Zero Temperature Condition (GZTC). This special bias condition is analyzed using a MOSFET model which is continuous from weak to strong inversion, and it is proved that this condition always occurs from moderate to strong inversion operation in any CMOS fabrication process. Additionally, a few example circuits are designed using this technique: a single-ended resistor emulator, an impedance inverter, a first order and a second order filter. These circuits have been simulated in a 130 nm CMOS commercial process, resulting in improved thermal stability in the main performance parameters, in the range from 27 to 53 ppm/ºC

MOSFET ZTC condition analysis for a self-biased current reference design

In this paper a self-biased current reference based on Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) Zero Temperature Coefficient (ZTC) condition is proposed. It can be imple mented in any Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) fabrication process and pro vides another alternative to design current references. In order to support the circuit design, ZTC condition is analyzed using a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion, show ing that this condition always occurs from moderate to strong inversion in any CMOS process. The proposed topology was designed in a 180 nm process, operates with a supply voltage from 1.4V to 1.8 V and occupies around 0.010mm2 of silicon area. From circuit simulations our reference showed a temperature coefficient (TC) of 15 ppm/o C from -40 to +85o C, and a fabrication process sensitivity of σ/μ = 4.5% for the current reference, including average process and local mismatch variability analysis. The simulated power supply sensitivity is estimated around 1%/V

Instrumento para medida digital de potência e valor eficaz de corrente e tensão distorcidas

Este trabalho descreve o projeto e a implementação do protótipo de um instrumento para medida digital da potência ativa e reativa e dos valores RMS da corrente e tensão, visando a utilização em sistemas elétricos monofásicos com sinais distorcidos. O instrumento propõe-se a medir tais grandezas com precisão melhor que 0,05% do fundo de escala para sinais de entrada cujos espectros estejam compreendidos entre 1 e 20.000 Hz. Inicialmente, as definições das grandezas a serem medidas são estendidas para a situação em que os sinais não são senoidais (distorcidos). Em seqüência, são apresentadas a descrição e analise sucinta de algumas técnicas empregadas nas medidas destas grandezas, listando-se, ainda, as razões que levaram a adoção da abordagem digital com amostragem assíncrona dos sinais de tensão e corrente. Uma estrutura funcional baseada em técnicas de processamento digital de sinais é proposta, simulada e implementada, desenvolvendo-se, também, uma arquitetura eletrônica para a implementação do protótipo do instrumento. O resultado foi um instrumento de estrutura simples, robusto e de baixo custo. Finalmente, são apresentados os resultados obtidos a partir da implementação efetuada, demonstrando que a precisão de 0,05% nas medidas do valor RMS é assegurada para toda a faixa desejada. Para as medidas de potência até 2 kHz foi obtida uma precisão de 0,05%. Acima dessa freqüência, os resultados não são conclusivos devido as incertezas dos'padrões disponíveis no momento dos ensaios. Pode-se afirmar, entretanto, que a precisão nessa faixa é melhor que 0,2%.The purpose of this work is to describe the design and implementation of an instrument for the measurement of active and reactive power and RMS values of current and voltage signals based on digital signal processing techniques. The instrument is designed to have an accuracy better than 0,05% FS for distorted (nonsinusoidal) signals of current and voltage in the spectrum of 1 to 20000 Hz. First of all, the definition of power and RMS values for distorted signals are stated. Some techniques of power and RMS value measurement are listed and analysed. A technique based on assyncronous sampling of the current and voltage signals is suggested. A functional structure and a hardware architecture for carrying out the adopted technique is proposed, simulated and implemented. The result of this implementation is a robust instrument of simple structure and low cost. The results of the implemenatation are presented. For the measurements of the RMS value the accuracy is 0,05% FS over the range of frequencies of interest. The accuracy for power measurements is 0,05% FS up to 2 kHz. The results for frequencies greater than 2 kHz is not conclusive, because the uncertainties of the standards avaliable during the calibration process mask those results. It is possible to state that the accuracy of these measurements is better than 0,2%

Uma interface modular e digitalmente programável baseada em moduladores sigma-delta passa-banda para sistemas em chip de sinais mistos

The focus of this thesis is to discuss the development and modeling of an interface architecture to be employed for interfacing analog signals in mixed-signal SOC. We claim that the approach that is going to be presented is able to achieve wide frequency range, and covers a large range of applications with constant performance, allied to digital configuration compatibility. Our primary assumptions are to use a fixed analog block and to promote application configurability in the digital domain, which leads to a mixed-signal interface. The use of a fixed analog block avoids the performance loss common to configurable analog blocks. The usage of configurability on the digital domain makes possible the use of all existing tools for high level design, simulation and synthesis to implement the target application, with very good performance prediction. The proposed approach utilizes the concept of frequency translation (mixing) of the input signal followed by its conversion to the ΣΔ domain, which makes possible the use of a fairly constant analog block, and also, a uniform treatment of input signal from DC to high frequencies. The programmability is performed in the ΣΔ digital domain where performance can be closely achieved according to application specification. The interface performance theoretical and simulation model are developed for design space exploration and for physical design support. Two prototypes are built and characterized to validate the proposed model and to implement some application examples. The usage of this interface as a multi-band parametric ADC and as a two channels analog multiplier and adder are shown. The multi-channel analog interface architecture is also presented. The characterization measurements support the main advantages of the approach proposed.O foco desta tese é a descrição e validação de uma arquitetura de interface para processamento de sinais analógicos para SOC de sinais mistos. A abordagem proposta apresenta a possibilidade de cobertura de uma larga faixa de freqüências com performance praticamente constante associada a uma estrutura digital de programação. A premissa é usar uma célula analógica fixa e promover a configuração da aplicação no domínio digital, levando a uma arquitetura de interface de sinais mistos. O emprego de um bloco analógico fixo busca eliminar a perda inerente de performance decorrente da própria estrutura de programação em circuitos reconfiguráveis analógicos. A emprego da programação no domínio digital abre espaço para usos da vasta gama de ferramentas disponíveis para o projeto em alto nível de abstração, simulação e síntese automática para implementar a aplicação alvo com excelente predição do desempenho final. A abordagem proposta baseia-se no conceito de translação em freqüência (mixagem) do sinal de entrada seguida pela sua conversão para o domínio ΣΔ. A estrutura de processamento possibilita o emprego de um bloco analógico constante, e também, um processamento uniforme de sinais de entrada indo de DC até altas freqüências. A aplicação é configurada no domínio ΣΔ onde a performance pode ser predita de acordo com as especificações alvo. Objetivando a exploração do espaço de projeto foi desenvolvido o modelo de performance teórico e de simulação. Os modelos desenvolvidos auxiliam no também no projeto físico da interface proposta. Objetivando, tanto a validação dos modelos propostos, bem como o desenvolvimento de aplicações, foram construídos dois protótipos. São apresentados os usos da interface como um ADC paramétrico multi-banda e como um multiplicador e um somador de sinais analógicos. É proposta também uma arquitetura para uma interface analógica multi-canal. Os resultados experimentais empregados para a caracterização da interface proposta suportam as vantagens da mesma

Instrumento para medida digital de potência e valor eficaz de corrente e tensão distorcidas

Este trabalho descreve o projeto e a implementação do protótipo de um instrumento para medida digital da potência ativa e reativa e dos valores RMS da corrente e tensão, visando a utilização em sistemas elétricos monofásicos com sinais distorcidos. O instrumento propõe-se a medir tais grandezas com precisão melhor que 0,05% do fundo de escala para sinais de entrada cujos espectros estejam compreendidos entre 1 e 20.000 Hz. Inicialmente, as definições das grandezas a serem medidas são estendidas para a situação em que os sinais não são senoidais (distorcidos). Em seqüência, são apresentadas a descrição e analise sucinta de algumas técnicas empregadas nas medidas destas grandezas, listando-se, ainda, as razões que levaram a adoção da abordagem digital com amostragem assíncrona dos sinais de tensão e corrente. Uma estrutura funcional baseada em técnicas de processamento digital de sinais é proposta, simulada e implementada, desenvolvendo-se, também, uma arquitetura eletrônica para a implementação do protótipo do instrumento. O resultado foi um instrumento de estrutura simples, robusto e de baixo custo. Finalmente, são apresentados os resultados obtidos a partir da implementação efetuada, demonstrando que a precisão de 0,05% nas medidas do valor RMS é assegurada para toda a faixa desejada. Para as medidas de potência até 2 kHz foi obtida uma precisão de 0,05%. Acima dessa freqüência, os resultados não são conclusivos devido as incertezas dos'padrões disponíveis no momento dos ensaios. Pode-se afirmar, entretanto, que a precisão nessa faixa é melhor que 0,2%.The purpose of this work is to describe the design and implementation of an instrument for the measurement of active and reactive power and RMS values of current and voltage signals based on digital signal processing techniques. The instrument is designed to have an accuracy better than 0,05% FS for distorted (nonsinusoidal) signals of current and voltage in the spectrum of 1 to 20000 Hz. First of all, the definition of power and RMS values for distorted signals are stated. Some techniques of power and RMS value measurement are listed and analysed. A technique based on assyncronous sampling of the current and voltage signals is suggested. A functional structure and a hardware architecture for carrying out the adopted technique is proposed, simulated and implemented. The result of this implementation is a robust instrument of simple structure and low cost. The results of the implemenatation are presented. For the measurements of the RMS value the accuracy is 0,05% FS over the range of frequencies of interest. The accuracy for power measurements is 0,05% FS up to 2 kHz. The results for frequencies greater than 2 kHz is not conclusive, because the uncertainties of the standards avaliable during the calibration process mask those results. It is possible to state that the accuracy of these measurements is better than 0,2%

Uma interface modular e digitalmente programável baseada em moduladores sigma-delta passa-banda para sistemas em chip de sinais mistos

The focus of this thesis is to discuss the development and modeling of an interface architecture to be employed for interfacing analog signals in mixed-signal SOC. We claim that the approach that is going to be presented is able to achieve wide frequency range, and covers a large range of applications with constant performance, allied to digital configuration compatibility. Our primary assumptions are to use a fixed analog block and to promote application configurability in the digital domain, which leads to a mixed-signal interface. The use of a fixed analog block avoids the performance loss common to configurable analog blocks. The usage of configurability on the digital domain makes possible the use of all existing tools for high level design, simulation and synthesis to implement the target application, with very good performance prediction. The proposed approach utilizes the concept of frequency translation (mixing) of the input signal followed by its conversion to the ΣΔ domain, which makes possible the use of a fairly constant analog block, and also, a uniform treatment of input signal from DC to high frequencies. The programmability is performed in the ΣΔ digital domain where performance can be closely achieved according to application specification. The interface performance theoretical and simulation model are developed for design space exploration and for physical design support. Two prototypes are built and characterized to validate the proposed model and to implement some application examples. The usage of this interface as a multi-band parametric ADC and as a two channels analog multiplier and adder are shown. The multi-channel analog interface architecture is also presented. The characterization measurements support the main advantages of the approach proposed.O foco desta tese é a descrição e validação de uma arquitetura de interface para processamento de sinais analógicos para SOC de sinais mistos. A abordagem proposta apresenta a possibilidade de cobertura de uma larga faixa de freqüências com performance praticamente constante associada a uma estrutura digital de programação. A premissa é usar uma célula analógica fixa e promover a configuração da aplicação no domínio digital, levando a uma arquitetura de interface de sinais mistos. O emprego de um bloco analógico fixo busca eliminar a perda inerente de performance decorrente da própria estrutura de programação em circuitos reconfiguráveis analógicos. A emprego da programação no domínio digital abre espaço para usos da vasta gama de ferramentas disponíveis para o projeto em alto nível de abstração, simulação e síntese automática para implementar a aplicação alvo com excelente predição do desempenho final. A abordagem proposta baseia-se no conceito de translação em freqüência (mixagem) do sinal de entrada seguida pela sua conversão para o domínio ΣΔ. A estrutura de processamento possibilita o emprego de um bloco analógico constante, e também, um processamento uniforme de sinais de entrada indo de DC até altas freqüências. A aplicação é configurada no domínio ΣΔ onde a performance pode ser predita de acordo com as especificações alvo. Objetivando a exploração do espaço de projeto foi desenvolvido o modelo de performance teórico e de simulação. Os modelos desenvolvidos auxiliam no também no projeto físico da interface proposta. Objetivando, tanto a validação dos modelos propostos, bem como o desenvolvimento de aplicações, foram construídos dois protótipos. São apresentados os usos da interface como um ADC paramétrico multi-banda e como um multiplicador e um somador de sinais analógicos. É proposta também uma arquitetura para uma interface analógica multi-canal. Os resultados experimentais empregados para a caracterização da interface proposta suportam as vantagens da mesma