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

Sub-1 V, 4 nA CMOS voltage references with digitally-trimmable temperature coefficient

Voltage references are fundamental to mixed signal converters which are widely used in elec- tronics. Hence there are signicant advantages in having the voltage reference operate with less power while minimizing area consumption and maintaining performance. Past designs have suered from issues related to process variations which adversely aect the temperature coe- cient of the circuit output. To compensate for these process variations, a means to modify the temperature coecient are proposed and experimentally veried with two circuit architectures. Five test chip samples implement these architectures in a 0.35 m CMOS process. Design methodologies for both architectures are presented. Design techniques include the use of a high-swing cascode to improve Line Sensitivity while minimizing additional power consumption, accounting for a well-matched layout, and the eect of leakage currents on the performance of the circuit. Layout schematics, performance gures, test methodologies and results are presented. Each circuit dissipates less than 4 nW and operates down to 0.9 V or better with Line Sensitivity and Power Supply Rejection Ratio of less than 0.15 %/V and -58 dB respectively, while consuming an area of 0.053 mm2 or less. The experimental average and median temperature coecient was less than 26 ppm/C and 22 ppm/C respectively in the 􀀀20 C to 80 C range, with the best performance being less than 8.1 ppm/C. Areas of improvement and potential areas of future research are then identied to facilitate advancement of this work