CMOS low-power threshold voltage monitors circuits and applications

Abstract

A threshold voltage (VT0) monitor is a circuit that ideally delivers the estimated VT0 value as a voltage at its output, for a given temperature range, without external biases, parametric setups, curve fitting or any subsequent calculation. It can be used in temperature sensors, voltage and current references, radiation dosimeters and other applications since the MOSFET VT0 dependence on the operation conditions is a very well modeled aspect. Also, it can be used for fabrication process monitoring and process variability compensation, since VT0 is a key parameter for the transistor behavior and modeling. In this thesis, we present three novel circuit topologies, two of them being NMOS VT0 monitors and the last one being a PMOS VT0 monitor. The three structures are resistorless self-biased circuit topologies that present high power supply rejection, low line sensitivity, and allow the direct extraction of the threshold voltage for wide temperature and power supply voltage ranges, with small error. Its design methodology is based on the Unified Current Control Model (UICM), a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion and from triode to saturation regions. The circuits occupy small silicon area, consume just tens of nanoWatts, and can be implemented in any standard digital CMOS process, since they only use MOS transistors (does not need any resistor). The VT0 monitors are used in different applications in order to prove their functionality, and behavior as part of a system. The applications vary from a reference voltage, that presents performance comparable with state-of-the-art works, to a configuration that allows to obtain a lower process variability, in the output of a self-biased circuit that generates a complementary to the absolute temperature (CTAT) voltage. In addition, exploiting the ability to operate as an specific current (ISQ) generator, that the VT0 monitors presented here offer, we introduced a new self-biased circuit that produces a CTAT voltage and is less sensitive to process variations, and can be used in band-gap voltage references.

Um monitor de tensão de limiar (VT0) é um circuito que, idealmente, entrega o valor do VT0 como uma tensão na saída, para uma determinada faixa de temperatura, sem a necessidade de polarização externa, configurações paramétricas, ajuste de curvas ou qualquer cálculo subsequente. Estes circuitos podem ser usados em sensores de temperatura, referências de tensão e corrente, dosímetros de radiação e outras aplicações, uma vez que a dependência do VT0 nas condições de operação é um aspecto bem modelado. Além disso, estes circuitos podem ser utilizados para monitoramento de processos de fabricação e para compensação da variabilidade do processo, uma vez que o VT0 é um parâmetro chave para o comportamento do transistor e sua modelagem. Nesta tese, são apresentadas três novas topologias de circuitos, duas são monitores de VT0 NMOS e a terceira é um monitor de VT0 PMOS. As três estruturas são topologias de circuito auto-polarizadas que não utilizam resistências, e apresentam alta rejeição a variações na alimentação, baixa sensibilidade de Linea, e permitem a extração direta da tensão de limiar para grandes intervalos de temperatura e de tensão de alimentação, com pequeno erro. Sua metodologia de projeto é baseada no modelo unificado controlado por corrente (UICM), um modelo MOSFET que é contínuo, desde o nível de inversão fraca a forte e para as regiões de operação de triodo e saturação. Os circuitos ocupam uma pequena área de silício, consomem apenas dezenas de nanowatts, e podem ser implementados em qualquer processo padrão CMOS digital, uma vez que só utilizam transistores MOS (não precisa de nenhum resistor). Os monitores de VT0 são utilizados em diferentes aplicações, a fim de investigar a sua funcionalidade e comportamento como parte de um sistema. As aplicações variam de uma tensão de referência, que apresenta um desempenho comparável ao estado da arte, para uma configuração que permite obter uma menor variabilidade com processo na saída de um circuito auto-polarizado que gera um tensão CTAT. Além disso, explorando a capacidade de funcionar como um gerador de corrente específica (ISQ) que os monitores de VT0 aqui apresentados oferecem, introduz-se um novo circuito auto-polarizado que gera um tensão CTAT, que é menos sensível a variações de processo, e pode ser usado em referências de tensão band-gap.