CMOS mobility-compensated time reference for crystal replacement

Abstract

Apesar da existência de muitas alternativas para geração de base de tempo, não há ainda uma referencia de tempo totalmente integrável que possa oferecer simultaneamente alta precisão, baixa potência e custo de produção reduzido; portanto, não há uma referência de tempo ideal capaz de ter performance melhor do que os osciladores a quartzo disponíveis no mercado. O objetivo principal desse trabalho é de tentar encontrar uma solução em tecnologia CMOS de uma referencia de tempo capaz de substituir osciladores a quartzo na frequência de 32 kHz. Isso implica em projetar um oscilador de baixa potencia, alta precisão e que seja pouco sensível as variações de processo, de tensão e de temperatura. Os elementos básicos do oscilador de relaxação deste trabalho são um transistor zero-Vt que opera como resistor e uma fonte de corrente específica de transistor zero-Vt. Foi desenvolvido também um Schmitt trigger com entrada de corrente e uma fonte de corrente controlada por tensão capaz de acompanhar a variação de corrente devido as variações de processo, tensão e temperatura. As medidas do oscilador fabricados mostraram uma variação de +/- 30ppm/°C na faixa de temperatura de -20°C ate 80°C e uma variação menor do que +/- 500ppm/V para tensão de alimentação entre 0.7 V e 1.8 V. As medidas da estabilidade em frequência mostraram uma variação de +/- 500ppm para estabilidade de longo termo, e um jitter de 2 nano seconds para estabilidade curto termo.<br>

Abstract: Despite many alternatives for time generation, no CMOS fully-integrated time reference offers simultaneously high accuracy, low power consumption, and low cost, and, thus, no ideal time reference suitable to replace the xtalclockis available. The main aim of this work is to contribute to find a solution to this problem, which is to realize a low-cost, low-power CMOS time reference circuit that is insensitive to PVT (Process, Voltage, and Temperature) variations. The basic element of the relaxation oscillator is a zero-VtMOSFET that operates as a resistor and a current source which tracks the specific current of the zero-Vt transistor. The design presented here uses acurrent mode Schmitt trigger and a voltage controlled current source, which can track the current variation due to PVT variations. The frequency of oscillation, proportional to the mobility, is compensated by the thermal voltage. The proposed time reference, fabricated in a 180 nm CMOS technology has been designed for 32 kHz. Test and measurement results show a variation of +/- 30ppm/°C from -20°C to 80°C, and less than +/- 500ppm/V for a variation of the supply voltage between 0.7 V to 1.8 V. As regards frequency stability, measurements have shown a variation less than +/- 500ppm for long term stability, and an rms jitter of 2 nanoseconds (66 ppm) for short term stability.