Low power cmos thermometer sensor with a bandgap reference for LSI applications

Abstract

Düşük güç tüketimine sahip, minimum alan kullanan ve düşük fabrikasyon maliyetiyle uzun sure çalışan CMOS LSI gibi yaşam destekli tıbbı cihazlarına ilgi sağlık sektöründe giderek artmaktadır. Yaşam boyu kullanımı olan cihazların çoğunda termal sensör ve geniş bant aralığı devreleri içeren iki ana blok kullanılır. Chip-üstü gerilim referans BGR ve sıcaklık sensörleri nesnelerin internet (IoT) ve düşük maliyetli SOC uygulamalarında önemli rol oynayan analog devrelerin en temel kısımlarıdır. Dahası, gerilim referans devreleri ADC, DAC ve PLL gibi karışık sinyal tasarımlarında da çok yaygındır ve en önemlisi güç yönetim devrelerinde kullanılmaktadırlar. Tezin ikinci kısmında değinilen çip-üstü sıcaklık sensorleriyle ilgili olaral, CMOS tabanlı termometreler düşük güç tüketimi ve küçük alanlarıyla ön plana çıkmaktadırlar. Bu sensörler thermal uygulamalarda süreç köşelerinde sıcaklık değişimi ve uyuşmazlıkları değişimini izlemek için kullanılmaktadır. Bu tezde, düşük maliyetli ve düşük güç kullanımına sahip uygulamalar için BG referansı kullanan bir termometre devresi tarasımı açıklanmaktadır. Önerilen CMOS termometre sensörü, −40◦C ila 125◦C aralığındaki sıcaklıklarda ve 3◦C'lik yanlışlıkla doğru doğrusallık göstermektedir. Bu devre 0.5 ila 0.8 V aralığında çalışmakta ve 27◦C de 64nW güç tüketimine sahiptir. Devre, tek nokta kalibrasyonlu MOSFET'in eşik voltajının sıcaklığa bağımlılığını faydalı hale getirmektedir. Sensör sonuçları farklı küvşelerde ve uyumsuzluklarda test edilip doğulanmıştır. Sıcaklı sensörüyle çalışacak şekilde iki BGR devresi de önerilmiş ve tasarlanmıştır. Ilk tasarım -40 °C ila 125°C arasında çalışacak şekilde tasarlanmış olup, 2mVlik yanlışlık ile sonu vermektedir. Sıcaklık katsayısı ise 62ppm/◦Cdir. Bu tasarımın PSRR değeri 1V ila 2V aralığında, 1KHzâte 33.9dBâdir, ve güç tüketimi yaklaşık olarak 5uW. Ikinci tasarım ise −40◦C ila 125◦C sıcaklık aralığında 8mV hata oranı ile çalışmaktadır. Sıcaklık katsayısı 111ppm/◦Cdir. PSRR değeri ise 1KHz 1.2V ve 2V aralığında 33.3dB. Güç tüketimi 1uW düşüktür. Sistem UMC 65nm CMOS teknolojisine sahip Cadence analog ve dijital tasarım araçları kullanılarak tasarlanmış ve simüle edilmiştir.

Life-assisting medical devices such as CMOS (LSIC)s, which operate with low power and occupy a minimum area for long time operation and minimum cost, are becoming more and more important in health care industry. Most of the life log devices use two major blocks containing thermometer sensor along with bandgap circuits. These on-chip voltage reference(BGC)s and temperature sensors are the most fundamental blocks for analog circuits that play an important role in internet of things or low cost system on chip applications. Moreover, voltage references are very common in mixed-signal designs such as ADCs, DACs, PLLs and most significantly used in power management circuits. Regarding the second part related to on-chip thermometer sensors, CMOS based thermometersareprominentfortheirsmallareausinglowpowerconsumption. Thesesensors are employed in thermal applications to monitor the features of the circuits in terms of temperature variation at process corners and mismatches. In this thesis, we explain the design of a thermometer circuit that utilizes a BGR for low cost, low power applications. The proposed CMOS thermometer sensor enunciates a linear characteristic between temperature range from −40◦C to 125◦C with an inaccuracy of 3◦C. This circuit operates for voltage supply ranges from 0.6 to 0.8V and with a static power consumption of 64nW at typical 27◦C. The circuit utilizes the temperature dependency of threshold voltage of MOSFET. Results of the sensor is verified across different corner and mismatch cases with Monte Carlo Simulations. In the second part of the thesis, two low power (BGC)s designs in CMOS 65nm technology, which are optimized for low power, and area, are presented. First design can generate a reference voltage between temperature ranges −40◦C to 125◦C with 2mV inaccuracy. Temperature Coefficient for this design is around 62ppm/◦C and the PSRR is 57dB @ 1 KHz in the supply range from 1V to 2V. The design consumes 5µW in the overall temperature range. Second design works in the same temperature range of −40◦C to 125◦C with an uncertainty of 8mV. Temperature coefficient is approximately 111ppm/◦C and the PSRR is 33.3dB @ 1 KHz between 1.2V to 2V supply voltage range. Power consumption is less than 1µW and requires much less area compared to the first design. Both designs are simulated using Cadence Spectre using UMC 65nm CMOS technology.