Compact quadrature oscillator with voltage and current outputs using only single VDTA and grounded capacitors

A possible design of the compact sinusoidal quadrature oscillator using single voltage differencing transconductance amplifier (VDTA) and only two grounded capacitors has been presented. The presented quadrature oscillator provides the following attractive properties: (i) canonic form and resistor less structure; (ii) availability of the explicit quadrature voltage outputs and current outputs; (iii) electronic controllability of the oscillation frequency (ω0); and (iv) low active and passive sensitivities. To support the validity of the oscillator, PSPICE simulation results have also been provided

MOSFET zero-temperature-coefficient (ZTC) effect modeling anda analysis for low thermal sensitivity analog applications

Continuing scaling of Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technologies brings more integration and consequently temperature variation has become more aggressive into a single die. Besides, depending on the application, room ambient temperature may also vary. Therefore, procedures to decrease thermal dependencies of eletronic circuit performances become an important issue to include in both digital and analog Integrated Circuits (IC) design flow. The main purpose of this thesis is to present a design methodology for a typical CMOS Analog design flow to make circuits as insensitivity as possible to temperature variation. MOSFET Zero Temperature Coefficient (ZTC) and Transconductance Zero Temperature Coefficient (GZTC) bias points are modeled to support it. These are used as reference to deliver a set of equations that explains to analog designers how temperature will change transistor operation and hence the analog circuit behavior. The special bias conditions are analyzed using a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion, and both are proven to occur always from moderate to strong inversion operation in any CMOS fabrication process. Some circuits are designed using proposed methodology: two new ZTC-based current references, two new ZTC-based voltage references and four classical Gm-C circuits biased at GZTC bias point (or defined here as GZTC-C filters). The first current reference is a Self-biased CMOS Current Reference (ZSBCR), which generates a current reference of 5 A. It is designed in an 180 nm process, operating with a supply voltage from 1.4V to 1.8 V and occupying around 0:010mm2 of silicon area. From circuit simulations the reference shows an effective temperature coefficient (TCeff ) of 15 ppm/oC from 45 to +85oC, and a fabrication process sensitivity of = = 4:5%, including average process and local mismatch. Simulated power supply sensitivity is estimated around 1%/V. The second proposed current reference is a Resistorless Self-Biased ZTC Switched Capacitor Current Reference (ZSCCR). It is also designed in an 180 nm process, resulting a reference current of 5.88 A under a supply voltage of 1.8 V, and occupying a silicon area around 0:010mm2. Results from circuit simulation show an TCeff of 60 ppm/oC from -45 to +85 oC and a power consumption of 63 W. The first proposed voltage reference is an EMI Resisting MOSFET-Only Voltage Reference (EMIVR), which generates a voltage reference of 395 mV. The circuit is designed in a 130 nm process, occupying around 0.0075 mm2 of silicon area while consuming just 10.3 W. Post-layout simulations present a TCeff of 146 ppm/oC, for a temperature range from 55 to +125oC. An EMI source of 4 dBm (1 Vpp amplitude) injected into the power supply of circuit, according to Direct Power Injection (DPI) specification results in a maximum DC Shift and Peak-to-Peak ripple of -1.7 % and 35.8m Vpp, respectively. The second proposed voltage reference is a 0.5V Schottky-based Voltage Reference (SBVR). It provides three voltage reference outputs, each one utilizing different threshold voltage MOSFETs (standard-VT , low-VT , and zero-VT ), all available in adopted 130 nm CMOS process. This design results in three different and very low reference voltages: 312, 237, and 51 mV, presenting a TCeff of 214, 372, and 953 ppm/oC in a temperature range from -55 to 125oC, respectively. It occupies around 0.014 mm2 of silicon area for a total power consumption of 5.9 W. Lastly, a few example Gm-C circuits are designed using GZTC technique: a single-ended resistor emulator, an impedance inverter, a first order and a second order filter. These circuits are simulated in a 130 nm CMOS commercial process, resulting improved thermal stability in the main performance parameters, in the range from 27 to 53 ppm/°C.A contínua miniaturização das tecnologias CMOS oferece maior capacidade de integração e, consequentemente, as variações de temperatura dentro de uma pastilha de silício têm se apresentado cada vez mais agressivas. Ademais, dependendo da aplicação, a temperatura ambiente a qual o CHIP está inserido pode variar. Dessa maneira, procedimentos para diminuir o impacto dessas variações no desempenho do circuito são imprescindíveis. Tais métodos devem ser incluídos em ambos fluxos de projeto CMOS, analógico e digital, de maneira que o desempenho do sistema se mantenha estável quando a temperatura oscilar. A ideia principal desta dissertação é propor uma metodologia de projeto CMOS analógico que possibilite circuitos com baixa dependência térmica. Como base fundamental desta metodologia, o efeito de coeficiente térmico nulo no ponto de polarização da corrente de dreno (ZTC) e da transcondutância (GZTC) do MOSFET são analisados e modelados. Tal modelamento é responsável por entregar ao projetista analógico um conjunto de equações que esclarecem como a temperatura influencia o comportamento do transistor e, portanto, o comportamento do circuito. Essas condições especiais de polarização são analisadas usando um modelo de MOSFET que é contínuo da inversão fraca para forte. Além disso, é mostrado que as duas condições ocorrem em inversão moderada para forte em qualquer processo CMOS. Algumas aplicações são projetadas usando a metodologia proposta: duas referências de corrente baseadas em ZTC, duas referências de tensão baseadas em ZTC, e quatro circuitos gm-C polarizados em GZTC. A primeira referência de corrente é uma Corrente de Referência CMOS Auto-Polarizada (ZSBCR), que gera uma referência de 5uA. Projetada em CMOS 180 nm, a referência opera com uma tensão de alimentação de 1.4 à 1.8 V, ocupando uma área em torno de 0:010mm2. Segundo as simulações, o circuito apresenta um coeficiente de temperatura efetivo (TCeff ) de 15 ppm/oC para -45 à +85 oC e uma sensibilidade à variação de processo de = = 4:5% incluindo efeitos de variabilidade dos tipos processo e descasamento local. A sensibilidade de linha encontrada nas simulações é de 1%=V . A segunda referência de corrente proposta é uma Corrente de Referência Sem Resistor Auto-Polarizada com Capacitor Chaveado (ZSCCR). O circuito é projetado também em 180 nm, resultando em uma corrente de referência de 5.88 A, para uma tensão de alimentação de 1.8 V, e ocupando uma área de 0:010mm2. Resultados de simulações mostram um TCeff de 60 ppm/oC para um intervalo de temperatura de -45 à +85 oC e um consumo de potência de 63 W. A primeira referência de tensão proposta é uma Referência de Tensão resistente à pertubações eletromagnéticas contendo apenas MOSFETs (EMIVR), a qual gera um valor de referência de 395 mV. O circuito é projetado no processo CMOS 130 nm, ocupando em torno de 0.0075 mm2 de área de silício, e consumindo apenas 10.3 W. Simulações pós-leiaute apresentam um TCeff de 146 ppm/oC, para um intervalo de temperatura de 55 à +125oC. Uma fonte EMI de 4 dBm (1 Vpp de amplitude) aplicada na alimentação do circuito, de acordo com o padrão Direct Power Injection (DPI), resulta em um máximo de desvio DC e ondulação Pico-à-Pico de -1.7 % e 35.8m Vpp, respectivamente. A segunda referência de tensão é uma Tensão de Referência baseada em diodo Schottky com 0.5V de alimentação (SBVR). Ela gera três saídas, cada uma utilizando MOSFETs com diferentes tensões de limiar (standard-VT , low-VT , e zero-VT ). Todos disponíveis no processo adotado CMOS 130 nm. Este projeto resulta em três diferentes voltages de referências: 312, 237, e 51 mV, apresentando um TCeff de 214, 372, e 953 ppm/oC no intervalo de temperatura de -55 à 125oC, respectivamente. O circuito ocupa em torno de 0.014 mm2, consumindo um total de 5.9 W. Por último, circuitos gm-C são projetados usando o conceito GZTC: um emulador de resistor, um inversor de impedância, um filtro de primeira ordem e um filtro de segunda ordem. Os circuitos também são simulados no processo CMOS 130 nm, resultando em uma melhora na estabilidade térmica dos seus principais parâmetros, indo de 27 à 53 ppm/°C

CMOS analog-digital circuit components for low power applications

Dissertação de mestrado em Micro and NanoelectronicsThis dissertation presents a study in the area of mixed analog/digital CMOS power extraction circuits for energy harvester. The main contribution of this work is the realization of low power consumption and high efficient circuit components employable in a management circuit for piezoelectricbased energy harvester. This thesis focuses on the development of current references and operational amplifiers addressing low power demands. A brief literature review is conducted on the components necessary for the power extraction circuit, including introduction to CMOS technology design and research of known low power circuits. It is presented with multiple implementations for voltage and current references, as well for operational amplifier designs. A self-biased current reference, capable of driving the remaining harvesting circuit, is designed and verified. A novel operational amplifier is proposed by the use of a minimum current selector circuit topology. It is a three-stage amplifier with an AB class output stage, comprised by a translinear circuit. The circuit is designed, taking into consideration noise reduction. The circuit components are designed based on the 0.35mm CMOS technology. A physical layout is developed for fabrication purposes. This technology was chosen with consideration of robustness, costliness and performance. The current reference is capable of outputting a stable 12nA current, which may remain stable in a broad range of power supply voltages with a minimum voltage of 1.6V. The operational amplifier operates correctly at voltages as low as 1.5V. The amplifier power consumption is extremely low, around 8mW, with an optimal quiescent current and minimum current preservation in the output stage.A principal contribuição desta dissertação é a implementação de circuitos integrados de muito baixo consumo e alta eficiência, prontos a ser implementados num circuito de extração de energia com base num elemento piezoelétrico. Esta tese foca-se no desenvolvimento de um circuito de referência de corrente e um amplificador operacional com baixa exigência de consumo. Uma revisão da literatura é realizada, incluindo introdução à tecnologia Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS), e implementação de conhecidos circuitos de baixo consumo. Várias implementações de referência de tensão e corrente são consideradas, e amplificadores operacionais também. Uma referência de corrente auto polarizada com extremo baixo consumo é desenvolvida e verificada. Um amplificador operacional original é proposto com uma topologia de seleção de corrente mínima. Este circuito é constituído por três estágios, com um estágio de saída de classe AB, e um circuito translinear. O circuito tem em consideração redução de ruído na sua implementação. Os circuitos são desenvolvidos com base na tecnologia 0.35mm CMOS. Uma layout foi também desenhada com o propósito de fabricação. A tecnologia foi escolhida tendo em conta o seu custo versus desempenho. A referência de corrente produz uma corrente de 12nA, permanecendo estável para tensões de alimentação de variáveis, com uma tensão mínima de 1.6V. O circuito mostra um coeficiente de temperatura satisfatório. O amplificador operacional funciona com tensão de alimentação mínima de 1.5V, com um consumo baixo de 8mW, com uma corrente mínima mantida no estágio de saída

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

Operational Trans-Resistance Amplifier Based Tunable Wave Active Filter

In this paper, Operational Trans-Resistance Amplifier (OTRA) based wave active filter structures are presented. They are flexible and modular, making them suitable to implement higher order filters. The circuits implement the resistors using matched transistors, operating in linear region, making them well suited for IC fabrication. They are insensitive to parasitic input capacitances and input resistances due to the internally grounded input terminals of OTRA. As an application, a doubly terminated third order Butterworth low pass filter has been implemented, by substituting OTRA based wave equivalents of passive elements. PSPICE simulations are given to verify the theoretical analysis

메모리 인터페이스를 위한 멀티 레벨 단일 종단 송신기 설계

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2020. 8. 김수환.본 연구에서 메모리 인터페이스를 위한 멀티 레벨 송신기가 제시되었다. 프로세서와 메모리 간의 성능 차이가 매년 계속 증가함에 따라, 메모리는 전체 시스템의 병목점이 되고있다. 우리는 메모리 대역폭을 늘리기 위해 PAM-4 단일 종단 송신기를 제안하였고, 멀티 랭크 메모리를 위한 duobinary 단일 종단 송신기를 제안하였다. 제안된 PAM-4 송신기의 드라이버는 높은 선형성과 임피던스 정합을 동시에 만족한다. 또한 저항이나 인덕터를 사용하지 않아 작은 면적을 차지한다. 제안된 ZQ 캘리브레이션은 세개의 교정 점을 가지고 있어 송신기가 정확한 임피던스와 선형적인 출력을 갖게 한다. 프로토 타입은 65nm CMOS 공정으로 제작되었고 송신기는 0.0333mm2의 면적을 차지한다. 측정된 28Gb/s에서의 eye는 18.3ps의 길이와 42.4mV의 높이를 갖고, 에너지 효율은 0.64pJ/bit이다. ZQ 캘리브레이션과 함께 측정된 RLM은 0.993이다. 메모리의 용량을 늘리기 위해 하나의 패키지에 여러 개의 DRAM 다이를 수직으로 쌓는 패키징은 메모리의 중앙 패드 구조와 결합되어 짧은 반사를 야기하는 스텁을 만든다. 우리는 이 문제를 완화하기위해 반사 기반 duobinary 송신기를 제안했다. 이 송신기는 반사를 이용하여 duobinary signaling을 한다. 2탭 반대 강조 기술과 슬루 레이트 조절 기술이 신호 완결성을 높이기 위해 사용되었다. NRZ eye가 없는 10Gb/s에서 측정된 duobinary eye는 63.6ps 길이와 70.8mV의 높이를 갖는다. 측정된 에너지 효율은 1.38pJ/bit이다.Multi-level transmitters for memory interfaces have been presented. The performance gap between processor and memory has been increased by 50% every year, making memory to be a bottle neck of the overall system. To increase memory bandwidth, we have proposed a PAM-4 single-ended transmitter. To compensate for the side effect of the multi-rank memory, we have proposed a reflection-based duobinary transmitter. The proposed PAM-4 transmitter has the driver, which simultaneously satisfies impedance matching and high linearity. The driver occupies a small area due to a resistorless and inductorless structure. The proposed ZQ calibration for PAM-4 has three calibration points, which allow the transmitter to have accurate impedance and linear output. The ZQ calibration considers impedance variation of both the driver and the receiver. A prototype has been fabricated in 65nm CMOS process, and the transmitter occupies 0.0333mm2. The measured eye has a width of 18.3ps and a height of 42.4mV at 28Gb/s, and the measured energy efficiency is 0.64pJ/b. The measured RLM with the 3-point ZQ calibration is 0.993. To increase memory density, the stacked die packaging with multiple DRAM die stacked vertically in one package is widely used. However, combined with the center-pad structure, the structure creates stubs that cause short reflections. We have proposed the reflection-based duobinary transmitter to mitigate this problem. The proposed transmitter uses reflection for duobinary signaling. The 2-tap opposite FFE and the slew-rate control are used to increase signal integrity. The measured duobinary eye at 10Gb/s has a width of 63.6ps and a height of 70.8mV while there is no NRZ eye opening. The measured energy efficiency is 1.38pJ/bit.CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 MOTIVATION 1 1.2 THESIS ORGANIZATION 8 CHAPTER 2 MUTI-LEVEL SIGNALING 9 2.1 PAM-4 SIGNALING 9 2.2 DESIGN CONSIDERATIONS FOR PAM-4 TRANSMITTER 16 2.2.1 LEVEL SEPARATION MISMATCH RATIO (RLM) 17 2.2.2 IMPEDANCE MATCHING 19 2.2.3 PRIOR ARTS 21 2.3 DUOBINARY SIGNALING 24 CHAPTER 3 HIGH-LINEARITY AND IMPEDANCE-MATCHED PAM-4 TRANSMITTER 30 3.1 OVERALL ARCHITECTURE 31 3.2 SINGLE-ENDED IMPEDANCE-MATCHED PAM-4 DRIVER 33 3.3 3-POINT ZQ CALIBRATION FOR PAM-4 47 CHAPTER 4 REFLECTION-BASED DUOBINARY TRANSMITTER 57 4.1 BIDIRECTIONAL DUAL-RANK MEMORY SYSTEM 58 4.2 CONCEPT OF REFLECTION-BASED DUOBINARY SIGNALING 66 4.3 REFLECTION-BASED DUOBINARY TRANSMITTER 70 4.3.1 OVERALL ARCHITECTURE 70 4.3.2 EQUALIZATION FOR REFLECTION-BASED DUOBINARY SIGNALING 72 4.3.3 2D BINARY-SEGMENTED DRIVER 75 CHAPTER 5 EXPERIMENTAL RESULTS 77 5.1 HIGH-LINEARITY AND IMPEDANCE-MATCHED PAM-4 TRANSMITTER 77 5.2 REFLECTION-BASED DUOBINARY TRANSMITTER 84 CHAPTER 6 92 CONCLUSION 92 BIBLIOGRAPHY 94Docto

Design of ultra-low-voltage and ultra-low-power analog integrated circuits

埼玉工業大学201

Development of a Sensor Readout Integrated Circuit Towards a Contact Lens for Wireless Intraocular Pressure Monitoring

This design covers the design of an integrated circuit (IC) in support of the active contact lens project at Cal Poly. The project aims to monitor intraocular eye pressure (IOP) to help diagnose and treat glaucoma, which is expected affect 6.3 million Americans by 2050. The IC is designed using IBM’s 130 nm 8RF process, is powered by an on-lens thin film 3.8 V rechargeable battery, and will be fabricated at no cost through MOSIS. The IC features a low-power linear regulator that powers a current-starved voltage-controlled oscillator (CSVCO) used for establishing a backscatter communication link. Additional circuitry is included to regulate power to and from the battery. An undervoltage lockout circuit protects the battery from deep discharge damage. When recharging, a rectifier and a voltage regulator provides overvoltage protection. These circuit blocks are biased primarily using a 696 mV subthreshold voltage reference that consumes 110.5 nA