Dissertação de mestrado em Micro and NanoelectronicsThis dissertation presents a study in the area of mixed analog/digital CMOS power extraction
circuits for energy harvester.
The main contribution of this work is the realization of low power consumption and
high efficient circuit components employable in a management circuit for piezoelectricbased
energy harvester. This thesis focuses on the development of current references and
operational amplifiers addressing low power demands. A brief literature review is conducted
on the components necessary for the power extraction circuit, including introduction to
CMOS technology design and research of known low power circuits. It is presented with
multiple implementations for voltage and current references, as well for operational amplifier
designs.
A self-biased current reference, capable of driving the remaining harvesting circuit, is
designed and verified. A novel operational amplifier is proposed by the use of a minimum
current selector circuit topology. It is a three-stage amplifier with an AB class output stage,
comprised by a translinear circuit. The circuit is designed, taking into consideration noise
reduction. The circuit components are designed based on the 0.35mm CMOS technology.
A physical layout is developed for fabrication purposes. This technology was chosen with
consideration of robustness, costliness and performance. The current reference is capable of
outputting a stable 12nA current, which may remain stable in a broad range of power supply
voltages with a minimum voltage of 1.6V. The operational amplifier operates correctly at
voltages as low as 1.5V. The amplifier power consumption is extremely low, around 8mW,
with an optimal quiescent current and minimum current preservation in the output stage.A principal contribuição desta dissertação é a implementação de circuitos integrados de
muito baixo consumo e alta eficiência, prontos a ser implementados num circuito de extração
de energia com base num elemento piezoelétrico.
Esta tese foca-se no desenvolvimento de um circuito de referência de corrente e um
amplificador operacional com baixa exigência de consumo. Uma revisão da literatura
é realizada, incluindo introdução à tecnologia Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
(CMOS), e implementação de conhecidos circuitos de baixo consumo. Várias implementações
de referência de tensão e corrente são consideradas, e amplificadores operacionais também.
Uma referência de corrente auto polarizada com extremo baixo consumo é desenvolvida e
verificada. Um amplificador operacional original é proposto com uma topologia de seleção
de corrente mínima. Este circuito é constituído por três estágios, com um estágio de saída
de classe AB, e um circuito translinear. O circuito tem em consideração redução de ruído na
sua implementação.
Os circuitos são desenvolvidos com base na tecnologia 0.35mm CMOS. Uma layout foi
também desenhada com o propósito de fabricação. A tecnologia foi escolhida tendo em
conta o seu custo versus desempenho.
A referência de corrente produz uma corrente de 12nA, permanecendo estável para
tensões de alimentação de variáveis, com uma tensão mínima de 1.6V. O circuito mostra um
coeficiente de temperatura satisfatório. O amplificador operacional funciona com tensão de
alimentação mínima de 1.5V, com um consumo baixo de 8mW, com uma corrente mínima
mantida no estágio de saída
