Circuitos generadores de reloj integrados de ultra bajo consumo

Abstract

Los dispositivos médicos implantables y los nodos para la Internet de las Cosas (IoT) operan con restricciones debido a su portabilidad y autonomía, lo que exige una optimización tanto del área física como del consumo de potencia. A menudo, estos sistemas han dependido de osciladores de cristal externos como referencia de tiempo; sin embargo, este componente ocupa un volumen considerable y limita la miniaturización del sistema. Para sustituirlo, los osciladores de relajación integrados en tecnología CMOS se presentan como la alternativa más viable, teniendo como desafío alcanzar la robustez adecuada frente a variaciones de proceso, voltaje de alimentación y temperatura (PVT). Esta tesis aborda el análisis, diseño y caracterización de circuitos generadores de reloj integrados de ultra-bajo consumo. Inicialmente, se presenta una revisión del estado del arte, donde se clasifican y estudian las arquitecturas y los mecanismos de mitigación de errores existentes. Luego, se proponen, diseñan y evalúan dos diferentes implementaciones de osciladores de relajación en tecnología CMOS de 180 nm. El primer diseño utiliza para la comparación un amplificador operacional de transconductancia (OTA) de dos etapas convencional, mientras que el segundo introduce un OTA simétrico modificado con el objetivo de aumentar el slew-rate y reducir el retardo. Mediante un análisis teórico inicial se establecieron compromisos de diseño y luego, mediante simulaciones, se diseñó evaluando estos compromisos y se caracterizaron los dos diseños finales. Finalmente se validó el comportamiento de los relojes mediante mediciones. Los circuitos fabricados ocupan un área de 0, 041 mm2 cada uno y logran consumos de pocos cientos de nanowatts con una tensión de alimentación de 2,5 V. Su frecuencia es calibrable con un error menor de ±1% en el rango de temperaturas de 20◦C a 42◦C. Sus coeficientes de temperatura son de 240 ppm/◦C y 210 ppm/◦C, y sus sensibilidades a la tensión de alimentación son de −0,7%/V y 2,2%/V para el OTA convencional y simétrico, respectivamente.