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Publicação
Ultra-low power current and voltage references for in-vivo sensing devices
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 10.79 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
With the continued scaling of technology, devices increasingly rely on smaller batteries,
necessitating low-power circuits to ensure sufficient autonomy. This thesis focuses on a
biomedical wireless system, in which a stable voltage reference is essential—independent
of process, voltage, and temperature (PVT) - to guarantee reliable operation of sensing
circuits.
This work presents a 3T CMOS voltage reference, in which two MOSFETs in self-
cascode configuration generate the proportional-to-temperature component, while a third
MOSFET connected in a diode configuration provides the complementary response. This
topology overcomes several limitations of 2T references, such as low output voltage,
and also offers advantages over conventional bandgap references, including reduced
power dissipation, simplified stability, and lower battery requirements. Furthermore, it
avoids BJT limitations and parasitic effects in BCD-on-SOI processes that can degrade
performance.
The circuit incorporates digital startup for both the current reference and the LDO.
The current reference supplies the voltage reference, while the LDO regulates battery
power. The voltage reference achieves a temperature coefficient (TC) of 300 ppm/°C with
the LDO and 30 ppm/°C without it, exhibiting a power supply rejection ratio (PSRR) of
-52dB at 100Hz (without LDO) and -53dB (with LDO), while consuming only 50nW. It
operates from a 1-1.8 V battery and produces an output of approximately 0.6 V.
Com a progressiva miniaturização da tecnologia, os dispositivos passam a operar com tensões de alimentação mais reduzidas, o que exige circuitos de baixo consumo energético. Esta tese insere-se no contexto de um sistema biomédico wireless, no qual é essencial dispor de uma referência de tensão estável e independente das variações de processo, temperatura e alimentação, garantindo assim o funcionamento fiável dos circuitos de medição. Apresenta-se uma referência 3T CMOS, composta por transístores com a mesma tensão de threshold, reduzindo a sensibilidade a variações de fabrico. O seu princípio de funcionamento assenta numa estrutura base 2T CMOS responsável pela geração da com- ponente proporcional à temperatura, enquanto um terceiro transístor, configurado como díodo, fornece a componente complementar. Esta topologia procura mitigar limitações típicas das referências 2T e bandgap, tais como baixa tensão de saída, potência consumida, e complexidade de estabilização. A referência proposta necessita de uma fonte de corrente para operar e integra ainda um LDO encarregado de regular a tensão que alimenta os blocos de referência. O circuito alcança um TC de 300 ppm/°C com LDO e 30 ppm/°C sem LDO, apresentando um PSRR de -52 dB a 100 Hz (sem LDO) e -55 dB (com LDO), com um consumo de apenas 47 nW. Funciona com tensões de alimentação entre 1 V e 1.8 V, produzindo uma saída de aproximadamente 0.6 V.
Com a progressiva miniaturização da tecnologia, os dispositivos passam a operar com tensões de alimentação mais reduzidas, o que exige circuitos de baixo consumo energético. Esta tese insere-se no contexto de um sistema biomédico wireless, no qual é essencial dispor de uma referência de tensão estável e independente das variações de processo, temperatura e alimentação, garantindo assim o funcionamento fiável dos circuitos de medição. Apresenta-se uma referência 3T CMOS, composta por transístores com a mesma tensão de threshold, reduzindo a sensibilidade a variações de fabrico. O seu princípio de funcionamento assenta numa estrutura base 2T CMOS responsável pela geração da com- ponente proporcional à temperatura, enquanto um terceiro transístor, configurado como díodo, fornece a componente complementar. Esta topologia procura mitigar limitações típicas das referências 2T e bandgap, tais como baixa tensão de saída, potência consumida, e complexidade de estabilização. A referência proposta necessita de uma fonte de corrente para operar e integra ainda um LDO encarregado de regular a tensão que alimenta os blocos de referência. O circuito alcança um TC de 300 ppm/°C com LDO e 30 ppm/°C sem LDO, apresentando um PSRR de -52 dB a 100 Hz (sem LDO) e -55 dB (com LDO), com um consumo de apenas 47 nW. Funciona com tensões de alimentação entre 1 V e 1.8 V, produzindo uma saída de aproximadamente 0.6 V.
Descrição
Palavras-chave
PVT SoC voltage reference low power temperature coefficient