Variability-aware design of front-end circuits for self-powered applications

Bahramali, Asghar (2021). Variability-aware design of front-end circuits for self-powered applications. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.67319.

Description

Title: Variability-aware design of front-end circuits for self-powered applications
Author/s:
  • Bahramali, Asghar
Contributor/s:
  • López Vallejo, María Luisa
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 13 April 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Electrónica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

The advent of electronic engineering has changed human life in the last half century greatly. One of the areas with an ever increasing demand for the use of this branch of engineering is IoT (Internet of Things) applications. There is a wide range of applications in this domain which have been affected deeply by electronic devices. One of the most important areas in the IoT domain where the electronic devices have been used to solve long term important problems are the outdoor battery powered applications. Low power, small area and stability under temperature variations are the crucial requirements for these applications to be covered by the electronic designers. The characteristic of the electronic domain is such that these requirements can be clearly addressed. Vast usage of CMOS technology with its continual miniaturization trend, low power consumption design techniques and energy autonomous strategies are some of the greatly used approaches in electronic engineering that makes it possible to address low power and low area requirements of IoT applications and the best fit for them. In this work we have provided a self-powered analog platform for applications having the specific requirements of ultra low power consumption and low area. The platform contains the following blocks: Rectifier/DC amplifier, Voltage reference and Regulator. These are the main analog building blocks which are necessary for the small IoT nodes in outdoor applications. To meet low power consumption and low area requisites our strategy has been to design an state-of-the-art sub-threshold biased CMOS-only resistor-less platform. In designing of these blocks we made two important decisions for applications where power constraint is of great concern. On the one hand we have made use of an external RFID based power harvesting hub that transfers the harvested energy to the desired application through an antenna. On the other hand we have tried to follow state-of-the-art techniques that result in circuit configurations that are not power hungry. The main blocks of the proposed analog platform include circuit configurations that contain only regular CMOS devices and are biased in the sub-threshold region of operation. Resistors are avoided mainly because ultra low power consumption requires very large resistances which would occupy much of the chip area. We have used only regular CMOS devices which have the same threshold voltages. In this manner there is no need to use special devices which are not provided by all foundries and make the fabrication process more complicated and less cost effective. We have realized our design in a commercial 40nm technology. In this manner not only the design size will be reduced but also it helps to decrease the circuit power consumption. Realizing analog circuits in deep sub-micron technologies makes it also possible to be embedded with digital circuits and to provide a more robust and reliable mixed mode design. The Dickson charge pump is an integral part of this platform that not only amplifies and rectifies the RFID harvested power but also aids to produce a voltage reference which is temperature resilient. Thermal stability has been achieved taking advantage of the positive temperature coefficient of the Dickson charge pump, being this a main contribution of this PhD Thesis. The platform is equipped with three voltage references to cover nearly all range of applications. In particular a 1.224V voltage reference provides great dynamic range for the related applications. It is suitable to be used for the temperature range of -10•C to 125•C with an acceptable TC of 60 (ppm/•C). The 7nW power consumption of the reference part of the circuit is low enough to be considered for low power applications. The circuit also takes up a very small area of 330μm2 (including the charge pump). A 365mV voltage reference is suitable for applications where sampling low voltages is required. The proposed configuration benefits from a pre-regulator stage to improve its line regulation. With this strategy the circuit line regulation is 7.5% with PSRR of -73dB. The circuit has very low active area of 397μm2 (including the charge pump) and a low power consumption of 13.28nW. The TC of 53ppm/•C in the wide temperature range of -55•C to 125•C makes it suitable for IoT outdoor applications. Finally, a mid-bandgap voltage reference that provides 570mV sacrifice power (151.1nW) to provide a voltage reference with improved line regulation (5%) and better temperature stability (40ppm/ •C) in the wide temperature range of -55•C to 125•C. It is suitable in applications where accuracy is of great concern. All voltage references are designed in a twostage configuration that benefits from an embedded Dickson charge pump both as the supply voltage and as an inherent PTAT voltage. The last main block of the platform is a 1.1V LDO linear regulator with the minimum feasible voltage drop of 200mV and 800nA quiescent current witch is 0.08% of the maximum 1mA that can be delivered to the load while the output voltage is regulated. Therefore the efficiency of the regulator is 84.6%. The proposed circuit is based on a standard two-stage amplifier which has the best line regulation among the possible available configurations. The circuit is modified with simple state-of-the-art techniques using minimum device count to provide better performance in two areas of temperature resiliency and load transition performance. The whole circuit consisting of the embedded voltage reference, the Miller and load capacitances take less than 0.007mm2 of the die size with 1μW power consumption. ----------RESUMEN---------- La evolución de la ingeniería electrónica ha cambiado de forma significativa la vida humana en el último medio siglo. Una de las áreas que más se ha beneficiado de esta rama de la ingeniería son las aplicaciones de IoT (Internet de las cosas). Hay una amplia gama de aplicaciones en este ámbito que se han visto profundamente afectadas por los dispositivos electrónicos. Tal es el caso de las aplicaciones en exteriores alimentadas con baterías. Los requisitos fundamentales para estas aplicaciones son el bajo consumo, reducido tamaño y estabilidad frente a las variaciones de temperatura. Estos requisitos pueden ser claramente abordados gracias al diseño electrónico actual. El amplio uso de la tecnología CMOS, con su continuo escalado y miniaturization, las técnicas de diseño de bajo consumo de energía, y las estrategias de autonomía energética son algunos de los enfoques más utilizados, permitiendo afrontar los exigentes requisitos de las aplicaciones IoT. En este trabajo se presenta una plataforma analógica autoalimentada para aplicaciones IoT. La plataforma contiene los siguientes bloques: Rectificador/Amplificador de DC, Referencia de tensión y Regulador. Estos son los principales bloques analógicos que son necesarios para los pequeños nodos IoT utilizados en aplicaciones de exterior. Para cumplir con los requisitos de bajo consumo de energía nuestra estrategia ha sido seguir un diseño de última generación centrado en la región un sub-umbral y sin resistencias. En el diseño de estos bloques hemos tomado dos decisiones clave para aplicaciones en las que la limitación de potencia es una gran restricción. Por un lado, hemos hecho uso de un centro de recolección de energía (en inglés energy harvesting hub) externo basado en RFID que transfiere la energía recolectada a la aplicación deseada a través de una antena. Por otro lado, se han seguido las técnicas más avanzadas que dan como resultado configuraciones de circuitos con reducido consumo de energía. Los principales bloques de la plataforma analógica propuesta incluyen configuraciones de circuitos con sólo transistores CMOS convencionales polarizados en la región de sub-umbral de funcionamiento. Las resistencias se evitan porque el consumo de energía ultrabajo requiere resistencias muy grandes que ocuparían gran parte del área del chip. Hemos utilizado sólo dispositivos CMOS normales que comparten la misma tensión umbral. De esta forma no hay necesidad de utilizar dispositivos especiales que no están disponibles en todos los procesos de fabricación y que lo hacen más complicado y menos rentable. Hemos realizado nuestro diseño en una tecnología comercial de 40nm. De este modo no sólo se reduce el tamaño del diseño, sino que también disminuye el consumo de potencia. Además, la realización de circuitos analógicos en tecnologías submicrónicas profundas permite abordar sistemas de señal mixta facilitando a la parte digital un diseño más robusto y fiable. La bomba de carga Dickson es una parte fundamental de la plataforma que no sólo amplifica y rectifica la energía de RFID recogida, sino que también ayuda a producir referencias de tensión que son tolerantes a variaciones de temperatura. La estabilidad térmica se ha conseguido aprovechando el coeficiente de temperatura positivo de la bomba de carga Dickson, siendo ésta una de las principales aportaciones de esta Tesis Doctoral. La plataforma está equipada con tres referencias de tensión para cubrir casi toda la gama de aplicaciones IoT. En particular, se ha diseñado una referencia de tensión de 1,224V que proporciona un gran rango dinámico para las aplicaciones objetivo. Es adecuada para ser utilizada para el rango de temperatura de -10°C a 125°C con un TC de 60 ppm/°C. Tiene un consumo de potencia de 7nW que es lo suficientemente bajo como para ser considerado para aplicaciones de baja potencia. El circuito ocupa un área muy pequeña de 330um2 (incluyendo la bomba de carga). La segunda referencia de tensión diseñada es de 365mV, adecuada para aplicaciones en las que se requiere el muestreo de tensiones bajas. La configuración propuesta se beneficia de una etapa de prerregulador para mejorar su regulación de línea. Con esta estrategia el circuito presenta una regulación de línea del 7,5% con una PSRR de -73dB. El circuito tiene un área activa muy baja, 397um2 (incluyendo la bomba de carga) y un consumo de 13,28nW. El TC es de 53 ppm/°C en el extenso rango de temperatura de -55°C a 125°C lo que la hace adecuada para aplicaciones de IoT en exteriores. Por último se ha incluido en la plataforma una referencia de tensión de mitad de bandgap, 570mV, que sacrifica consumo (151,lnW) para conseguir una referencia de tensión con una regulación de línea mejorada (5%) y una mayor estabilidad de temperatura (40 ppm/°C) en el amplio rango de temperaturas de -55°C a 125°C. Esta referencia resulta adecuada para aplicaciones en las que la precisión es de gran importancia. Todas las referencias de tensión están diseñadas en una configuración de dos etapas que aprovecha la tensión PTAT inherente de la bomba de carga Dickson. El último bloque principal de la plataforma es un regulador lineal LDO de 1,1V con la mínima caída de tensión posible de 200mV y una corriente de reposo de 800nA que es el 0,08% del máximo de ImA que se puede suministrar a la carga mientras se regula la tensión de salida. Por lo tanto, la eficiencia del regulador es del 84,6%. El circuito propuesto se basa en un amplificador estándar de dos etapas que tiene la mejor regulación de línea entre las configuraciones disponibles. El circuito se ha modificado con técnicas sencillas del estado de la técnica utilizando un número mínimo de transistores para proporcionar mejores prestaciones en dos aspectos importantes como son la tolerancia a variaciones de temperatura y rendimiento en las transiciones abruptas de la carga. El circuito, que incorpora una referencia de tensión, y capacidades de Miller y de carga, ocupa menos de 0,007mm2 del tamaño del dado con luW de consumo de energía.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainTEC2015-65902UnspecifiedUnspecifiedVariability in Nanometric Technologies: Tolerance, Reliability and Benefits

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Item ID: 67319
DC Identifier: https://oa.upm.es/67319/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:67319
DOI: 10.20868/UPM.thesis.67319
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 06 Jun 2021 08:11
Last Modified: 06 Jun 2021 08:11
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