Low-power impulse radio transmitter in 180 nanometer CMOS
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2015-10-19
Department
Major/Subject
Mikro- ja nanotekniikka
Mcode
S3010
Degree programme
BIO - Bioinformaatioteknologia (TS2005)
Language
en
Pages
40 + 7
Series
Abstract
In this thesis, a low-power impulse radio transmitter tailored for an energy harvesting autonomous sensor node is designed and processed in 180 nanometer CMOS. The transmitter is capable of a 10-meter non-line-of-sight operation range and achieves a data rate suitable for delivering real-time high-quality audio, simultaneously following an autonomous sensor node’s energy budget. The energy budget is derived based on an energy harvester and power management literature and confirming measurements. Narrow-band and ultra-wideband radio technologies are discussed and their performance in low-power applications is evaluated based on an extensive literature review. Impulse radio transmitters are selected for further examination. Based on the examination and the review, the most prominent transmitter architecture is selected as the basis for this work’s transmitter design. The transmitter design introduces a novel delay block topology and a new PA tuning scheme. While the transmitter is designed to be mounted directly onto a printed circuit board, the measurements presented in this thesis are for a packaged chip. The simulated transmitter achieves 4.1 pJ of impulse energy, 50 nA of leakage current and 13 % of system efficiency, consuming 32.2 μW at 1 Mpps from a 1.2 V supply. The measured transmitter achieves 710 fJ of impulse energy, 145 nA of leakage current and 1.9 % of system efficiency, consuming 38.6 μW at 1 Mpps. The impulse center frequency is adjustable from 3 to 5 GHz for both the simulated and the measured transmitter.Tässä opinnäytetyössä suunnitellaan energiaomavaraisille, ympäristöstä energiansa kerääville sensoreille soveltuva matalatehoinen impulssiradiolähetin 180 nanometrin CMOS-prosessilla. Lähetin kykenee korkealaatuisen äänidatan reaaliaikaiseen välittämiseen 10 metrin näköyhteydettömällä kantamalla noudattaen samalla energiaomavaraisen sensorin vaatimaa energiabudjettia. Energiabudjetti laaditaan energian keräämistä ja tehonhallintaa koskevan kirjallisuuden avulla ja käytännön mittausten perusteella. Kapea- ja ultraleveäkaistaisten radioiden ominaisuuksia ja suorituskykyä matalatehoisissa sovelluksissa arvioidaan laajan kirjallisuuskatsauksen pohjalta. Katsauksen perusteella ultraleveäkaistaiset radiot valitaan tarkempaan tarkasteluun. Käsitellyistä impulssiradioarkkitehtuureista lupaavin valitaan tämän työn lähettimen suunnittelun lähtökohdaksi. Suunniteltu lähetin sisältää uudenlaisen viiveketjuratkaisun ja uuden tavan pulssienergian säätämiseen. Vaikka suunniteltu lähetin on tarkoitettu kiinnitettäväksi sellaisenaan piirilevylle, tässä työssä esitetään mittaustulokset pakatulle mikropiirille. Simulaatiotulokset antavat suunnitellulle lähettimelle 4.1 pJ impulssienergian, 50 nA vuotovirran ja 13 % järjestelmätason hyötysuhteen, kun taas mittaustulokset antavat 710 fJ impulssienergian, 145 nA vuotovirran ja 1.9 % hyötysuhteen. 1 Mpps:n impulssintoistonopeudella simuloitu lähetin kuluttaa 32.2 μW ja mitattu lähetin kuluttaa 38.6 μW. Simuloidun ja mitatun lähettimen impulssien keskitaajuus on säädettävissä välillä 3 - 5 GHz.Description
Supervisor
Halonen, KariThesis advisor
Salomaa, JarnoKeywords
impulse radio, transmitter, CMOS, energy harvesting
