Analysis, design and test of ultra-low-voltage CMOS ring oscillators

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2019.Este trabalho disserta sobre os limites físicos da mínima tensão de operação de osciladores em anel. Existem dois objetivos principais neste trabalho. O primeiro objetivo é o de comparar diferentes topologias de osciladores em anel e avaliar qual delas funciona com a menor tensão de alimentação. O segundo objetivo é propor uma nova topologia de oscilador em anel utiliando a técnica de bootstrap. Esta técnica é (idealmente) capaz de fazer um oscilador em anel oscilar a uma amplitude de 5 VDD quando alimentado com uma tensão de VDD. São apresentados modelos estáticos e dinâmicos para duas células básicas de osciladores em anel (inversor e Schmitt Trigger). O ganho mínimo necessário para o funcionamento de um oscilador também é modelado. São apresentados os resultados das mínimas tensões de amplificação para o inversor (36 mV) e para o Schmitt Trigger (31.5 mV). Um chip teste de tecnologia CMOS 130 nm foi confeccionado para validar os modelos apresentados. Para o Schmitt Trigger e o inversor foram medidas tensões mínimas de oscilação de 48 e 53 mV, respectivamente. É apresentada também a técnica de dual gate que tem como objetivo aumentar o ganho de um amplificador operando em baixa tensão. Por último é apresentada a técnica de projeto de osciladores em anel usando bootstrap que tem como objetivo aumentar a amplitude de oscilação do oscilador.Abstract : This work discusses the physical limits of the minimum operating voltage of ring oscillators. There are two main objectives in this work. The first objective is to compare different topologies of ROs and evaluate which of them works with the minimum supply voltage. The second objective is to propose a novel bootstrapped RO topology. This bootstrapped RO is (ideally) capable to oscillate at an amplitude of 5 VDD when supplied with a voltage of VDD. Static and dynamic models are presented for two basic ring oscillator cells (inverter and Schmitt Trigger). The minimum gain required to start an oscillator is also modeled. The minimum amplification voltages for the inverter (36 mV) and for the Schmitt Trigger (31.5 mV) are presented. A 130 nm technology test chip was sent to fabrication to validate the models presented. For the Schmitt Trigger and the inverter, minimum oscillation voltages of 48 and 53 mV, respectively, were measured. The dual gate technique is also presented. This technique aims to increase the gain of an amplifier operating at low voltage. Finally we present the ring oscillator design technique using bootstrap that aims to increase the oscillation amplitude of the oscillator