Digital PLL for ISM applications

In modern transceivers, a low power PLL is a key block. It is known that with the evolution of technology, lower power and high performance circuitry is a challenging demand. In this thesis, a low power PLL is developed in order not to exceed 2mW of total power consumption. It is composed by small area blocks which is one of the main demands. The blocks that compose the PLL are widely abridged and the final solution is shown, showing why it is employed. The VCO block is a Current-Starved Ring Oscillator with a frequency range from 400MHz to 1.5GHz, with a 300μW to approximately 660μW power consumption. The divider is composed by six TSPC D Flip-Flop in series, forming a divide-by-64 divider. The Phase-Detector is a Dual D Flip-Flop detector with a charge pump. The PLL has less than a 2us lock time and presents a output oscillation of 1GHz, as expected. It also has a total power consumption of 1.3mW, therefore fulfilling all the specifications. The main contributions of this thesis are that this PLL can be applied in ISM applications due to its covering frequency range and low cost 130nm CMOS technology

Phase Noise Analyses and Measurements in the Hybrid Memristor-CMOS Phase-Locked Loop Design and Devices Beyond Bulk CMOS

Phase-locked loop (PLLs) has been widely used in analog or mixed-signal integrated circuits. Since there is an increasing market for low noise and high speed devices, PLLs are being employed in communications. In this dissertation, we investigated phase noise, tuning range, jitter, and power performances in different architectures of PLL designs. More energy efficient devices such as memristor, graphene, transition metal di-chalcogenide (TMDC) materials and their respective transistors are introduced in the design phase-locked loop. Subsequently, we modeled phase noise of a CMOS phase-locked loop from the superposition of noises from its building blocks which comprises of a voltage-controlled oscillator, loop filter, frequency divider, phase-frequency detector, and the auxiliary input reference clock. Similarly, a linear time-invariant model that has additive noise sources in frequency domain is used to analyze the phase noise. The modeled phase noise results are further compared with the corresponding phase-locked loop designs in different n-well CMOS processes. With the scaling of CMOS technology and the increase of the electrical field, the problem of short channel effects (SCE) has become dominant, which causes decay in subthreshold slope (SS) and positive and negative shifts in the threshold voltages of nMOS and pMOS transistors, respectively. Various devices are proposed to continue extending Moore\u27s law and the roadmap in semiconductor industry. We employed tunnel field effect transistor owing to its better performance in terms of SS, leakage current, power consumption etc. Applying an appropriate bias voltage to the gate-source region of TFET causes the valence band to align with the conduction band and injecting the charge carriers. Similarly, under reverse bias, the two bands are misaligned and there is no injection of carriers. We implemented graphene TFET and MoS2 in PLL design and the results show improvements in phase noise, jitter, tuning range, and frequency of operation. In addition, the power consumption is greatly reduced due to the low supply voltage of tunnel field effect transistor

High-Performance, Energy-Efficient CMOS Arithmetic Circuits

In a modern microprocessor, datapath/arithmetic circuits have always been an important building block in delivering high-performance, energy-efficient computing, because arithmetic operations such as addition and binary number comparison are two of the most commonly used computing instructions. Besides the manufacturing CMOS process, the two most critical design considerations for arithmetic circuits are the logic style and micro-architecture. In this thesis, a constant-delay (CD) logic style is proposed targeting full-custom high-speed applications. The constant delay characteristic of this logic style (regardless of the logic type) makes it suitable for implementing complicated logic expressions such as addition. CD logic exhibits a unique characteristic where the output is pre-evaluated before the inputs from the preceding stage are ready. This feature enables a performance advantage over static and dynamic domino logic styles in a single cycle, multi-stage circuit block. Several design considerations including timing window width adjustment and clock distribution are discussed. Using a 65-nm general-purpose CMOS technology, the proposed logic style demonstrates an average speedup of 94% and 56% over static and dynamic domino logic, respectively, in five different logic gates. Simulation results of 8-bit ripple carry adders conclude that CD logic is 39% and 23% faster than the static and dynamic-based adders, respectively. CD logic also demonstrates 39% speedup and 64% (22%) energy-delay product reduction from static logic at 100% (10%) data activity in 32-bit carry lookahead adders. To confirm CD logic's potential, a 148 ps, single-cycle 64-bit adder with CD logic implemented in the critical path is fabricated in a 65-nm, 1-V CMOS process. A new 64-bit Ling adder micro-architecture, which utilizes both inversion and absorption properties to minimize the number of CD logic and the number of logic stage in the critical path, is also proposed. At 1-V supply, this adder's measured worst-case power and leakage power are 135 mW and 0.22 mW, respectively. A single-cycle 64-bit binary comparator utilizing a radix-2 tree structure is also proposed. This comparator architecture is specifically designed for static logic to achieve both low-power and high-performance operation, especially in low input data activity environments. At 65-nm technology with 25% (10%) data activity, the proposed design demonstrates 2.3x (3.5x) and 3.7x (5.8x) power and energy-delay product efficiency, respectively. This comparator is also 2.7x faster at iso-energy (80 fJ) or 3.3x more energy-efficient at iso-delay (200 ps) than existing designs. An improved comparator, where CD logic is utilized in the critical path to achieve high performance without sacrificing the overall energy efficiency, is also realized in a 65-nm 1-V CMOS process. At 1-V supply, the proposed comparator's measured delay is 167 ps, and has an average power and a leakage power of 2.34 mW and 0.06 mW, respectively. At 0.3-pJ iso-energy or 250-ps iso-delay budget, the proposed comparator with CD logic is 20% faster or 17% more energy-efficient compared to a comparator implemented with just the static logic

Optimização dinâmica da tensão de alimentação e da frequência de operação em sistemas electrónicos digitais

À medida que a tecnologia de circuitos integrados CMOS é exposta à miniaturização, surgem diversos problemas no que diz respeito à fiabilidade e performance. Efeitos tais como o BTI (Bias Thermal Instability), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), HCI (Hot Carrier Injection), EM (Electromigration) degradam os parâmetros físicos dos transístores CMOS e por sua vez alteram as propriedades eléctricas dos mesmos ao longo do tempo. Esta deterioração é chamada de envelhecimento e estes efeitos são cumulativos e têm um grande impacto na performance do circuito, especialmente se ocorrerem outras variações paramétricas, como as variações de processo, temperatura e tensão de alimentação. Estas variações são conhecidas por variações PVTA (variações no Processo de Fabricação do circuito integrado [P], na Tensão de Alimentação [V], na Temperatura [T] e variações provocadas pelo Envelhecimento dos circuitos [A]) e podem desencadear erros de sincronismo durante a vida do produto (circuito integrado digital). O trabalho apresentado nesta dissertação tem por objectivo primordial o desenvolvimento de um sistema que optimize a operação ao longo da vida de circuitos integrados digitais síncronos de forma dinâmica. Este sistema permite que os circuitos sejam optimizados de acordo com as suas necessidades: (i) Diminuir a dissipação de potência, por reduzir a tensão de alimentação para o valor mais baixo que garante a operação sem erros; ou (ii) Aumentar o desempenho/performance, por aumentar a frequência de operação até ao limite máximo no qual não ocorrem erros. A optimização dinâmica da operação ao longo da vida de circuitos integrados digitais síncronos é alcançada através de um controlador, um bloco de sensores globais e por vários sensores locais localizados em determinados flip-flops do circuito. A nova solução tem como objectivo utilizar os dois tipos de sensores atrás mencionados, globais e locais, para possibilitar a previsão de erros de performance de uma forma mais eficaz, que possibilite a activação de mecanismos que impeçam a ocorrência de erros durante o tempo de vida útil de um circuito, e dessa forma permitindo optimizar constantemente o seu funcionamento. Assim é exequível desenvolver circuitos que operem no limite das suas capacidades temporais, sem falhas, e com a utilização de margens de erro pequenas para admitir as variações de performance provocadas por variações no processo de fabrico, na tensão de alimentação, na temperatura ou o envelhecimento. Foi também desenvolvido um sistema de controlo que permite, depois da detecção de um potencial erro, desencadear um processo para diminuir a frequência do sinal de relógio do sistema, ou aumentar a tensão de alimentação, evitando que o erro ocorra. Apesar de existirem outras técnicas de controlo dinâmico da operação de circuitos integrados tais como DVS (Dynamic Voltage Scaling), de DFS (Dynamic Frequency Scaling), ou ambas (DVFS – Dynamic Voltage and Frequency Scaling), estas técnicas ou são de muito complexa implementação, ou apresentam margens de segurança elevadas, levando a soluções em que a operação do circuito não está optimizada. A solução desenvolvida neste trabalho, em que se utilizam sensores preditivos locais e globais os quais são sensíveis ao envelhecimento a longo prazo ocorrido nos circuitos, constitui uma novidade no estado da técnica relativamente ao controlo de sistemas de DVS e/ou DFS. Outro aspecto importante é que neste trabalho desenvolveu-se um método de ajuste da tensão de alimentação ou da frequência, o qual é sensível ao envelhecimento a longo prazo dos circuitos, utilizando sensores locais e globais. O controlador permite a optimização da performance dos circuitos através do aumento da frequência de operação até ao limite máximo que ainda evita a ocorrência de erros e a optimização de consumo de energia através da redução da tensão de alimentação (VDD) para o valor mínimo que ainda previne a ocorrência de erros. Através de uma análise de previsão de envelhecimento, são identificados os caminhos críticos, bem como os caminhos que envelhecem mais rápido e que se tornarão críticos com o envelhecimento do circuito. Uma vez identificados os caminhos críticos, irão ser inserido os sensores locais através da substituição dos flip-flops que terminam os caminhos críticos identificados por novos flip-flops que incluem sensores de performance e de envelhecimento. É de referenciar que estes sensores são preditivos, ou seja, que sinalizam precocemente os erros de performance, antes de eles ocorrerem nos flip-flops que capturam os caminhos críticos. A arquitectura dos sensores propostos é tal que as variações PVTA que ocorrem sobre eles fazem aumentar a sua capacidade de prever o erro, ou seja, os sensores vão-se adaptando ao longo da sua vida útil para aumentarem a sua sensibilidade. Os sensores locais têm como função realizar a calibração dos sensores globais, bem como realizar a monitorização constante dos atrasos nos caminhos mais longos do circuito, sempre que estes são activados. A função dos sensores globais é a realização da monitorização periódica ou quando solicitado dos atrasos no circuito digital. Ambos os tipos de sensores, os sensores globais como os locais podem desencadear ajustes na frequência ou na tensão de alimentação. Os sensores globais são compostos por uma unidade de controlo do sensor global, que recebe ordens do controlador do sistema para iniciar a análise ao desempenho do circuito e gera os sinais de controlo para a operação de análise global do desempenho e por duas cadeias de portas (uma com portas NOR e outra com portas NAND), com tempos de propagação superiores aos caminhos críticos que se esperam vir a ter no circuito durante a sua vida útil. Ambos os caminhos irão, presumivelmente, envelhecer mais que os caminhos críticos do circuito quando sujeitos ao efeito BTI (que influencia fortemente a degradação do Vth dos transístores [NBTI/NORs e PBTI/NANDs]). Ao longo das duas cadeias, diversos sinais à saída de algumas portas NOR e NAND são ligados a células de sensores globais, criando diversos caminhos fictícios com diferentes tempos de propagação. As saídas dos sensores das duas cadeias formam duas saídas de dados do sensor global. A fim de se alcançar a optimização do desempenho do circuito, são realizados testes de calibração dos sensores, onde são estimulados alguns caminhos críticos no circuito (através de um teste determinístico) e, simultaneamente é realizada a análise do desempenho pela unidade de sensores globais. Este procedimento, permite definir o limite máximo (mínimo) para frequência (tensão de alimentação) sem que os sensores locais sejam sinalizados. Esta informação da frequência (tensão) é guardada num registo do controlador (registo V/F) e corresponde à frequência (tensão) normal de funcionamento. Este teste também permite determinar quais os caminhos fictícios nas duas cadeias que apresentam tempos de propagação semelhantes aos caminhos críticos do circuito. Esta informação também é guardada em dois registos no controlador do sistema (registos GSOsafe), que indicam o estado das saídas dos controladores globais para a operação optimizada do circuito. Durante a vida útil do circuito, o controlador do sistema de optimização procede ao ajuste automático da frequência (ou da tensão de alimentação) do circuito, caso o controlador dos sensores globais detecte uma alteração em relação à operação correcta em memória, alterando o conteúdo do registo que guarda a frequência (tensão) de trabalho. Se por ventura ocorrer a sinalização de um sensor local e não existir nenhuma sinalização para alteração do desempenho pelos sensores globais, quer dizer que o circuito pode ter envelhecido mais que os caminhos fictícios dos sensores globais, pelo que a frequência (tensão de alimentação) de funcionamento deve ser alterada, mas também deve existir uma actualização nos registos que guardam a saída correcta dos sensores globais. É de salientar que, se os caminhos fictícios envelhecem mais do que o circuito, as margens de segurança (time slack) existentes vão sendo aumentadas ao longo da vida do circuito, tratando-se de uma segurança positiva. Mas, se existir a possibilidade do envelhecimento ser maior nos caminhos do circuito, a existência dos sensores locais a monitorizar a todo o tempo o desempenho do circuito, garantem que o sistema pode aprender com as sinalizações e adaptar-se às novas condições de operação ao longo da vida útil do circuito. Enquanto a monitorização efectuada pelo bloco de sensores globais fornece uma avaliação grosseira do estado de funcionamento do circuito, a monitorização efectuada pelos sensores locais, quando activados, fornece uma avaliação fina sobre qual a performance do circuito para que não ocorram erros funcionais. As novidades apresentadas neste trabalho são no mecanismo de controlo que permite a optimização dinâmica da tensão ou da frequência, e na arquitectura e funcionamento do sensor global a inserir no circuito. No que diz respeito ao mecanismo de controlo do sistema de optimização dinâmica, as novidades são: (i) na utilização conjunta de sensores locais e globais para garantir níveis de optimização elevados, (ii) na utilização de sensores preditivos (globais e locais) que previnem os erros de ocorrerem e (iii) na utilização de sensores sensíveis ao envelhecimento do circuito ao longo da sua vida útil. Em relação ao sensor global para monitorização de variações PVTA a novidade consiste (iv), na apresentação de sensores para a degradação nos transístores PMOS e de sensores para a degradação nos transístores NMOS. Este método de optimização e as topologias apresentadas podem ser desenvolvidas e utilizadas com outros tipos de flip-flops, ou empregando outros tipos de sensores, ou outros caminhos fictícios nos sensores globais, sem prejuízo do método global de optimização que conjuga os dois tipos de sensores, globais e locais, para optimizar a tensão de alimentação e a frequência de operação. É proposta uma nova arquitectura para um flip-flop com correcção de erros de atraso (DFC-FF / AEPDFC-FF) com e sem previsão de erros adaptativa para realizar a correcção/monitorização e correcção on-line da perda de performance a longo prazo de sistemas digitais CMOS, independentemente da sua causa. O DFC-FF integra um FF do tipo TG-MSFF (Transmission Gate Master Slave Flip-Flop) e um sensor de correcção de erros (CES) dos quais são apresentados duas propostas. O AEPDFC-FF é composto por DFC-FF e um sensor de envelhecimento. A variabilidade tornou-se na principal causa de falha dos circuitos digitais quando a tecnologia evoluiu para as escalas nanométricas. As reduzidas dimensões físicas dos novos transístores e o aumento na complexidade dos circuitos integrados tornou os novos circuitos mais susceptíveis a variações no processo de fabrico, nas condições de operação e operacionais, tendo como consequência o fabrico de dispositivos mais frágeis, com maior probabilidade de falharem nos primeiros meses de vida, e com tempos de vida útil esperados inferiores aos das tecnologias anteriores. Face a outras propostas, uma das principais vantagens do DFC-FF é que a a perda de performance do próprio sensor melhora a sua capacidade de correcção de erros. Os efeitos do envelhecimento, do aumento de temperatura e da diminuição na tensão de alimentação (VTA), aumentam a janela de correcção, permitindo que o DFC-FF possa estar sempre ligado sem comprometer o seu funcionamento. O conceito, estudado e desenvolvido em tecnologia de 65nm, pode ser transportado posteriormente para nanotecnologias mais recentes, usando MOSFETs de menor dimensão, uma vez que a arquitectura do sensor é transversal a toda a tecnologia CMOS.Universidade do Algarve, Instituto Superior de Engenhari

Animals, Machines, and Moral Responsibility in a Built Environment

Nature has ended. Acid rain and global warming leave no place untouched by human hands. We can no longer think of \u27the environment\u27 as synonymous with \u27nature\u27. Instead, Steven Vogel argues that the environment is more like a mall: it is built. And because we build the environment, we are responsible for it. Yet, other things build, too. Animals build and use tools. Machines and algorithms build everything from skyscrapers to cell phones. Are they responsible for what they build? While animals and robots are normally considered in distinct philosophical fields, Vogel’s rejection of the natural-artificial split prompts us to question the distinction between natural and artificial agents. I argue, under consistent reasons, that neither animals nor robots are morally responsible for what they do. When machines act in morally consequential ways, then, we cannot blame the robot. However, we usually think to blame those who built the robot. I present a theory of how a builder may be responsible for what they build. Then, I argue that there are cases where neither the robot nor the engineer can be blamed for the robot\u27s actions. Drawing on Vogel, Karl Marx, and Martin Heidegger, I explore moral and environmental responsibility through meditations on animals and machines

Circuit design for embedded memory in low-power integrated circuits

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2012.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 141-152).This thesis explores the challenges for integrating embedded static random access memory (SRAM) and non-volatile memory-based on ferroelectric capacitor technology-into lowpower integrated circuits. First considered is the impact of process variation in deep-submicron technologies on SRAM, which must exhibit higher density and performance at increased levels of integration with every new semiconductor generation. Techniques to speed up the statistical analysis of physical memory designs by a factor of 100 to 10,000 relative to the conventional Monte Carlo Method are developed. The proposed methods build upon the Importance Sampling simulation algorithm and efficiently explore the sample space of transistor parameter fluctuation. Process variation in SRAM at low-voltage is further investigated experimentally with a 512kb 8T SRAM test chip in 45nm SOI CMOS technology. For active operation, an AC coupled sense amplifier and regenerative global bitline scheme are designed to operate at the limit of on current and off current separation on a single-ended SRAM bitline. The SRAM operates from 1.2 V down to 0.57 V with access times from 400ps to 3.4ns. For standby power, a data retention voltage sensor predicts the mismatch-limited minimum supply voltage without corrupting the contents of the memory. The leakage power of SRAM forces the chip designer to seek non-volatile memory in applications such as portable electronics that retain significant quantities of data over long durations. In this scenario, the energy cost of accessing data must be minimized. This thesis presents a ferroelectric random access memory (FRAM) prototype that addresses the challenges of sensing diminishingly small charge under conditions favorable to low access energy with a time-to-digital sensing scheme. The 1 Mb IT1C FRAM fabricated in 130 nm CMOS operates from 1.5 V to 1.0 V with corresponding access energy from 19.2 pJ to 9.8 pJ per bit. Finally, the computational state of sequential elements interspersed in CMOS logic, also restricts the ability to power gate. To enable simple and fast turn-on, ferroelectric capacitors are integrated into the design of a standard cell register, whose non-volatile operation is made compatible with the digital design flow. A test-case circuit containing ferroelectric registers exhibits non-volatile operation and consumes less than 1.3 pJ per bit of state information and less than 10 clock cycles to save or restore with no minimum standby power requirement in-between active periods.by Masood Qazi.Ph.D

Asynchrobatic logic for low-power VLSI design

In this work, Asynchrobatic Logic is presented. It is a novel low-power design style that combines the energy saving benefits of asynchronous logic and adiabatic logic to produce systems whose power dissipation is reduced in several different ways. The term “Asynchrobatic” is a new word that can be used to describe these types of systems, and is derived from the concatenation and shortening of Asynchronous, Adiabatic Logic. This thesis introduces the concept and theory behind Asynchrobatic Logic. It first provides an introductory background to both underlying parent technologies (asynchronous logic and adiabatic logic). The background material continues with an explanation of a number of possible methods for designing complex data-path cells used in the adiabatic data-path. Asynchrobatic Logic is then introduced as a comparison between asynchronous and Asynchrobatic buffer chains, showing that for wide systems, it operates more efficiently. Two more-complex sub-systems are presented, firstly a layout implementation of the substitution boxes from the Twofish encryption algorithm, and secondly a front-end only (without parasitic capacitances, resistances) simulation that demonstrates a functional system capable of calculating the Greatest Common Denominator (GCD) of a pair of 16-bit unsigned integers, which under typical conditions on a 0.35μm process, executed a test vector requiring twenty-four iterations in 2.067μs with a power consumption of 3.257nW. These examples show that the concept of Asynchrobatic Logic has the potential to be used in real-world applications, and is not just theory without application. At the time of its first publication in 2004, Asynchrobatic Logic was both unique and ground-breaking, as this was the first time that consideration had been given to operating large-scale adiabatic logic in an asynchronous fashion, and the first time that Asynchronous Stepwise Charging (ASWC) had been used to drive an adiabatic data-path

Contribution to time domain readout circuits design for multi-standard sensing system for low voltage supply and high-resolution applications

Mención Internacional en el título de doctorThis research activity has the purpose of open new possibilities in the design of capacitance-to-digital converters (CDCs) by developing a solution based on time domain conversion. This can be applied to applications related with the Internet-of-Things (IoT). These applications are present in any electronic devices where sensing is needed. To be able to reduce the area of the whole system with the required performance, micro-electromechanical systems (MEMS) sensors are used in these applications. We propose a new family of sensor readout electronics to be integrated with MEMS sensors. Within the time domain converters, Dual Slope (DS) topology is very interesting to explore a new compromise between performances, area and power consumption. DS topology has been extensively used in instrumentation. The simplicity and robustness of the blocks inside classical DS converters it is the main advantage. However, they are not efficient for applications where higher bandwidth is required. To extend the bandwidth, DS converters have been introduced into ΔΣ loops. This topology has been named as integrating converters. They increase the bandwidth compare to classical DS architecture but at the expense of higher complexity. In this work we propose the use of a new family of DS converters that keep the advantages of the classical architecture and introduce noise shaping. This way the bandwidth is increased without extra blocks. The Self-Compensated noise-shaped DS converter (the name given to the new topology) keeps the signal transfer function (STF) and the noise transfer function (NTF) of Integrating converters. However, we introduce a new arrangement in the core of the converter to do noise shaping without extra circuitry. This way the simplicity of the architecture is preserved. We propose to use the Self-Compensated DS converter as a CDC for MEMS sensors. This work makes a study of the best possible integration of the two blocks to keep the signal integrity considering the electromechanical behavior of the sensor. The purpose of this front-end is to be connected to any kind of capacitive MEMS sensor. However, to prove the concepts developed in this thesis the architecture has been connected to a pressure MEMS sensor. An experimental prototype was implemented in 130-nm CMOS process using the architecture mentioned before. A peak SNR of 103.9 dB (equivalent to 1Pa) has been achieved within a time measurement of 20 ms. The final prototype has a power consumption of 220 μW with an effective area of 0.317 mm2. The designed architecture shows good performance having competitive numbers against high resolution topologies in amplitude domain.Esta actividad de investigación tiene el propósito de explorar nuevas posibilidades en el diseño de convertidores de capacitancia a digital (CDC) mediante el desarrollo de una solución basada en la conversión en el dominio del tiempo. Estos convertidores se pueden utilizar en aplicaciones relacionadas con el mercado del Internet-de-las-cosas (IoT). Hoy en día, estas aplicaciones están presentes en cualquier dispositivo electrónico donde se necesite sensar una magnitud. Para poder reducir el área de todo el sistema con el rendimiento requerido, se utilizan sensores de sistemas micro-electromecánicos (MEMS) en estas aplicaciones. Proponemos una nueva familia de electrónica de acondicionamiento para integrar con sensores MEMS. Dentro de los convertidores de dominio de tiempo, la topología del doble-rampa (DS) es muy interesante para explorar un nuevo compromiso entre rendimiento, área y consumo de energía. La topología de DS se ha usado ampliamente en instrumentación. La simplicidad y la solidez de los bloques dentro de los convertidores DS clásicos es la principal ventaja. Sin embargo, no son eficientes para aplicaciones donde se requiere mayor ancho de banda. Para ampliar el ancho de banda, los convertidores DS se han introducido en bucles ΔΣ. Esta topología ha sido nombrada como Integrating converters. Esta topología aumenta el ancho de banda en comparación con la arquitectura clásica de DS, pero a expensas de una mayor complejidad. En este trabajo, proponemos el uso de una nueva familia de convertidores DS que mantienen las ventajas de la arquitectura clásica e introducen la configuración del ruido. De esta forma, el ancho de banda aumenta sin bloques adicionales. El convertidor Self-Compensated noise-shaped DS (el nombre dado a la nueva topología) mantiene la función de transferencia de señal (STF) y la función de transferencia de ruido (NTF) de los Integrating converters. Sin embargo, presentamos una nueva topología en el núcleo del convertidor para conformar el ruido sin circuitos adicionales. De esta manera, se preserva la simplicidad de la arquitectura. Proponemos utilizar el Self-Compensated noise-shaped DS como un CDC para sensores MEMS. Este trabajo hace un estudio de la mejor integración posible de los dos bloques para mantener la integridad de la señal considerando el comportamiento electromecánico del sensor. El propósito de este circuito de acondicionamiento es conectarse a cualquier tipo de sensor MEMS capacitivo. Sin embargo, para demostrar los conceptos desarrollados en esta tesis, la arquitectura se ha conectado a un sensor MEMS de presión. Se ha implementado dos prototipos experimentales en un proceso CMOS de 130-nm utilizando la arquitectura mencionada anteriormente. Se ha logrado una relación señal-ruido máxima de 103.9 dB (equivalente a 1 Pa) con un tiempo de medida de 20 ms. El prototipo final tiene un consumo de energía de 220 μW con un área efectiva de 0.317 mm2. La arquitectura diseñada muestra un buen rendimiento comparable con las arquitecturas en el dominio de la amplitud que muestran resoluciones equivalentes.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Pieter Rombouts.- Secretario: Alberto Rodríguez Pérez.- Vocal: Dietmar Strãußnig

Modeling and Mitigation of Soft Errors in Nanoscale SRAMs

Energetic particle (alpha particle, cosmic neutron, etc.) induced single event data upset or soft error has emerged as a key reliability concern in SRAMs in sub-100 nanometre technologies. Low operating voltage, small node capacitance, high packing density, and lack of error masking mechanisms are primarily responsible for the soft error susceptibility of SRAMs. In addition, since SRAM occupies the majority of die area in system-on-chips (SoCs) and microprocessors, different leakage reduction techniques, such as, supply voltage reduction, gated grounding, etc., are applied to SRAMs in order to limit the overall chip leakage. These leakage reduction techniques exponentially increase the soft error rate in SRAMs. The soft error rate is further accentuated by process variations, which are prominent in scaled-down technologies. In this research, we address these concerns and propose techniques to characterize and mitigate soft errors in nanoscale SRAMs. We develop a comprehensive analytical model of the critical charge, which is a key to assessing the soft error susceptibility of SRAMs. The model is based on the dynamic behaviour of the cell and a simple decoupling technique for the non-linearly coupled storage nodes. The model describes the critical charge in terms of NMOS and PMOS transistor parameters, cell supply voltage, and noise current parameters. Consequently, it enables characterizing the spread of critical charge due to process induced variations in these parameters and to manufacturing defects, such as, resistive contacts or vias. In addition, the model can estimate the improvement in critical charge when MIM capacitors are added to the cell in order to improve the soft error robustness. The model is validated by SPICE simulations (90nm CMOS) and radiation test. The critical charge calculated by the model is in good agreement with SPICE simulations with a maximum discrepancy of less than 5%. The soft error rate estimated by the model for low voltage (sub 0.8 V) operations is within 10% of the soft error rate measured in the radiation test. Therefore, the model can serve as a reliable alternative to time consuming SPICE simulations for optimizing the critical charge and hence the soft error rate at the design stage. In order to limit the soft error rate further, we propose an area-efficient multiword based error correction code (MECC) scheme. The MECC scheme combines four 32 bit data words to form a composite 128 bit ECC word and uses an optimized 4-input transmission-gate XOR logic. Thus MECC significantly reduces the area overhead for check-bit storage and the delay penalty for error correction. In addition, MECC interleaves two composite words in a row for limiting cosmic neutron induced multi-bit errors. The ground potentials of the composite words are controlled to minimize leakage power without compromising the read data stability. However, use of composite words involves a unique write operation where one data word is written while other three data words are read to update the check-bits. A power efficient word line signaling technique is developed to facilitate the write operation. A 64 kb SRAM macro with MECC is designed and fabricated in a commercial 90nm CMOS technology. Measurement results show that the SRAM consumes 534 μW at 100 MHz with a data latency of 3.3 ns for a single bit error correction. This translates into 82% per-bit energy saving and 8x speed improvement over recently reported multiword ECC schemes. Accelerated neutron radiation test carried out at TRIUMF in Vancouver confirms that the proposed MECC scheme can correct up to 85% of soft errors