Temperature compensated subthreshold CMOS voltage references for ultra low power applications - Oliveira, Arthur Campos de (2017)
Esse trabalho propõe novas estruturas de referência de tensão compensadas em temperatura e operando em subthreshold para aplicações de ultra-baixa potência e ultra-baixa tensão. O núcleo dos circuitos propostos é o MOSFET self-cascode (SCM) já que o mesmo pode operar a níveis de corrente muito baixos. Para redução do consumo de potência, esquemas de auto-polarização e polarização com o leakage do transistor zero-VT são explorados. A utilização desses esquemas resultou em três novas estruturas de referência de tensão: SCM auto-polarizado (SBSCM), NMOS como carga ativa auto-polarizado (SBNMOS) e um referência de tensão de 3-Transistores (3T). Para as estruturas autopolarizadas a geração da referência de tensão é obtida usando o SCM com transistores com threshold (VT ) diferentes. Mesmo essa solução apresentando bom desempenho e baixo consumo de potência, a utilização de transistores com diferentes VT faz com que os circuitos sejam muito sensíveis a variação de processo. De forma a obter uma referência de tensão compensada em temperatura utilizando o mesmo tipo de dispositivo, nós usamos os efeitos de canal-curto inverso e de canal-estreito do transistor MOS, onde o VT é maior para dispositivos com canal-curto/estreito, para obter VT s distintos. Os circuitos que utilizam o esquema de auto-polarização foram fabricados em tecnologia CMOS padrão de 0.18-μm enquanto as referências 3T foram implementadas em 0.13-μm. Os resultados de medida para 24 amostras mostram que os circuitos auto-polarizados propostos podem operar a tensões de alimentação minimas de 0.45-0.6 V, consumindo apenas 54.8 e 184 pW em temperatura ambiente. Sem calibração, de 0 a 120 oC os circuitos apresentam coeficientes de temperatura de 104 e 495 ppm/oC, enquanto depois da calibração estes são reduzidos para 72.4 e 11.6 ppm/oC, respectivamente. Quatro versões da referência de tensão 3T foram projetadas. Os resultados de simulação pós-layout mostram uma referência de tensão média de sub-kT/q até dezenas de mV, com tensões de alimentação mínimas de 0.12-0.4 V enquanto operam na faixa de consumo de potência de fW-pW. A área de silício ocupada para todos os circuitos propostos é menor que 0.002 mm2. A operação em ultra-baixa potência e ultra-baixa tensão dos circuitos propostos os faz adequados para aplicações com restrições extremas de consumo de potência.