An Ultra-Low-Power Clock Source

Abstract

Dette arbeidet presenterer to ultralaveffekt relaksasjonsoscillatorer ment for sanntidsklokken i en Tingenes Internett chip. Designene av oscillatorene består av IO transistorer. Dette gjør at oscillatorene kan drives av et knappecellebatteri som er en vanlig ekstern strømforsyning i IoT-applikasjoner. For å holde arealet og produksjonskostnaden lav er det ikke brukt motstander eller nativoksidtransistorer.

En relaksasjonsoscillator bruker en referansestrøm til å lade opp en kondensator til en referansespenning. Når spenningen over kondensatoren overstiger referansespenningen vil oscillatoren endre utgangsklokkesignalet fra lav til høy tilstand, og kondensatoren kortsluttes til jord. Begge oscillatorene er tofaseoscillatorer, så etter at den første kondensatoren ble kortsluttet til jord lades en annen kondensator opp av referansestrømmen. Når spenningen over den andre kondensatoren blir større enn referansespenningen går utgangsklokkesignalet tilbake til den høye tilstanden. Dermed er en klokkeperiode fullført.

Forskjellen på de to oscillatorene er måten komparatorene deres sammenligner kondensatorspenningene med referansen. Spenningsmodeoscillatoren har en konvensjonell komparator bestående av en forsterker og en Schmitt-trigger. Strømmodeoscillatoren har en komparator som styrer referansestrømmen til inngangene på en SR-vippe når kondensatorspenningen overstiger referansespenningen.

Oscillatorene er designet i $\SI{22}{\nano\meter}$ bulk CMOS og er simulert på skjemanivå. Gate-lekkasjestrøm fra en transistor med tynnere oksidlag brukes til å generere referansestrømmen. Størrelsen på gate-lekkasjetransistoren er kalibrert så oscillatorfrekvensen er så nærme $\SI{100}{\hertz}$ som mulig. Referansespenningen genereres ved å body biasere en PMOS-transistor som kun leder underterskelslekkasjestrøm, og er koblet i serie med en diodekoblet PMOS-transistor.

Spenningsmodeoscillatoren har en TC på $\SI{963}{ppm\per\celsius}$ mellom $\SI{-20}{\celsius}$ og $\SI{80}{\celsius}$ og en LS på $\SI{7.55}{\%\per\volt}$ mellom $\SI{1.9}{\volt}$ og $\SI{3.3}{\volt}$. Ved $\SI{25}{\celsius}$ bruker spenningsmodeoscillatoren $\SI{6.40}{\nano\watt}$. Strømmodeoscillatoren har en TC på $\SI{869}{ppm\per\celsius}$ mellom $\SI{-20}{\celsius}$ og $\SI{80}{\celsius}$ og en LS på $\SI{5.11}{\%\per\volt}$ mellom $\SI{1.9}{\volt}$ og $\SI{3.3}{\volt}$. Ved $\SI{25}{\celsius}$ bruker strømmodeoscillatoren $\SI{12.5}{\nano\watt}$.

This work presents two ultra-low-power relaxation oscillators made for a real-time clock in a wireless Internet of Things chip. The designs are made with IO transistors. This enables them to be directly powered by a lithium-ion coin cell battery commonly used in IoT applications. To keep the area and cost low, no resistors or native oxide transistors will be used.

In a relaxation oscillator a capacitor is charged up with a reference current. When the voltage across the capacitor is higher than the reference voltage, the capacitor is reset to ground. Both oscillators are dual-phase. When the first capacitor is reset to ground the output clock signal goes from low to high, and a second capacitor is charged up. Then, when the voltage across the second capacitor exceeds the reference voltage, the output clock signal goes back down to the low state. This completes a clock period.

The two oscillators differ in how the reference voltage is compared to the capacitor voltages. The voltage-mode oscillator uses a conventional voltage-mode comparator made up of an amplifier and a Schmitt trigger. The current-mode oscillator uses a comparator directing the reference current to the inputs of an SR latch when the capacitor voltage exceeds the reference voltage.

The oscillators are designed in $\SI{22}{\nano\meter}$ bulk CMOS, and are simulated at the schematic level. The gate-leakage current from a core transistor is used to generate the reference current. The size of the gate-leakage transistors are calibrated to make the oscillators run at $\SI{100}{\hertz}$. The reference voltage is generated by body-biasing a PMOS transistor wired to only conduct subthreshold leakage current, and connecting it in series with a PMOS transistor wired as a diode.

The voltage-mode oscillator has a TC of $\SI{963}{ppm\per\celsius}$ between $\SI{-20}{\celsius}$ and $\SI{80}{\celsius}$ and an LS of $\SI{7.55}{\%\per\volt}$ between $\SI{1.9}{\volt}$ and $\SI{3.3}{\volt}$. At $\SI{25}{\celsius}$ the voltage-mode oscillator consumes $\SI{6.40}{\nano\watt}$. The current-mode oscillator has a TC of $\SI{869}{ppm\per\celsius}$ between $\SI{-20}{\celsius}$ and $\SI{80}{\celsius}$ and an LS of $\SI{5.11}{\%\per\volt}$ between $\SI{1.9}{\volt}$ and $\SI{3.3}{\volt}$. At $\SI{25}{\celsius}$ the current-mode oscillator consumes $\SI{12.5}{\nano\watt}$.