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

Circuits and Systems for On-Chip RF Chemical Sensors and RF FDD Duplexers

Integrating RF bio-chemical sensors and RF duplexers helps to reduce cost and area in the current applications. Furthermore, new applications can exist based on the large scale integration of these crucial blocks. This dissertation addresses the integration of RF bio-chemical sensors and RF duplexers by proposing these initiatives. A low power integrated LC-oscillator-based broadband dielectric spectroscopy (BDS) system is presented. The real relative permittivity ε’r is measured as a shift in the oscillator frequency using an on-chip frequency-to-digital converter (FDC). The imaginary relative permittivity ε”r increases the losses of the oscillator tank which mandates a higher dc biasing current to preserve the same oscillation amplitude. An amplitude-locked loop (ALL) is used to fix the amplitude and linearize the relation between the oscillator bias current and ε”r. The proposed BDS system employs a sensing oscillator and a reference oscillator where correlated double sampling (CDS) is used to mitigate the impact of flicker noise, temperature variations and frequency drifts. A prototype is implemented in 0.18 µm CMOS process with total chip area of 6.24 mm^2 to operate in 1-6 GHz range using three dual bands LC oscillators. The achieved standard deviation in the air is 2.1 ppm for frequency reading and 110 ppm for current reading. A tunable integrated electrical balanced duplexer (EBD) is presented as a compact alternative to multiple bulky SAW and BAW duplexers in 3G/4G cellular transceivers. A balancing network creates a replica of the transmitter signal for cancellation at the input of a single-ended low noise amplifier (LNA) to isolate the receive path from the transmitter. The proposed passive EBD is based on a cross-connected transformer topology without the need of any extra balun at the antenna side. The duplexer achieves around 50 dB TX-RX isolation within 1.6-2.2 GHz range up to 22 dBm. The cascaded noise figure of the duplexer and LNA is 6.5 dB, and TX insertion loss (TXIL) of the duplexer is about 3.2 dB. The duplexer and LNA are implemented in 0.18 µm CMOS process and occupy an active area of 0.35 mm^2

Ring-oscillator with multiple transconductors for linear analog-to-digital conversion

This paper proposes a new circuit-based approach to mitigate nonlinearity in open-loop ring-oscillator-based analog-to-digital converters (ADCs). The approach consists of driving a current-controlled oscillator (CCO) with several transconductors connected in parallel with different bias conditions. The current injected into the oscillator can then be properly sized to linearize the oscillator, performing the inverse current-to-frequency function. To evaluate the approach, a circuit example has been designed in a 65-nm CMOS process, leading to a more than 3-ENOB enhancement in simulation for a high-swing differential input voltage signal of 800-mVpp, with considerable less complex design and lower power and expected area in comparison to state-of-the-art circuit based solutions. The architecture has also been checked against PVT and mismatch variations, proving to be highly robust, requiring only very simple calibration techniques. The solution is especially suitable for high-bandwidth (tens of MHz) medium-resolution applications (10–12 ENOBs), such as 5G or Internet-of-Things (IoT) devices.This research was funded by Project TEC2017-82653-R, Spain

Time-based circuits for communication systems in advanced CMOS technology

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2009.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Cataloged from student submitted PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 145-151).As device size scales down, there have been challenges to design conventional analog circuits, such as low voltage headroom and the low intrinsic gain of a device. Although ever-decreasing device channel length in CMOS technology has mainly negative effects on analog circuits, it increases device speed and reduces the power consumption of digital circuits. As a result, time-based signal processing has been attracting attention because time-based circuits take advantage of high speed and low power devices to deal with analog information in the time domain. In this thesis, we focus on a ring oscillator as a core time-based circuit for communication systems. Ring oscillators are employed in analog-to-time conversion or time-to-digital conversion. In this work, we present A/D converters and an RF modulator based on ring oscillators in deep sub-micron CMOS processes. We introduce a VCO-based [sigma][delta] A/D converter utilizing a voltage-controlled ring oscillator (ring VCO) as a continuous-time integrator. We propose to replace conventional integrators designed with analog circuits in a [sigma][delta] modulator with a ring VCO and a phase detector, thereby implementing an A/D converter without traditional analog circuits. We also propose a single-slope A/D converter using time-to-digital conversion. By combining a few analog circuits and a ring oscillator based Time-to-Digital Converter (TDC), we achieve highly digital A/D conversion. Finally, we demonstrate a VCO-based RF modulator. The proposed RF modulator generates an RF signal by simply switching transistors. As opposed to an RFDAC approach, the proposed RF modulator is not limited by quantization noise because it employs multiphase PWM signals. A VCO-based OP amp is also introduced as an alternative method of designing an OP amp in deep sub-micron CMOS. The proposed VCO-based OP amp is utilized to generate the multiphase PWM signals in the RF modulator. This thesis also presents the fundamental limitations of a ring oscillator as a timebased circuit. Although the idea of time-based signal processing employing a ring oscillator has its own limitations such as non-linear tuning characteristics and phase noise, the basic idea is worth investigating to solve the serious problems of analog circuits for future CMOS technology.by Min Park.Ph.D

Integrated CMOS Energy Harvesting Converter with Digital Maximum Power Point Tracking for a Portable Thermophotovoltaic Power Generator

This paper presents an integrated maximum power point tracking system for use with a thermophotovoltaic (TPV) portable power generator. The design, implemented in 0.35 μm CMOS technology, consists of a low-power control stage and a dc-dc boost power stage with soft-switching capability. With a nominal input voltage of 1 V, and an output voltage of 4 V, we demonstrate a peak conversion efficiency under nominal conditions of over 94% (overall peak efficiency over 95%), at a power level of 300 mW. The control stage uses lossless current sensing together with a custom low-power time-based ADC to minimize control losses. The converter employs a fully integrated digital implementation of a peak power tracking algorithm, and achieves a measured tracking efficiency above 98%. A detailed study of achievable efficiency versus inductor size is also presented, with calculated and measured results.Interconnect Focus Center (United States. Defense Advanced Research Projects Agency and Semiconductor Research Corporation

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

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Reconfigurable time interval measurement circuit incorporating a programmable gain time difference amplifier

PhD ThesisAs further advances are made in semiconductor manufacturing technology the performance of circuits is continuously increasing. Unfortunately, as the technology node descends deeper into the nanometre region, achieving the potential performance gain is becoming more of a challenge; due not only to the effects of process variation but also to the reduced timing margins between signals within the circuit creating timing problems. Production Standard Automatic Test Equipment (ATE) is incapable of performing internal timing measurements due, first to the lack of accessibility and second to the overall timing accuracy of the tester which is grossly inadequate. To address these issue ‘on-chip’ time measurement circuits have been developed in a similar way that built in self-test (BIST) evolved for ‘on-chip’ logic testing. This thesis describes the design and analysis of three time amplifier circuits. The analysis undertaken considers the operational aspects related to gain and input dynamic range, together with the robustness of the circuits to the effects of process, voltage and temperature (PVT) variations. The design which had the best overall performance was subsequently compared to a benchmark design, which used the ‘buffer delay offset’ technique for time amplification, and showed a marked 6.5 times improvement on the dynamic range extending this from 40 ps to 300ps. The new design was also more robust to the effects of PVT variations. The new time amplifier design was further developed to include an adjustable gain capability which could be varied in steps of approximately 7.5 from 4 to 117. The time amplifier was then connected to a 32-stage tapped delay line to create a reconfigurable time measurement circuit with an adjustable resolution range from 15 down to 0.5 ps and a dynamic range from 480 down to 16 ps depending upon the gain setting. The overall footprint of the measurement circuit, together with its calibration module occupies an area of 0.026 mm2 The final circuit, overall, satisfied the main design criteria for ‘on-chip’ time measurement circuitry, namely, it has a wide dynamic range, high resolution, robust to the effects of PVT and has a small area overhead.Umm Al-Qura University