CMOS compatible RF MEMS switches with serpentine springs

This paper describes a serpentine flexure spring design and fabrication process development for radio frequency microelectromechanical (RF MEMS) capacitive switches with coplanar waveguide (CPW) lines. Sputtered tungsten is employed as the CPW line conductor instead of Au, a non-Si compatible material. The bridge membrane is fabricated from Al. The materials and fabrication process can be integrated with CMOS and SOI technology to reduce cost. Results show the MEMS switch has excellent performance with insertion loss 0.3dB, return loss -27dB at 30GHz and high isolation -30dB at 40GHz. The process developed promises to simplify the design and fabrication of RF MEMS on silicon.

HIGH SPEED CMOS/SOS IMPLEMENTATION OF A BIT LEVEL SYSTOLIC CORRELATOR.

The fabrication and performance of the first bit-level systolic correlator array is described. The application of systolic array concepts at the bit level provides a simple and extremely powerful method for implementing high-performance digital processing functions. The resulting structure is highly regular, facilitating yield enhancement through fault-tolerant redundancy techniques and therefore ideally suited to implementation as a VLSI chip. The CMOS/SOS chip operates at 35 MHz, is fully cascadable and exhibits 64-stage correlation for 1-bit reference and 4-bit data. 7 refs.

CMOS IMPLEMENTATION OF A SYSTOLIC MULTI-BIT CONVOLVER CHIP.

The implementation of a multi-bit convolver chip based on a systolic array is described. The convolver is fabricated on a 7mm multiplied by 8mm CMOS chip and operates on 8-bit serial data and coefficient words. It has a length of 17 stages, and this is cascadable. The circuit can be clocked at more than 20 MHz giving a data throughput rate of greater than 1 Mword/s. Details of important implementation decisions and a summary of chip characteristics are given together with the advantages which the systolic approach has afforded to the design process.

Ferroelectric hafnium oxide: A CMOS-compatible and highly scalable approach to future ferroelectric memories

With the ability to engineer ferroelectricity in HfO2 thin films, manufacturable and highly scaled MFM capacitors and MFIS-FETs can be implemented into a CMOS-environment. NVM properties of the resulting devices are discussed and contrasted to existing perovskite based FRAM.

Multi-Level Wordline Driver for Low Power SRAMs in Nano-Scale CMOS Technology

In this paper, a multi-level wordline driver scheme is presented to improve SRAM read and write stability while lowering power consumption during hold operation. The proposed circuit applies a shaped wordline voltage pulse during read mode and a boosted wordline pulse during write mode. During read, the applied shaped pulse is tuned at nominal voltage for short period of time, whereas for the remaining access time, the wordline voltage is reduced to a lower level. This pulse results in improved read noise margin without any degradation in access time which is explained by examining the dynamic and nonlinear behavior of the SRAM cell. Furthermore, during hold mode, the wordline voltage starts from a negative value and reaches zero voltage, resulting in a lower leakage current compared to conventional SRAM. Our simulations using TSMC 65nm process show that the proposed wordline driver results in 2X improvement in static read noise margin while the write margin is improved by 3X. In addition, the total leakage of the proposed SRAM is reduced by 10% while the total power is improved by 12% in the worst case scenario of a single SRAM cell. The total area penalty is 10% for a 128Kb standard SRAM array.

Multi-level wordline driver for robust SRAM design in nano-scale CMOS technology

In this paper, a multi-level wordline driver scheme is presented to improve 6T-SRAM read and write stability. The proposed wordline driver generates a shaped pulse during the read mode and a boosted wordline during the write mode. During read, the shaped pulse is tuned at nominal voltage for a short period of time, whereas for the remaining access time, the wordline voltage is reduced to save the power consumption of the cell. This shaped wordline pulse results in improved read noise margin without any degradation in access time for small wordline load. The improvement is explained by examining the dynamic and nonlinear behavior of the SRAM cell. Furthermore, during the hold mode, for a short time (depending on the size of boosting capacitance), wordline voltage becomes negative and charges up to zero after a specific time that results in a lower leakage current compared to conventional SRAM. The proposed technique results in at least 2× improvement in read noise margin while it improves write margin by 3× for lower supply voltages than 0.7 V. The leakage power for the proposed SRAM is reduced by 2% while the total power is improved by 3% in the worst case scenario for an SRAM array. The main advantage of the proposed wordline driver is the improvement of dynamic noise margin with less than 2.5% penalty in area. TSMC 65 nm technology models are used for simulations.

Synchronisation in high-performance integrated circuits

A distribui ção de um sinal relógio, com elevada precisão espacial (baixo skew) e temporal (baixo jitter ), em sistemas sí ncronos de alta velocidade tem-se revelado uma tarefa cada vez mais demorada e complexa devido ao escalonamento da tecnologia. Com a diminuição das dimensões dos dispositivos e a integração crescente de mais funcionalidades nos Circuitos Integrados (CIs), a precisão associada as transições do sinal de relógio tem sido cada vez mais afectada por varia ções de processo, tensão e temperatura. Esta tese aborda o problema da incerteza de rel ogio em CIs de alta velocidade, com o objetivo de determinar os limites do paradigma de desenho sí ncrono. Na prossecu ção deste objectivo principal, esta tese propõe quatro novos modelos de incerteza com âmbitos de aplicação diferentes. O primeiro modelo permite estimar a incerteza introduzida por um inversor est atico CMOS, com base em parâmetros simples e su cientemente gen éricos para que possa ser usado na previsão das limitações temporais de circuitos mais complexos, mesmo na fase inicial do projeto. O segundo modelo, permite estimar a incerteza em repetidores com liga ções RC e assim otimizar o dimensionamento da rede de distribui ção de relógio, com baixo esfor ço computacional. O terceiro modelo permite estimar a acumula ção de incerteza em cascatas de repetidores. Uma vez que este modelo tem em considera ção a correla ção entre fontes de ruí do, e especialmente util para promover t ecnicas de distribui ção de rel ogio e de alimentação que possam minimizar a acumulação de incerteza. O quarto modelo permite estimar a incerteza temporal em sistemas com m ultiplos dom ínios de sincronismo. Este modelo pode ser facilmente incorporado numa ferramenta autom atica para determinar a melhor topologia para uma determinada aplicação ou para avaliar a tolerância do sistema ao ru ído de alimentação. Finalmente, usando os modelos propostos, são discutidas as tendências da precisão de rel ogio. Conclui-se que os limites da precisão do rel ogio são, em ultima an alise, impostos por fontes de varia ção dinâmica que se preveem crescentes na actual l ogica de escalonamento dos dispositivos. Assim sendo, esta tese defende a procura de solu ções em outros ní veis de abstração, que não apenas o ní vel f sico, que possam contribuir para o aumento de desempenho dos CIs e que tenham um menor impacto nos pressupostos do paradigma de desenho sí ncrono.

Nonlinear behavioral modeling of mixed signal RF-digital I/O devices

Esta tese investiga a caracterização (e modelação) de dispositivos que realizam o interface entre os domínios digital e analógico, tal como os buffers de saída dos circuitos integrados (CI). Os terminais sem fios da atualidade estão a ser desenvolvidos tendo em vista o conceito de rádio-definido-por-software introduzido por Mitola. Idealmente esta arquitetura tira partido de poderosos processadores e estende a operação dos blocos digitais o mais próximo possível da antena. Neste sentido, não é de estranhar que haja uma crescente preocupação, no seio da comunidade científica, relativamente à caracterização dos blocos que fazem o interface entre os domínios analógico e digital, sendo os conversores digital-analógico e analógico-digital dois bons exemplos destes circuitos. Dentro dos circuitos digitais de alta velocidade, tais como as memórias Flash, um papel semelhante é desempenhado pelos buffers de saída. Estes realizam o interface entre o domínio digital (núcleo lógico) e o domínio analógico (encapsulamento dos CI e parasitas associados às linhas de transmissão), determinando a integridade do sinal transmitido. Por forma a acelerar a análise de integridade do sinal, aquando do projeto de um CI, é fundamental ter modelos que são simultaneamente eficientes (em termos computacionais) e precisos. Tipicamente a extração/validação dos modelos para buffers de saída é feita usando dados obtidos da simulação de um modelo detalhado (ao nível do transístor) ou a partir de resultados experimentais. A última abordagem não envolve problemas de propriedade intelectual; contudo é raramente mencionada na literatura referente à caracterização de buffers de saída. Neste sentido, esta tese de Doutoramento foca-se no desenvolvimento de uma nova configuração de medição para a caracterização e modelação de buffers de saída de alta velocidade, com a natural extensão aos dispositivos amplificadores comutados RF-CMOS. Tendo por base um procedimento experimental bem definido, um modelo estado-da-arte é extraído e validado. A configuração de medição desenvolvida aborda não apenas a integridade dos sinais de saída mas também do barramento de alimentação. Por forma a determinar a sensibilidade das quantias estimadas (tensão e corrente) aos erros presentes nas diversas variáveis associadas ao procedimento experimental, uma análise de incerteza é também apresentada.

A new bulk-driven input stage design for sub 1-volt CMOS op-amps

This paper presents a new design approach for a rail-to-rail bulk-driven input stage using a standard single-well (n-well in this paper) CMOS technology. This input stage can provide nearly constant transconductance and constant slew rate over the entire input common-mode voltage, operating with a wide supply voltage ranging from sub 1-volt (V/sub T0/+ 3V/sub DSsat/) to the maximum allowed for the CMOS process, as well as preventing latch-up.

Fully transparent ZnO thin-film transistor produced at room temperature

Advanced Materials, Vol. 17, nº 5

CMOS indoor light energy harvesting system for wireless sensing applications

This book discusses in detail the CMOS implementation of energy harvesting. The authors describe an integrated, indoor light energy harvesting system, based on a controller circuit that dynamically and automatically adjusts its operation to meet the actual light circumstances of the environment where the system is placed. The system is intended to power a sensor node, enabling an autonomous wireless sensor network (WSN). Although designed to cope with indoor light levels, the system is also able to work with higher levels, making it an all-round light energy harvesting system. The discussion includes experimental data obtained from an integrated manufactured prototype, which in conjunction with a photovoltaic (PV) cell, serves as a proof of concept of the desired energy harvesting system. © 2016 Springer International Publishing. All rights are reserved.