Power-efficient CMOS circuits for energy harvesting supplied IoT systems

Abstract

En esta tesis se han aplicado técnicas de baja tensión y bajo consumo para implementar nuevos circuitos analógicos (principalmente amplificadores). Estos circuitos están orientados a dispositivos energéticamente autónomos como los utilizados en muchos escenarios del Internet de las Cosas (IoT). La estructura de la tesis es la siguiente: se proponen técnicas básicas para operación en baja tensión y bajo consumo, tanto a nivel de celda como a nivel de dispositivo, seguido por varios bloques básicos novedosos que utilizan dichas técnicas y finalmente por la obtención de nuevos diseños a nivel de subsistema. A nivel de celda, diferentes amplificadores energéticamente eficientes se proponen en este trabajo. Estos se obtienen combinando diferentes técnicas de baja tensión. Las principales son el uso de transistores de puerta cuasi-flotante (Quasi-Floating Gate o QFG) y algunas técnicas de polarización adaptativa, entre las que destacan el seguidor de tensión plegado (en inglés, Flipped Voltage Follower o FVF) y la realimentación local de modo común (Local Common-Mode Feedback o LCMFB). Estas técnicas pueden aplicarse tanto a amplificadores diferenciales como no diferenciales, creando así diferentes topologías. Los circuitos propuestos se comparan con otras publicaciones relevantes, mostrando un funcionamiento muy competitivo. A nivel de subsistema, otra técnica de baja tensión, basada en el uso de fuentes de tensión flotantes, se emplea para diseñar tres bloques, dos de los cuales están relacionados con la conversión analógico-digital (A/D). Los circuitos propuestos han sido fabricados usando diferentes tecnologías CMOS (130 nm, 180 nm y 0.5 μm) y los correspondientes resultados de las medidas son presentados y analizados para validar su funcionamiento. Además, se han realizado análisis teóricos para explorar el potencial de los circuitos y subsistemas resultantes en aplicaciones de bajo consumo y baja tensión.

In this thesis, innovative low voltage and low power techniques have been applied to implement novel analog circuits (mainly amplifiers). These circuits are suitable for energy autonomous devices such as those required in many Internet of Things (IoT) scenarios. The structure of the thesis is as follows: basic techniques for low voltage low power operation are proposed, at both cell and device level, followed by several novel basic building blocks using them and finally the achievement of new designs at subsystem level. At circuit level, different power efficient amplifiers are proposed in this work. They are obtained by combining different low voltage techniques. The main ones are the use of Quasi-Floating Gate (QFG) transistors some adaptive biasing techniques (the Flipped Voltage Follower, or FVF, and the Local Common-Mode Feedback, or LCMFB, among others). These schemes can be applied to single-ended or to fully differential amplifiers, leading to different topologies. The proposed circuits are compared with other relevant publications, showing a very competitive performance. At subsystem level, another low voltage technique, which is based in the use of floating voltage sources, is employed to design three blocks, two of them related to A/D conversion. The proposed circuits have been fabricated using different CMOS technologies (130 nm, 180 nm and 0.5 μm) and the corresponding measurement results are provided and analyzed to validate their operation. In addition, theoretical analysis has been done to fully explore the potential of the resulting circuits and systems in the scenario of low-power low-voltage applications.