Sub-milliwatt digitally controlled oscillator for Random Telegraph Noise based TRNGs using the 130nm Skywater PDK and open-source tools

Abstract

Osciladores desempenham um papel crítico nos sistemas eletrônicos modernos, servindo como componentes-chave em uma ampla gama de aplicações, desde sistemas de comu nicação até geração de números aleatórios. Este trabalho apresenta um projeto e imple mentação de um oscilador controlado digitalmente (DCO) de baixa potência adaptado para aplicações de Internet das Coisas (IoT). Uma revisão abrangente de topologias de osciladores, incluindo osciladores de tanque LC com indutores ativos e passivos, osciladores de células de atraso e osciladores de relaxação, foi conduzida para identificar o candidato mais adequado para projetos compactos de baixa potência e controláveis digitalmente. Os osciladores de relaxação foram selecionados devido ao seu baixo consumo de energia, controle digital direto e layout compacto que eliminam a necessidade de interfaces analóg icas para digitais adicionais. Usando o processo SkyWater de 130 nm, o projeto proposto alcançou uma faixa de sintonia de frequência de 30,48 % (de 3,34 MHz a 5,53 MHz), mantendo uma potência média máxima de energia de apenas 25,03 µW. A metodologia empregou ferramentas de automação de projeto eletrônico (EDA) totalmente de código aberto para captura esquemática, layout e simulação seguindo um processo iterativo para validar e otimizar o desempenho. Este trabalho fornece um oscilador robusto e ener geticamente eficiente, otimizado para integração em True Random Number Generators (TRNGs) baseados em Random Telegraph Noise (RTN), tornando-o altamente adequado para ambientes IoT.

Oscillators play a critical role in modern electronic systems serving as key components in a wide range of applications from communication systems to random number generation. This work presents the design and implementation of a low-power digitally controlled os cillator (DCO) tailored for Internet of Things (IoT) applications. A comprehensive review of oscillator topologies including LC tank oscillators with active and passive inductors, delay cell oscillators and relaxation oscillators was conducted to identify the most suitable candidate for low power compact and digitally controllable designs. Relaxation oscilla tors were selected due to their low-power consumption, straightforward digital control and compact layout which eliminate the need for additional analog to digital interfaces. Using the SkyWater 130 nm process, the proposed design achieved a frequency tuning range of 30.48 % (from 3.34 MHz to 5.53 MHz) while maintaining a maximum power consumption of only 25.03 µW. The methodology employed fully open-source electronic design automation (EDA) tools for schematic capture, layout and simulation following an iterative process to validate and optimize performance. This work delivers a robust and energy efficient oscillator optimized for integration into True Random Number Generators (TRNGs) based on Random Telegraph Noise (RTN) making it highly suitable for resource constrained IoT environments.