Receiver Front-Ends in CMOS with Ultra-Low Power Consumption

Abstract

Historically, research on radio communication has focused on improving range and data rate. In the last decade, however, there has been an increasing demand for low power and low cost radios that can provide connectivity with small devices around us. They should be able to offer basic connectivity with a power consumption low enough to function extended periods of time on a single battery charge, or even energy scavenged from the surroundings. This work is focused on the design of ultra-low power receiver front-ends intended for a receiver operating in the 2.4GHz ISM band, having an active power consumption of 1mW and chip area of 1mm². Low power consumption and small size make it hard to achieve good sensitivity and tolerance to interference. This thesis starts with an introduction to the overall receiver specifications, low power radio and radio standards, front-end and LO generation architectures and building blocks, followed by the four included papers.



Paper I demonstrates an inductorless front-end operating at 915MHz, including a frequency divider for quadrature LO generation. An LO generator operating at 2.4GHz is shown in Paper II, enabling a front-end operating above 2GHz. Papers III and IV contain circuits with combined front-end and LO generator operating at or above the full 2.45GHz target frequency. They use VCO and frequency divider topologies that offer efficient operation and low quadrature error. An efficient passive-mixer design with improved suppression of interference, enables an LNA-less design in Paper IV capable of operating without a SAW-filter.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I avhandlingen presenteras delar till radiomottagare med extremt låg effektförbrukning. Detta behövs då dagens samhälle blir allt mer och mer uppkopplat, och detta gäller inte bara persondatorer och mobiltelefoner. Med den snabba teknikutvecklingen inom radiokommunikation, driven av små och smarta mobiltelefoner, går det nu även att få prylar av alla de slag att tala med varandra. I förlängningen strävas det efter att i princip allting i ens omgivning ska kunna kommunicera trådlöst. Bland annat ska små givare kunna sättas lite överallt för insamling av data i så kallade sensornätverk. Till exempel kan de användas i smarta hus för att hålla reda på luftkvalitet och temperatur, och för att styra belysning och liknande. Sensornätverk kan också användas för att hålla reda på belastningar i en struktur vid t.ex. byggnadsarbeten. De kan även komma till användning på och även i kroppen. Det kan då handla om medicinska sensorer, som håller koll på din hälsa, och kontinuerligt vidarebefordrar informationen till en mobiltelefon eller kanske även till sjukvården. Redan idag har vi enkla trådlösa sensorer för att hålla reda på hjärtrytm och stegfrekvens vid sportutövning. Utvecklingen av effektsnåla trådlösa sensorer är dock ännu i sin linda. Några steg har redan tagits, med sport-sensorer och nya trådlösa standarder som Bluetooth Smart och ANT, men vi kommer nog att se vilken potential de har först när tekniken är bättre utvecklad.



Sensorerna behöver klara sig länge på en batteriladdning, vilket i vissa fall som med trådlösa möss och tangentbord, kan lösas med hjälp av relativt stora batterier. För att verkligen kunna sprida sensorer överallt måste de dock kunna göras mycket små och trots det ha en lång batteritid; i många fall kan det handla om flera år. För att klara av detta behövs nya radiokretsar och kommunikationsstandarder som är mycket bättre optimerade för låg effektförbrukning än dagens lösningar.



Avhandlingens syfte var att ta fram de analoga byggblocken i en extremt effektsnål radio. Delarna det handlar om sitter direkt vid antennen (front-end) och har som funktion att ta emot radiosignalen, förstärka den, och flytta ner den till en mycket lägre frekvens som kan hanteras av resten av radion. Den här delen av radion måste alltså hantera de högfrekventa radiosignalerna, och kretsarna måste därför vara snabba nog. Eftersom strömförbrukningen i en krets är i stort sett proportionell mot hastigheten är det svårt att bygga radiokretsar med mycket låg effektförbrukning, och i små trådlösa sensorer är det de analoga radiokretsarna som kräver mest ström. Därför är det mycket viktigt att de använder strömmen så effektivt som möjligt.

Ytterligare ett problem vid konstruktionen av kretsar med låg strömförbrukning är att de har svårare att hantera stora signalstyrkor med låg distorsion (olinjäritet). Det innebär är att radion får svårare att klara av starka störsignaler. Mottagaren är tänkt att fungera i det licensfria 2.4GHz-bandet, som dessutom används av bland annat trådlösa hemnätverk (WiFi), Bluetooth-enheter och mikrovågsugnar. Alla dessa riskerar att störa ut en mottagare utan tillräcklig linjäritet.



Arbetet har utförts som en (i stort sett oberoende) del av ett större projekt med målet att utveckla alla delarna (analoga och digitala) av en radiomottagare med låg effekt. Målet har varit att kunna ta emot en signal i det öppna 2.4GHz-bandet med datatakt på 250kbit/s, med en total strömförbrukning av 1mW, viket är ett rätt så aggressivt mål. Ytterligare ett mål har varit att få in hela mottagarkjedjan på ett 1x1mm² chip. För att t.ex. kunna hantera kommunikation mellan två hörapparater eller andra enheter på olika delar av kroppen bör mottagaren dessutom ha god känslighet.



Avhandlingen har undersökt flera varianter av "front-end"-kretsar. Den första är konstruerad helt utan induktanser på chip för att den ska vara så fysiskt liten som möjligt (induktanser/spolar kan inte göras lika små på chip som andra komponenttyper). Den har en effektförbrukning på 280μW och arbetar vid 915MHz. Nästa front-end klarar att arbeta vid 2.4GHz tack vare en ovanligt kompakt spole, och är dessutom mer komplett då den även innehåller en källa som genererar referenssignalen som behövs för att stämma av mottagaren till en viss frekvens. Den sista front-end-kretsen lyckas kraftigt förbättra undertryckningen av störsignaler utan att nämnvärt höja effektförbrukningen. Undertryckningen av störningar är i nivå med mottagare som normalt brukar kräva minst tio gånger mer effekt.

• author: Bryant, Carl
• supervisor: Henrik Sjöland
• opponent: Professor Deval, Yann, University of Bordeaux, France
• organization: Department of Electrical and Information Technology; Analog RF-lup-obsolete (research group); ELLIIT: the Linköping-Lund initiative on IT and mobile communication
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
• keywords: receiver, front-end, sensor networks, CMOS, ultra-low power, low noise amplifier, mixer, voltage-controlled oscillator, frequency divider, bluetooth
• pages: 120 pages
• defense location: Room E:1406, E-building, Ole Römers väg 3, Lund University, Faculty of Engineering
• defense date: 2013-10-24 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-708-0
• ISBN: 978-91-7473-707-3 (print)
• project: EIT_UPD Wireless Communication for Ultra Portable Devices
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f57cf3d0-abb1-4ba8-a99b-5e42fd8d9ce9 (old id 4057499)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:24:21
• date last changed: 2019-04-30 11:46:42