Design of an RC Oscillator for Automotive Applications

Tato práce je zaměřena na návrh integrovaného relaxačního oscilátoru pro automobilové aplikace, které jsou charakteristické extrémními provozními podmínkami a vysokými požadavky na robustnost. Z dostupné literatury byla provedena rešerše, která umožnila postihnout nezbytný teoretický základ pro komparativní studii nedávno představených designů integrovaných oscilátorů a také pomohla navrhnout architekturu oscilátoru, která v implementaci zahrnuje princip IEF. Za účelem předpovězení negativních vlivů na výkon systému a optimálních parametrů bloků byly provedeny simulace vysokoúrovňového modelu. V práci je diskutována implementace jednotlivých bloků a prezentovány výsledky simulace kritických parametrů. Simulace navrženého oscilátoru prokázaly konzistenci konceptu IEF pro praktickou realizaci. Realizovaný systém však potřebuje další vylepšení.The thesis is aimed on the integrated relaxation oscillator design for automotive applications, that are characterized by harsh operation conditions and high robustness requirements. Literature research was conducted to acquire necessary theoretical basis for comparative study of the recently proposed integrated oscillator designs to choose the oscillator architecture utilizing integrated-error feedback for the implementation. High-level model simulations were conducted to predict negative influences on the system performance and to suggest blocks optimal parameters for the design. The implementation of the designed blocks was discussed, and simulation results of the critical parameters were presented. The designed oscillator simulations proved the consistency of the integrated-error feedback concept for practical realization. However, the designed system needs further improvements

CMOS mobility-compensated time reference for crystal replacement

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2015.Apesar da existência de muitas alternativas para geração de base de tempo, não há ainda uma referencia de tempo totalmente integrável que possa oferecer simultaneamente alta precisão, baixa potência e custo de produção reduzido; portanto, não há uma referência de tempo ideal capaz de ter performance melhor do que os osciladores a quartzo disponíveis no mercado. O objetivo principal desse trabalho é de tentar encontrar uma solução em tecnologia CMOS de uma referencia de tempo capaz de substituir osciladores a quartzo na frequência de 32 kHz. Isso implica em projetar um oscilador de baixa potencia, alta precisão e que seja pouco sensível as variações de processo, de tensão e de temperatura. Os elementos básicos do oscilador de relaxação deste trabalho são um transistor zero-Vt que opera como resistor e uma fonte de corrente específica de transistor zero-Vt. Foi desenvolvido também um Schmitt trigger com entrada de corrente e uma fonte de corrente controlada por tensão capaz de acompanhar a variação de corrente devido as variações de processo, tensão e temperatura. As medidas do oscilador fabricados mostraram uma variação de +/- 30ppm/°C na faixa de temperatura de -20°C ate 80°C e uma variação menor do que +/- 500ppm/V para tensão de alimentação entre 0.7 V e 1.8 V. As medidas da estabilidade em frequência mostraram uma variação de +/- 500ppm para estabilidade de longo termo, e um jitter de 2 nano seconds para estabilidade curto termo.Abstract: Despite many alternatives for time generation, no CMOS fully-integrated time reference offers simultaneously high accuracy, low power consumption, and low cost, and, thus, no ideal time reference suitable to replace the xtalclockis available. The main aim of this work is to contribute to find a solution to this problem, which is to realize a low-cost, low-power CMOS time reference circuit that is insensitive to PVT (Process, Voltage, and Temperature) variations. The basic element of the relaxation oscillator is a zero-VtMOSFET that operates as a resistor and a current source which tracks the specific current of the zero-Vt transistor. The design presented here uses acurrent mode Schmitt trigger and a voltage controlled current source, which can track the current variation due to PVT variations. The frequency of oscillation, proportional to the mobility, is compensated by the thermal voltage. The proposed time reference, fabricated in a 180 nm CMOS technology has been designed for 32 kHz. Test and measurement results show a variation of +/- 30ppm/°C from -20°C to 80°C, and less than +/- 500ppm/V for a variation of the supply voltage between 0.7 V to 1.8 V. As regards frequency stability, measurements have shown a variation less than +/- 500ppm for long term stability, and an rms jitter of 2 nanoseconds (66 ppm) for short term stability

A Controllable Constant Power Generator in 0.35 μ

A CMOS controllable constant power generator based on multiplier/divider circuit is presented. It generates constant power for a wide range of the resistive loads. For the generated power of 5 mW, and the resistance range from 0.5 kΩ to 1.5 kΩ, the relative error of dissipated power is less than 0.6%. For single supply voltage of 5 V, presented controllable constant power generator generates power from 0.5 mW to 7.8 mW, for the load resistance dynamic range from 3 up to 15, while the relative error of generated power is less than 2%. The frequency bandwidth of the proposed design is up to 5 MHz. Through the detailed analysis of the loop gain, it is shown that the circuit has no stability problems

Análise e Implementação de Conversores DC-DC para uma Célula Fotovoltaica Orgânica

Acompanhando o desenvolvimento da sociedade moderna e da Internet of Things (IoT), observa-se que uma pessoa possui, em média, quatro dispositivos eletrónicos como smartphones, tablets ou gadgets [1]. Também novas tecnologias associadas às fontes de energia renováveis têm vindo a ser estudas. Como tal, verifica-se a necessidade de recolher e armazenar essa energia. Para tal, é apresentada nesta dissertação a análise e implementação de uma unidade de gestão de potência aplicada a um sistema de recolha de energia baseado em células fotovoltaicas orgânicas. Relativamente à implementação da PMU, esta foi realizada na tecnologia de circuito integrado CMOS de 0,13 μm e optimizada de quatro formas distintas. Das quatro soluções propostas, duas foram completamente integradas, enquanto que as restantes careceram da introdução componentes discretos. No processo de optimização da unidade de gestão de potência foram considerados dois graus de liberdade, a frequência de comutação do conversor DC-DC e a tensão de saída disponibilizada pela PMU. Relativamente à frequência de operação da arquitetura, foram consideradas as frequências de 100 kHz, 100 MHz e 500 MHz para uma gama de tensões de entrada que varia de 100 mV a 900 mV. Quanto à tensão de saída da unidade, esta é do tipo standard (1,2 V ou 2,4 V). Adicionalmente, como base comparativa, efectuou-se uma análise experimental à PMU baseada em condensadores comutados apresentada em [32], aplicada às células fotovoltaicas orgânicas. Esta dissertação faz ainda parte do projecto de investigação científica μFlexBat. Este projecto tem por objectivo estudar e implementar uma unidade de gestão de potência para IoT capaz de converter e armazenar a energia proveniente de uma célula fotovoltaica orgânica. Este concerne-se ao estudo de uma PMU flexível do ponto de vista mecânico, com baixos custos de implementação, autossuficiente e capaz de gerar uma tensão standard à sua saída cuja funcionalidade será alimentar um dispositivo eletrónico de muito baixa potência, como um sensor de monitoração de parâmetros biomédicos. Do ponto de vista dos resultados obtidos, nas optimizações a 100 kHz, a PMU revelou-se autossuficiente e com um rendimento de 65,66% na arquitetura a 1,2 V, e de 84,22% na PMU a 2,4 V. Relativamente às soluções de 100 MHz e 500 MHz, o rendimento apresentado por estas é de 20,21%, para a proposta de 100 MHz, e de 26,73% para o sistema a operar a 500 MHz. Quanto à PMU baseada em condensadores comutados proposta em [32], obteve-se, considerando as células fotovoltaicas orgânicas como fontes de energia, um rendimento máximo de 75,76%