Design and Verification of a Low Frequency Oscillator for Consumer Applications

Abstract

[ES] Este trabajo presenta el diseño de un oscilador RC de relajación de bajo consumo y área, que opera a 200 kHz con una alimentación de 1,1 V en tecnología CMOS de 40nm. Entre las características principales destacan una configuración de doble condensador para eliminar los retrasos en la descarga, una red de trimming para compensar las variaciones de proceso y un mecanismo de selección de frecuencia. Un cascodo de bajo voltaje asegura la precisión de los espejos de corriente, mientras que las etapas amplificadoras mejoran la precisión del oscilador. El diseño incorpora un lazo de control "break-before-make" que garantiza una conmutación segura de los condensadores, evitando cortocircuitos y manteniendo una operación estable. El oscilador tiene como objetivo lograr un error de frecuencia inferior al 4 %, una consumo de corriente menor de 1μA y un área menor de 0.015 mm2, haciéndolo ideal para dispositivos compactos y alimentados por batería en la electrónica de consumo moderna.

[EN] This work presents the design of a low-power, low-area RC relaxation oscillator operating at 200 kHz with a 1.1 V supply in 40nm CMOS technology. Its main features include a dual-capacitor configuration to eliminate discharge delays, a trimming network to compensate for process variations, and a frequency selection mechanism. A low-voltage cascode ensures the accuracy of the current mirrors, while amplifying stages enhance the oscillator s precision. The design incorporates a "break-before-make" control loop to ensure safe capacitor switching, preventing short circuits and maintaining stable operation. The oscillator aims to achieve a frequency error below 4%, a current consumption under 1 μA, and an area under 0.015 mm2, making it ideal for compact, battery-powered devices in modern consumer electronics.