CMOS amplifiers and Schmitt triggers for ultra-low-voltage applications

Abstract

A colheita de energia do ambiente é uma escolha comum para se operar dispositivos situados em locais inacessíveis, mas esta alternativa exige que estes equipamentos arranquem com fontes de tensão e potências muito baixas. Com a redução de tensão, os transistores CMOS são sujeitos a operar no modo de subthreshold e na região linear, o que reduz ganho e degrada os níveis lógicos de circuitos digitais. Para mitigar esses efeitos, quatro alternativas ao inversor CMOS são revisadas e comparadas através de soluções numéricas e simulação: o classical Schmitt trigger, o three-inverter Schmitt trigger (TI-ST), o dynamic leakage-suppresion logic (DLS) e o stacked-inverter gate (SIG). Demonstrou-se numericamente que o SIG possui uma tensão de alimentação para ganho unitário menor que o inversor tradicional, diminuindo o valor para V_DD?30mV em 300 K. Também foi demonstrado, pela primeira vez, que o TI-ST apresenta histerese a partir de uma tensão de alimentação de V_DD=36 mV a temperatura ambiente. As células classical Schmitt Trigger e TI-ST foram fabricadas e medidas. A tensão mínima mensurada para o aparecimento da histerese no TI-ST foi de V_DD=48.5 mV para um dado projeto.<br>

Abstract : Harvesting energy from the surroundings is a common choice to operate devices that are in inaccessible environments, but this alternative requires the electronics to start up from very low supply voltages and very low power. As voltage decreases, CMOS transistors are subjected to operate in the subthreshold mode and in the linear region, which reduces gain and degrades the logic levels. In order to mitigate these effects, four alternatives to the CMOS inverter are revised and compared through numerical solutions and simulation: the classic Schmitt trigger, the three-inverter Schmitt trigger (TI-ST), the dynamic leakage-suppression inverter and the stacked. We demonstrate numerically that the stacked inverters have a lower power supply voltage for unity gain than that of the standard inverter, lowering the value to V_DD?30mV at 300 K. We also demonstrate, for the first time, that the TI-ST provides hysteresis from a supply voltage of V_DD=36 mV at room temperature. Cells classical Schmitt trigger and TI-ST were fabricated and measured. The measured minimum supply voltage for the appearance of hysteresis in the TI-ST was V_DD=48.5 mV for a given design.