MOSFET zero-temperature-coefficient (ZTC) effect modeling anda analysis for low thermal sensitivity analog applications

Continuing scaling of Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technologies brings more integration and consequently temperature variation has become more aggressive into a single die. Besides, depending on the application, room ambient temperature may also vary. Therefore, procedures to decrease thermal dependencies of eletronic circuit performances become an important issue to include in both digital and analog Integrated Circuits (IC) design flow. The main purpose of this thesis is to present a design methodology for a typical CMOS Analog design flow to make circuits as insensitivity as possible to temperature variation. MOSFET Zero Temperature Coefficient (ZTC) and Transconductance Zero Temperature Coefficient (GZTC) bias points are modeled to support it. These are used as reference to deliver a set of equations that explains to analog designers how temperature will change transistor operation and hence the analog circuit behavior. The special bias conditions are analyzed using a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion, and both are proven to occur always from moderate to strong inversion operation in any CMOS fabrication process. Some circuits are designed using proposed methodology: two new ZTC-based current references, two new ZTC-based voltage references and four classical Gm-C circuits biased at GZTC bias point (or defined here as GZTC-C filters). The first current reference is a Self-biased CMOS Current Reference (ZSBCR), which generates a current reference of 5 A. It is designed in an 180 nm process, operating with a supply voltage from 1.4V to 1.8 V and occupying around 0:010mm2 of silicon area. From circuit simulations the reference shows an effective temperature coefficient (TCeff ) of 15 ppm/oC from 45 to +85oC, and a fabrication process sensitivity of = = 4:5%, including average process and local mismatch. Simulated power supply sensitivity is estimated around 1%/V. The second proposed current reference is a Resistorless Self-Biased ZTC Switched Capacitor Current Reference (ZSCCR). It is also designed in an 180 nm process, resulting a reference current of 5.88 A under a supply voltage of 1.8 V, and occupying a silicon area around 0:010mm2. Results from circuit simulation show an TCeff of 60 ppm/oC from -45 to +85 oC and a power consumption of 63 W. The first proposed voltage reference is an EMI Resisting MOSFET-Only Voltage Reference (EMIVR), which generates a voltage reference of 395 mV. The circuit is designed in a 130 nm process, occupying around 0.0075 mm2 of silicon area while consuming just 10.3 W. Post-layout simulations present a TCeff of 146 ppm/oC, for a temperature range from 55 to +125oC. An EMI source of 4 dBm (1 Vpp amplitude) injected into the power supply of circuit, according to Direct Power Injection (DPI) specification results in a maximum DC Shift and Peak-to-Peak ripple of -1.7 % and 35.8m Vpp, respectively. The second proposed voltage reference is a 0.5V Schottky-based Voltage Reference (SBVR). It provides three voltage reference outputs, each one utilizing different threshold voltage MOSFETs (standard-VT , low-VT , and zero-VT ), all available in adopted 130 nm CMOS process. This design results in three different and very low reference voltages: 312, 237, and 51 mV, presenting a TCeff of 214, 372, and 953 ppm/oC in a temperature range from -55 to 125oC, respectively. It occupies around 0.014 mm2 of silicon area for a total power consumption of 5.9 W. Lastly, a few example Gm-C circuits are designed using GZTC technique: a single-ended resistor emulator, an impedance inverter, a first order and a second order filter. These circuits are simulated in a 130 nm CMOS commercial process, resulting improved thermal stability in the main performance parameters, in the range from 27 to 53 ppm/°C.A contínua miniaturização das tecnologias CMOS oferece maior capacidade de integração e, consequentemente, as variações de temperatura dentro de uma pastilha de silício têm se apresentado cada vez mais agressivas. Ademais, dependendo da aplicação, a temperatura ambiente a qual o CHIP está inserido pode variar. Dessa maneira, procedimentos para diminuir o impacto dessas variações no desempenho do circuito são imprescindíveis. Tais métodos devem ser incluídos em ambos fluxos de projeto CMOS, analógico e digital, de maneira que o desempenho do sistema se mantenha estável quando a temperatura oscilar. A ideia principal desta dissertação é propor uma metodologia de projeto CMOS analógico que possibilite circuitos com baixa dependência térmica. Como base fundamental desta metodologia, o efeito de coeficiente térmico nulo no ponto de polarização da corrente de dreno (ZTC) e da transcondutância (GZTC) do MOSFET são analisados e modelados. Tal modelamento é responsável por entregar ao projetista analógico um conjunto de equações que esclarecem como a temperatura influencia o comportamento do transistor e, portanto, o comportamento do circuito. Essas condições especiais de polarização são analisadas usando um modelo de MOSFET que é contínuo da inversão fraca para forte. Além disso, é mostrado que as duas condições ocorrem em inversão moderada para forte em qualquer processo CMOS. Algumas aplicações são projetadas usando a metodologia proposta: duas referências de corrente baseadas em ZTC, duas referências de tensão baseadas em ZTC, e quatro circuitos gm-C polarizados em GZTC. A primeira referência de corrente é uma Corrente de Referência CMOS Auto-Polarizada (ZSBCR), que gera uma referência de 5uA. Projetada em CMOS 180 nm, a referência opera com uma tensão de alimentação de 1.4 à 1.8 V, ocupando uma área em torno de 0:010mm2. Segundo as simulações, o circuito apresenta um coeficiente de temperatura efetivo (TCeff ) de 15 ppm/oC para -45 à +85 oC e uma sensibilidade à variação de processo de = = 4:5% incluindo efeitos de variabilidade dos tipos processo e descasamento local. A sensibilidade de linha encontrada nas simulações é de 1%=V . A segunda referência de corrente proposta é uma Corrente de Referência Sem Resistor Auto-Polarizada com Capacitor Chaveado (ZSCCR). O circuito é projetado também em 180 nm, resultando em uma corrente de referência de 5.88 A, para uma tensão de alimentação de 1.8 V, e ocupando uma área de 0:010mm2. Resultados de simulações mostram um TCeff de 60 ppm/oC para um intervalo de temperatura de -45 à +85 oC e um consumo de potência de 63 W. A primeira referência de tensão proposta é uma Referência de Tensão resistente à pertubações eletromagnéticas contendo apenas MOSFETs (EMIVR), a qual gera um valor de referência de 395 mV. O circuito é projetado no processo CMOS 130 nm, ocupando em torno de 0.0075 mm2 de área de silício, e consumindo apenas 10.3 W. Simulações pós-leiaute apresentam um TCeff de 146 ppm/oC, para um intervalo de temperatura de 55 à +125oC. Uma fonte EMI de 4 dBm (1 Vpp de amplitude) aplicada na alimentação do circuito, de acordo com o padrão Direct Power Injection (DPI), resulta em um máximo de desvio DC e ondulação Pico-à-Pico de -1.7 % e 35.8m Vpp, respectivamente. A segunda referência de tensão é uma Tensão de Referência baseada em diodo Schottky com 0.5V de alimentação (SBVR). Ela gera três saídas, cada uma utilizando MOSFETs com diferentes tensões de limiar (standard-VT , low-VT , e zero-VT ). Todos disponíveis no processo adotado CMOS 130 nm. Este projeto resulta em três diferentes voltages de referências: 312, 237, e 51 mV, apresentando um TCeff de 214, 372, e 953 ppm/oC no intervalo de temperatura de -55 à 125oC, respectivamente. O circuito ocupa em torno de 0.014 mm2, consumindo um total de 5.9 W. Por último, circuitos gm-C são projetados usando o conceito GZTC: um emulador de resistor, um inversor de impedância, um filtro de primeira ordem e um filtro de segunda ordem. Os circuitos também são simulados no processo CMOS 130 nm, resultando em uma melhora na estabilidade térmica dos seus principais parâmetros, indo de 27 à 53 ppm/°C

Digital-Based Analog Processing in Nanoscale CMOS ICs for IoT Applications

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Digital-based analog processing in nanoscale CMOS ICs for IoT applications

The Internet-of-Things (IoT) concept has been opening up a variety of applications, such as urban and environmental monitoring, smart health, surveillance, and home automation. Most of these IoT applications require more and more power/area efficient Complemen tary Metal–Oxide–Semiconductor (CMOS) systems and faster prototypes (lower time-to market), demanding special modifications in the current IoT design system bottleneck: the analog/RF interfaces. Specially after the 2000s, it is evident that there have been significant improvements in CMOS digital circuits when compared to analog building blocks. Digital circuits have been taking advantage of CMOS technology scaling in terms of speed, power consump tion, and cost, while the techniques running behind the analog signal processing are still lagging. To decrease this historical gap, there has been an increasing trend in finding alternative IC design strategies to implement typical analog functions exploiting Digital in-Concept Design Methodologies (DCDM). This idea of re-thinking analog functions in digital terms has shown that Analog ICs blocks can also avail of the feature-size shrinking and energy efficiency of new technologies. This thesis deals with the development of DCDM, demonstrating its compatibility for Ultra-Low-Voltage (ULV) and Power (ULP) IoT applications. This work proves this state ment through the proposing of new digital-based analog blocks, such as an Operational Transconductance Amplifiers (OTAs) and an ac-coupled Bio-signal Amplifier (BioAmp). As an initial contribution, for the first time, a silicon demonstration of an embryonic Digital-Based OTA (DB-OTA) published in 2013 is exhibited. The fabricated DB-OTA test chip occupies a compact area of 1,426 µm2 , operating at supply voltages (VDD) down to 300 mV, consuming only 590 pW while driving a capacitive load of 80pF. With a Total Harmonic Distortion (THD) lower than 5% for a 100mV input signal swing, its measured small-signal figure of merit (FOMS) and large-signal figure of merit (FOML) are 2,101 V −1 and 1,070, respectively. To the best of this thesis author’s knowledge, this measured power is the lowest reported to date in OTA literature, and its figures of merit are the best in sub-500mV OTAs reported to date. As the second step, mainly due to the robustness limitation of previous DB-OTA, a novel calibration-free digital-based topology is proposed, named here as Digital OTA (DIG OTA). A 180-nm DIGOTA test chip is also developed exhibiting an area below the 1000 µm2 wall, 2.4nW power under 150pF load, and a minimum VDD of 0.25 V. The proposed DIGOTA is more digital-like compared with DB-OTA since no pseudo-resistor is needed. As the last contribution, the previously proposed DIGOTA is then used as a building block to demonstrate the operation principle of power-efficient ULV and ultra-low area (ULA) fully-differential, digital-based Operational Transconductance Amplifier (OTA), suitable for microscale biosensing applications (BioDIGOTA) such as extreme low area Body Dust. Measured results in 180nm CMOS confirm that the proposed BioDIGOTA can work with a supply voltage down to 400 mV, consuming only 95 nW. The BioDIGOTA layout occupies only 0.022 mm2 of total silicon area, lowering the area by 3.22X times compared to the current state of the art while keeping reasonable system performance, such as 7.6 Noise Efficiency Factor (NEF) with 1.25 µVRMS input-referred noise over a 10 Hz bandwidth, 1.8% of THD, 62 dB of the common-mode rejection ratio (CMRR) and 55 dB of power supply rejection ratio (PSRR). After reviewing the current DCDM trend and all proposed silicon demonstrations, the thesis concludes that, despite the current analog design strategies involved during the analog block development

breaking the boundaries between analogue and digital

Subject Editor Paolo Crovetti spotlight on future information processin

Low temperature sensitivity CMOS transconductor based on GZTC MOSFET condition

Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Transconductors, or Gm cells, are key building blocks to implement a large variety of analog circuits such as adjustable filters, multipliers, controlled oscillators and amplifiers. Usually temperature stability is a must in such applications, and herein we define all required conditions to design low thermal sensitivity Gm cells by biasing MOSFETs at Transconductance Zero Temperature Condition (GZTC). This special bias condition is analyzed using a MOSFET model which is continuous from weak to strong inversion, and it is proved that this condition always occurs from moderate to strong inversion operation in any CMOS fabrication process. Additionally, a few example circuits are designed using this technique: a single-ended resistor emulator, an impedance inverter, a first order and a second order filter. These circuits have been simulated in a 130 nm CMOS commercial process, resulting in improved thermal stability in the main performance parameters, in the range from 27 to 53 ppm/ºC

MOSFET ZTC condition analysis for a self-biased current reference design

In this paper a self-biased current reference based on Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) Zero Temperature Coefficient (ZTC) condition is proposed. It can be imple mented in any Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) fabrication process and pro vides another alternative to design current references. In order to support the circuit design, ZTC condition is analyzed using a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion, show ing that this condition always occurs from moderate to strong inversion in any CMOS process. The proposed topology was designed in a 180 nm process, operates with a supply voltage from 1.4V to 1.8 V and occupies around 0.010mm2 of silicon area. From circuit simulations our reference showed a temperature coefficient (TC) of 15 ppm/o C from -40 to +85o C, and a fabrication process sensitivity of σ/μ = 4.5% for the current reference, including average process and local mismatch variability analysis. The simulated power supply sensitivity is estimated around 1%/V

MOSFET zero-temperature-coefficient (ZTC) effect modeling anda analysis for low thermal sensitivity analog applications

Continuing scaling of Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technologies brings more integration and consequently temperature variation has become more aggressive into a single die. Besides, depending on the application, room ambient temperature may also vary. Therefore, procedures to decrease thermal dependencies of eletronic circuit performances become an important issue to include in both digital and analog Integrated Circuits (IC) design flow. The main purpose of this thesis is to present a design methodology for a typical CMOS Analog design flow to make circuits as insensitivity as possible to temperature variation. MOSFET Zero Temperature Coefficient (ZTC) and Transconductance Zero Temperature Coefficient (GZTC) bias points are modeled to support it. These are used as reference to deliver a set of equations that explains to analog designers how temperature will change transistor operation and hence the analog circuit behavior. The special bias conditions are analyzed using a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion, and both are proven to occur always from moderate to strong inversion operation in any CMOS fabrication process. Some circuits are designed using proposed methodology: two new ZTC-based current references, two new ZTC-based voltage references and four classical Gm-C circuits biased at GZTC bias point (or defined here as GZTC-C filters). The first current reference is a Self-biased CMOS Current Reference (ZSBCR), which generates a current reference of 5 A. It is designed in an 180 nm process, operating with a supply voltage from 1.4V to 1.8 V and occupying around 0:010mm2 of silicon area. From circuit simulations the reference shows an effective temperature coefficient (TCeff ) of 15 ppm/oC from 45 to +85oC, and a fabrication process sensitivity of = = 4:5%, including average process and local mismatch. Simulated power supply sensitivity is estimated around 1%/V. The second proposed current reference is a Resistorless Self-Biased ZTC Switched Capacitor Current Reference (ZSCCR). It is also designed in an 180 nm process, resulting a reference current of 5.88 A under a supply voltage of 1.8 V, and occupying a silicon area around 0:010mm2. Results from circuit simulation show an TCeff of 60 ppm/oC from -45 to +85 oC and a power consumption of 63 W. The first proposed voltage reference is an EMI Resisting MOSFET-Only Voltage Reference (EMIVR), which generates a voltage reference of 395 mV. The circuit is designed in a 130 nm process, occupying around 0.0075 mm2 of silicon area while consuming just 10.3 W. Post-layout simulations present a TCeff of 146 ppm/oC, for a temperature range from 55 to +125oC. An EMI source of 4 dBm (1 Vpp amplitude) injected into the power supply of circuit, according to Direct Power Injection (DPI) specification results in a maximum DC Shift and Peak-to-Peak ripple of -1.7 % and 35.8m Vpp, respectively. The second proposed voltage reference is a 0.5V Schottky-based Voltage Reference (SBVR). It provides three voltage reference outputs, each one utilizing different threshold voltage MOSFETs (standard-VT , low-VT , and zero-VT ), all available in adopted 130 nm CMOS process. This design results in three different and very low reference voltages: 312, 237, and 51 mV, presenting a TCeff of 214, 372, and 953 ppm/oC in a temperature range from -55 to 125oC, respectively. It occupies around 0.014 mm2 of silicon area for a total power consumption of 5.9 W. Lastly, a few example Gm-C circuits are designed using GZTC technique: a single-ended resistor emulator, an impedance inverter, a first order and a second order filter. These circuits are simulated in a 130 nm CMOS commercial process, resulting improved thermal stability in the main performance parameters, in the range from 27 to 53 ppm/°C.A contínua miniaturização das tecnologias CMOS oferece maior capacidade de integração e, consequentemente, as variações de temperatura dentro de uma pastilha de silício têm se apresentado cada vez mais agressivas. Ademais, dependendo da aplicação, a temperatura ambiente a qual o CHIP está inserido pode variar. Dessa maneira, procedimentos para diminuir o impacto dessas variações no desempenho do circuito são imprescindíveis. Tais métodos devem ser incluídos em ambos fluxos de projeto CMOS, analógico e digital, de maneira que o desempenho do sistema se mantenha estável quando a temperatura oscilar. A ideia principal desta dissertação é propor uma metodologia de projeto CMOS analógico que possibilite circuitos com baixa dependência térmica. Como base fundamental desta metodologia, o efeito de coeficiente térmico nulo no ponto de polarização da corrente de dreno (ZTC) e da transcondutância (GZTC) do MOSFET são analisados e modelados. Tal modelamento é responsável por entregar ao projetista analógico um conjunto de equações que esclarecem como a temperatura influencia o comportamento do transistor e, portanto, o comportamento do circuito. Essas condições especiais de polarização são analisadas usando um modelo de MOSFET que é contínuo da inversão fraca para forte. Além disso, é mostrado que as duas condições ocorrem em inversão moderada para forte em qualquer processo CMOS. Algumas aplicações são projetadas usando a metodologia proposta: duas referências de corrente baseadas em ZTC, duas referências de tensão baseadas em ZTC, e quatro circuitos gm-C polarizados em GZTC. A primeira referência de corrente é uma Corrente de Referência CMOS Auto-Polarizada (ZSBCR), que gera uma referência de 5uA. Projetada em CMOS 180 nm, a referência opera com uma tensão de alimentação de 1.4 à 1.8 V, ocupando uma área em torno de 0:010mm2. Segundo as simulações, o circuito apresenta um coeficiente de temperatura efetivo (TCeff ) de 15 ppm/oC para -45 à +85 oC e uma sensibilidade à variação de processo de = = 4:5% incluindo efeitos de variabilidade dos tipos processo e descasamento local. A sensibilidade de linha encontrada nas simulações é de 1%=V . A segunda referência de corrente proposta é uma Corrente de Referência Sem Resistor Auto-Polarizada com Capacitor Chaveado (ZSCCR). O circuito é projetado também em 180 nm, resultando em uma corrente de referência de 5.88 A, para uma tensão de alimentação de 1.8 V, e ocupando uma área de 0:010mm2. Resultados de simulações mostram um TCeff de 60 ppm/oC para um intervalo de temperatura de -45 à +85 oC e um consumo de potência de 63 W. A primeira referência de tensão proposta é uma Referência de Tensão resistente à pertubações eletromagnéticas contendo apenas MOSFETs (EMIVR), a qual gera um valor de referência de 395 mV. O circuito é projetado no processo CMOS 130 nm, ocupando em torno de 0.0075 mm2 de área de silício, e consumindo apenas 10.3 W. Simulações pós-leiaute apresentam um TCeff de 146 ppm/oC, para um intervalo de temperatura de 55 à +125oC. Uma fonte EMI de 4 dBm (1 Vpp de amplitude) aplicada na alimentação do circuito, de acordo com o padrão Direct Power Injection (DPI), resulta em um máximo de desvio DC e ondulação Pico-à-Pico de -1.7 % e 35.8m Vpp, respectivamente. A segunda referência de tensão é uma Tensão de Referência baseada em diodo Schottky com 0.5V de alimentação (SBVR). Ela gera três saídas, cada uma utilizando MOSFETs com diferentes tensões de limiar (standard-VT , low-VT , e zero-VT ). Todos disponíveis no processo adotado CMOS 130 nm. Este projeto resulta em três diferentes voltages de referências: 312, 237, e 51 mV, apresentando um TCeff de 214, 372, e 953 ppm/oC no intervalo de temperatura de -55 à 125oC, respectivamente. O circuito ocupa em torno de 0.014 mm2, consumindo um total de 5.9 W. Por último, circuitos gm-C são projetados usando o conceito GZTC: um emulador de resistor, um inversor de impedância, um filtro de primeira ordem e um filtro de segunda ordem. Os circuitos também são simulados no processo CMOS 130 nm, resultando em uma melhora na estabilidade térmica dos seus principais parâmetros, indo de 27 à 53 ppm/°C

Dynamic and static calibration of ultra-low-voltage, digital-based operational transconductance amplifiers

The calibration of the effects of process variations and device mismatch in Ultra Low Voltage (ULV) Digital-Based Operational Transconductance Amplifiers (DB-OTAs) is addressed in this paper. For this purpose, two dynamic calibration techniques, intended to dynamically vary the effective strength of critical gates by different modulation strategies, i.e., Digital Pulse Width Modulation (DPWM) and Dyadic Digital Pulse Modulation (DDPM), are explored and compared to classic static calibration. The effectiveness of the calibration approaches as a mean to recover acceptable performance in non-functional samples is verified by Monte-Carlo (MC) post-layout simulations performed on a 300 mV power supply, nW-power DB-OTA in 180 nm CMOS. Based on the same MC post-layout simulations, the impact of each calibration strategy on silicon area, power consumption, and OTA performance is discussed