Microelectronic design for internet of things in hostile environments

Abstract

Esta tesis presenta técnicas innovadoras de baja tensión, baja potencia y baja frecuencia utilizadas para diseñar nuevos bloques de circuitos (como amplificadores, filtros y convertidores RMS-DC) adecuados para aplicaciones en el internet de las cosas (IoT: Internet of Things) con restricciones de energía y área. La tesis esta estructurada de la siguiente manera: primero, se presentan técnicas básicas de diseño de dispositivos y circuitos para operación en bajo voltaje, baja potencia, baja frecuencia y bajo ruido, que más tarde se utilizan para diseñar bloques circuitales adecuados para aplicaciones IoT en entornos con energía y área restringida. Los bloques circuitales presentados están adaptados para aplicaciones de baja tensión y baja potencia, así como para operar en frecuencias ultrabajas, haciendo uso de técnicas de eficiencia energética como transistores de puerta cuasi-flotante (QFG: Quasy-Floating Gate), polarización adaptativa para obtener eficiencia en corriente mediante sequidores de voltage volteado (FVF: Flipped Voltage Follower), o la técnica de bootstrapping para obtener grandes constantes de tiempo RC con área reducida, entre otros. Los circuitos propuestos son validados experimentalmente y comparados con anteriores publicaciones relevantes de circuitos similares, para demostrar su desempeño competitivo. La tesis presenta filtros basados en SSF de clase AB simples y energéticamente eficientes que aprovechan los beneficios de los transistores QFG; un convertidor RMS-DC de dos cuadrantes compacto basado en una novedosa celda elevadora al cuadrado/divisora (S/D: Squarer/Divider) con lazos translineales MOS (Metal Oxide Semiconductor) electrónicamente simulados (ES-MTL: Electronically Simulated- MOS Translinear) y polarización adaptativa basada en FVF, que logra una alta simetría y rango dinámico; finalmente, se desarrolla una familia de amplificadores de corriente alterna (AC: Alternate Current) de frecuencia ultra baja haciendo uso de la transformación de red basada en nullores y la técnica de bootstrapping para reducir la frecuencia de corte de paso alto basada en una constante de tiempo RC. Aprovechando aún más la versatilidad de la representación de circuitos basada en nullores, se desarrolla una versión simplificada de una nueva topología de amplificador AC de frecuencia ultrabaja, eficiente en potencia área y ruido. Los circuitos propuestos se han fabricado utilizando diferentes tecnologías CMOS estándar (130 nm y 180 nm) y se proporcionan resultados de medidas experimentales, así como análisis teóricos para caracterizar adecuadamente el rendimiento de cada circuito propuesto y probar todo su potencial e idoneidad para entornos de baja potencia, bajo ruido y baja frecuencia.

This thesis presents innovative low-voltage, low-power and low-frequency techniques used to design novel circuit blocks (such as amplifiers, filters and RMS-to-DC converters) suitable for energy and area constrained IoT applications. The thesis is structured as follows: first, basic device and circuit level design techniques for lowvoltage, low-power, low-frequency and low-noise operation are presented, which are latter used to design circuit blocks suitable for IoT applications in power and area restricted environments. The presented circuit blocks are adapted for low-voltage, low-power applications as well as ultra-low-frequency operation, making use of power efficient techniques such as Quasy-Floating Gate (QFG) transistors, adaptive biasing for current efficiency through Flipped Voltage Follower (FVF) or bootstrapping technique to obtain large RC time constants with reduced area, among others. The proposed circuits are experimentally validated and compared to previous relevant publications of similar circuits to prove their competitive performance. The thesis presents simple and power efficient class AB SSF-based filters exploiting the benefits of QFG transistors; a compact two-quadrant RMS-to-DC converter based on a novel Squarer/Divider cell with Electronically-Simulated MOS Translinear Loop (ES-MTL) and FVF-based adaptive biasing achieving high symmetry and dynamic range; finally, a family of ultra-low frequency AC Amplifiers is developed making use of nullor-based network transformation and bootstrapping technique to reduce RC time constant-based high-pass corner frequency. Further exploiting the versatility of nullor based circuit representation, a simplified power-, area- and noise-efficient version of a novel ultra-low frequency AC amplifier topology is developed. The proposed circuits have been fabricated using different standard CMOS technologies (130 nm and 180 nm) and experimental measurement results are provided, as well as theoretical analyses to properly characterize the performance of each proposed circuit and test their full potential and suitability for low-power, low-noise and low-frequency environments.