Design of Ultra-Low Power and Area Circuits for Cell-Size Microsystems

The concept of smart dust emerged in the early 21st century to enable large-scale distributed sensing and computation. Progress was hindered for years due to the slow development of key technologies like nanotechnology, microelectronics and wireless communication. Recent advancements in technology have continually pushed the limits of what is possible in computing, sensing, and communication, leading to a resurgence of interest in autonomous microsystems. A key frontier in this evolution is the development of cell-sized autonomous microsystems. Achieving microsystems smaller than 100 um has the potential to revolutionize data collection. These tiny devices can be deployed in environments where traditional sensors are either impractical or impossible to use, unlocking numerous groundbreaking applications in fields such as medicine, environmental science, and industrial monitoring to cite a few. In this context, this thesis aims to contribute to the development of cell-sized autonomous microsystems by focusing on the study and design of some necessary circuitry for these systems such as the power management and the communication subsystems. As a consequence, our contributions address the design of these two building blocks while facing the challenges imposed by the drastic miniaturization of these electronic particles. The primary limitation of cell-size microsystems is the extremely constrained space available. This causes a drastic reduction in functionality, which, in some cases such as in this thesis, forces a fully analog circuit design. Another severe limitation lies in the power supply for these microsystems. At such small scales, traditional battery systems are impractical. Therefore, energy-harvesting methods are required, but the amount of energy that can be collected at the cell-size is remarkably small, which raises the difficulty of design. Regarding the energy management of the microsystem, this work describes two power management units (PMUs), each one of them targeting a different scenario. Both PMUs integrate a voltage reference and a voltage regulator with an extremely low area and power consumption. In particular, the first design targets in vitro applications. The temperature stability of this scenario relaxes the constraints related to temperature variations, allowing us to focus more on parameters such as line regulation and power supply rejection. These parameters are crucial to mitigate the fluctuations coming from the power supply. Indeed, our first PMU proposal integrates a voltage reference that features the best line regulation reported in the literature. The second PMU proposal focuses on environments with varying temperatures, requiring temperature compensation. It aims for low supply and temperature dependency while providing sufficient regulated power in a compact area and with minimal quiescent current draw. The existing literature has limited solutions for these challenges. Our second proposal implements a novel topology that incorporates the voltage reference in the feedback loop of the regulator. This optimizes area and power resources and also allows for temperature compensation through transistor sizing. Regarding the communication interface, the analog voltage provided by the sensor of the microsystem must be digitized in order to be transmitted to the outside world. Time-domain digitization emerges as a lightweight digitization method to save significant area and power at the expense of sacrificing some accuracy and speed with respect to traditional ADCs. Consequently, we also present in this thesis a sub-nW voltage-controlled oscillator with a quasi-linear response to perform time-domain digitization. Throughout this dissemination, we address the significant challenges of limited power and area in these designs and show a detailed discussion of the trade-offs involved and the solutions adopted. RESUMEN El concepto de smart dust surgió a principios del siglo XXI para habilitar la detección y computación distribuidas a gran escala. Su desarrollo fue limitado durante años debido a la falta de avances en nanotecnología, microelectrónica y comunicación inalámbrica. Sin embargo, los recientes progresos tecnológicos han renovado el interés en los microsistemas autónomos, destacando los dispositivos del tamaño de una célula, menores a 100 m. Estos sistemas tienen el potencial de revolucionar la recolección de datos en campos como medicina, ciencia ambiental y monitoreo industrial, al operar en entornos donde los sensores tradicionales son imprácticos. Esta tesis contribuye al desarrollo de microsistemas autónomos del tamaño de una célula mediante el diseño de circuitos esenciales, como los subsistemas de gestión de energía y comunicación. Estos diseños enfrentan los desafíos impuestos por la miniaturización extrema, que limita el espacio disponible y reduce la funcionalidad, obligando en muchos casos al uso de circuitos completamente analógicos. Otra las mayores limitaciones de estos microsistemas es el suministro energético. A escalas tan pequeñas, las baterías tradicionales son inviables, lo que hace necesaria la recolección de energía ambiental. Sin embargo, la cantidad de energía recolectable a esta escala es muy limitada, lo que incrementa la complejidad del diseño. Para abordar estos desafíos, este trabajo propone dos unidades de gestión de energía (PMUs), cada una orientada a un escenario específico, integrando una referencia de voltaje y un regulador con un consumo de área y potencia extremadamente bajo. El primer diseño está destinado a aplicaciones in vitro, donde la estabilidad térmica del entorno permite centrarse en parámetros como la regulación de línea y el rechazo al ruido de la fuente de alimentación. Estos parámetros son esenciales para mitigar las fluctuaciones de la fuente de alimentación. La primera propuesta de PMU incluye una referencia de voltaje que presenta la mejor regulación de línea reportada en la literatura, lo que mejora significativamente el desempeño con fuentes débiles e inestables. La segunda propuesta se centra en entornos con variaciones de temperatura, lo que requiere compensación térmica. En este caso, la PMU debe lograr una baja dependencia con respecto al voltaje de alimentación y la temperatura, al tiempo que proporciona suficiente potencia regulada en un área compacta y con un consumo mínimo. Este trabajo presenta una topología novedosa que integra la referencia de voltaje en el lazo de retroalimentación del regulador, optimizando los recursos de área y potencia. Además, esta configuración permite compensación térmica mediante el dimensionamiento de transistores, abordando así limitaciones no resueltas en la literatura. En cuanto al subsistema de comunicación, el voltaje analógico del sensor del microsistema debe digitalizarse para ser transmitido al exterior. Dado que los ADCs tradicionales son poco viables debido a su elevado consumo de energía y área, se optó por la digitalización en el dominio del tiempo como alternativa ligera. Este método sacrifica algo de precisión y velocidad a cambio de ahorros significativos en energía y área. En este contexto, la tesis propone un oscilador controlado por voltaje con un consumo inferior a 1 nW y una respuesta cuasi-lineal para realizar la digitalización en el dominio del tiempo. A lo largo de esta disertación, se abordan los desafíos de potencia y área extremadamente limitadas en los diseños de estos microsistemas ultraminiaturizados. Además se presenta un análisis detallado de los sacrificios involucrados y se discuten las soluciones adoptadas para superar las restricciones impuestas por la miniaturización extrema.