Accurate Voltage Reference Generator for Audio Interface in 65/55nm CMOS Technology

In recent years, mobile devices are very complex and feature-rich that consume a lot of energy. For this reason, the electronics industry is pushing towards reducing power and current consumption in electronic devices to increase battery life. Everything has to be done while maintaining the same performance or improving it. This thesis presents an accurate voltage reference generator for audio interface in CMOS technology at 65/55nm and particular attention has been paid to current consumption. The reference is made up of a Bandgap voltage reference and a Low Dropout regulator. The topology chosen for the bandgap is a current mode bandgap with adjustable output resistor. This guarantees a reference voltage of less than 1.2V thanks to the sum of two currents instead of two voltages. A double loop was chosen for the LDO regulator to ensure rapid transient response. First, the voltage reference generator was simulated in CMOS technology at 65nm. In the 65nm simulations all targeted specifications were successfully achieved. For BG, power consumption is less than 5uA, DC PSR lower than -60dB and a temperature coefficient around 5ppm/°C. The LDO has a fast settling time lower 150ns, a PSR of less than -70dB in the audio band ([20, 20K]Hz) and a power consumption of less than 10uA. Then, it was simulated and measured with 55nm CMOS technology and three different prototypes were developed and tested. The results are not as good as the 65 nm results because this was the first time the technology was used. Then, the three developed test chips were used to understand the behavior of the technology and to compare simulations with measurements, but each test chip is an improvement on the previous one. The latest test chip features PSR very close to specifications for BG and LDO and power consumption of 5uA for the BG, 10uA for the LDO NM and 5uA for the LDO LP.

Negli ultimi anni i dispositivi mobili sono molto complessi e ricchi di funzionalità che consumano molta energia. Per questo motivo, l'industria elettronica sta spingendo verso la riduzione del consumo di energia e corrente nei dispositivi elettronici per aumentare la durata della batteria. Tutto va fatto mantenendo le stesse prestazioni o migliorandole. Questa tesi presenta un accurato generatore di riferimento di tensione per interfaccia audio in tecnologia CMOS a 65/55nm e particolare attenzione è stata posta al consumo di corrente. Il riferimento è costituito da un riferimento di tensione Bandgap e da un regolatore Low Dropout. La topologia scelta per il bandgap è un bandgap in modalità di corrente con resistore di uscita regolabile. Ciò garantisce una tensione di riferimento inferiore a 1.2V grazie alla somma di due correnti invece di due tensioni. È stato scelto un doppio circuito per il regolatore LDO per garantire una rapida risposta ai transitori. Innanzitutto, il generatore di riferimento di tensione è stato simulato in tecnologia CMOS a 65nm. Nelle simulazioni a 65 nm tutte le specifiche mirate sono state raggiunte con successo. Per BG, il consumo di corrente è inferiore a 5uA, DC PSR inferiore a -60dB e un coefficiente di temperatura di circa 5ppm/°C. L'LDO ha un tempo di assestamento inferiore a 150ns, un PSR inferiore a -70dB nella banda audio ([20, 20K]Hz) e un consumo energetico inferiore a 10uA. Quindi, è stato simulato e misurato con la tecnologia CMOS a 55nm e sono stati sviluppati e testati tre diversi prototipi. I risultati non sono buoni come quelli a 65nm perché questa è stata la prima volta che la tecnologia è stata utilizzata. Quindi, i tre chip di test sviluppati sono stati utilizzati per comprendere il comportamento della tecnologia e per confrontare le simulazioni con le misurazioni, ma ogni chip di test rappresenta un miglioramento rispetto al precedente. L'ultimo chip di prova presenta un PSR molto vicino alle specifiche sia per il BG che per l’LDO e un consumo di corrente di 5uA per il BG, 10uA per l’LDO NM e 5uA per l’LDO LP.