Amplifier topologies for ultra low voltage applications

Abstract

Nomadic applications which cannot be recharged while at operation, such as biomedical sensors and Internet of Things applications, rely on energy harvesting from the environment. Typical supply voltages are usually higher than those achieved by energy harvesting methods and requires DC-DC conversion levels, which invariably results in energy loss proportionally to the step of voltage conversion. Consequently, designing at supply voltages closer to the nominal voltage of the energy source improves power efficiency. However, extremely low supply voltages bring design challenges, as circuit topologies for typical voltages employ techniques not suitable for extremely low supply voltages. In this work, single ended and fully differential amplifier topologies for voltage supplies in the range of few hundreds mV were proposed. The proposed approaches use the pseudo differential pairs with the transistor bulk terminals with forward biasing voltages for several purposes, including common mode rejection, output common mode voltage and DC current biasing. Additionally, a ring oscillator based in the same biasing techniques was proposed and designed for two main classes of applications: an intrinsically stable reference oscillator and a voltage controlled oscillator for analog-digital conversion with linearity improvements.

Aplicações móveis que não podem ser recarregadas durante operação, como sensores biomédicos e aplicações da Internet das Coisas, dependem da extração de energia do próprio meio onde se encontram. Tensões de alimentação típicas são normalmente maiores que as disponiveis por métodos de extração de energia do meio e requerem uma conversão de nivel DC que invariavelmente resulta em perdas proporcionais ao fator de conversão. Consequentemente, aplicações projetadas para tensões de alimentação mais próximas da tensão nominal da fonte melhora a eficiência energética. Entretanto, topologias de circuitos elétricos para tensões típicas de alimentação sao impróprias para tensões extremamente baixas. Neste trabalho foram propostas topologias de amplificadores de saída unipolar e diferencial para tensões de alimentaçãoo na casa de centenas de milivolts. As técnicas propostas se baseiam no uso de pares pseudodiferenciais com terminais de corpo polarizados diretamente para vários propósitos, incluindo rejeição de modo comum e polarização de modo comum de saída e corrente DC. Adicionalmente, um oscilador baseado na mesmas técnicas de polarização foi proposto e projetado para duas classes de aplicações: um oscilador de referência intrinsicamente estável e um oscilador controlado por tensão para conversão analógica-digital com melhor linearidade.