Os Sistemas Digitais de Múltiplas Tensões exploram o conceito de dimensionamento da tensão de alimentação através da aplicação de diferentes fontes para regiões específicas do chip. Cada uma destas regiões pertence a um domínio de energia e pode ter duas ou mais configurações de voltagens. Independentemente dos distintos níveis de energia em diferentes domínios de tensão, os blocos devem processar sinais com níveis lógicos coerentes. Nestes sistemas, os Conversores de Nível (LS do inglês Level Shifters) são componentes essenciais que atuam como interfaces de escalonamento da tensão entre domínios de energia, garantindo a correta transmissão dos sinais. Com a apropriada interface de escalonamento de tensão e sua correta implementação, pode-se evitar o consumo excessivo de potência dinâmica e estática. Portanto, a concepção e implementação de conversores de nível deve ser um processo consciente que garanta o menor sobrecusto no tamanho, consumo de energia, e tempo de atraso. Neste trabalho estudam-se as principais características das interfaces de escalonamento de tensão e se introduce um conversor de tensão com eficiência energética e área reduzida, adequado para a conversão de baixo a alto nível. Apresentam-se os conversores de nível com o melhor desempenho encontrados na literatura, os quais são categorizados em dois principais grupos: Dois trilhos (Dual-rail) e Único trilho (Single-rail), de acordo ao número de linhas de alimentação necessárias. O circuito proposto foi comparado com a topologia tradicional de cada grupo, o Differential Cascode Voltage Switch (DCVS) e o conversor de Puri respectivamente. Simulações na tecnologia CMOS 130nm da IBMTM mostram que a topologia proposta requer até 93,79% menos energia em determinadas condições. Esta apresentou 88,03% menor atraso e uma redução de 39,6% no Produto Potência-Atraso (PDP), quando comparada com a topologia DCVS. Em contraste com o conversor Puri, obteve-se uma redução de 32,08% no consumo de energia, 13,26% diminuição no atraso e 15,37% inferior PDP. Além disso, o conversor de nível proposto foi o único capaz de trabalhar a 35% da tensão nominal de alimentação. / Multiple Voltage Digital Systems exploit the concept of voltage scaling by applying different supplies to particular regions of the chip. Each of those regions belongs to a power domain and may have two or more supply voltage configurations. Regardless of distinct energy levels on different power domains, the blocks shall process signals with coherent logic levels. In these systems, the Level Shifters (LS) are essential components that act as voltage scaling interfaces between power domains, guaranteeing the correct signal transmission. With the appropriate voltage scaling interface and its proper implementation, we can avoid excessive static and dynamic power consumption. Therefore, the design and implementation of level shifters should be a conscientious process and must guarantee the lowest overhead in size, energy consumption, and delay time. In this work, we study the main characteristics of voltage scaling interfaces and introduce an energy-efficient level shifter with reduced area, and suitable for low-to-high level conversion. We present the level shifters with the best performance that we found in the literature and categorize them into two main groups: Dual-rail and Single-rail, according to the number of power rails required. The proposed circuit was compared to the traditional topology of each group, Differential Cascode Voltage Switch (DCVS) and Puri’s level shifter respectively. Simulations on an IBMTM 130nm CMOS technology show that the proposed topology requires up to 93.79% less energy under certain conditions. It presented 88.03% smaller delay and 39.6% less Power-Delay Product (PDP) when compared to the DCVS topology. In contrast with the Puri’s level shifter, we obtained a reduction of 32.08% in power consumption, 13.26% smaller delay and 15.37% lower PDP. Besides, our level shifter was the only one capable of working at 35% of the nominal supply voltage.

como cidades inteligentes e Internet das coisas demonstram que esta tecnologia está evoluindo em larga escala. Consequentemente, diversas aplicações desta tecnologia estão sendo desenvolvidas, muitas delas são altamente dependentes de redes de sensores sem fio, pois fazem a coleta de dados em ambientes inóspitos ou de difícil acesso. Para que estes dados coletados de diversos dispositivos possam ser analisados em conjunto é preciso que as coletas sejam simultâneas ou em intervalos próximos de tempo, o que implica que toda a rede de sensores tenha uma elevada precisão no sincronismo. Ademais, diversos protocolos de comunicação sem fio utilizam o sincronismo para estabelecer o compartilhamento do meio de propagação, tendo assim uma maior eficiência na troca de dados. Ao observar a importância de atender a essa necessidade de sincronização de tempo entre dispositivos usados em redes de sensores sem fio, este trabalho se concentra na proposta, implementação e teste de um serviço de sincronização de tempo para redes de sensores sem fio de baixa potência usando relógios de baixa frequência em tempo real em cada nó. Para implementar este serviço, são propostos três algoritmos baseados em estratégias diferentes para alcançar a sincronização desejada. O primeiro baseia-se em uma métrica simples de correção adaptativa; o segundo baseia-se em um mecanismo de predição; já o terceiro utiliza um mecanismo mais complexo, a correção analítica. Todos os algoritmos tem o mesmo objetivo: fazer com que os relógios dos nós sensores convirjam de forma ágil, em seguida, mantê-los com a maior similaridade possível. O objetivo deste trabalho é apresentar o melhor método que garanta a sincronização, mantendo o baixo consumo de energia em uma rede de sensores. Os resultados experimentais fornecem evidências do sucesso no cumprimento deste objetivo, bem como fornece meios para comparar estas três abordagens considerando os melhores resultados de sincronização e os seus custos em termos de consumo de energia. / Environmental monitoring systems are gaining more and more space, concepts such as smart cities and the Internet of things demonstrate that this technology has been developing a lot. Consequently, many applications of this technology are being developed, many of them are dependent on wireless sensor networks, which collect data in inhospitable or difficult-to-access environments. In order to these collected data from several devices to be analyzed together it is necessary that the data collection be simultaneous or at close intervals, which implies that the entire network of sensors has a high precision in the synchronism. In addition, several wireless communication protocols use the synchronism to establish sharing of medium networks, thus having a greater efficiency in the exchange of data. Observing the importance of time synchronization, this work focuses in proposing, implementing and testing time synchronization protocols for low power wireless sensor networks using real time low frequency clocks. To implement this service, three algorithms based on different strategies are proposed to achieve the desired synchronization. The first is based on the simple metric for self-correction; the second is based on a prediction mechanism; while the third uses a more complex mechanism for analytical correction. All the algorithms have the same goal: to make the clock of the sensor nodes converge in an agile way, then to keep them with the greatest possible similarity. The objective of this work is to present the best method to guarantee the synchronization, keeping the low power consumption in a network, sporadically, transmissions. The experimental results provide evidence of success in achieving this goal, as well as providing means to compare these three approaches considering the best synchronization results and their costs in terms of energy consumption. Keywords: Internet of things.

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.

abstract: Three dimensional (3-D) ultrasound is safe, inexpensive, and has been shown to drastically improve system ease-of-use, diagnostic efficiency, and patient throughput. However, its high computational complexity and resulting high power consumption has precluded its use in hand-held applications. In this dissertation, algorithm-architecture co-design techniques that aim to make hand-held 3-D ultrasound a reality are presented. First, image enhancement methods to improve signal-to-noise ratio (SNR) are proposed. These include virtual source firing techniques and a low overhead digital front-end architecture using orthogonal chirps and orthogonal Golay codes. Second, algorithm-architecture co-design techniques to reduce the power consumption of 3-D SAU imaging systems is presented. These include (i) a subaperture multiplexing strategy and the corresponding apodization method to alleviate the signal bandwidth bottleneck, and (ii) a highly efficient iterative delay calculation method to eliminate complex operations such as multiplications, divisions and square-root in delay calculation during beamforming. These techniques were used to define Sonic Millip3De, a 3-D die stacked architecture for digital beamforming in SAU systems. Sonic Millip3De produces 3-D high resolution images at 2 frames per second with system power consumption of 15W in 45nm technology. Third, a new beamforming method based on separable delay decomposition is proposed to reduce the computational complexity of the beamforming unit in an SAU system. The method is based on minimizing the root-mean-square error (RMSE) due to delay decomposition. It reduces the beamforming complexity of a SAU system by 19x while providing high image fidelity that is comparable to non-separable beamforming. The resulting modified Sonic Millip3De architecture supports a frame rate of 32 volumes per second while maintaining power consumption of 15W in 45nm technology. Next a 3-D plane-wave imaging system that utilizes both separable beamforming and coherent compounding is presented. The resulting system has computational complexity comparable to that of a non-separable non-compounding baseline system while significantly improving contrast-to-noise ratio and SNR. The modified Sonic Millip3De architecture is now capable of generating high resolution images at 1000 volumes per second with 9-fire-angle compounding. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2015

Depuis plus d'un demi-siècle, le monde de la microélectronique est rythmé par une course à la miniaturisation de son élément central, le transistor MOS, dans le but d'améliorer la densité d'intégration, les performances et le coût des circuits électroniques intégrés. Depuis plusieurs générations technologiques maintenant, la simple réduction des dimensions du transistor n'est plus suffisante et de nouveaux modules technologiques (utilisation de la contrainte, empilement de grille high-k/métal…) ont du être mis en place. Cependant, le transistor MOS conventionnel, même optimisé, ne suffira bientôt plus à répondre aux attentes toujours plus élevées des nouvelles technologies. De nouvelles architectures doivent alors être envisagées pour épauler puis, à terme, remplacer la technologie BULK. Dans ce contexte, cette thèse porte sur l'étude, la fabrication et la caractérisation électrique des architectures à film mince que sont le SOI localisé (ou LSOI) et le double grille planaire à grille enrobante (ou GAA). Les résultats obtenus mettent ainsi en évidence l'intérêt de ces dispositifs qui permettent une réduction du courant de fuite (et donc de la consommation), un excellent contrôle des effets électrostatiques et fonctionnent sans dopage canal (faible variabilité) tout en proposant de très bonnes performances statiques. L'impact d'une orientation de substrat (110) sur les propriétés de transport dans les transistors LSOI est également étudié. Ce travail de thèse garde comme ligne de mire la réalisation d'une plateforme basse consommation complète, impliquant une éventuelle intégration hybride avec des dispositifs BULK et la possibilité d'offrir plusieurs niveaux de tension de seuil, le tout sur une même puce. / For more than 50 years, microelectronic industry is driven by a race to the miniaturisation of its central element, the MOS transistor, to improve the integration density, the performances and the cost of the electronic integrated circuits. Since the adoption of 100nm node, the only reduction of the dimensions of the transistor is no more sufficient and new technological modules (use of strain, high-k/metal gatestack…) have been introduced. However, conventional MOSFET, even opimized, will soon be unable to reach the specifications, always higher, of new technologies. Then, new structures should be considered to help and, finally, to replace the BULK technology. In this context, the work concerns the study, the fabrication and the electrical characterization of the thin film devices : Localized-SOI (LSOI) and planar gate-all-around (GAA). The obtained resultats point out the interest of such devices which allow the reduction of the leakage current (and thus the consumption), an excellent control of electrostatics and are able to work with an undoped channel while offering very good static performances. Impact of (110) substrates on transport properties in LSOI transistors is also studied. This work focuses on the integration of a full low-power platform, what induces the possibility of an hybrid integration with BULK devices and to offer several threshold voltages, everything on the same chip.

Les variabilités du processus de fabrication des technologies avancées (typ. < 32nm) sont de plus en plus difficile à maîtriser. Elles impactent plus sévèrement la fréquence de fonctionnement et la consommation d'énergie, et induisent de plus en plus de défaillances dans le circuit. Ceci est particulièrement vrai pour les MPSoCs, où le nombre de coeurs de calculs est très important. Les besoins (performances, fonctionnalités, faible consommation, tolérance aux fautes) ne cessent de croître et les caractéristiques hétérogènes (fréquence, énergie, défaillances) rendent difficile la mise en oeuvre de systèmes répondant à ces exigences. Ces travaux s'inscrivent dans l'optique de traiter ces problèmes pour des systèmes MPSoCs massivement parallèles, basés sur une topologie en maille 2D. Cette thèse propose une méthodologie automatisée qui permet le placement et l'ordonnancement d'applications dans les systèmes ciblés. Les aspects variabilité, consommation et performance sont pris en compte. D'autre part, cette thèse propose une technique de placement adaptatif tolérant aux fautes basée sur une stratégie de recouvrement des erreurs. Cette stratégie permet de garantir la terminaison de l'application en présence de défaillances, sans avoir recours à la prise de « check-points ». Cette technique est complété par des algorithmes adaptatifs distribués, prenant en compte la variabilité et la consommation d'énergie. / With the advanced technologies (typ. < 32nm), it is more and more difficult to control the manufacturing variabilities. It impacts more severely the working frequency and the consumed energy, and induces more and more failure inside the device. This is particularly true for MPSoC with a large number of computing cores. With the increasing needs (performance, functionalities, low power, fault tolerance) and heterogeneous characteristics (frequency, energy, failures) it becomes difficult to apply to systems able to meet these requirements. This work focus on this perspective to deal with these issues for the massively parallel MPSoC, based on 2D mesh topology. This thesis proposes an automated methodology, allowing the mapping and scheduling of application on the targeted system. It takes into account the variability, energy and computing power. Furthermore, this thesis proposes a fault tolerant adaptive mapping technique, paired with an original failure recovering strategy. This strategy allows to guarantee the termination of the application in the presence of failures, without the check-point requirement. The technique has been extended with an adaptive distributed algorithm, taking into account the manufacturing variability and aimed at reducing the consumed energy.

Ce travail de recherche vise à concevoir un système de vision à faible consommation d'énergie pour les réseaux de capteurs sans fil. L'imageur en question doit respecter les contraintes spécifiques des applications multimédias pour les réseaux de capteurs de vision sans fil. En effet, de par sa nature, une application multimédia impose un traitement intensif au niveau du noeud et un nombre considérable de paquets à échanger à travers le lien radio, et par conséquent beaucoup d'énergie à consommer. Une solution évidente pour diminuer la quantité de données transmise, et donc la durée de vie du réseau, est de compresser les images avant de les transmettre. Néanmoins, les contraintes strictes des noeuds du réseau rendent inefficace en pratique l'exécution des algorithmes de compression standards (JPEG, JPEG2000, MJPEG, MPEG, H264, etc.). Le système de vision à concevoir doit donc intégrer des techniques de compression d'image à la fois efficaces et à faible complexité. Une attention particulière doit être prise en compte en vue de satisfaire au mieux le compromis "Consommation énergétique - Qualité de Service (QoS)". / This research aims to develop a vision system with low energy consumption for Wireless Sensor Networks (WSNs). The imager in question must meet the specific requirements of multimedia applications for Wireless Vision Sensor Networks. Indeed, a multimedia application requires intensive computation at the node and a considerable number of packets to be exchanged through the transceiver, and therefore consumes a lot of energy. An obvious solution to reduce the amount of transmitted data is to compress the images before sending them over WSN nodes. However, the severe constraints of nodes make ineffective in practice the implementation of standard compression algorithms (JPEG, JPEG2000, MJPEG, MPEG, H264, etc.). Desired vision system must integrate image compression techniques that are both effective and with low-complexity. Particular attention should be taken into consideration in order to best satisfy the compromise "Energy Consumption - Quality of Service (QoS)".

Os Sistemas Digitais de Múltiplas Tensões exploram o conceito de dimensionamento da tensão de alimentação através da aplicação de diferentes fontes para regiões específicas do chip. Cada uma destas regiões pertence a um domínio de energia e pode ter duas ou mais configurações de voltagens. Independentemente dos distintos níveis de energia em diferentes domínios de tensão, os blocos devem processar sinais com níveis lógicos coerentes. Nestes sistemas, os Conversores de Nível (LS do inglês Level Shifters) são componentes essenciais que atuam como interfaces de escalonamento da tensão entre domínios de energia, garantindo a correta transmissão dos sinais. Com a apropriada interface de escalonamento de tensão e sua correta implementação, pode-se evitar o consumo excessivo de potência dinâmica e estática. Portanto, a concepção e implementação de conversores de nível deve ser um processo consciente que garanta o menor sobrecusto no tamanho, consumo de energia, e tempo de atraso. Neste trabalho estudam-se as principais características das interfaces de escalonamento de tensão e se introduce um conversor de tensão com eficiência energética e área reduzida, adequado para a conversão de baixo a alto nível. Apresentam-se os conversores de nível com o melhor desempenho encontrados na literatura, os quais são categorizados em dois principais grupos: Dois trilhos (Dual-rail) e Único trilho (Single-rail), de acordo ao número de linhas de alimentação necessárias. O circuito proposto foi comparado com a topologia tradicional de cada grupo, o Differential Cascode Voltage Switch (DCVS) e o conversor de Puri respectivamente. Simulações na tecnologia CMOS 130nm da IBMTM mostram que a topologia proposta requer até 93,79% menos energia em determinadas condições. Esta apresentou 88,03% menor atraso e uma redução de 39,6% no Produto Potência-Atraso (PDP), quando comparada com a topologia DCVS. Em contraste com o conversor Puri, obteve-se uma redução de 32,08% no consumo de energia, 13,26% diminuição no atraso e 15,37% inferior PDP. Além disso, o conversor de nível proposto foi o único capaz de trabalhar a 35% da tensão nominal de alimentação. / Multiple Voltage Digital Systems exploit the concept of voltage scaling by applying different supplies to particular regions of the chip. Each of those regions belongs to a power domain and may have two or more supply voltage configurations. Regardless of distinct energy levels on different power domains, the blocks shall process signals with coherent logic levels. In these systems, the Level Shifters (LS) are essential components that act as voltage scaling interfaces between power domains, guaranteeing the correct signal transmission. With the appropriate voltage scaling interface and its proper implementation, we can avoid excessive static and dynamic power consumption. Therefore, the design and implementation of level shifters should be a conscientious process and must guarantee the lowest overhead in size, energy consumption, and delay time. In this work, we study the main characteristics of voltage scaling interfaces and introduce an energy-efficient level shifter with reduced area, and suitable for low-to-high level conversion. We present the level shifters with the best performance that we found in the literature and categorize them into two main groups: Dual-rail and Single-rail, according to the number of power rails required. The proposed circuit was compared to the traditional topology of each group, Differential Cascode Voltage Switch (DCVS) and Puri’s level shifter respectively. Simulations on an IBMTM 130nm CMOS technology show that the proposed topology requires up to 93.79% less energy under certain conditions. It presented 88.03% smaller delay and 39.6% less Power-Delay Product (PDP) when compared to the DCVS topology. In contrast with the Puri’s level shifter, we obtained a reduction of 32.08% in power consumption, 13.26% smaller delay and 15.37% lower PDP. Besides, our level shifter was the only one capable of working at 35% of the nominal supply voltage.

como cidades inteligentes e Internet das coisas demonstram que esta tecnologia está evoluindo em larga escala. Consequentemente, diversas aplicações desta tecnologia estão sendo desenvolvidas, muitas delas são altamente dependentes de redes de sensores sem fio, pois fazem a coleta de dados em ambientes inóspitos ou de difícil acesso. Para que estes dados coletados de diversos dispositivos possam ser analisados em conjunto é preciso que as coletas sejam simultâneas ou em intervalos próximos de tempo, o que implica que toda a rede de sensores tenha uma elevada precisão no sincronismo. Ademais, diversos protocolos de comunicação sem fio utilizam o sincronismo para estabelecer o compartilhamento do meio de propagação, tendo assim uma maior eficiência na troca de dados. Ao observar a importância de atender a essa necessidade de sincronização de tempo entre dispositivos usados em redes de sensores sem fio, este trabalho se concentra na proposta, implementação e teste de um serviço de sincronização de tempo para redes de sensores sem fio de baixa potência usando relógios de baixa frequência em tempo real em cada nó. Para implementar este serviço, são propostos três algoritmos baseados em estratégias diferentes para alcançar a sincronização desejada. O primeiro baseia-se em uma métrica simples de correção adaptativa; o segundo baseia-se em um mecanismo de predição; já o terceiro utiliza um mecanismo mais complexo, a correção analítica. Todos os algoritmos tem o mesmo objetivo: fazer com que os relógios dos nós sensores convirjam de forma ágil, em seguida, mantê-los com a maior similaridade possível. O objetivo deste trabalho é apresentar o melhor método que garanta a sincronização, mantendo o baixo consumo de energia em uma rede de sensores. Os resultados experimentais fornecem evidências do sucesso no cumprimento deste objetivo, bem como fornece meios para comparar estas três abordagens considerando os melhores resultados de sincronização e os seus custos em termos de consumo de energia. / Environmental monitoring systems are gaining more and more space, concepts such as smart cities and the Internet of things demonstrate that this technology has been developing a lot. Consequently, many applications of this technology are being developed, many of them are dependent on wireless sensor networks, which collect data in inhospitable or difficult-to-access environments. In order to these collected data from several devices to be analyzed together it is necessary that the data collection be simultaneous or at close intervals, which implies that the entire network of sensors has a high precision in the synchronism. In addition, several wireless communication protocols use the synchronism to establish sharing of medium networks, thus having a greater efficiency in the exchange of data. Observing the importance of time synchronization, this work focuses in proposing, implementing and testing time synchronization protocols for low power wireless sensor networks using real time low frequency clocks. To implement this service, three algorithms based on different strategies are proposed to achieve the desired synchronization. The first is based on the simple metric for self-correction; the second is based on a prediction mechanism; while the third uses a more complex mechanism for analytical correction. All the algorithms have the same goal: to make the clock of the sensor nodes converge in an agile way, then to keep them with the greatest possible similarity. The objective of this work is to present the best method to guarantee the synchronization, keeping the low power consumption in a network, sporadically, transmissions. The experimental results provide evidence of success in achieving this goal, as well as providing means to compare these three approaches considering the best synchronization results and their costs in terms of energy consumption. Keywords: Internet of things.

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.