A Temperature-Aware Framework for Analog Design Using a gm/ID Approach

par João Roberto Raposo de Oliveira Martins

Thèse de doctorat en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Le président du jury était Arnaud Bournel.

Le jury était composé de Sylvain Bourdel, Fernando Silveira, Manohiaina Galal El Dine.

Les rapporteurs étaient Sylvain Bourdel, Fernando Silveira.

  • Titre traduit

    Une méthodologie de conception des circuits analogiques consciente de la température basée sur gm/ID


  • Résumé

    La quatrième révolution industrielle et l'arrivée de l'Internet des Objets introduisent de nouveaux défis pour la conception de circuits fiables. Dans les nouveaux véhicules, les circuits doivent pouvoir fonctionner de manière fiable dans une plage de température étendue. Les caractéristiques des transistors sont connues pour être fortement dépendantes de la température. Pour minimiser ces effets de dérive thermique, l'utilisation de points de polarisation ZTC (Zero Temperature Coefficients) a déjà été proposée. Cependant, cette approche ZTC considère l'influence d'un seul transistor sur le comportement en température des différentes spécifications du circuit et ne permet pas une approche plus générale et méthodologique. D'autre part, les techniques de conception tels que la gm/ID permettent une approche méthodologique pour la conception analogique, sans possibilité d'analyse en température. Ce travail propose une extension de la méthodologie gm/ID en introduisant le concept de paramètres gm/ID normalisés en température. Ces paramètres permettent au concepteur de prendre en compte les effets de la température à un stade très précoce de la conception de la plupart des circuits analogiques, permettant ainsi une méthodologie unifiée pour la conception sensible à la température. Ces résultats sont validés à partir de données de simulation et de mesures de -40 °C à 200 °C avec la technologie XT018 de X-FAB. Trois exemples de conception différents sont également présentés dans cette thèse: circuit de référence de tension (Bandgap), Amplificateur à Transconductance (OTA), et oscillateur contrôlé par tension (VCO). Ces circuits présentent une meilleure performance en température comparable aux spécifications de l'état de l'art.


  • Résumé

    The fourth industrial revolution and the Internet of things introduce new challenges to reliable circuit design. In this context, new transports circuits must be able to reliably work at an extensive temperature range. Transistor characteristics have been known to be highly temperature-dependent. Zero Temperature Coefficients (ZTC) bias points have already been proposed to minimize transistor's temperature drift effects. However, this ZTC approach considers the influence of a single transistor on the different circuit specifications' temperature behavior. Moreover, it does not allow and does not allow a more general and methodological approach. On the other hand, design frameworks such as the gm/ID allow a methodological approach for analog design, with no possibility of temperature analysis. This work proposes an extension of the gm/ID methodology by introducing the concept of temperature normalized gm/ID parameters. This concept allows the designer to take temperature effects in a very early design stage in most analog circuits, allowing a unified methodology for temperature-aware design. Those results are validated from simulation and measurement data from -40 °C to 200 °C on the XT018 technology node of X-FAB. Three different design examples are also presented in this thesis, being: a Band Gap voltage reference, an operational transconductance amplifier (OTA), and a voltage-controlled oscillator (VCO). Those circuits present a better presenting a better temperature performance comparable to the state-of-the-art specifications.


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