Συντάχθηκε 16-07-2026 14:03
Τόπος:
Σύνδεσμος τηλεδιάσκεψης
Έναρξη: 21/07/2026 11:00
Λήξη: 21/07/2026 12:00
ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Πρόγραμμα Προπτυχιακών Σπουδών
ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
Γεωργίου – Κωνσταντίνου Καραλή
με θέμα
Σχεδίαση Κυκλωμάτων Αναφοράς Ρεύματος Ακριβείας Χαμηλής Κατανάλωσης με χρήση Τεχνολογίας ΙΗΡ 130nm CMOS Open-Source Process Design Kit (PDK)
Design of Precision Low-Power Current Reference Circuits using ΙΗΡ 130nm CMOS Open-Source Process Design Kit (PDK)
Εξεταστική Επιτροπή
Καθηγητής Matthias Bucher (επιβλέπων)
Καθηγητής Κωνσταντίνος Μπάλας
Δρ. Νικόλαος Φασαράκης
Περίληψη
Η παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσει μια πλήρη μεθοδολογία σχεδίασης κυκλωμάτων αναφοράς ρεύματος ακριβείας και χαμηλής κατανάλωσης, από τη φυσική της διάταξης έως την επαλήθευση του κυκλώματος. Η υλοποίηση πραγματοποιείται στην τεχνολογία CMOS 130 nm IHP SG13G2, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά εργαλεία ανοικτού κώδικα (το PDK, το xschem και τον προσομοιωτή NGSPICE). Βασικός πυλώνας της προσέγγισης είναι το μοντέλο EKV, το οποίο επιτρέπει τη σχεδίαση με άξονα το ειδικό ρεύμα (Ispec) και την περιοχή λειτουργίας του MOSFET. Η έρευνα εξελίσσεται ποιοτικά σε τρία αλληλένδετα στάδια.
Αρχικά, εξάγονται οι παράμετροι του μοντέλου EKV σε ένα ευρύ φάσμα γεωμετριών και θερμοκρασιών, δημιουργώντας ένα ολοκληρωμένο αποθετήριο δεδομένων. Στη συνέχεια, τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιούνται για τον χαρακτηρισμό θεμελιωδών κυκλωματικών δομών, όπως οι καθρέπτες ρεύματος και οι κλασικές αναφορές Vittoz–Fellrath. Μέσα από αυτή τη διαδικασία, επιβεβαιώνονται οι θεωρητικοί νόμοι λειτουργίας και εντοπίζονται οι μη ιδανικότητες που αλλοιώνουν την ακρίβεια στην πράξη, όπως η ασυμμετρία των τάσεων υποδοχής. Ως τελικό επίτευγμα, η εργασία συνθέτει τα παραπάνω ευρήματα σχεδιάζοντας τον Εξαγωγέα Ειδικού Ρεύματος (Specific Current Extractor, SCE), ένα αυτο-πολωμένο κύκλωμα χωρίς παθητικές αντιστάσεις. Το κύκλωμα παράγει ρεύμα εξόδου που ακολουθεί πιστά το ειδικό ρεύμα του τρανζίστορ βάσει ενός καθαρού θεωρητικού νόμου, χωρίς την ανάγκη εμπειρικής προσαρμογής. Συνολικά, η διπλωματική αποστάζει πρακτικούς και μεταφέρσιμους κανόνες, αποδεικνύοντας ότι η αναλογική σχεδίαση ακριβείας μπορεί να παραχθεί αξιόπιστα από τη θεωρία έως το τελικό κύκλωμα, αξιοποιώντας πλήρως ελεύθερα διαθέσιμες τεχνολογίες.
Abstract
This thesis develops a complete design methodology for precision, low-power current reference circuits, from device physics to circuit verification. The implementation is carried out in the 130 nm IHP SG13G2 CMOS technology, exclusively utilizing open-source tools (the PDK, xschem, and the NGSPICE simulator). The foundational pillar of this approach is the EKV model, which enables design centered around the specific current (Ispec) and the MOSFET’s region of operation. The research unfolds in three interconnected stages.
Initially, the EKV model parameters are extracted across a wide range of geometries and temperatures, creating a comprehensive data repository. Subsequently, these data are used to characterize fundamental circuit structures, such as current mirrors and classic Vittoz–Fellrath references. Through this process, the theoretical laws of operation are confirmed, and non-idealities that degrade practical accuracy—such as drain voltage asymmetry—are identified. As a final achievement, the work synthesizes these findings by designing the Specific Current Extractor (SCE), a self-biased circuit free of passive resistors. The circuit generates an output current that faithfully tracks the transistor’s specific current based on a pure theoretical law, without the need for empirical fitting. Overall, the thesis distills practical, transferable design rules, demonstrating that precision analog design can be reliably executed from theory to the final verified circuit, fully leveraging freely available technologies.
