On the design of ultra low voltage CMOS oscillators

Abstract

Los nodos sensores inalámbricos tienen fuertes requerimientos de bajo consumo de manera 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 útiles 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 operar como 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 45 um x 74 um y 78 um x 83 um, respectivamente. El consumo de potencia de sendos osciladores es 2.26 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, el tiempo de arranque y la amplitud de oscilación. La desviación de Allan es 30 ppb en 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.