Progettazione di una Charge Pump in Tecnologia TFT Flessibile

Abstract

Il rapido sviluppo dell’elettronica flessibile ha aperto la strada alla realizzazione di sistemi leggeri e deformabili, integrabili in applicazioni innovative come dispositivi indossabili e reti distribuite di sensori. L’impiego di tecnologie a film sottile (TFT) basate su ossidi semiconduttori, come l’IGZO, permette la fabbricazione su substrati plastici, ma l’alimentazione di tali sistemi rimane una sfida critica: l’uso di batterie ne limita la flessibilità, rendendo preferibili le tecniche di energy harvesting per garantire l'autonomia energetica. Tuttavia, le sorgenti ambientali generano tipicamente tensioni molto basse, spesso nell’ordine dei millivolt, che risultano insufficienti per alimentare direttamente i circuiti elettronici. La progettazione in tecnologia TFT IGZO è ulteriormente complicata dalla natura NMOS-only dei dispositivi, dall’assenza di componenti bipolari e dall’elevata variabilità dei parametri tecnologici. Questa tesi affronta tali problematiche attraverso la progettazione e la validazione, tramite simulazioni in ambiente Cadence, di una inverting charge pump realizzata in tecnologia flexible TFT Pragmatic. L’architettura proposta si basa su una struttura a due stadi: un primo blocco di step-up e un secondo blocco invertente. Lo stadio di step-up utilizza una Dickson charge pump con tecniche di bootstrap per ridurre le perdite di soglia, pilotata da un ring oscillator operante alla bassa tensione d’ingresso. La tensione elevata, stabilizzata da un filtro RC, alimenta un secondo oscillatore e una inverting charge pump a singolo stadio per generare la polarità negativa finale. I risultati confermano la validità dell'approccio, dimostrando che con un ingresso di 600 mV il sistema produce una tensione di uscita negativa di circa -700 mV. Il lavoro prova che la separazione funzionale tra boosting e inversione è una strategia robusta per la gestione della potenza in tecnologie NMOS-only, favorendo lo sviluppo di sistemi flessibili autosufficienti.

The rapid development of flexible electronics has paved the way for the creation of lightweight and deformable systems, integrable into innovative applications such as wearable devices and distributed sensor networks. The use of thin-film transistor (TFT) technologies based on semiconductor oxides, such as IGZO, allows for fabrication on plastic substrates, but powering these systems remains a critical challenge: the use of batteries limits flexibility, making energy harvesting techniques preferable to ensure energy autonomy. However, environmental sources typically generate very low voltages, often in the millivolt range, which are insufficient to directly power electronic circuits. Design in IGZO TFT technology is further complicated by the NMOS-only nature of the devices, the absence of bipolar components, and high variability in technological parameters. This thesis addresses these issues through the design and validation, via Cadence simulations, of an inverting charge pump realized in Pragmatic flexible TFT technology. The proposed architecture is based on a two-stage structure: a first step-up block and a second inverting block. The step-up stage uses a Dickson charge pump with bootstrap techniques to reduce threshold losses, driven by a ring oscillator operating at the low input voltage. The boosted voltage, stabilized by an RC filter, powers a second oscillator and a single-stage inverting charge pump to generate the final negative polarity. The results confirm the validity of the approach, demonstrating that with a 600 mV input, the system produces a negative output voltage of approximately -700 mV. The work proves that the functional separation between boosting and inversion is a robust strategy for power management in NMOS-only technologies, favoring the development of self-sufficient flexible systems.