Progetto di un oscillatore in tecnologia CMOS a 65 nm per applicazioni Internet of Things = Design of a 65 nm technology CMOS oscillator for Internet of Things applications

Le emergenti applicazioni nel campo dell'Internet of Things (IoT) permettono di stabilire una connessione tra Internet e le attività del mondo fisico, monitorandolo tramite una rete wireless di dispositivi, chiamati nodi, in grado di svolgere operazioni di sensing, processing e trasmissione/ricezione dati. Ai nodi di una rete IoT, come per esempio sensori atmosferici/bio-medicali, è richiesto di operare per lunghi periodi di tempo (es .anni) con batterie di piccolo volume o energy harvester (es. PVC Photovoltaic cell), suscettibili alle condizioni ambientali. Fortunatamente, in molte applicazioni IoT, le quantità fisiche osservate presentano un cambiamento lento nel tempo, che permette di abilitare una significativa riduzione del duty-cycling dei sensori e della sezione radio front-ends, diminuendo sensibilmente la potenza media consumata nel nodo. Il consumo medio in questi sistemi duty-cycling è determinato sostanzialmente dalla potenza consumata a riposo dai circuiti di polarizzazione e di temporizzazione (es. oscillatore locale) sempre attivi nel nodo. Ottenere una bassa potenza consumata a riposo da parte dell'oscillatore locale (es. 1-2 nW per kHz) è una condizione necessaria, ma non sufficiente per la diminuzione della potenza media nel nodo. In particolare, la dipendenza della stabilità in frequenza dell'oscillatore a causa delle variazioni della tensione di alimentazione, della temperatura e del processo (PVT), introduce un'incertezza sulla durata della fase di sleep, che necessita di una finestra temporale aggiuntiva, dove la potenza consumata è la medesima della fase attiva del nodo, tale da garantire il corretto sincronismo durante la trasmissione/ricezione dei dati fra i differenti nodi wireless. Lo standard di comunicazione BLE (Bluetooth Low Energy), per esempio, richiede un'incertezza complessiva di +/- 500 ppm. Sotto tali condizioni, è stato fatto un confronto preliminare in ambiente Matlab analizzando le principali figure di merito (potenza e stabilità PVT) per individuare la tipologia di oscillatore più performante per risolvere il tradeoff imposto dalle applicazioni IoT. L'oscillatore progettato nella tesi, in ambiente Cadence e tecnologia CMOS a 65 nm, è noto come RFLO (Resistive Frequency Locked Oscillator), poiché l'oscillatore interno all'anello di retroazione impone una frequenza tale per cui una resistenza a capacità commutate risulta equivalente a una di riferimento. Una volta effettuate le simulazioni post-layout per ricavare il coefficiente di temperatura (ppm/°C), la line-sensitivity (%/V), la robustezza rispetto alle variazioni di processo e la potenza consumata dell'oscillatore progettato è stato confrontato con gli oscillatori a rilassamento presenti allo stato dell'arte per valutare l'equilibrio tra potenza/stabilità PVT e il minimo valore di duty cycle a cui l'attività del nodo può tendere. Uno sviluppo futuro potrebbe includere la possibilità di ottenere una frequenza variabile in funzione dell'applicazione IoT scelta.