Low power digitally controlled oscillator for IoT applications

Abstract

This work is focused on the design of a Low Power CMOS DCO for IEEE 802.11ah in IoT applications. The design methodology is based on the Unified current-control model (UICM), which is a physics-based model and enables an accurate all-region model of the operation of the device. Additionally, a transformer-based resonator has been used to solve the low-quality factor issue of integrated inductors. Two digitally controlled oscillators (DCO) have been implemented to show the advantages of utilizing a transformedbased resonator and the methodology based on the UICM model. These designs aim for the operation in low voltage supply (VDD) since VDD scaling is a trend in systems-onchip (SoCs), in which the circuitry is mostly digital. Despite the degradation caused by VDD scaling, new RF and analog circuits must deliver similar performance of the older CMOS nodes. The first DCO design was a low power LC-tank DCO, implemented in 40nm bulk-CMOS. The first design presented a DCO operating at 45% of the nominal VDD without compromise the performance. By reducing the VDD below the nominal value, this DCO reduces power consumption, which is a crucial feature for IoT circuits. The main contribution of this first DCO is the reduction of VDD scaling impact on the phase-noise do the DCO. The LC-based DCO operates from 1.8 to 1.86 GHz. At the maximum frequency and 0.395V VDD, the power consumption is a mere 380 W with a phase-noise of -119.3 dBc/Hz at 1 MHz. The circuit occupies an area of 0.46mm2 in 40 nm CMOS, mostly due to the inductor. The second DCO design was a low-power transformer-based DCO design, implemented in 28nm bulk-CMOS. This second design aims for the VDD reduction to below 0.3 V. Operating in a frequency range similar to the LC-based DCO, the transformer-based DCO operated with 0.280V VDD with a power consumption of 97 W. Meanwhile, the phase-noise was -101.95 dBc/Hz at 1 MHz. Even in the worst-case scenario (i.e., slow-slow and 85oC), this second DCO was able to operate at 0.330V VDD, consuming 126 W, while it keeps a similar phase-noise performance of the typical case. The core circuit occupies an area of 0.364 mm2.

Este trabalho objetiva o projeto de um DCO de baixa potência em CMOS para aplicações de IoT e aderentes ao padrão IEEE 802.11ah. A metodologia de projeto é baseada no modelo de controle de corrente unificado (UICM), que é um modelo com embasamento físico que permite uma operação precisa em todas as regiões de operação do dispositivo. Adicionalmente, é utilizado um ressonador baseado em transformador visando solucionar os problemas provenientes do baixo fator de qualidade de indutores integrados. Para destacar as melhorias obtidas com o projeto do ressonador baseado em transformador e com a metodologia baseada no modelo UICM, dois projetos de DCO são realizados. Esses projetos visam a operação com baixa tensão de alimentação (VDD), uma vez que o escalonamento do VDD é uma tendência em sistemas em chip (SoCs), em que o circuito é majoritariamente digital. Independente da degradação causada pelo escalonamento de VDD, circuitos analógicos e de RF atuais devem oferecer desempenho semelhante ao alcançado em tecnologias CMOS mais antigas. O primeiro projeto foi um DCO de baixa potência com tanque LC, implementado em tecnologia bulk-CMOS de 40nm. O primeiro projeto apresentou uma operação a 45% do VDD nominal sem comprometer o desempenho. Ao reduzir o VDD abaixo do valor nominal, este DCO reduz o consumo de energia, que é uma característica crucial para circuitos IoT. A principal contribuição deste DCO é a redução do impacto do escalonamento do VDD no ruído de fase. O DCO com tanque LC opera de 1,8 a 1,86 GHz. Na frequência máxima e com VDD de apenas 0,395V, o consumo de energia é 380 W e o ruído de fase é -119,3 dBc/Hz a 1 MHz. O circuito ocupa uma área de 0.46mm2 em processo CMOS de 40 nm. O segundo projeto foi um DCO de baixa potência baseado em transformador, implementado em tecnologia bulk- CMOS de 28nm. Este projeto visa a redução de VDD abaixo de 0,3 V. Operando em uma faixa de frequência semelhante ao primeiro DCO, o DCO baseado em transformador opera com VDD de 0,280V e com consumo de potência de 97 W. O ruído de fase foi de -101,95 dBc/Hz a 1 MHz. Mesmo no pior caso de processo, este DCO opera a um VDD de 0,330V, consumindo 126 W, com o ruído de fase semelhante ao caso típico. O circuito ocupa uma área de 0.364mm2.