MOSトランジスタのサブスレッショルド特性を利用したスマートセンサLSIの開拓

利用MOS晶体管的亚阈值特性开发智能传感器LSI

• 批准号: 07J02413
• 负责人: 上野 憲一
• 金额: $ 1.73万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07J02413/
• 关键词: CMOS; アナログ回路; サブスレッショルド領域; スマートセンサ; ユビキタス; 極低消費電力; プロセスばらつき; MOSFETの温度特性

本研究は、「極めて微小な電力で動作するスマートセンサLSIの構成方法を確立すること」を目的に、大きく以下の研究課題に取り組んだ。LSIの消費電力を格段に低減する手法として、本研究ではMOSFETのサブスレッショルド領域(しきい値電圧以下で動作)を利用した回路設計手法の確立を目指している。以下に、本年度の研究成果を示す。(1).参照クロック源回路の提案,試作,評価MOSFETのサブスレッショルド領域特性は、温度に対して敏感に変化するため、その回路システムには、温度変化や電源電圧の変動に対しての影響が小さい参照クロック源回路が必要になる。このような参照クロックは、LSIシステムにとって必須の要素回路ブロックであり、特に各回路の同期、回路動作周波数の制御、外部端末との送受信回路のために使用される。一般に参照クロックとしては、水晶振動子を用いる。しかし、これはCMOSプロセスとの親和性が無く、外部オフチップとして使用される。オンチップで動作するクロック源回路がいくつか提案されているが、これらは消費電力が1mW以上と大きく-μW級のサブスレッショルドシステムには使用できない。そこで本研究では、極低消費電力で動作するオンチップ参照クロックも源回路を提案した。回路構成は、周波数同期技術に基づき、サブスレッショルド領域で動作するMOSFETのみで構成した。実際にLSIチップ試作を行い、その評価により動作を確認した。この回路は温度変化に対して一定の参照信号を出力する回路アーキテクチャであり、回路全体の消費電力も既存の回路と比較して1/10～1/100の消費電力を達成した。この研究内客は、国内学会、国際会議において発表を行い、さらに現在、論文誌に投稿中である。(2).超低消費電力スマート温度センサLSIの提案,試作,評価サブスレッショルド動作を利用した低消費電力温度センサLSIについて検討を行った。サブスレッショルド領域での電流特性は、温度に対して敏感に変化する。また、その電流値はnAオーダの微小電流であり極低電力化が期待できる。この物理特性を利用して、従来方式とは異なる温度センサLSIを構成することができる。提案する温度センサは、周波数同期ループ技術を用いることで、温度を周波数パルスに変換する。実際にセンサ回路の設計、試作を行い、その動作を測定により確認した。この温度センサは,サブスレッショルド領域で動作するCMOS回路から構成され、10μW程度の極低消費電力(既存の回路と比較して1/10～1/100の消費電力)で動作する。この研究内容は、国内学会、国際会議において発表を行い、さらに論文誌に掲載が決定(2010年)した。

は, this study "extremely め て tiny な power で action す る ス マ ー ト セ ン サ LSI を の constitute a method to establish す る こ と" を purpose に, big き く の research topic under に group take り ん だ. LSI の low consumption power segment に を lattice reduction す る gimmick と し て, this study で は MOSFET の サ ブ ス レ ッ シ ョ ル ド areas (し き い numerical electric 圧 で action below) を using し た circuit design gimmick の establish を refers し て い る. The following に and the を research results of this year を show す. (1). With reference to ク ロ ッ ク source circuit の proposal, test, evaluation of 価 MOSFET の サ ブ ス レ ッ シ ョ ル ド field features は, temperature に し seaborne て sensitive に variations change す る た め, そ の loop シ ス テ ム に は, temperature variations や power electric 圧 の - move に し seaborne て の が small effect さ い reference ク ロ ッ ク source circuit が necessary に な る. こ の よ う な reference ク ロ ッ ク は, LSI シ ス テ ム に と っ て must の element loop ブ ロ ッ ク で あ り, に の of each circuit, circuit action cycle for the same period の suppression, external end と の sent trusted loop の た め に use さ れ る. Generally, に refers to ロッ ロッ と て て, and for crystal vibrators, を is used for る る. <s:1> く て, される れ プロセスと CMOSプロセスと プロセスと affinity が no く, external <s:1> フチップと て て て て て て use される. オ ン チ ッ プ で action す る ク ロ ッ ク source circuit が い く つ か proposal さ れ て い る が, こ れ ら は consumption power が above 1 mw と big き く level - mu W の サ ブ ス レ ッ シ ョ ル ド シ ス テ ム に は use で き な い. そ こ で this study で は, extremely low consumption power で す る オ ン チ ッ プ reference ク ロ ッ ク も source circuit を proposal し た. Circuit composition みで, frequency synchronization technology に basis づ に, サブスレッショ ド ド ド field で action するMOSFET <s:1> みで composition た. In practice, にLSIチップ attempts to perform を actions of た, そ <s:1> evaluation of 価によ actions of を confirmation of た. こ の loop は temperature variations change に し seaborne て certain の を reference signal output す る loop ア ー キ テ ク チ ャ で あ り, loop all の consumption power も existing の loop と compare し て 1/10 ~ 1/100 の consumption power を reached し た. The research is ongoing at て, domestic academic societies and international conferences にお て て, を, さらに, and に. Papers are being submitted to である. (2). Ultra-low power consumption ス マ ー ト temperature セ ン サ LSI の proposal, attempt, review 価 サ ブ ス レ ッ シ ョ ル ド action を using し た low consumption power temperature セ ン サ LSI に つ い て 検 line for を っ た. Youdaoplaceholder0 ド ド field で <s:1> current characteristics and temperature に sensitive to <s:1> て に changes する. Youdaoplaceholder0, そ, <s:1> current value nA, <s:1> ダ, ダ, small current であ,, extremely low electrification が, expectation で る る. Physical properties こ の を using し て way, 従 と は different な る temperature セ ン サ LSI を constitute す る こ と が で き る. Proposal す る temperature セ ン サ ル は, cycle for the same period ー を プ technology with い る こ と を で, temperature cycle for パ ル ス に variations in す る. Actual にセ サ サ circuit <s:1> design, trial operation of を line にセ, そ action を measurement によ confirmation た. こ の temperature セ ン サ は, サ ブ ス レ ッ シ ョ ル で ド field action す る CMOS circuit か ら constitute さ れ, degree of 10 mu W の is extremely low power consumption (existing の loop と compare し て の power consumption 1/10 ~ 1/100) で action す る. The research content of た, domestic academic societies and international conferences にお て て publication schedule を practice た, さらに journal of papers に publication が decision (2010) た た.

项目成果

Ultra-low power LSIs consisting of subthreshold CMOS circuits --Micropower circuit components for power-aware LSI applications--

由亚阈值CMOS电路构成的超低功耗LSI --用于功耗感知LSI应用的微功耗电路元件--

• 发表时间: 2010
• 作者: Ueno K.;Asai T.;Amemiya Y.
• 通讯作者: Amemiya Y.

LSIを間欠動作させるための低電力タイマースイッチ回路

用于LSI间歇工作的低功耗定时器开关电路

• 发表时间: 2010
• 作者: 松下拓道;上野憲一;浅井哲也;雨宮好仁
• 通讯作者: 雨宮好仁

Temperature-to-frequency converter consisting of subthreshold MOSFET circuits for smart temperature-sensor LSIs

由用于智能温度传感器 LSI 的亚阈值 MOSFET 电路组成的温度频率转换器

• 发表时间: 2009
• 作者: Ueno K.;Asai T.;Amemiya Y.
• 通讯作者: Amemiya Y.

極低電力LSIのための間欠パルス回路

超低功耗LSI间歇脉冲电路

• 发表时间: 2009
• 作者: 松下拓道;上野憲一;浅井哲也;雨宮好仁
• 通讯作者: 雨宮好仁

低電圧CMOSディジタル回路のプロセス・温度バラツキ補正アーキテクチャ構築

低压CMOS数字电路的工艺/温度变化校正架构的构建

• 发表时间: 2008
• 作者: 次田祐輔;上野憲一;廣瀬哲也;浅井哲也;雨宮好仁
• 通讯作者: 雨宮好仁