A metodologia de projeto semi-customizado usando associações trapezoidais de transistores (TATs) é especialmente viável para o projeto de circuitos integrados mistos analógico- digitais. Vários trabalhos foram desenvolvidos demonstrando exemplos de aplicações que geraram bons resultados utilizando esta metodologia. Entretanto, ficou evidente a falta de ferramentas de CAD apropriadas para automatizar o processo de síntese dos circuitos. Para preencher esta lacuna, foi desenvolvido o LIT, uma ferramenta de CAD especializada na geração do layout de células analógicas utilizando associações de transistores. O principal desafio da técnica de associações trapezoidais é a escolha adequada da associação equivalente ao transistor simples, de modo que os efeitos negativos da substituição deste transistor no desempenho do circuito sejam os menores possíveis. Podem existir diversas opções de associações equivalentes, e a escolha da mais adequada nem sempre é uma tarefa direta e intuitiva.O objetivo deste trabalho é a criação de ferramentas de auxílio ao projeto de circuitos analógicos utilizando a técnica de associação série-paralela de transistores MOS (Metal- Oxide-Semiconductor), desde o dimensionamento do circuito até a descrição do layout em formato de troca. Pretende-se fazer com que o tempo total de projeto seja reduzido e seus custos diminuídos. Além disso, o projeto visando a manufaturabilidade, de fundamental importância em tecnologias sub-micrométricas, também é abordado na ferramenta através da busca pela regularidade do layout. Um novo conceito de associação de transistores é introduzido: a associação do tipo T (TST - T-Shaped Transistor). Esta associação caracteriza-se por seu formato trapezoidal, porém sem limite quanto ao tamanho dos transistores unitários, os quais são considerados, em trabalhos anteriores sobre TATs (associações trapezoidais de transistores), como sendo todos iguais. Assim, uma ou duas variáveis livres a mais ficam disponíveis ao projetista, dando a liberdade da escolha de até quatro dimensões para os TSTs, o que faz com que o projeto se torne mais flexível. A modelagem deste tipo de associação é desenvolvida neste trabalho de modo que os efeitos de segunda ordem sejam previstos no desempenho geral do circuito e a verificação experimental comparada com simulações. / The semi-custom design methodology using trapezoidal associations of transistors (TATs) is specially viable for the design of mixed-signal integrated circuits. Several works have been developed demonstrating examples of applications that generated good results using this methodology. However, there is a lack of specific CAD tools able to automate the synthesis procedure. In order to fill this need, the LIT tool was developed. LIT is a CAD tool specialized in layout generation of analog cells using associations of transistors. The main challenge is the choice of the correct equivalent association for a given single transistor, in such a way that negative effects related to this substitution are minimized. The most adequate choice is not a direct and intuitive task, because many options of associations exist. The goal of this work is to develop a tool for the aid of analog circuits design using series-parallel associations of MOS transistors, from circuit sizing phase to layout description. Total time and costs can be reduced with this tool. Moreover, design for manufacturability is also improved through layout regularity. A new concept of associations of transistors is introduced: the T-Shaped Transistor (TST). The main characteristic of this association is its trapezoidal format, but with no limit on the sizes of unit transistors, which were fixed in previous works about TATs (Trapezoidal Associations of Transistors). Then, one or two more free variables are available to the designer, giving him the possibility to work with up to four dimensions for the TSTs. A model of this kind of association is developed in this work, since it is needed to prevent or minimize second order effects that degrade circuit performance. Experimental comparison with simulations are also presented.

This research investigates lower-power lower-voltage analog circuit techniques suitable for wireless sensor applications. Wireless sensors have been used in a wide range of applications and will become ubiquitous with the revolution of internet of things (IoT). Due to the demand of low cost, miniature desirable size and long operating cycle, passive wireless sensors which don't require battery are more preferred. Such sensors harvest energy from energy sources in the environment such as radio frequency (RF) waves, vibration, thermal sources, etc. As a result, the obtained energy is very limited. This creates strong demand for low power, lower voltage circuits. The RF and analog circuits in the wireless sensor usually consume most of the power. This motivates the research presented in the dissertation. Specially, the research focuses on the design of a low power high efficiency regulator, low power Resistance to Digital Converter (RDC), low power Successive Approximation Register (SAR) Analog to Digital Converter (ADC) with parasitic error reduction and a low power low voltage Low Dropout (LDO) regulator. This dissertation includes a low power analog circuit design for the RFID wireless sensor which consists of the energy harvest circuits (an optimized rectifier and a regulator with high current efficiency) and a sensor measurement circuit (RDC), a single end sampling SAR ADC with no error induced by the parasitic capacitance and a digital loop LDO whose line and load variation response is improved. These techniques will boost the design of the wireless sensor and they can also be used in other similar low power design.

This thesis introduces high-voltage approaches that are implemented in an analog Hall-effect sensor interface. This interface has been realized in a modified 5V 0.6um CMOS process using 40V high-voltage MOS transistors that do not affect low-voltage device functionality. These circuits include a high-voltage, low-offset current sense amplifier, which achieves a common-mode input range that is within a Vtp of Vdd using a bulk-driven differential input stage. The amplifier also uses high voltage cascode devices to protect low-voltage devices that have been placed in critical matching areas to achieve a low input offset voltage of 500uV without the use of trim. A short to battery architecture is also discussed which uses a bulk-driven comparator and a PMOS blocking technique and allows for a reliable short to battery breakdown voltage without using a series blocking diode. Integration of these blocks into a standard CMOS process leads to cost savings as additional devices such as data converters and microprocessors are combined with the Hall-effect sensor interface.

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The "Internet of Things" (IoT) has been a topic of intensive research in industry, technological centers and academic community, being data communication one aspect of high relevance in this area. The exponential increase of devices with wireless capabilities as well as the number of users, alongside with the decreasing costs for implementation of broadband communications, created a suitable environment for IoT applications. An IoT device is typically composed by a wireless transceiver, a battery and/or energy harvesting unit, a power management unit, sensors and conditioning unit, a microprocessor and data storage unit. Energy supply is a limiting factor in many applications and the transceiver usually demands a significant amount of power. In this scenario the emerging wireless communication standard IEEE 802.11ah, in which this work focuses, was proposed as an option for low power sub-GHz radio communication. A typical architecture of modern radio receivers contains the analog radio-frequency (RF) front-end, which amplifies, demodulates and filters the input signal, and also analog-to-digital converters (ADC), that translate the analog signals to the digital domain. Additionally, the Successive-Approximation (SAR) ADC architecture has become popular recently due to its power efficiency, simplicity, and compatibility with scaled-down integrated CMOS technology. In this work, the RF receiver architecture and its specifications aiming low power consumption and IEEE 802.11ah standard complying are outlined, being the basis to the proposition of an 8-bit resolution and 10 MHz sampling rate ADC. A power efficient switching scheme for the charge redistribution SAR ADC architecture is explored in detail, along with the circuit-level design of the digital-to-analog converter (DAC). The transistor-level design of the two remaining ADC main blocks, sampling switch and comparator, are also explored. Electrical simulation of the physical layout, including parasitics, at a 130nm CMOS process resulted in a SINAD of 47:3 dB and 45:5 dB and at the receiver IF 3 MHz and at the Nyquist rate, respectively, consuming 21 W with a power supply of 1 V . The SAR ADC resulting Figure-of-Merit (FoM) corresponded to 11:1 fJ/conv-step at IF, and 13:7 fJ/conv-step at the Nyquist rate.

Les mémoires résistives non volatiles à bases d'oxydes métalliques suscitent un intérêt croissant chez les industriels. Plus particulièrement, les mémoires non volatiles à base d'oxydes (OxRRAM) offrent des temps de programmation et d'accès très court, une faible consommation énergétique, un coût par bit très concurrentiel et une facilité de co-intégration dans le back-end avec du CMOS avancé. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d'une mémoire OxRRAM facilement intégrable dans une technologie de fabrication CMOS avancée afin de montrer les avantages en vue de leur application dans des SoC. Une première étape fut la fabrication et l'analyse des cellules mémoires OxRRAM intégrant différents oxydes métalliques afin de choisir la solution la plus adaptée à être intégrée dans une technologie CMOS 65nm et 28nm. Des techniques de mesures dédiées ont été mises en place afin d'établir l'impact du diélectrique sur le fonctionnement de la mémoire OxRRAM en termes de polarisation, de temps de programmation, de courant de programmation et de mécanismes de transition. Des études statistiques et de fiabilité des différents états du point mémoire ont été aussi réalisées. La modélisation associée a permis de mieux comprendre les mécanismes de vieillissements et prédire des lois de durée de vie sous champ et en température des état écrit et effacé de la cellule OxRRAM. Les données expérimentales obtenues sur les cellules ont ensuite permis de concevoir et d'optimiser un circuit d'évaluation statistique de 16 Kbit en technologie CMOS 28nm en tenant compte de toutes les contraintes de design analogique. / Oxide-based Resistive Random Acces Memories (OxRRAM) are nowadays considered among the most promising solutions for future generation of low-cost embedded non-volatile memories. The advantages of these memories are the scalability, low power consumption, high speed, complementary metal oxide semiconductor technology (CMOS) compatibility and ease of fabrication (the memory cell consisting of a Metal–Insulator– Metal (MIM) structure integrated in the back-end-of-line, plus an addressing element, i.e. a transistor or a diode) . The potential applications range from consumer – communications to automotive – industrial. This work deals with the development of an OxRRAM demonstrator into an advanced CMOS technology for System on Chip (SoC) application. We discuss the impact of different dielectrics materials (Ta2O5, ZrO2 and HfO2) and electrodes (Pt, Ti, TiN) on the memory performances and reliability in order to choose the best couple dielectric/electrode. We focus on the understanding of the memory switching physics that is involved in the programming of OxRRAM bit-cells. The failure and transition mechanism are presented for lifetime prediction. Some methodologies are presented in this PhD thesis for the optimization of the OxRRAM bit-cell performances and sizes according to a targeted Mutliple Time Programmable (MTP) memory application. We developed analog block systems to control and address the OxRRAM bit-cell taking to account the bipolar switching characteristics of the devices. Finally, these solutions are to be validated using a 1-kb OxRRAM demonstrator yet designed and fabricated in a logic 28-nm node CMOS technology. Keywords: Oxide Resistive memory (OxRRAM), High-k, MIM, CMOS, Characterization, Reliability, Modeling, Analog Design, Simulation.

Referências de tensão integradas sempre foram um bloco fundamental de qualquer sistema eletrônico e um importante tópico de pesquisa que tem sido estudado extensivamente nos últimos 50 anos. Uma tensão de referência é um circuito que provê uma tensão estável com baixa sensibilidade a variações em temperatura, alimentação, carga, características do processo de fabricação e tensões mecânicas de encapsulamento. Elas são normalmente implementadas através da soma ponderada de dois fenômenos físicos diferentes, com comportamentos em temperatura opostos. Normalmente, a tensão térmica, relacionada à constante de Boltzmann e à carga do elétron, fornece uma dependência positiva com temperatura, enquanto que a tensão base-emissor VBE de um transistor bipolar ou a tensão de limiar de um MOSFET fornece o termo complementar. Um bloco auxiliar é às vezes utilizado para fornecer as correntes de polarização do circuito, e outros blocos adicionais implementam a soma ponderada. A evolução da tecnologia de processos é o principal fator para aplicações em baixa tensão, enquanto que a emergência de dispositivos portáteis operados a bateria, circuitos biomédicos implantáveis e dispostivos de captura de energia do ambiente restringem cada circuito a consumir o mínimo possivel. Portanto, alimentações abaixo de 1 V e consumos na ordem de nanoWatts se tornaram características fundamentais de tais circuitos. Contudo, existem diversos desafios ao projetar referências de tensão de alta exatidão em processos CMOS modernos sob essas condições. As topologias tradicionais não são adequadas pois elas provêm uma referência de tensão acima de 1 V, e requerem resistências da ordem de G para atingir tão baixo consumo de potência, ocupando assim uma grande área de silício. Avanços recentes atingiram tais níveis de consumo de potência, porém com limitada exatidão, custosos procedimentos de calibração e grande área ocupada em silício. Nesta dissertação apresentam-se duas novas topologias de circuitos: uma tensão de junção bipolar com compensação de curvatura que não utiliza resistores e é auto-polarizada; e um circuito de referência bandgap sem resistores que opera abaixo de 1 V (também chamado de sub-bandgap). Ambos circuitos operam com consumo na ordem de nanoWatts e ocupam pequenas áreas de silício. Resultados de simulação para dois processos diferentes, 180 nm e 130 nm, e resultados experimentais de uma rodada de fabricação em 130 nm apresentam melhorias sobre tais limitações, mantendo as características desejadas de não conter resistores, ultra baixo consumo, baixa tensão de alimentação e áreas muito pequenas. / Integrated voltage references have always been a fundamental block of any electronic system, and an important research topic that has been extensively studied in the past 50 years. A voltage reference is a circuit that provides a stable voltage with low sensitivity to variations in temperature, supply, load, process characteristics and packaging stresses. They are usually implemented through the weighted sum of two independent physical phenomena with opposite temperature dependencies. Usually the thermal voltage, related to the Boltzmann’s constant and the electron charge, provides a positive temperature dependence, while the silicon bandgap voltage or a MOSFET’s threshold voltage provide the complementary term. An auxiliary biasing block is sometimes necessary to provide the necessary currents for the circuit to work, and additional blocks implement the weighted sum. The scaling of process technologies is the main driving factor for low voltage operation, while the emergence of portable battery-operated, implantable biomedical and energy harvesting devices mandate that every circuit consume as little power as possible. Therefore, sub-1 V supplies and nanoWatt power have become key characteristics for these kind of circuits, but there are several challenges when designing high accuracy voltage references in modern CMOS technologies under these conditions. The traditional topologies are not suitable because they provide a reference voltage above 1 V, and to achieve such power consumption levels would require G resistances, that occupy a huge silicon area. Recent advances have achieved these levels of power consumption but with limited accuracy, expensive calibration procedures and large silicon area.

Referências de tensão integradas sempre foram um bloco fundamental de qualquer sistema eletrônico e um importante tópico de pesquisa que tem sido estudado extensivamente nos últimos 50 anos. Uma tensão de referência é um circuito que provê uma tensão estável com baixa sensibilidade a variações em temperatura, alimentação, carga, características do processo de fabricação e tensões mecânicas de encapsulamento. Elas são normalmente implementadas através da soma ponderada de dois fenômenos físicos diferentes, com comportamentos em temperatura opostos. Normalmente, a tensão térmica, relacionada à constante de Boltzmann e à carga do elétron, fornece uma dependência positiva com temperatura, enquanto que a tensão base-emissor VBE de um transistor bipolar ou a tensão de limiar de um MOSFET fornece o termo complementar. Um bloco auxiliar é às vezes utilizado para fornecer as correntes de polarização do circuito, e outros blocos adicionais implementam a soma ponderada. A evolução da tecnologia de processos é o principal fator para aplicações em baixa tensão, enquanto que a emergência de dispositivos portáteis operados a bateria, circuitos biomédicos implantáveis e dispostivos de captura de energia do ambiente restringem cada circuito a consumir o mínimo possivel. Portanto, alimentações abaixo de 1 V e consumos na ordem de nanoWatts se tornaram características fundamentais de tais circuitos. Contudo, existem diversos desafios ao projetar referências de tensão de alta exatidão em processos CMOS modernos sob essas condições. As topologias tradicionais não são adequadas pois elas provêm uma referência de tensão acima de 1 V, e requerem resistências da ordem de G para atingir tão baixo consumo de potência, ocupando assim uma grande área de silício. Avanços recentes atingiram tais níveis de consumo de potência, porém com limitada exatidão, custosos procedimentos de calibração e grande área ocupada em silício. Nesta dissertação apresentam-se duas novas topologias de circuitos: uma tensão de junção bipolar com compensação de curvatura que não utiliza resistores e é auto-polarizada; e um circuito de referência bandgap sem resistores que opera abaixo de 1 V (também chamado de sub-bandgap). Ambos circuitos operam com consumo na ordem de nanoWatts e ocupam pequenas áreas de silício. Resultados de simulação para dois processos diferentes, 180 nm e 130 nm, e resultados experimentais de uma rodada de fabricação em 130 nm apresentam melhorias sobre tais limitações, mantendo as características desejadas de não conter resistores, ultra baixo consumo, baixa tensão de alimentação e áreas muito pequenas. / Integrated voltage references have always been a fundamental block of any electronic system, and an important research topic that has been extensively studied in the past 50 years. A voltage reference is a circuit that provides a stable voltage with low sensitivity to variations in temperature, supply, load, process characteristics and packaging stresses. They are usually implemented through the weighted sum of two independent physical phenomena with opposite temperature dependencies. Usually the thermal voltage, related to the Boltzmann’s constant and the electron charge, provides a positive temperature dependence, while the silicon bandgap voltage or a MOSFET’s threshold voltage provide the complementary term. An auxiliary biasing block is sometimes necessary to provide the necessary currents for the circuit to work, and additional blocks implement the weighted sum. The scaling of process technologies is the main driving factor for low voltage operation, while the emergence of portable battery-operated, implantable biomedical and energy harvesting devices mandate that every circuit consume as little power as possible. Therefore, sub-1 V supplies and nanoWatt power have become key characteristics for these kind of circuits, but there are several challenges when designing high accuracy voltage references in modern CMOS technologies under these conditions. The traditional topologies are not suitable because they provide a reference voltage above 1 V, and to achieve such power consumption levels would require G resistances, that occupy a huge silicon area. Recent advances have achieved these levels of power consumption but with limited accuracy, expensive calibration procedures and large silicon area.

Referências de tensão integradas sempre foram um bloco fundamental de qualquer sistema eletrônico e um importante tópico de pesquisa que tem sido estudado extensivamente nos últimos 50 anos. Uma tensão de referência é um circuito que provê uma tensão estável com baixa sensibilidade a variações em temperatura, alimentação, carga, características do processo de fabricação e tensões mecânicas de encapsulamento. Elas são normalmente implementadas através da soma ponderada de dois fenômenos físicos diferentes, com comportamentos em temperatura opostos. Normalmente, a tensão térmica, relacionada à constante de Boltzmann e à carga do elétron, fornece uma dependência positiva com temperatura, enquanto que a tensão base-emissor VBE de um transistor bipolar ou a tensão de limiar de um MOSFET fornece o termo complementar. Um bloco auxiliar é às vezes utilizado para fornecer as correntes de polarização do circuito, e outros blocos adicionais implementam a soma ponderada. A evolução da tecnologia de processos é o principal fator para aplicações em baixa tensão, enquanto que a emergência de dispositivos portáteis operados a bateria, circuitos biomédicos implantáveis e dispostivos de captura de energia do ambiente restringem cada circuito a consumir o mínimo possivel. Portanto, alimentações abaixo de 1 V e consumos na ordem de nanoWatts se tornaram características fundamentais de tais circuitos. Contudo, existem diversos desafios ao projetar referências de tensão de alta exatidão em processos CMOS modernos sob essas condições. As topologias tradicionais não são adequadas pois elas provêm uma referência de tensão acima de 1 V, e requerem resistências da ordem de G para atingir tão baixo consumo de potência, ocupando assim uma grande área de silício. Avanços recentes atingiram tais níveis de consumo de potência, porém com limitada exatidão, custosos procedimentos de calibração e grande área ocupada em silício. Nesta dissertação apresentam-se duas novas topologias de circuitos: uma tensão de junção bipolar com compensação de curvatura que não utiliza resistores e é auto-polarizada; e um circuito de referência bandgap sem resistores que opera abaixo de 1 V (também chamado de sub-bandgap). Ambos circuitos operam com consumo na ordem de nanoWatts e ocupam pequenas áreas de silício. Resultados de simulação para dois processos diferentes, 180 nm e 130 nm, e resultados experimentais de uma rodada de fabricação em 130 nm apresentam melhorias sobre tais limitações, mantendo as características desejadas de não conter resistores, ultra baixo consumo, baixa tensão de alimentação e áreas muito pequenas. / Integrated voltage references have always been a fundamental block of any electronic system, and an important research topic that has been extensively studied in the past 50 years. A voltage reference is a circuit that provides a stable voltage with low sensitivity to variations in temperature, supply, load, process characteristics and packaging stresses. They are usually implemented through the weighted sum of two independent physical phenomena with opposite temperature dependencies. Usually the thermal voltage, related to the Boltzmann’s constant and the electron charge, provides a positive temperature dependence, while the silicon bandgap voltage or a MOSFET’s threshold voltage provide the complementary term. An auxiliary biasing block is sometimes necessary to provide the necessary currents for the circuit to work, and additional blocks implement the weighted sum. The scaling of process technologies is the main driving factor for low voltage operation, while the emergence of portable battery-operated, implantable biomedical and energy harvesting devices mandate that every circuit consume as little power as possible. Therefore, sub-1 V supplies and nanoWatt power have become key characteristics for these kind of circuits, but there are several challenges when designing high accuracy voltage references in modern CMOS technologies under these conditions. The traditional topologies are not suitable because they provide a reference voltage above 1 V, and to achieve such power consumption levels would require G resistances, that occupy a huge silicon area. Recent advances have achieved these levels of power consumption but with limited accuracy, expensive calibration procedures and large silicon area.

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