Preamplifier for biological signals processing

Práce se zabývá problematikou návrhu a optimalizace zesilovačů v technologii CMOS s nízkým napájecím napětím a nízkou spotřebou. Hlavním zaměřením práce je navrhnout zesilovač pro zesílení biologických signálu. V první části práce je stručný úvod do teorie biologických signálů. Dále práce obsahuje stručný popis metod zpracování biologických signálů a jejich vlastnosti. Důležitou částí práce je popis metod pro snížení napájecí napětí zesilovače. Praktická část této práce je zaměřena na návrh zesilovače s nízkým napájecím napětím a s nízkou spotřebou. Všechny aktivní prvky a příklady aplikací byly ověřeny pomocí PSpice simulací s využitím parametrů technologie 0,18 µm TSMC CMOS. Pro ilustraci chování struktur je v diplomové práci zahrnuty simulační výsledky.The work deals with the design and optimization of amplifiers in CMOS technology with low supply voltage and low power consumption. The main aim is to design an amplifier to amplify the biological signal. The first part is a brief introduction to the theory of biological signals. The work also contains a brief description of the biological signal processing methods and their properties. The important part is the description of the methods to reduce the supply voltage of the amplifier. The practical part of this thesis focuses on the design amplifiers with low supply voltage and low power consumption. All active elements and application examples have been verified by PSpice simulator using the 0.18 µm TSMC CMOS parameters. Simulated plots are included in this thesis to illustrate behavior of structures.

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.

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.