Low power digitally controlled oscillator for IoT applications

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: Moreira, Mateus Bernardino
• Orientador(a): Bampi, Sergio
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Internet das coisas; Baixa tensão; Microeletrônica
• Palavras-chave em Inglês: Low-power design; digitally controlled oscillator (DCO); transformedbased oscillator; Unified Current-Control Model (UICM)
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/223193

Este trabalho objetiva o projeto de um DCO de baixa potência em CMOS para aplicações de IoT e aderentes ao padrão IEEE 802.11ah. A metodologia de projeto é baseada no modelo de controle de corrente unificado (UICM), que é um modelo com embasamento físico que permite uma operação precisa em todas as regiões de operação do dispositivo. Adicionalmente, é utilizado um ressonador baseado em transformador visando solucionar os problemas provenientes do baixo fator de qualidade de indutores integrados. Para destacar as melhorias obtidas com o projeto do ressonador baseado em transformador e com a metodologia baseada no modelo UICM, dois projetos de DCO são realizados. Esses projetos visam a operação com baixa tensão de alimentação (VDD), uma vez que o escalonamento do VDD é uma tendência em sistemas em chip (SoCs), em que o circuito é majoritariamente digital. Independente da degradação causada pelo escalonamento de VDD, circuitos analógicos e de RF atuais devem oferecer desempenho semelhante ao alcançado em tecnologias CMOS mais antigas. O primeiro projeto foi um DCO de baixa potência com tanque LC, implementado em tecnologia bulk-CMOS de 40nm. O primeiro projeto apresentou uma operação a 45% do VDD nominal sem comprometer o desempenho. Ao reduzir o VDD abaixo do valor nominal, este DCO reduz o consumo de energia, que é uma característica crucial para circuitos IoT. A principal contribuição deste DCO é a redução do impacto do escalonamento do VDD no ruído de fase. O DCO com tanque LC opera de 1,8 a 1,86 GHz. Na frequência máxima e com VDD de apenas 0,395V, o consumo de energia é 380 W e o ruído de fase é -119,3 dBc/Hz a 1 MHz. O circuito ocupa uma área de 0.46mm2 em processo CMOS de 40 nm. O segundo projeto foi um DCO de baixa potência baseado em transformador, implementado em tecnologia bulk- CMOS de 28nm. Este projeto visa a redução de VDD abaixo de 0,3 V. Operando em uma faixa de frequência semelhante ao primeiro DCO, o DCO baseado em transformador opera com VDD de 0,280V e com consumo de potência de 97 W. O ruído de fase foi de -101,95 dBc/Hz a 1 MHz. Mesmo no pior caso de processo, este DCO opera a um VDD de 0,330V, consumindo 126 W, com o ruído de fase semelhante ao caso típico. O circuito ocupa uma área de 0.364mm2.