Analysis and design of a subthreshold CMOS Schmitt trigger circuit

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2017.Nesta tese, o disparador Schmitt (ou Schmitt trigger) CMOS clássico (ST) operando em inversão fraca é analisado. A transferência de tensão DC completa é determinada, incluindo expressões analíticas para as tensões dos nós internos. A transferência de tensão DC resultante do ST apresenta um comportamento contínuo mesmo na presença da histerese. Nesse caso, a característica da tensão de saída entre os limites da histerese é formada por um segmento metaestável, que pode ser explicado em termos das resistências negativas dos subcircuitos NMOS e PMOS do ST. A tensão mínima para o aparecimento da histerese é determinada fazendo-se a análise de pequenos sinais. A análise de pequenos sinais também é utilizada para a estimativa da largura do laço de histerese. É mostrado que a histerese não aparece para tensões de alimentação menores que 75 mV em 300 K. A análise do ST operando como amplificador também foi feita. A razão ótima dos transistores foi determinada com o objetivo de se maximizar o ganho de tensão. A comparação do disparador Schmitt com o inversor CMOS convencional destaca as vantagens e desvantagens de cada um para aplicações de ultra-baixa tensão. Também é mostrado que o ST é teoricamente capaz de operar (com ganho de tensão absoluto ?1) com uma tensão de alimentação tão baixa quanto 31.5 mV, a qual é menor do que o conhecido limite prévio de 36 mV, para o inversor convencional. Como amplificador, o ST possui ganho de tensão absoluto consideravelmente maior que o inversor convencional na mesma tensão de alimentação. Três circuitos integrados foram projetados e fabricados para estudar o comportamento do ST com tensões de alimentação entre 50 mV e 1000 mV.Abstract : In this thesis, the classical CMOS Schmitt trigger (ST) operating in weak inversion is analyzed. The complete DC voltage transfer characteristic is determined, including analytical expressions for the internal node voltage. The resulting voltage transfer characteristic of the ST presents a continuous output behavior even when hysteresis is present. In this case, the output voltage characteristic between the hysteresis limits is formed by a metastable segment, which can be explained in terms of the negative resistance of the NMOS and PMOS subcircuits of the ST. The minimum supply voltage at which hysteresis appears is determined carrying out small-signal analysis, which is also used to estimate the hysteresis width. It is shown that hysteresis does not appear for supply voltages lower than 75 mV at 300 K. The analysis of the ST operating as a voltage amplifier was also carried out. Optimum transistor ratios were determined aiming at voltage gain maximization. The comparison of the ST with the standard CMOS inverter highlights the relative benefits and drawbacks of each one in ULV applications. It is also shown that the ST is theoretically capable of operating (voltage gain ?1) at a supply voltage as low as 31.5 mV, which is lower than the well-known limit of 36 mV, for the standard CMOS inverter. As an amplifier, the ST shows considerable higher absolute voltage gains than those showed by the conventional inverter at the same supply voltages. Three test chips were designed and fabricated to study the operation of the ST at supply voltages between 50 mV and 1000 mV