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Tesi etd-04152012-164853


Thesis type
Tesi di dottorato di ricerca
Author
MAGNELLI, LUCA
URN
etd-04152012-164853
Title
Subthreshold design of ultra low-power analog modules
Settore scientifico disciplinare
ING-INF/01
Corso di studi
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Commissione
tutor Prof. Iannaccone, Giuseppe
relatore Prof. Neri, Bruno
relatore Prof. Crupi, Felice
Parole chiave
  • CMOS
  • analog design
  • subthreshold
Data inizio appello
05/06/2012;
Consultabilità
completa
Riassunto analitico
Il consumo di potenza rappresenta l’indicatore chiave delle performance di recenti applicazioni portatili, come dispositivi medici impiantabili o tag RFID passivi, allo scopo di aumentare, rispettivamente, i tempi di funzionamento o i range operativi. La riduzione della tensione di alimentazione si è dimostrata l’approccio migliore per ridurre il consumo di potenza dei sistemi digitali integrati. Al fine di tenere il passo con la riduzione delle tensioni di alimentazione, anche le sezioni analogiche dei sistemi mixed signal devono essere in grado di funzionare con livelli di tensione molto bassi. Di conseguenza, sono richieste nuove metodologie di progettazione analogica e configurazioni circuitali innovative in grado di lavorare con tensioni di alimentazioni bassissime, dissipando una potenza estremamente bassa. Il regime di funzionamento sottosoglia consente di ridurre notevolmente le tensioni applicabili ai dispositivi ed si contraddistingue per i livelli di corrente molto bassi, rispetto al ben noto funzionamento in forte inversione. Queste due caratteristiche sono state sfruttate nella realizzazione di moduli analogici di base ultra low voltage, low power.<br>Tre nuove architetture di riferimenti di tensione, che lavorano con tutti i transistor polarizzati in regime sottosoglia, sono stati fabbricati in tecnologia CMOS 0.18 μm. I tre circuiti si basano sullo stesso principio di funzionamento per compensare gli effetti della variazione della temperatura sulla tensione di riferimento generata. Tramite il principio di funzionamento proposto, la tensione di riferimento può essere approssimata con la differenza delle tensioni di soglia, a temperatura ambiente, dei transistor. Misure sperimentali sono state effettuate su set con più di 30 campioni per ogni configurazione circuitale. Una dettagliata analisi statistica ha dimostrato un consumo medio di potenza che va da pochi nano watt a poche decine di nano watt, mentre la minima tensione di alimentazione, raggiunta da una delle tre configurazioni, è di soli 0.45 V. Le tensioni di riferimento generate sono molto precise rispetto alle variazioni della temperatura e della tensione di alimentazione, infatti sono stati ottenuti coefficienti di temperatura e line sensitivity medi a partire rispettivamente da 165 ppm/°C e 0.065 %/V.<br>Inoltre, è stata trattata anche la progettazione di amplificatori ultra low voltage, low power. Sono state illustrate linee guida dettagliate per la progettazione di amplificatori sottosoglia e le stesse sono state applicate per la realizzazione di un amplificatore a due stadi, con compensazione di Miller, funzionante con una tensione di alimentazione di 0.5 V. I risultati sperimentali dell’op amp proposto, fabbricato in tecnologia CMOS 0.18 μm, hanno mostrato un guadagno DC ad anello aperto di 70 dB, un prodotto banda guadagno di 18 kHz ed un consumo di potenza di soli 75 nW. I risultati delle misure sperimentali dimostrano che gli amplificatori operazionali in sottosoglia rappresentano una soluzione molto interessante nella realizzazione di applicazioni efficienti in termini energetici per gli attuali sistemi elettronici portatili. Dal confronto con amplificatori ultra low power, low voltage presenti in letteratura, si evince che la soluzione proposta offre un miglior compromesso tra velocità, potenza dissipata e capacità di carico.<br>
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