Subthreshold design of ultra low-power analog modules

Il consumo di potenza rappresenta l’indicatore chiave delle performance di recenti applicazioni portatili, come dispositivi medici impiantabili o tag RFID passivi, allo scopo di aumentare, rispettivamente, i tempi di funzionamento o i range operativi. La riduzione della tensione di alimentazione si è dimostrata l’approccio migliore per ridurre il consumo di potenza dei sistemi digitali integrati. Al fine di tenere il passo con la riduzione delle tensioni di alimentazione, anche le sezioni analogiche dei sistemi mixed signal devono essere in grado di funzionare con livelli di tensione molto bassi. Di conseguenza, sono richieste nuove metodologie di progettazione analogica e configurazioni circuitali innovative in grado di lavorare con tensioni di alimentazioni bassissime, dissipando una potenza estremamente bassa. Il regime di funzionamento sottosoglia consente di ridurre notevolmente le tensioni applicabili ai dispositivi ed si contraddistingue per i livelli di corrente molto bassi, rispetto al ben noto funzionamento in forte inversione. Queste due caratteristiche sono state sfruttate nella realizzazione di moduli analogici di base ultra low voltage, low power. Tre nuove architetture di riferimenti di tensione, che lavorano con tutti i transistor polarizzati in regime sottosoglia, sono stati fabbricati in tecnologia CMOS 0.18 μm. I tre circuiti si basano sullo stesso principio di funzionamento per compensare gli effetti della variazione della temperatura sulla tensione di riferimento generata. Tramite il principio di funzionamento proposto, la tensione di riferimento può essere approssimata con la differenza delle tensioni di soglia, a temperatura ambiente, dei transistor. Misure sperimentali sono state effettuate su set con più di 30 campioni per ogni configurazione circuitale. Una dettagliata analisi statistica ha dimostrato un consumo medio di potenza che va da pochi nano watt a poche decine di nano watt, mentre la minima tensione di alimentazione, raggiunta da una delle tre configurazioni, è di soli 0.45 V. Le tensioni di riferimento generate sono molto precise rispetto alle variazioni della temperatura e della tensione di alimentazione, infatti sono stati ottenuti coefficienti di temperatura e line sensitivity medi a partire rispettivamente da 165 ppm/°C e 0.065 %/V. Inoltre, è stata trattata anche la progettazione di amplificatori ultra low voltage, low power. Sono state illustrate linee guida dettagliate per la progettazione di amplificatori sottosoglia e le stesse sono state applicate per la realizzazione di un amplificatore a due stadi, con compensazione di Miller, funzionante con una tensione di alimentazione di 0.5 V. I risultati sperimentali dell’op amp proposto, fabbricato in tecnologia CMOS 0.18 μm, hanno mostrato un guadagno DC ad anello aperto di 70 dB, un prodotto banda guadagno di 18 kHz ed un consumo di potenza di soli 75 nW. I risultati delle misure sperimentali dimostrano che gli amplificatori operazionali in sottosoglia rappresentano una soluzione molto interessante nella realizzazione di applicazioni efficienti in termini energetici per gli attuali sistemi elettronici portatili. Dal confronto con amplificatori ultra low power, low voltage presenti in letteratura, si evince che la soluzione proposta offre un miglior compromesso tra velocità, potenza dissipata e capacità di carico

Variability-aware design of CMOS nanopower reference circuits

Questo lavoro è inserito nell'ambito della progettazione di circuiti microelettronici analogici con l'uso di tecnologie scalate, per le quali ha sempre maggiore importanza il problema della sensibilità delle grandezze alle variazioni di processo. Viene affrontata la progettazione di generatori di quantità di riferimento molto precisi, basati sull’uso di dispositivi che sono disponibili anche in tecnologie CMOS standard e che sono “intrinsecamente” più robusti rispetto alle variazioni di processo. Questo ha permesso di ottenere una bassa sensibilità al processo insieme ad un consumo di potenza estremamente ridotto, con il principale svantaggio di una elevata occupazione di area. Tutti i risultati sono stati ottenuti in una tecnologia 0.18μm CMOS. In particolare, abbiamo progettato un riferimento di tensione, ottenendo una deviazione standard relativa della tensione di riferimento dello 0.18% e un consumo di potenza inferiore a 70 nW, sulla base di misure su un set di 20 campioni di un singolo batch. Sono anche disponibili risultati relativi alla variabilità inter batch, che mostrano una deviazione standard relativa cumulativa della tensione di riferimento dello 0.35%. Abbiamo quindi progettato un riferimento di corrente, ottenendo anche in questo caso una sensibilità al processo della corrente di riferimento dell’1.4% con un consumo di potenza inferiore a 300 nW (questi sono risultati sperimentali ottenuti dalle misure su 20 campioni di un singolo batch). I riferimenti di tensione e di corrente proposti sono stati quindi utilizzati per la progettazione di un oscillatore a rilassamento a bassa frequenza, che unisce una ridotta sensibilità al processo, inferiore al 2%, con un basso consumo di potenza, circa 300 nW, ottenuto sulla base di simulazioni circuitali. Infine, nella progettazione dei blocchi sopra menzionati, abbiamo applicato un metodo per la determinazione della stabilità dei punti di riposo, basato sull’uso dei CAD standard utilizzati per la progettazione microelettronica. Questo approccio ci ha permesso di determinare la stabilità dei punti di riposo desiderati, e ci ha anche permesso di stabilire che i circuiti di start up spesso non sono necessari

In Situ Automatic Analog Circuit Calibration and Optimization

As semiconductor technology scales down, the variations of active/passive device characteristics after fabrication are getting more and more significant. As a result, many circuits need more accuracy margin to meet minimum accuracy specifications over huge process-voltage-temperature (PVT) variations. Although, overdesigning a circuit is sometimes not a feasible option because of excessive accuracy margin that requires high power consumption and large area. Consequently, calibration/tuning circuits that can automatically detect and compensate the variations have been researched for analog circuits to make better trade-offs among accuracy, power consumption, and area. The first part of this dissertation shows that a newly proposed in situ calibration circuit for a current reference can relax the sharp trade-off between the temperature coefficient accuracy and the power consumption of the current reference. Prototype chips fabricated in a 180 nm CMOS technology generate 1 nA and achieve an average temperature coefficient of 289 ppm/°C and an average line sensitivity of 1.4 %/V with no help from a multiple-temperature trimming. Compared with other state-of-the-art current references that do not need a multiple-temperature trimming, the proposed circuit consumes at least 74% less power, while maintaining similar or higher accuracy. The second part of this dissertation proves that a newly proposed multidimensional in situ analog circuit optimization platform can optimize a Tow-Thomas bandpass biquad. Unlike conventional calibration/tuning approaches, which only handle one or two frequency-domain characteristics, the proposed platform optimizes the power consumption, frequency-, and time-domain characteristics of the biquad to make a better trade-off between the accuracy and the power consumption of the biquad. Simulation results show that this platform reduces the gain-bandwidth product of op-amps in the biquad by 80% while reducing the standard deviations of frequency- and time-domain characteristics by 82%. Measurement results of a prototype chip fabricated in a 180 nm CMOS technology also show that this platform can save maximum 71% of the power consumption of the biquad while the biquad maintains its frequency-domain characteristics: Q, ωO and the gain at ωO