On the design of ultra low voltage CMOS oscillators.

Abstract

Wireless sensor nodes require very tight power budgets to operate from either asmall battery, some energy harvesting mechanism or both. In many cases, thermalor electrochemical harvesting devices provide very low voltages of the order of100 mV or even lower. Time-keeping functionality is required in IoT systems andthe time-keeping module must be on at all times. Crystal oscillators have provento be useful for low power time-keeping applications, and in this context supplyvoltage lowering is a convenient strategy. Therefore, 32 kHz crystal oscillatorsoperating with only 60 mV supply are presented. Two implementations based ona Schmitt trigger circuit for two different crystals were designed and experimentallycharacterized.These crystal oscillators are based on the application of a Schmitt trigger asan amplifier. Guidelines for designing this block to be the amplifier of a crystaloscillator are provided. Furthermore, a dynamic model of the Schmitt trigger isproposed and the model results are compared against simulations. The amplifierswere experimentally characterized, providing a gain of 2.48 V/V with a 60 mVpower supply. As it was intended in the design stage, for voltages above 100 mVhysteresis appears and the Schmitt trigger starts operating as a comparator.The Schmitt triggers to operate as amplifiers of the crystal oscillators aredesigned in a 130 nm CMOS process, requiring an area of 45μm x 74μm and78μm x 83μm, respectively. The power consumptions of the crystal oscillators are2.26 nW and 15 nW and the temperature stabilities attained are 62 ppm (25-62°C)and 50 ppm (5-62°C), respectively. The dependence on the supply voltage of thecurrent consumption, fractional frequency, start-up time and oscillation amplitudewere measured. The Allan deviation is 30 ppb for both oscillators.On the other hand, an LC voltage controlled oscillator (VCO) is designed in28 nm FD-SOI for RF applications. The possibility of modeling the transistors inthe 28 nm FD-SOI technology by means of the all inversion region long channelbulk transistor model used for the Schmitt trigger circuits, is studied. A cross-coupled nMOS architecture is used to build the VCO. The theoretical limit for theminimum supply voltage that enables oscillation is studied. The transistors wereoptimally sized to aim the minimum power consumption through a low-voltageapproach and the performance of the VCO was obtained through simulations. Los nodos sensores inalámbricos tienen fuertes requerimientos de bajo consumo demanera de operar con baterías pequeñas o algún mecanismo de cosecha de energía, o ambos. En muchos casos, la cosecha de energía térmica o electroquímica provee tensiones muy bajas del orden de 100 mV o incluso menos. Los sistemas de internet de las cosas incluyen un módulo de reloj que debe estar siempre encendido a efectos de contar el tiempo. Los osciladores a cristal son probadamente ́utiles como relojes de bajo consumo, y en este contexto la reducción de la tensión es una estrategia conveniente. Por lo tanto, presentamos osciladores a cristal de 32 kHz operando con sólo 60 mV de tensión de alimentación. Dos implementaciones, basadas en el circuito Schmitt trigger para dos cristales diferentes, se diseñan y caracterizan experimentalmente.Estos osciladores a cristal están basados en la aplicación del Schmitt trigger como amplificador. Se provee una guía para el diseño de este bloque para funcionar como el amplificador de un oscilador a cristal. Adicionalmente se propone un modelo dinámico del Schmitt trigger y los resultados del modelo son comparados con resultados de simulación. Los amplificadores son caracterizados experimentalmente, proveyendo una ganancia de 2.48 V/V con 60 mV de tensión de alimentación. Tal como se pretende en la etapa de diseño, para tensiones mayores a 100 mV aparece el fenómeno de histéresis y el Schmitt trigger comienza a operarcomo un comparador.Los Schmitt trigger para operar como amplificadores de los osciladores a cristal son diseñados en un proceso CMOS de 130 nm y ocupan un área de 45μm x 74μmy 78μm x 83μm, respectivamente. El consumo de potencia de sendos osciladores es2.26 nW y 15 nW y la estabilidad en temperatura obtenida es de 62 ppm (25-62°C)y 50 ppm (5-62°C), respectivamente. Se midieron la dependencia del consumo de corriente con respecto a la tensión de alimentación, la frequencia de oscilación, eltiempo de arranque y la amplitud de oscilación. La desviación de Allan es 30 ppben ambos osciladores.Por otra parte, un oscilador LC controlado por voltaje es diseñado en un proceso CMOS de silicio sobre aislante en deplexión total de 28 nm, para aplicaciones de radiofrecuencia. Se estudia la posibilidad de utilizar en este caso el mismo modelo utilizado para el diseño del Schmitt trigger. Dicho modelo es válido en todas las regiones de inversión y está desarrollado para transistores de tipo sustrato y de canal largo. La arquitectura de transistores nMOS entrelazados es la utilizada para este oscilador. Se estudia el límite teórico para la mínima tensión de alimentación. Los transistores son dimensionados de manera óptima para obtener el mínimo consumo de potencia posible, utilizando un enfoque de baja tensión y el desempeño del oscilador se obtuvo mediante simulaciones.