A 0.3 V, rail-to-rail, ultralow-power, non-tailed, body-driven, sub-threshold amplifier

A novel, inverter-based, fully differential, body-driven, rail-to-rail, input stage topology is proposed in this paper. The input stage exploits a replica bias control loop to set the common mode current and a common mode feed-forward strategy to set its output common mode voltage. This novel cell is used to build an ultralow voltage (ULV), ultralow-power (ULP), two-stage, unbuffered operational amplifier. A dual path compensation strategy is exploited to improve the frequency response of the circuit. The amplifier has been designed in a commercial 130 nm CMOS technology from STMicroelectronics and is able to operate with a nominal supply voltage of 0.3 V and a power consumption as low as 11.4 nW, while showing about 65 dB gain, a gain bandwidth product around 3.6 kHz with a 50 pF load capacitance and a common mode rejection ratio (CMRR) in excess of 60 dB. Transistor-level simulations show that the proposed circuit outperforms most of the state of the art amplifiers in terms of the main figures of merit. The results of extensive parametric and Monte Carlo simulations have demonstrated the robustness of the proposed circuit to PVT and mismatch variations

Low energy digital circuits in advanced nanometer technologies

The demand for portable devices and the continuing trend towards the Internet ofThings (IoT) have made of energy consumption one of the main concerns in the industry and researchers. The most efficient way of reducing the energy consump-tion of digital circuits is decreasing the supply voltage (Vdd) since the dynamicenergy quadratically depends onVdd. Several works have shown that an optimumsupply voltage exists that minimizes the energy consumption of digital circuits. This optimum supply voltage is usually around 200 mV and 400 mV dependingon the circuit and technology used. To obtain these low supply voltages, on-chipdc-dc converters with high efficiency are needed.This thesis focuses on the study of subthreshold digital systems in advancednanometer technologies. These systems usually can be divided into a Power Man-agement Unit (PMU) and a digital circuit operating at the subthreshold regime.In particular, while considering the PMU, one of the key circuits is the dc-dcconverter. This block converts the voltage from the power source (battery, supercapacitor or wireless power transfer link) to a voltage between 200 mV and 400mV in order to power the digital circuit. In this thesis, we developed two chargerecycling techniques in order to improve the efficiency of switched capacitors dc-dcconverters. The first one is based on a technique used in adiabatic circuits calledstepwise charging. This technique was used in circuits and applications wherethe switching consumption of a big capacitance is very important. We analyzedthe possibility of using this technique in switched capacitor dc-dc converters withintegrated capacitors. We showed through measurements that a 29% reductionin the gate drive losses can be obtained with this technique. The second one isa simplification of stepwise charging which can be applied in some architecturesof switched capacitors dc-dc converters. We also fabricated and tested a dc-dcconverter with this technique and obtained a 25% energy reduction in the drivingof the switches that implement the converter.Furthermore, we studied the digital circuit working in the subthreshold regime,in particular, operating at the minimum energy point. We studied different modelsfor circuits working in these conditions and improved them by considering thedifferences between the NMOS and PMOS transistors. We obtained an optimumNMOS/PMOS leakage current imbalance that minimizes the total leakage energy per operation. This optimum depends on the architecture of the digital circuitand the input data. However, we also showed that important energy reductionscan be obtained by operating at a mean optimum imbalance. We proposed two techniques to achieve the optimum imbalance. We used aFully Depleted Silicon on Insulator (FD-SOI) 28 nm technology for most of the simulations, but we also show that these techniques can be applied in traditionalbulk CMOS technologies. The first one consists in using the back plane voltage of the transistors (or bulk voltage in traditional CMOS) to adjust independently theleakage current of the NMOS and PMOS transistor to work under the optimum NMOS/PMOS leakage current imbalance. We called this approach the OptimumBack Plane Biasing (OBB). A second technique consists of using the length of the transistors to adjust this leakage current imbalance. In the subthreshold regimeand in advanced nanometer technologies a moderate increase in the length has little impact in the output capacitance of the gates and thus in the dynamic energy.We called this approach an Asymmetric Length Biasing (ALB). Finally, we use these techniques in some basic circuits such as adders. We show that around 50% energy reduction can be obtained, in a wide range of frequency while working near the minimum energy point and using these techniques. The main contributions of this thesis are: • Analysis of the stepwise charging technique in small capacitances. •Implementation of stepwise charging technique as a charge recycling tech-nique for efficiency improvement in switched capacitor dc-dc converters. • Development of a charge sharing technique for efficiency improvement inswitched capacitor dc-dc converters. • Analysis of minimum operating voltage of digital circuits due to intrinsicnoise and the impact of technology scaling in this minimum. • Improvement in the modeling of the minimum energy point while considering NMOS and PMOS transistors difference. • Demonstration of the existence of an optimum leakage current imbalance be-tween the NMOS and PMOS transistors that minimizes energy consumptionin the subthreshold regiion. • Development of a back plane (bulk) voltage strategy for working in this optimum.• Development of a sizing strategy for working in the aforementioned optimum. • Analysis of the impact of architecture and input data on the optimum im-balance. The thesis is based on the publications [1–8]. During the Ph.D. program, other publications were generated [9–16] that are partially related with the thesis butwere not included in it.La constante demanda de dispositivos portables y los avances hacia la Internet de las Cosas han hecho del consumo de energía uno de los mayores desafíos y preocupación en la industria y la academia. La forma más eficiente de reducir el consumo de energía de los circuitos digitales es reduciendo su voltaje de alimentación ya que la energía dinámica depende de manera cuadrática con dicho voltaje. Varios trabajos demostraron que existe un voltaje de alimentación óptimo, que minimiza la energía consumida para realizar cierta operación en un circuito digital, llamado punto de mínima energía. Este óptimo voltaje se encuentra usualmente entre 200 mV y 400 mV dependiendo del circuito y de la tecnología utilizada. Para obtener estos voltajes de alimentación de la fuente de energía, se necesitan conversores dc-dc integrados con alta eficiencia. Esta tesis se concentra en el estudio de sistemas digitales trabajando en la región sub umbral diseñados en tecnologías nanométricas avanzadas (28 nm). Estos sistemas se pueden dividir usualmente en dos bloques, uno llamado bloque de manejo de potencia, y el segundo, el circuito digital operando en la region sub umbral. En particular, en lo que corresponde al bloque de manejo de potencia, el circuito más crítico es en general el conversor dc-dc. Este circuito convierte el voltaje de una batería (o super capacitor o enlace de transferencia inalámbrica de energía o unidad de cosechado de energía) en un voltaje entre 200 mV y 400 mV para alimentar el circuito digital en su voltaje óptimo. En esta tesis desarrollamos dos técnicas que, mediante el reciclado de carga, mejoran la eficiencia de los conversores dc-dc a capacitores conmutados. La primera es basada en una técnica utilizada en circuitos adiabáticos que se llama carga gradual o a pasos. Esta técnica se ha utilizado en circuitos y aplicaciones en donde el consumo por la carga y descarga de una capacidad grande es dominante. Nosotros analizamos la posibilidad de utilizar esta técnica en conversores dc-dc a capacitores conmutados con capacitores integrados. Se demostró a través de medidas que se puede reducir en un 29% el consumo debido al encendido y apagado de las llaves que implementan el conversor dc-dc. La segunda técnica, es una simplificación de la primera, la cual puede ser aplicada en ciertas arquitecturas de conversores dc-dc a capacitores conmutados. También se fabricó y midió un conversor con esta técnica y se obtuvo una reducción del 25% en la energía consumida por el manejo de las llaves del conversor. Por otro lado, estudiamos los circuitos digitales operando en la región sub umbral y en particular cerca del punto de mínima energía. Estudiamos diferentes modelos para circuitos operando en estas condiciones y los mejoramos considerando las diferencias entre los transistores NMOS y PMOS. Mediante este modelo demostramos que existe un óptimo en la relación entre las corrientes de fuga de ambos transistores que minimiza la energía de fuga consumida por operación. Este óptimo depende de la arquitectura del circuito digital y ademas de los datos de entrada del circuito. Sin embargo, demostramos que se puede reducir el consumo de manera considerable al operar en un óptimo promedio. Propusimos dos técnicas para alcanzar la relación óptima. Utilizamos una tecnología FD-SOI de 28nm para la mayoría de las simulaciones, pero también mostramos que estas técnicas pueden ser utilizadas en tecnologías bulk convencionales. La primer técnica, consiste en utilizar el voltaje de la puerta trasera (o sustrato en CMOS convencional) para ajustar de manera independiente las corrientes del NMOS y PMOS para que el circuito trabaje en el óptimo de la relación de corrientes. Esta técnica la llamamos polarización de voltaje de puerta trasera óptimo. La segunda técnica, consiste en utilizar los largos de los transistores para ajustar las corrientes de fugas de cada transistor y obtener la relación óptima. Trabajando en la región sub umbral y en tecnologías avanzadas, incrementar moderadamente el largo del transistor tiene poco impacto en la energía dinámica y es por eso que se puede utilizar. Finalmente, utilizamos estas técnicas en circuitos básicos como sumadores y mostramos que se puede obtener una reducción de la energía consumida de aproximadamente 50%, en un amplio rango de frecuencias, mientras estos circuitos trabajan cerca del punto de energía mínima. Las principales contribuciones de la tesis son: • Análisis de la técnica de carga gradual o a pasos en capacidades pequeñas. • Implementación de la técnica de carga gradual para la mejora de eficiencia de conversores dc-dc a capacitores conmutados. • Simplificación de la técnica de carga gradual para mejora de la eficiencia en algunas arquitecturas de conversores dc-dc de capacitores conmutados. • Análisis del mínimo voltaje de operación en circuitos digitales debido al ruido intrínseco del dispositivo y el impacto del escalado de las tecnologías en el mismo. • Mejoras en el modelado del punto de energía mínima de operación de un circuito digital en el cual se consideran las diferencias entre el transistor PMOS y NMOS. • Demostración de la existencia de un óptimo en la relación entre las corrientes de fuga entre el NMOS y PMOS que minimiza la energía de fugas consumida en la región sub umbral. • Desarrollo de una estrategia de polarización del voltaje de puerta trasera para que el circuito digital trabaje en el óptimo antes mencionado. • Desarrollo de una estrategia para el dimensionado de los transistores que componen las compuertas digitales que permite al circuito digital operar en el óptimo antes mencionado. • Análisis del impacto de la arquitectura del circuito y de los datos de entrada del mismo en el óptimo antes mencionado

A 0.3 V rail-to-rail ultra-low-power OTA with improved bandwidth and slew rate

In this paper, we present a novel operational transconductance amplifier (OTA) topology based on a dual-path body-driven input stage that exploits a body-driven current mirror-active load and targets ultra-low-power (ULP) and ultra-low-voltage (ULV) applications, such as IoT or biomedical devices. The proposed OTA exhibits only one high-impedance node, and can therefore be compensated at the output stage, thus not requiring Miller compensation. The input stage ensures rail-to-rail input common-mode range, whereas the gate-driven output stage ensures both a high open-loop gain and an enhanced slew rate. The proposed amplifier was designed in an STMicroelectronics 130 nm CMOS process with a nominal supply voltage of only 0.3 V, and it achieved very good values for both the small-signal and large-signal Figures of Merit. Extensive PVT (process, supply voltage, and temperature) and mismatch simulations are reported to prove the robustness of the proposed amplifier

Energy-Efficient Amplifiers Based on Quasi-Floating Gate Techniques

Energy efficiency is a key requirement in the design of amplifiers for modern wireless applications. The use of quasi-floating gate (QFG) transistors is a very convenient approach to achieve such energy efficiency. We illustrate different QFG circuit design techniques aimed to implement low-voltage, energy-efficient class AB amplifiers. A new super class AB QFG amplifier is presented as a design example, including some of the techniques described. The amplifier has been fabricated in a 130 nm CMOS test chip prototype. Measurement results confirm that low-voltage, ultra-low-power amplifiers can be designed, preserving, at the same time, excellent small-signal and large-signal performance.Agencia Estatal de Investigación PID2019-107258RB-C32Unión Europea PID2019-107258RB-C3

Energy-efficient amplifiers based on quasi-floating gate techniques

Energy efficiency is a key requirement in the design of amplifiers for modern wireless applications. The use of quasi-floating gate (QFG) transistors is a very convenient approach to achieve such energy efficiency. We illustrate different QFG circuit design techniques aimed to implement low-voltage energy-efficient class AB amplifiers. A new super class AB QFG amplifier is presented as a design example including some of the techniques described. The amplifier has been fabricated in a 130 nm CMOS test chip prototype. Measurement results confirm that low-voltage ultra low power amplifiers can be designed preserving at the same time excellent small-signal and large-signal performance.This research was funded by AEI/FEDER, grant number PID2019-107258RB-C32

CMOS Design of Reconfigurable SoC Systems for Impedance Sensor Devices

La rápida evolución en el campo de los sensores inteligentes, junto con los avances en las tecnologías de la computación y la comunicación, está revolucionando la forma en que recopilamos y analizamos datos del mundo físico para tomar decisiones, facilitando nuevas soluciones que desempeñan tareas que antes eran inconcebibles de lograr.La inclusión en un mismo dado de silicio de todos los elementos necesarios para un proceso de monitorización y actuación ha sido posible gracias a los avances en micro (y nano) electrónica. Al mismo tiempo, la evolución de las tecnologías de procesamiento y micromecanizado de superficies de silicio y otros materiales complementarios ha dado lugar al desarrollo de sensores integrados compatibles con CMOS, lo que permite la implementación de matrices de sensores de alta densidad. Así, la combinación de un sistema de adquisición basado en sensores on-Chip, junto con un microprocesador como núcleo digital donde se puede ejecutar la digitalización de señales, el procesamiento y la comunicación de datos proporciona características adicionales como reducción del coste, compacidad, portabilidad, alimentación por batería, facilidad de uso e intercambio inteligente de datos, aumentando su potencial número de aplicaciones.Esta tesis pretende profundizar en el diseño de un sistema portátil de medición de espectroscopía de impedancia de baja potencia operado por batería, basado en tecnologías microelectrónicas CMOS, que pueda integrarse con el sensor, proporcionando una implementación paralelizable sin incrementar significativamente el tamaño o el consumo, pero manteniendo las principales características de fiabilidad y sensibilidad de un instrumento de laboratorio. Esto requiere el diseño tanto de la etapa de gestión de la energía como de las diferentes celdas que conforman la interfaz, que habrán de satisfacer los requisitos de un alto rendimiento a la par que las exigentes restricciones de tamaño mínimo y bajo consumo requeridas en la monitorización portátil, características que son aún más críticas al considerar la tendencia actual hacia matrices de sensores.A nivel de celdas, se proponen diferentes circuitos en un proceso CMOS de 180 nm: un regulador de baja caída de voltaje como unidad de gestión de energía, que proporciona una alimentación de 1.8 V estable, de bajo ruido, precisa e independiente de la carga para todo el sistema; amplificadores de instrumentación con una aproximación completamente diferencial, que incluyen una etapa de entrada de voltaje/corriente configurable, ganancia programable y ancho de banda ajustable, tanto en la frecuencia de corte baja como alta; un multiplicador para conformar la demodulación dual, que está embebido en el amplificador para optimizar consumo y área; y filtros pasa baja totalmente integrados, que actúan como extractores de magnitud de DC, con frecuencias de corte ajustables desde sub-Hz hasta cientos de Hz.<br /