An Ultra-Low-Power Oscillator with Temperature and Process Compensation for UHF RFID Transponder

This paper presents a 1.28MHz ultra-low-power oscillator with temperature and process compensation. It is very suitable for clock generation circuits used in ultra-high-frequency (UHF) radio-frequency identification (RFID) transponders. Detailed analysis of the oscillator design, including process and temperature compensation techniques are discussed. The circuit is designed using TSMC 0.18μm standard CMOS process and simulated with Spectre. Simulation results show that, without post-fabrication calibration or off-chip components, less than ±3% frequency variation is obtained from –40 to 85°C in three different process corners. Monte Carlo simulations have also been performed, and demonstrate a 3σ deviation of about 6%. The power for the proposed circuitry is only 1.18µW at 27°C

Analysis of total ionizing dose effects on 0.13 µm technology-temperature-compensated voltage references

ABSTRACT: The purpose of this work is to briefly discuss the effects of the total ionizing dose (TID) on MOS devices in order to estimate the results of future irradiation tests on temperature-compensated voltage references that are implemented on a mixed-signal chip fabricated using IBM 0.13 µm technology. The analysis will mainly focus on the effects of the parametric variations on different voltage references. Monte-Carlo analyses were performed in order to determine the effects of threshold voltage shifts in each transistor on the output voltage

Near-Zero-Power Temperature Sensing via Tunneling Currents Through Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistors.

Temperature sensors are routinely found in devices used to monitor the environment, the human body, industrial equipment, and beyond. In many such applications, the energy available from batteries or the power available from energy harvesters is extremely limited due to limited available volume, and thus the power consumption of sensing should be minimized in order to maximize operational lifetime. Here we present a new method to transduce and digitize temperature at very low power levels. Specifically, two pA current references are generated via small tunneling-current metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) that are independent and proportional to temperature, respectively, which are then used to charge digitally-controllable banks of metal-insulator-metal (MIM) capacitors that, via a discrete-time feedback loop that equalizes charging time, digitize temperature directly. The proposed temperature sensor was integrated into a silicon microchip and occupied 0.15 mm2 of area. Four tested microchips were measured to consume only 113 pW with a resolution of 0.21 °C and an inaccuracy of ±1.65 °C, which represents a 628× reduction in power compared to prior-art without a significant reduction in performance

A Sub-kT/q Voltage Reference Operating at 150 mV

We propose a subthreshold CMOS voltage reference operating with a minimum supply voltage of only 150 mV, which is three times lower than the minimum value presently reported in the literature. The generated reference voltage is only 17.69 mV. This result has been achieved by introducing a temperature compensation technique that does not require the drain-source voltage of each MOSFET to be larger than 4kT/q. The implemented solution consists in two transistors voltage reference with two MOSFETs of the same threshold-type and exploits the dependence of the threshold voltage on transistor size. Measurements performed over a large sample population of 60 chips from two separate batches show a standard deviation of only 0.29 mV. The mean variation of the reference voltage for VDD ranging from 0.15 to 1.8 V is 359.5 μV/V, whereas the mean variation of VREF in the temperature range from 0°C to 120°C is 26.74 μV/°C. The mean power consumption at 25 °C for VDD = 0.15 V is 26.1 pW. The occupied area is 1200 μm2

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

RF Power Transfer, Energy Harvesting, and Power Management Strategies

Energy harvesting is the way to capture green energy. This can be thought of as a recycling process where energy is converted from one form (here, non-electrical) to another (here, electrical). This is done on the large energy scale as well as low energy scale. The former can enable sustainable operation of facilities, while the latter can have a significant impact on the problems of energy constrained portable applications. Different energy sources can be complementary to one another and combining multiple-source is of great importance. In particular, RF energy harvesting is a natural choice for the portable applications. There are many advantages, such as cordless operation and light-weight. Moreover, the needed infra-structure can possibly be incorporated with wearable and portable devices. RF energy harvesting is an enabling key player for Internet of Things technology. The RF energy harvesting systems consist of external antennas, LC matching networks, RF rectifiers for ac to dc conversion, and sometimes power management. Moreover, combining different energy harvesting sources is essential for robustness and sustainability. Wireless power transfer has recently been applied for battery charging of portable devices. This charging process impacts the daily experience of every human who uses electronic applications. Instead of having many types of cumbersome cords and many different standards while the users are responsible to connect periodically to ac outlets, the new approach is to have the transmitters ready in the near region and can transfer power wirelessly to the devices whenever needed. Wireless power transfer consists of a dc to ac conversion transmitter, coupled inductors between transmitter and receiver, and an ac to dc conversion receiver. Alternative far field operation is still tested for health issues. So, the focus in this study is on near field. The goals of this study are to investigate the possibilities of RF energy harvesting from various sources in the far field, dc energy combining, wireless power transfer in the near field, the underlying power management strategies, and the integration on silicon. This integration is the ultimate goal for cheap solutions to enable the technology for broader use. All systems were designed, implemented and tested to demonstrate proof-of concept prototypes

Nano-Watt Modular Integrated Circuits for Wireless Neural Interface.

In this work, a nano-watt modular neural interface circuit is proposed for ECoG neuroprosthetics. The main purposes of this work are threefold: (1) optimizing the power-performance of the neural interface circuits based on ECoG signal characteristics, (2) equipping a stimulation capability, and (3) providing a modular system solution to expand functionality. To achieve these aims, the proposed system introduces the following contributions/innovations: (1) power-noise optimization based on the ECoG signal driven analysis, (2) extreme low-power analog front-ends, (3) Manchester clock-edge modulation clock data recovery, (4) power-efficient data compression, (5) integrated stimulator with fully programmable waveform, (6) wireless signal transmission through skin, and (7) modular expandable design. Towards these challenges and contributions, three different ECoG neural interface systems, ENI-1, ENI-16, and ENI-32, have been designed, fabricated, and tested. The first ENI system(ENI-1) is a one-channel analog front-end and fabricated in a 0.25µm CMOS process with chopper stabilized pseudo open-loop preamplifier and area-efficient SAR ADC. The measured channel power, noise and area are 1.68µW at 2.5V power-supply, 1.69µVrms (NEF=2.43), and 0.0694mm^2, respectively. The fabricated IC is packaged with customized miniaturized package. In-vivo human EEG is successfully measured with the fabricated ENI-1-IC. To demonstrate a system expandability and wireless link, ENI-16 IC is fabricated in 0.25µm CMOS process and has sixteen channels with a push-pull preamplifier, asynchronous SAR ADC, and intra-skin communication(ISCOM) which is a new way of transmitting the signal through skin. The measured channel power, noise and area are 780nW, 4.26µVrms (NEF=5.2), and 2.88mm^2, respectively. With the fabricated ENI-16-IC, in-vivo epidural ECoG from monkey is successfully measured. As a closed-loop system, ENI-32 focuses on optimizing the power performance based on a bio-signal property and integrating stimulator. ENI-32 is fabricated in 0.18µm CMOS process and has thirty-two recording channels and four stimulation channels with a cyclic preamplifier, data compression, asymmetric wireless transceiver (Tx/Rx). The measured channel power, noise and area are 140nW (680nW including ISCOM), 3.26µVrms (NEF=1.6), and 5.76mm^2, respectively. The ENI-32 achieves an order of magnitude power reduction while maintaining the system performance. The proposed nano-watt ENI-32 can be the first practical wireless closed-loop solution with a practically miniaturized implantable device.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/98064/1/schang_1.pd