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

基本信息

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

项目摘要

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。

这项研究已在以下研究问题上发挥了作用，目的是建立一种智能传感器LSI组合物的方法，该智能传感器的功能非常小。作为一种显着降低LSI功耗的方法，本研究旨在使用MOSFET的子 - 透明区域（在Shiki功率电压下运行）建立电路设计方法。以下显示了今年研究的结果。（1）。这样的参考时钟是LSI系统的必需元素电路块，尤其是对于每个电路的同步，电路操作频率的控制以及带外端子的传输和接收电路。通常，将晶体振动用作参考时钟。但是，这用作外部关闭芯片，与CMOS过程没有亲和力。提出了几个随片上运行的时钟源电路，但不能将它们用于-μW级的基板系统，其大量功率消耗为1 MW或更多。因此，这项研究还提出了一个芯片参考时钟的源电路，该电路的功耗极低。电路配置仅由基于频率同步技术在基板区域运行的MOSFET组成。实际执行了LSI芯片原型，并通过评估确认了操作。该电路是一个电路架构，为温度变化输出一定的参考信号，与现有电路相比，整个电路的功耗已达到1/10至1/100的功耗。该研究客户已在家庭社会和国际会议上进行了演讲，目前正在人工杂志上发布。（2）检查了使用替代系统操作的超低功耗智能温度传感器LSI提案，原型，温度传感器LSI。底物区域中的当前特性敏感地变为温度。另外，电流值是NA顺序的微观电流，并且可以预期极低的功率。使用此物理特征，可以配置与常规方法不同的温度传感器LSI。通过使用频率同步循环技术将所提出的温度传感器转换为频率脉冲。实际上设计和原型设计了传感器电路，并通过测量确认了操作。该温度传感器由在亚型跨区域中运行的CMOS电路组成，并且功率消耗极低约为10μW（与现有电路相比，功率消耗为1/10至1/100）。这项研究的内容在国内会议和国际会议上宣布，并决定在《人造杂志》（2010年）中发表。