Low-voltage low-power design and implementation of current-mode circuits

Abstract

Bugün birçok uygulamada gerekli olan düşük güç sarfiyatlı, güvenilir ve düşük maliyetli elektronik ürünlerin tasarlanabilmesi için düşük besleme gerilimleriyle çalışabilen analog ve sayısal devrelere ihtiyaç vardır. Düşük güç ihtiyacı gerektiren en önemli uygulamalar uzaktan izleme sistemleri, tıbbi teşhis cihazları ve tüketici elektroniği olarak sıralanabilir. Besleme gerilimleri düşürüldüğünde kabul edilebilir bir seviyede performans elde etmek için yeni devre tasarımı tekniklerine duyulan ihtiyaç büyüktür.Bu tez düşük besleme gerilimi ile çalışan ve düşük güç tüketen uygulamalar için kullanılabilecek güvenilir akım modlu devrelerin tasarımı ve tasarlanan devrelerin uygulanabilirliği üzerine odaklanmıştır. İlk olarak düşük besleme geriliminde çalışmaya uygun değişik devre blokları tasarlanmış ve simüle edilmiştir. Daha sonra tasarlanan bu bloklar yardımıyla değişik akım modlu aktif elemanlar gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan aktif elemanlar sırasıyla akım farkı alan tamponlanmış kuvvetlendirici (CDBA), işlemsel geçiş direnci kuvvetlendiricisi (OTRA) ve akım farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisidir (CDTA). Son olarak tasarlanan aktif elemanların uygulanabilirliğini göstermek amacıyla değişik süzgeç devreleri önerilmiştir. Tasarlanan devrelerin performansı HSPICE programı yardımıyla test edilmiştir. Simulasyonlarda UMC firmasına ait 0.18 µm CMOS teknoloji parametreleri kullanılmıştır. Önerilen devrelerin serimleri (layout) Cadence Virtuoso Layout Editor ile yapılmıştır.

Low-voltage and low-power analog and digital circuits are needed to realize battery-optimized, reliable and low-cost electronic devices for many applications. Example applications include remote environmental monitoring, medical diagnostics and consumer products. The need for design techniques to allow circuits to maintain an acceptable level of performance when the supply voltages are decreased is immense.This work is focused on the issues associated with the novel design techniques of current-mode circuits for the applications which require low-power consumption. Firstly, different types of building blocks suitable for low-voltage and low-power operation are proposed, designed and simulated. Then, these building blocks are used to implement current-mode active elements such as current differencing buffered amplifiers (CDBA), operational transresistance amplifiers (OTRA) and current differencing transconductance amplifiers (CDTA). Finally, various analog filters are designed by using the proposed active elements in order to demonstrate the efficiency and usefulness of the proposed circuits. HSPICE tool along with UMC 0.18 µm twin-well CMOS technology is used in this work for schematic capture, simulation and measuring the noise performance. The proposed circuits are translated to their corresponding layouts using Cadence Virtuoso Layout Editor.