The aim of the thesis is weigh measurement using strain gauges from cheap digital scales. Work describes problems connected with using strain gauges as temperature compensation and requirements for accurate voltage reference and summarize function and wiring of chaep digital scales using four strain gauges. Result of work is design of an electrical circuit for weigh measurement using four strain gauges from analyzed scale.

A contínua miniaturização das tecnologias CMOS oferece maior capacidade de integração e, consequentemente, as variações de temperatura dentro de uma pastilha de silício têm se apresentado cada vez mais agressivas. Ademais, dependendo da aplicação, a temperatura ambiente a qual o CHIP está inserido pode variar. Dessa maneira, procedimentos para diminuir o impacto dessas variações no desempenho do circuito são imprescindíveis. Tais métodos devem ser incluídos em ambos fluxos de projeto CMOS, analógico e digital, de maneira que o desempenho do sistema se mantenha estável quando a temperatura oscilar. A ideia principal desta dissertação é propor uma metodologia de projeto CMOS analógico que possibilite circuitos com baixa dependência térmica. Como base fundamental desta metodologia, o efeito de coeficiente térmico nulo no ponto de polarização da corrente de dreno (ZTC) e da transcondutância (GZTC) do MOSFET são analisados e modelados. Tal modelamento é responsável por entregar ao projetista analógico um conjunto de equações que esclarecem como a temperatura influencia o comportamento do transistor e, portanto, o comportamento do circuito. Essas condições especiais de polarização são analisadas usando um modelo de MOSFET que é contínuo da inversão fraca para forte. Além disso, é mostrado que as duas condições ocorrem em inversão moderada para forte em qualquer processo CMOS. Algumas aplicações são projetadas usando a metodologia proposta: duas referências de corrente baseadas em ZTC, duas referências de tensão baseadas em ZTC, e quatro circuitos gm-C polarizados em GZTC. A primeira referência de corrente é uma Corrente de Referência CMOS Auto-Polarizada (ZSBCR), que gera uma referência de 5uA. Projetada em CMOS 180 nm, a referência opera com uma tensão de alimentação de 1.4 à 1.8 V, ocupando uma área em torno de 0:010mm2. Segundo as simulações, o circuito apresenta um coeficiente de temperatura efetivo (TCeff ) de 15 ppm/oC para -45 à +85 oC e uma sensibilidade à variação de processo de = = 4:5% incluindo efeitos de variabilidade dos tipos processo e descasamento local. A sensibilidade de linha encontrada nas simulações é de 1%=V . A segunda referência de corrente proposta é uma Corrente de Referência Sem Resistor Auto-Polarizada com Capacitor Chaveado (ZSCCR). O circuito é projetado também em 180 nm, resultando em uma corrente de referência de 5.88 A, para uma tensão de alimentação de 1.8 V, e ocupando uma área de 0:010mm2. Resultados de simulações mostram um TCeff de 60 ppm/oC para um intervalo de temperatura de -45 à +85 oC e um consumo de potência de 63 W. A primeira referência de tensão proposta é uma Referência de Tensão resistente à pertubações eletromagnéticas contendo apenas MOSFETs (EMIVR), a qual gera um valor de referência de 395 mV. O circuito é projetado no processo CMOS 130 nm, ocupando em torno de 0.0075 mm2 de área de silício, e consumindo apenas 10.3 W. Simulações pós-leiaute apresentam um TCeff de 146 ppm/oC, para um intervalo de temperatura de 55 à +125oC. Uma fonte EMI de 4 dBm (1 Vpp de amplitude) aplicada na alimentação do circuito, de acordo com o padrão Direct Power Injection (DPI), resulta em um máximo de desvio DC e ondulação Pico-à-Pico de -1.7 % e 35.8m Vpp, respectivamente. A segunda referência de tensão é uma Tensão de Referência baseada em diodo Schottky com 0.5V de alimentação (SBVR). Ela gera três saídas, cada uma utilizando MOSFETs com diferentes tensões de limiar (standard-VT , low-VT , e zero-VT ). Todos disponíveis no processo adotado CMOS 130 nm. Este projeto resulta em três diferentes voltages de referências: 312, 237, e 51 mV, apresentando um TCeff de 214, 372, e 953 ppm/oC no intervalo de temperatura de -55 à 125oC, respectivamente. O circuito ocupa em torno de 0.014 mm2, consumindo um total de 5.9 W. Por último, circuitos gm-C são projetados usando o conceito GZTC: um emulador de resistor, um inversor de impedância, um filtro de primeira ordem e um filtro de segunda ordem. Os circuitos também são simulados no processo CMOS 130 nm, resultando em uma melhora na estabilidade térmica dos seus principais parâmetros, indo de 27 à 53 ppm/°C. / Continuing scaling of Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technologies brings more integration and consequently temperature variation has become more aggressive into a single die. Besides, depending on the application, room ambient temperature may also vary. Therefore, procedures to decrease thermal dependencies of eletronic circuit performances become an important issue to include in both digital and analog Integrated Circuits (IC) design flow. The main purpose of this thesis is to present a design methodology for a typical CMOS Analog design flow to make circuits as insensitivity as possible to temperature variation. MOSFET Zero Temperature Coefficient (ZTC) and Transconductance Zero Temperature Coefficient (GZTC) bias points are modeled to support it. These are used as reference to deliver a set of equations that explains to analog designers how temperature will change transistor operation and hence the analog circuit behavior. The special bias conditions are analyzed using a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion, and both are proven to occur always from moderate to strong inversion operation in any CMOS fabrication process. Some circuits are designed using proposed methodology: two new ZTC-based current references, two new ZTC-based voltage references and four classical Gm-C circuits biased at GZTC bias point (or defined here as GZTC-C filters). The first current reference is a Self-biased CMOS Current Reference (ZSBCR), which generates a current reference of 5 A. It is designed in an 180 nm process, operating with a supply voltage from 1.4V to 1.8 V and occupying around 0:010mm2 of silicon area. From circuit simulations the reference shows an effective temperature coefficient (TCeff ) of 15 ppm/oC from 45 to +85oC, and a fabrication process sensitivity of = = 4:5%, including average process and local mismatch. Simulated power supply sensitivity is estimated around 1%/V. The second proposed current reference is a Resistorless Self-Biased ZTC Switched Capacitor Current Reference (ZSCCR). It is also designed in an 180 nm process, resulting a reference current of 5.88 A under a supply voltage of 1.8 V, and occupying a silicon area around 0:010mm2. Results from circuit simulation show an TCeff of 60 ppm/oC from -45 to +85 oC and a power consumption of 63 W. The first proposed voltage reference is an EMI Resisting MOSFET-Only Voltage Reference (EMIVR), which generates a voltage reference of 395 mV. The circuit is designed in a 130 nm process, occupying around 0.0075 mm2 of silicon area while consuming just 10.3 W. Post-layout simulations present a TCeff of 146 ppm/oC, for a temperature range from 55 to +125oC. An EMI source of 4 dBm (1 Vpp amplitude) injected into the power supply of circuit, according to Direct Power Injection (DPI) specification results in a maximum DC Shift and Peak-to-Peak ripple of -1.7 % and 35.8m Vpp, respectively. The second proposed voltage reference is a 0.5V Schottky-based Voltage Reference (SBVR). It provides three voltage reference outputs, each one utilizing different threshold voltage MOSFETs (standard-VT , low-VT , and zero-VT ), all available in adopted 130 nm CMOS process. This design results in three different and very low reference voltages: 312, 237, and 51 mV, presenting a TCeff of 214, 372, and 953 ppm/oC in a temperature range from -55 to 125oC, respectively. It occupies around 0.014 mm2 of silicon area for a total power consumption of 5.9 W. Lastly, a few example Gm-C circuits are designed using GZTC technique: a single-ended resistor emulator, an impedance inverter, a first order and a second order filter. These circuits are simulated in a 130 nm CMOS commercial process, resulting improved thermal stability in the main performance parameters, in the range from 27 to 53 ppm/°C.

Um monitor de tensão de limiar (VT0) é um circuito que, idealmente, entrega o valor do VT0 como uma tensão na saída, para uma determinada faixa de temperatura, sem a necessidade de polarização externa, configurações paramétricas, ajuste de curvas ou qualquer cálculo subsequente. Estes circuitos podem ser usados em sensores de temperatura, referências de tensão e corrente, dosímetros de radiação e outras aplicações, uma vez que a dependência do VT0 nas condições de operação é um aspecto bem modelado. Além disso, estes circuitos podem ser utilizados para monitoramento de processos de fabricação e para compensação da variabilidade do processo, uma vez que o VT0 é um parâmetro chave para o comportamento do transistor e sua modelagem. Nesta tese, são apresentadas três novas topologias de circuitos, duas são monitores de VT0 NMOS e a terceira é um monitor de VT0 PMOS. As três estruturas são topologias de circuito auto-polarizadas que não utilizam resistências, e apresentam alta rejeição a variações na alimentação, baixa sensibilidade de Linea, e permitem a extração direta da tensão de limiar para grandes intervalos de temperatura e de tensão de alimentação, com pequeno erro. Sua metodologia de projeto é baseada no modelo unificado controlado por corrente (UICM), um modelo MOSFET que é contínuo, desde o nível de inversão fraca a forte e para as regiões de operação de triodo e saturação. Os circuitos ocupam uma pequena área de silício, consomem apenas dezenas de nanowatts, e podem ser implementados em qualquer processo padrão CMOS digital, uma vez que só utilizam transistores MOS (não precisa de nenhum resistor). Os monitores de VT0 são utilizados em diferentes aplicações, a fim de investigar a sua funcionalidade e comportamento como parte de um sistema. As aplicações variam de uma tensão de referência, que apresenta um desempenho comparável ao estado da arte, para uma configuração que permite obter uma menor variabilidade com processo na saída de um circuito auto-polarizado que gera um tensão CTAT. Além disso, explorando a capacidade de funcionar como um gerador de corrente específica (ISQ) que os monitores de VT0 aqui apresentados oferecem, introduz-se um novo circuito auto-polarizado que gera um tensão CTAT, que é menos sensível a variações de processo, e pode ser usado em referências de tensão band-gap. / A threshold voltage (VT0) monitor is a circuit that ideally delivers the estimated VT0 value as a voltage at its output, for a given temperature range, without external biases, parametric setups, curve fitting or any subsequent calculation. It can be used in temperature sensors, voltage and current references, radiation dosimeters and other applications since the MOSFET VT0 dependence on the operation conditions is a very well modeled aspect. Also, it can be used for fabrication process monitoring and process variability compensation, since VT0 is a key parameter for the transistor behavior and modeling. In this thesis, we present three novel circuit topologies, two of them being NMOS VT0 monitors and the last one being a PMOS VT0 monitor. The three structures are resistorless self-biased circuit topologies that present high power supply rejection, low line sensitivity, and allow the direct extraction of the threshold voltage for wide temperature and power supply voltage ranges, with small error. Its design methodology is based on the Unified Current Control Model (UICM), a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion and from triode to saturation regions. The circuits occupy small silicon area, consume just tens of nanoWatts, and can be implemented in any standard digital CMOS process, since they only use MOS transistors (does not need any resistor). The VT0 monitors are used in different applications in order to prove their functionality, and behavior as part of a system. The applications vary from a reference voltage, that presents performance comparable with state-of-the-art works, to a configuration that allows to obtain a lower process variability, in the output of a self-biased circuit that generates a complementary to the absolute temperature (CTAT) voltage. In addition, exploiting the ability to operate as an specific current (ISQ) generator, that the VT0 monitors presented here offer, we introduced a new self-biased circuit that produces a CTAT voltage and is less sensitive to process variations, and can be used in band-gap voltage references.

Depuis trois décennies, la tendance du marché répond à la demande actuelle de miniaturisation et d'augmentation de performances des appareils multimédias. Or, toute réduction des dimensions d'un facteur donné impose une diminution des tensions (pour des raisons de fiabilité). Afin d'y répondre, la réduction de taille des circuits intégrés CMOS atteint des échelles d'intégration submicroniques entrainant une baisse importante de la fiabilité des composants et en particulier des transistors. La création de porteurs chauds, ainsi que la dissipation thermique à l'intérieur des circuits submicroniques, sont les deux phénomènes physiques principaux à l'origine de la baisse de fiabilité. La solution technique permettant de garder un bon degré de fiabilité, tout en réduisant la taille des composants, consiste à réduire la tension d'alimentation des circuits. Parallèlement aux contraintes de performances, les normes environnementales demandent une consommation la plus réduite possible. La difficulté consiste alors en la réalisation de circuits associant une alimentation basse puissance (tension et courant) d'où la notion de circuits " Low Power ". Ces circuits sont pour certains déjà utilisés dans le domaine du multimédia, du médical, avec des contraintes d'intégration différentes (possibilité de composants externes, stabilité, etc.). L'augmentation des performances en vitesse des circuits digitaux nécessite par ailleurs l'utilisation de technologies générant des fuites de plus en plus importantes qui sont incompatibles avec une réduction de la consommation dans des modes de veille sans la mise en place de nouvelles techniques / For three decades, the market trend answers the current demand of miniaturization and performance increase of the multimedia devices. Yet, any reduction of the dimensions of a given factor imposes a decrease of the tensions (for reasons of reliability). To answer this question, the downsizing of CMOS integrated circuits reaches submicron scales of integration resulting in a significant decrease in the reliability of components and in particular transistors. The hot carriers creations, as well as heat dissipation within the submicron circuits, are the two main physical phenomena behind the reliability decline. The technical solution to maintain a good degree of reliability, while reducing component size, is to reduce the supply voltage of circuits. In parallel to performance constraints, environmental standards require consumption as small as possible. The challenge is then to build circuits combining low power supply (voltage and current) where the concept of circuits "Low Power". These circuits are used for some already in the field of multimedia, medical, integration with various constraints (possibility of external components, stability, etc..). The speed increase performance of digital circuits also requires the use of technologies that generate leaks increasingly important that are inconsistent with consumption reduction in standby modes without the introduction of new techniques.

With the downscaling trend in CMOS technology, it has been possible to utilize the advantages of high element densities in VLSI circuits and systems. This trend has readily allowed digital circuits to predominate VLSI implementations due to their ease of scaling. However, high element density in integrated circuit technology has also entailed a decrease in the power consumption per functional circuit cell for the use of low-power and reconfigurable systems in portable equipment. Analog circuits have the advantage over digital circuits in designing low-power and compact VLSI circuits for signal processing systems. Also, analog circuits have been employed to utilize the wide dynamic range of the analog domain to meet the stringent signal-to-noise-and-distortion requirements of some signal processing applications. However, the imperfections and mismatches of CMOS devices can easily deteriorate the performance of analog circuits when they are used to realize precision and highly linear elements in the analog domain. This is mainly due to the lack of tunability of the analog circuits that necessitates the use of special trimming or layout techniques. These problems can be alleviated by making use of the analog storage and capacitive coupling capabilities of floating-gate transistors. In this research, tunable resistive elements and analog storages are built using floating-gate transistors to be incorporated into signal processing applications. Tunable linearized resistors are designed and implemented in CMOS technology, and are employed in building a highly linear amplifier, a transconductance multiplier, and a binary-weighted resistor digital-to-analog converter. Moreover, a tunable voltage reference is designed by utilizing the analog storage feature of the floating-gate transistor. This voltage reference is used to build low-power, compact, and tunable/reconfigurable voltage-output digital-to-analog converter and distributed arithmetic architecture.

The programmability property of floating-gate transistors is exploited in this work to compensate for mismatch and device parameter variations in various high performance analog circuits. A careful look is taken at the characteristics and behavior of floating-gate transistors; issues such as programming, precision, accuracy, and charge retention are addressed. An alternate approach to reduce the offset voltage of the amplifier is presented. The proposed approach uses floating-gate transistors as programmable current sources that provide offset compensation while being a part of the amplifier of interest during normal operation. This results in an offset voltage cancelation that is independent of other amplifier parameters and does not dissipate additional power. Two compact programmable architectures that implement a voltage reference based on the charge difference between two floating-gate transistors are introduced. The references exhibit a low temperature coefficient (TC) as all the transistors temperature dependencies are canceled. Programming the charge on the floating-gate transistors provides the flexibility of an arbitrary accurate voltage reference with a single design and allows for a high initial accuracy of the reference. Also, this work presents a novel programmable temperature compensated current reference. The proposed circuit achieves a first order temperature compensation by canceling the negative TC of an on-chip poly resistor with the positive TC of a MOS transistor operating in the ohmic region. Programmability of the ohmic resistor enables optimal temperature compensation while programmability of the reference voltage allows for an accurate current reference for a wide range of values. Finally, this work combines the already established DAC design techniques with floating-gate circuits to obtain a high precision converter. This approach enables higher accuracy along with a substantial decrease of the die size.

Um monitor de tensão de limiar (VT0) é um circuito que, idealmente, entrega o valor do VT0 como uma tensão na saída, para uma determinada faixa de temperatura, sem a necessidade de polarização externa, configurações paramétricas, ajuste de curvas ou qualquer cálculo subsequente. Estes circuitos podem ser usados em sensores de temperatura, referências de tensão e corrente, dosímetros de radiação e outras aplicações, uma vez que a dependência do VT0 nas condições de operação é um aspecto bem modelado. Além disso, estes circuitos podem ser utilizados para monitoramento de processos de fabricação e para compensação da variabilidade do processo, uma vez que o VT0 é um parâmetro chave para o comportamento do transistor e sua modelagem. Nesta tese, são apresentadas três novas topologias de circuitos, duas são monitores de VT0 NMOS e a terceira é um monitor de VT0 PMOS. As três estruturas são topologias de circuito auto-polarizadas que não utilizam resistências, e apresentam alta rejeição a variações na alimentação, baixa sensibilidade de Linea, e permitem a extração direta da tensão de limiar para grandes intervalos de temperatura e de tensão de alimentação, com pequeno erro. Sua metodologia de projeto é baseada no modelo unificado controlado por corrente (UICM), um modelo MOSFET que é contínuo, desde o nível de inversão fraca a forte e para as regiões de operação de triodo e saturação. Os circuitos ocupam uma pequena área de silício, consomem apenas dezenas de nanowatts, e podem ser implementados em qualquer processo padrão CMOS digital, uma vez que só utilizam transistores MOS (não precisa de nenhum resistor). Os monitores de VT0 são utilizados em diferentes aplicações, a fim de investigar a sua funcionalidade e comportamento como parte de um sistema. As aplicações variam de uma tensão de referência, que apresenta um desempenho comparável ao estado da arte, para uma configuração que permite obter uma menor variabilidade com processo na saída de um circuito auto-polarizado que gera um tensão CTAT. Além disso, explorando a capacidade de funcionar como um gerador de corrente específica (ISQ) que os monitores de VT0 aqui apresentados oferecem, introduz-se um novo circuito auto-polarizado que gera um tensão CTAT, que é menos sensível a variações de processo, e pode ser usado em referências de tensão band-gap. / A threshold voltage (VT0) monitor is a circuit that ideally delivers the estimated VT0 value as a voltage at its output, for a given temperature range, without external biases, parametric setups, curve fitting or any subsequent calculation. It can be used in temperature sensors, voltage and current references, radiation dosimeters and other applications since the MOSFET VT0 dependence on the operation conditions is a very well modeled aspect. Also, it can be used for fabrication process monitoring and process variability compensation, since VT0 is a key parameter for the transistor behavior and modeling. In this thesis, we present three novel circuit topologies, two of them being NMOS VT0 monitors and the last one being a PMOS VT0 monitor. The three structures are resistorless self-biased circuit topologies that present high power supply rejection, low line sensitivity, and allow the direct extraction of the threshold voltage for wide temperature and power supply voltage ranges, with small error. Its design methodology is based on the Unified Current Control Model (UICM), a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion and from triode to saturation regions. The circuits occupy small silicon area, consume just tens of nanoWatts, and can be implemented in any standard digital CMOS process, since they only use MOS transistors (does not need any resistor). The VT0 monitors are used in different applications in order to prove their functionality, and behavior as part of a system. The applications vary from a reference voltage, that presents performance comparable with state-of-the-art works, to a configuration that allows to obtain a lower process variability, in the output of a self-biased circuit that generates a complementary to the absolute temperature (CTAT) voltage. In addition, exploiting the ability to operate as an specific current (ISQ) generator, that the VT0 monitors presented here offer, we introduced a new self-biased circuit that produces a CTAT voltage and is less sensitive to process variations, and can be used in band-gap voltage references.

A contínua miniaturização das tecnologias CMOS oferece maior capacidade de integração e, consequentemente, as variações de temperatura dentro de uma pastilha de silício têm se apresentado cada vez mais agressivas. Ademais, dependendo da aplicação, a temperatura ambiente a qual o CHIP está inserido pode variar. Dessa maneira, procedimentos para diminuir o impacto dessas variações no desempenho do circuito são imprescindíveis. Tais métodos devem ser incluídos em ambos fluxos de projeto CMOS, analógico e digital, de maneira que o desempenho do sistema se mantenha estável quando a temperatura oscilar. A ideia principal desta dissertação é propor uma metodologia de projeto CMOS analógico que possibilite circuitos com baixa dependência térmica. Como base fundamental desta metodologia, o efeito de coeficiente térmico nulo no ponto de polarização da corrente de dreno (ZTC) e da transcondutância (GZTC) do MOSFET são analisados e modelados. Tal modelamento é responsável por entregar ao projetista analógico um conjunto de equações que esclarecem como a temperatura influencia o comportamento do transistor e, portanto, o comportamento do circuito. Essas condições especiais de polarização são analisadas usando um modelo de MOSFET que é contínuo da inversão fraca para forte. Além disso, é mostrado que as duas condições ocorrem em inversão moderada para forte em qualquer processo CMOS. Algumas aplicações são projetadas usando a metodologia proposta: duas referências de corrente baseadas em ZTC, duas referências de tensão baseadas em ZTC, e quatro circuitos gm-C polarizados em GZTC. A primeira referência de corrente é uma Corrente de Referência CMOS Auto-Polarizada (ZSBCR), que gera uma referência de 5uA. Projetada em CMOS 180 nm, a referência opera com uma tensão de alimentação de 1.4 à 1.8 V, ocupando uma área em torno de 0:010mm2. Segundo as simulações, o circuito apresenta um coeficiente de temperatura efetivo (TCeff ) de 15 ppm/oC para -45 à +85 oC e uma sensibilidade à variação de processo de = = 4:5% incluindo efeitos de variabilidade dos tipos processo e descasamento local. A sensibilidade de linha encontrada nas simulações é de 1%=V . A segunda referência de corrente proposta é uma Corrente de Referência Sem Resistor Auto-Polarizada com Capacitor Chaveado (ZSCCR). O circuito é projetado também em 180 nm, resultando em uma corrente de referência de 5.88 A, para uma tensão de alimentação de 1.8 V, e ocupando uma área de 0:010mm2. Resultados de simulações mostram um TCeff de 60 ppm/oC para um intervalo de temperatura de -45 à +85 oC e um consumo de potência de 63 W. A primeira referência de tensão proposta é uma Referência de Tensão resistente à pertubações eletromagnéticas contendo apenas MOSFETs (EMIVR), a qual gera um valor de referência de 395 mV. O circuito é projetado no processo CMOS 130 nm, ocupando em torno de 0.0075 mm2 de área de silício, e consumindo apenas 10.3 W. Simulações pós-leiaute apresentam um TCeff de 146 ppm/oC, para um intervalo de temperatura de 55 à +125oC. Uma fonte EMI de 4 dBm (1 Vpp de amplitude) aplicada na alimentação do circuito, de acordo com o padrão Direct Power Injection (DPI), resulta em um máximo de desvio DC e ondulação Pico-à-Pico de -1.7 % e 35.8m Vpp, respectivamente. A segunda referência de tensão é uma Tensão de Referência baseada em diodo Schottky com 0.5V de alimentação (SBVR). Ela gera três saídas, cada uma utilizando MOSFETs com diferentes tensões de limiar (standard-VT , low-VT , e zero-VT ). Todos disponíveis no processo adotado CMOS 130 nm. Este projeto resulta em três diferentes voltages de referências: 312, 237, e 51 mV, apresentando um TCeff de 214, 372, e 953 ppm/oC no intervalo de temperatura de -55 à 125oC, respectivamente. O circuito ocupa em torno de 0.014 mm2, consumindo um total de 5.9 W. Por último, circuitos gm-C são projetados usando o conceito GZTC: um emulador de resistor, um inversor de impedância, um filtro de primeira ordem e um filtro de segunda ordem. Os circuitos também são simulados no processo CMOS 130 nm, resultando em uma melhora na estabilidade térmica dos seus principais parâmetros, indo de 27 à 53 ppm/°C. / Continuing scaling of Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technologies brings more integration and consequently temperature variation has become more aggressive into a single die. Besides, depending on the application, room ambient temperature may also vary. Therefore, procedures to decrease thermal dependencies of eletronic circuit performances become an important issue to include in both digital and analog Integrated Circuits (IC) design flow. The main purpose of this thesis is to present a design methodology for a typical CMOS Analog design flow to make circuits as insensitivity as possible to temperature variation. MOSFET Zero Temperature Coefficient (ZTC) and Transconductance Zero Temperature Coefficient (GZTC) bias points are modeled to support it. These are used as reference to deliver a set of equations that explains to analog designers how temperature will change transistor operation and hence the analog circuit behavior. The special bias conditions are analyzed using a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion, and both are proven to occur always from moderate to strong inversion operation in any CMOS fabrication process. Some circuits are designed using proposed methodology: two new ZTC-based current references, two new ZTC-based voltage references and four classical Gm-C circuits biased at GZTC bias point (or defined here as GZTC-C filters). The first current reference is a Self-biased CMOS Current Reference (ZSBCR), which generates a current reference of 5 A. It is designed in an 180 nm process, operating with a supply voltage from 1.4V to 1.8 V and occupying around 0:010mm2 of silicon area. From circuit simulations the reference shows an effective temperature coefficient (TCeff ) of 15 ppm/oC from 45 to +85oC, and a fabrication process sensitivity of = = 4:5%, including average process and local mismatch. Simulated power supply sensitivity is estimated around 1%/V. The second proposed current reference is a Resistorless Self-Biased ZTC Switched Capacitor Current Reference (ZSCCR). It is also designed in an 180 nm process, resulting a reference current of 5.88 A under a supply voltage of 1.8 V, and occupying a silicon area around 0:010mm2. Results from circuit simulation show an TCeff of 60 ppm/oC from -45 to +85 oC and a power consumption of 63 W. The first proposed voltage reference is an EMI Resisting MOSFET-Only Voltage Reference (EMIVR), which generates a voltage reference of 395 mV. The circuit is designed in a 130 nm process, occupying around 0.0075 mm2 of silicon area while consuming just 10.3 W. Post-layout simulations present a TCeff of 146 ppm/oC, for a temperature range from 55 to +125oC. An EMI source of 4 dBm (1 Vpp amplitude) injected into the power supply of circuit, according to Direct Power Injection (DPI) specification results in a maximum DC Shift and Peak-to-Peak ripple of -1.7 % and 35.8m Vpp, respectively. The second proposed voltage reference is a 0.5V Schottky-based Voltage Reference (SBVR). It provides three voltage reference outputs, each one utilizing different threshold voltage MOSFETs (standard-VT , low-VT , and zero-VT ), all available in adopted 130 nm CMOS process. This design results in three different and very low reference voltages: 312, 237, and 51 mV, presenting a TCeff of 214, 372, and 953 ppm/oC in a temperature range from -55 to 125oC, respectively. It occupies around 0.014 mm2 of silicon area for a total power consumption of 5.9 W. Lastly, a few example Gm-C circuits are designed using GZTC technique: a single-ended resistor emulator, an impedance inverter, a first order and a second order filter. These circuits are simulated in a 130 nm CMOS commercial process, resulting improved thermal stability in the main performance parameters, in the range from 27 to 53 ppm/°C.

Um monitor de tensão de limiar (VT0) é um circuito que, idealmente, entrega o valor do VT0 como uma tensão na saída, para uma determinada faixa de temperatura, sem a necessidade de polarização externa, configurações paramétricas, ajuste de curvas ou qualquer cálculo subsequente. Estes circuitos podem ser usados em sensores de temperatura, referências de tensão e corrente, dosímetros de radiação e outras aplicações, uma vez que a dependência do VT0 nas condições de operação é um aspecto bem modelado. Além disso, estes circuitos podem ser utilizados para monitoramento de processos de fabricação e para compensação da variabilidade do processo, uma vez que o VT0 é um parâmetro chave para o comportamento do transistor e sua modelagem. Nesta tese, são apresentadas três novas topologias de circuitos, duas são monitores de VT0 NMOS e a terceira é um monitor de VT0 PMOS. As três estruturas são topologias de circuito auto-polarizadas que não utilizam resistências, e apresentam alta rejeição a variações na alimentação, baixa sensibilidade de Linea, e permitem a extração direta da tensão de limiar para grandes intervalos de temperatura e de tensão de alimentação, com pequeno erro. Sua metodologia de projeto é baseada no modelo unificado controlado por corrente (UICM), um modelo MOSFET que é contínuo, desde o nível de inversão fraca a forte e para as regiões de operação de triodo e saturação. Os circuitos ocupam uma pequena área de silício, consomem apenas dezenas de nanowatts, e podem ser implementados em qualquer processo padrão CMOS digital, uma vez que só utilizam transistores MOS (não precisa de nenhum resistor). Os monitores de VT0 são utilizados em diferentes aplicações, a fim de investigar a sua funcionalidade e comportamento como parte de um sistema. As aplicações variam de uma tensão de referência, que apresenta um desempenho comparável ao estado da arte, para uma configuração que permite obter uma menor variabilidade com processo na saída de um circuito auto-polarizado que gera um tensão CTAT. Além disso, explorando a capacidade de funcionar como um gerador de corrente específica (ISQ) que os monitores de VT0 aqui apresentados oferecem, introduz-se um novo circuito auto-polarizado que gera um tensão CTAT, que é menos sensível a variações de processo, e pode ser usado em referências de tensão band-gap. / A threshold voltage (VT0) monitor is a circuit that ideally delivers the estimated VT0 value as a voltage at its output, for a given temperature range, without external biases, parametric setups, curve fitting or any subsequent calculation. It can be used in temperature sensors, voltage and current references, radiation dosimeters and other applications since the MOSFET VT0 dependence on the operation conditions is a very well modeled aspect. Also, it can be used for fabrication process monitoring and process variability compensation, since VT0 is a key parameter for the transistor behavior and modeling. In this thesis, we present three novel circuit topologies, two of them being NMOS VT0 monitors and the last one being a PMOS VT0 monitor. The three structures are resistorless self-biased circuit topologies that present high power supply rejection, low line sensitivity, and allow the direct extraction of the threshold voltage for wide temperature and power supply voltage ranges, with small error. Its design methodology is based on the Unified Current Control Model (UICM), a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion and from triode to saturation regions. The circuits occupy small silicon area, consume just tens of nanoWatts, and can be implemented in any standard digital CMOS process, since they only use MOS transistors (does not need any resistor). The VT0 monitors are used in different applications in order to prove their functionality, and behavior as part of a system. The applications vary from a reference voltage, that presents performance comparable with state-of-the-art works, to a configuration that allows to obtain a lower process variability, in the output of a self-biased circuit that generates a complementary to the absolute temperature (CTAT) voltage. In addition, exploiting the ability to operate as an specific current (ISQ) generator, that the VT0 monitors presented here offer, we introduced a new self-biased circuit that produces a CTAT voltage and is less sensitive to process variations, and can be used in band-gap voltage references.

A contínua miniaturização das tecnologias CMOS oferece maior capacidade de integração e, consequentemente, as variações de temperatura dentro de uma pastilha de silício têm se apresentado cada vez mais agressivas. Ademais, dependendo da aplicação, a temperatura ambiente a qual o CHIP está inserido pode variar. Dessa maneira, procedimentos para diminuir o impacto dessas variações no desempenho do circuito são imprescindíveis. Tais métodos devem ser incluídos em ambos fluxos de projeto CMOS, analógico e digital, de maneira que o desempenho do sistema se mantenha estável quando a temperatura oscilar. A ideia principal desta dissertação é propor uma metodologia de projeto CMOS analógico que possibilite circuitos com baixa dependência térmica. Como base fundamental desta metodologia, o efeito de coeficiente térmico nulo no ponto de polarização da corrente de dreno (ZTC) e da transcondutância (GZTC) do MOSFET são analisados e modelados. Tal modelamento é responsável por entregar ao projetista analógico um conjunto de equações que esclarecem como a temperatura influencia o comportamento do transistor e, portanto, o comportamento do circuito. Essas condições especiais de polarização são analisadas usando um modelo de MOSFET que é contínuo da inversão fraca para forte. Além disso, é mostrado que as duas condições ocorrem em inversão moderada para forte em qualquer processo CMOS. Algumas aplicações são projetadas usando a metodologia proposta: duas referências de corrente baseadas em ZTC, duas referências de tensão baseadas em ZTC, e quatro circuitos gm-C polarizados em GZTC. A primeira referência de corrente é uma Corrente de Referência CMOS Auto-Polarizada (ZSBCR), que gera uma referência de 5uA. Projetada em CMOS 180 nm, a referência opera com uma tensão de alimentação de 1.4 à 1.8 V, ocupando uma área em torno de 0:010mm2. Segundo as simulações, o circuito apresenta um coeficiente de temperatura efetivo (TCeff ) de 15 ppm/oC para -45 à +85 oC e uma sensibilidade à variação de processo de = = 4:5% incluindo efeitos de variabilidade dos tipos processo e descasamento local. A sensibilidade de linha encontrada nas simulações é de 1%=V . A segunda referência de corrente proposta é uma Corrente de Referência Sem Resistor Auto-Polarizada com Capacitor Chaveado (ZSCCR). O circuito é projetado também em 180 nm, resultando em uma corrente de referência de 5.88 A, para uma tensão de alimentação de 1.8 V, e ocupando uma área de 0:010mm2. Resultados de simulações mostram um TCeff de 60 ppm/oC para um intervalo de temperatura de -45 à +85 oC e um consumo de potência de 63 W. A primeira referência de tensão proposta é uma Referência de Tensão resistente à pertubações eletromagnéticas contendo apenas MOSFETs (EMIVR), a qual gera um valor de referência de 395 mV. O circuito é projetado no processo CMOS 130 nm, ocupando em torno de 0.0075 mm2 de área de silício, e consumindo apenas 10.3 W. Simulações pós-leiaute apresentam um TCeff de 146 ppm/oC, para um intervalo de temperatura de 55 à +125oC. Uma fonte EMI de 4 dBm (1 Vpp de amplitude) aplicada na alimentação do circuito, de acordo com o padrão Direct Power Injection (DPI), resulta em um máximo de desvio DC e ondulação Pico-à-Pico de -1.7 % e 35.8m Vpp, respectivamente. A segunda referência de tensão é uma Tensão de Referência baseada em diodo Schottky com 0.5V de alimentação (SBVR). Ela gera três saídas, cada uma utilizando MOSFETs com diferentes tensões de limiar (standard-VT , low-VT , e zero-VT ). Todos disponíveis no processo adotado CMOS 130 nm. Este projeto resulta em três diferentes voltages de referências: 312, 237, e 51 mV, apresentando um TCeff de 214, 372, e 953 ppm/oC no intervalo de temperatura de -55 à 125oC, respectivamente. O circuito ocupa em torno de 0.014 mm2, consumindo um total de 5.9 W. Por último, circuitos gm-C são projetados usando o conceito GZTC: um emulador de resistor, um inversor de impedância, um filtro de primeira ordem e um filtro de segunda ordem. Os circuitos também são simulados no processo CMOS 130 nm, resultando em uma melhora na estabilidade térmica dos seus principais parâmetros, indo de 27 à 53 ppm/°C. / Continuing scaling of Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technologies brings more integration and consequently temperature variation has become more aggressive into a single die. Besides, depending on the application, room ambient temperature may also vary. Therefore, procedures to decrease thermal dependencies of eletronic circuit performances become an important issue to include in both digital and analog Integrated Circuits (IC) design flow. The main purpose of this thesis is to present a design methodology for a typical CMOS Analog design flow to make circuits as insensitivity as possible to temperature variation. MOSFET Zero Temperature Coefficient (ZTC) and Transconductance Zero Temperature Coefficient (GZTC) bias points are modeled to support it. These are used as reference to deliver a set of equations that explains to analog designers how temperature will change transistor operation and hence the analog circuit behavior. The special bias conditions are analyzed using a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion, and both are proven to occur always from moderate to strong inversion operation in any CMOS fabrication process. Some circuits are designed using proposed methodology: two new ZTC-based current references, two new ZTC-based voltage references and four classical Gm-C circuits biased at GZTC bias point (or defined here as GZTC-C filters). The first current reference is a Self-biased CMOS Current Reference (ZSBCR), which generates a current reference of 5 A. It is designed in an 180 nm process, operating with a supply voltage from 1.4V to 1.8 V and occupying around 0:010mm2 of silicon area. From circuit simulations the reference shows an effective temperature coefficient (TCeff ) of 15 ppm/oC from 45 to +85oC, and a fabrication process sensitivity of = = 4:5%, including average process and local mismatch. Simulated power supply sensitivity is estimated around 1%/V. The second proposed current reference is a Resistorless Self-Biased ZTC Switched Capacitor Current Reference (ZSCCR). It is also designed in an 180 nm process, resulting a reference current of 5.88 A under a supply voltage of 1.8 V, and occupying a silicon area around 0:010mm2. Results from circuit simulation show an TCeff of 60 ppm/oC from -45 to +85 oC and a power consumption of 63 W. The first proposed voltage reference is an EMI Resisting MOSFET-Only Voltage Reference (EMIVR), which generates a voltage reference of 395 mV. The circuit is designed in a 130 nm process, occupying around 0.0075 mm2 of silicon area while consuming just 10.3 W. Post-layout simulations present a TCeff of 146 ppm/oC, for a temperature range from 55 to +125oC. An EMI source of 4 dBm (1 Vpp amplitude) injected into the power supply of circuit, according to Direct Power Injection (DPI) specification results in a maximum DC Shift and Peak-to-Peak ripple of -1.7 % and 35.8m Vpp, respectively. The second proposed voltage reference is a 0.5V Schottky-based Voltage Reference (SBVR). It provides three voltage reference outputs, each one utilizing different threshold voltage MOSFETs (standard-VT , low-VT , and zero-VT ), all available in adopted 130 nm CMOS process. This design results in three different and very low reference voltages: 312, 237, and 51 mV, presenting a TCeff of 214, 372, and 953 ppm/oC in a temperature range from -55 to 125oC, respectively. It occupies around 0.014 mm2 of silicon area for a total power consumption of 5.9 W. Lastly, a few example Gm-C circuits are designed using GZTC technique: a single-ended resistor emulator, an impedance inverter, a first order and a second order filter. These circuits are simulated in a 130 nm CMOS commercial process, resulting improved thermal stability in the main performance parameters, in the range from 27 to 53 ppm/°C.