节能意识低功耗CMOS放大器与处理各种管理

文摘

可重构低噪声放大器(LNA)与数字可控增益和功率消耗。这个体系结构允许增加功耗仅在需要时,也就是说,在极端通信信道条件改善放大器的射频性能和/或抵消的影响过程,电压和温度变化。提出的设计会导致显著的节电当轻松的操作是可以接受的。130纳米的放大器实现1.2 V为2.4 GHz IEEE-802.15.4 CMOS技术的应用程序。模拟放大器性能(考虑最糟糕的情况下在流程变化)与最近出版的作品。

1。介绍

系统与多个操作模式,能够动态地调整其性能取决于工作环境,可以使用可重构实现电路。操作模式与放松的需求可以设计在低偏压电流或电压,导致整个传统固定电路相比,能耗的降低。这种节电的方法已经应用于以下两种情况:(1)减轻过程变化的影响(提高产量和可靠性)1- - - - - -3)和(2)实现无线接收器模块调整功耗取决于通信信道条件(节能意识接收器)4- - - - - -7]。结合这两个特性在一个集成接收机电路显示为一个非常有吸引力的设计目标,由于日益增长的需求和大规模生产的低功耗无线设备。然而,这样的解决方案还未被报道。

在接收方的背景下,尤其是在完全集成实现场景中,低噪声放大器(LNA)是一个关键块,决定了系统的整体性能(8]。它必须提供,同时,良好的输入匹配、低噪声的贡献,高线性度、高反向隔离,限制电力消耗。此外,它的获得至关重要,代表一个接收机的噪声和线性表演之间的权衡8,9]。在这个意义上,调整射频参数LNA、特别是增益,通过控制amplifying-stage晶体管的偏置,被用来放松通信信道条件下允许的功耗节省(6,7,10]。

另一方面,适应性也被用于减轻的影响过程变化CMOS-LNAs [3,11- - - - - -15]。冈萨雷斯等人提出的建议。3)显示了一个适应性强的LNA的潜力节省电力过程下的行为变化仍接近典型表现。然而,报告解决方案专注于校准固定增益恢复;因此,他们不利用可变增益方案的优点。

这项工作提出了一种可重构放大器能够调整其功耗考虑通信信道条件和过程的影响,电源电压和温度变化。这与数字可控增益放大器使用能源利用结构和电力消耗。证实了提出的节能策略是实现130海里为2.4 GHz 1.2 V CMOS LNA IEEE-802.15.4应用程序。放大器行为过程的变化进行了分析通过蒙特卡罗模拟,用于评估的结果对应的接收机的性能。

本文组织如下。部分2总结了主要方程支持这个工作的想法之后,从一个系统级的观点。部分3描述了可重构体系结构和提出的节能策略作为通信信道条件的函数和过程变化的影响。部分4介绍了主要的实现细节和讨论了仿真结果,包括与其他恢复IEEE-802.15.4接收器。最后,给出了结论部分5。

2。一个系统级的概述

节能意识接收机的工作原理依赖于噪声图(NF)和线性需求取决于接收到的输入信号水平。这可以通过检查以下表达式[理解16]: 在上面的方程中,是噪音图,是输入信号功率,玻耳兹曼常量,绝对温度,信道带宽,由应用程序所需的最小信噪比(包括一些设计裕度损失占不肯定在系统级设计时确定),是input-referred三阶互调拦截点,是干扰信号的力量。所有的大小值表示对数单位(dB或dBm),除了产品。方程(3)来源于一般假设认为1 dB压缩点()作为输入功率的上限17)的近似关系dB (8),为了使用作为唯一的线性测量。

它可以看到从(1),NF可以轻松输入信号功率增加。另一方面,有两个重要的价值观:一个检测微弱的期望信号所需的陷(见(2))和所需的其他驱动的最大信号电平(见(3))。然而,可以降低接收机的线性要求在中间的信号水平。这对节约能源可以利用通过实现可重构电路(即与多个操作模式。NF和,不同的值),考虑到这一事实更放松NF和可以实现较低的能耗(19]。上述方法与传统电路的使用,必须设计在最坏的条件下工作,因此需要更高的功耗和固定。

2.1。采用的接收机上下文

接收机参数()相关的放大器(,)和其他构件(,,下标““代表”后阶段”,即。,从混频器的输入使用cascaded-stages方程(输出)4)[8]。因此, 在上面的方程中,噪声系数,如,而获得国际信息局₃表达“倍”(W / W)和W(或兆瓦),分别。

控制放大器参数,特别是获得,允许调整图和线性接收机噪声。放大器应该提供高增益和低噪声图,以保证所需的图检测接收机的噪声最小输入信号水平。然而,可以减少放大器增益的NF接收机可以放松,当接收输入信号水平较高。放大器增益减少还允许降低放大器的线性和随后的阶段,而不影响驱动所需的线性接收机输入信号功率大。设计可适应的恢复,因此,它是方便的能力(高、低增益模式之间切换20.,21]。

在需要的时候,可以降低减少amplifying-stage晶体管的跨导,这实际上允许的功耗节省6,7,10]。然而,改变直流操作点影响其他射频参数,从而限制获得变异率。因此,包含额外的DC-invariant gain-controlling方法可能是有用的,例如,为了弥补线性退化,因为它是。

3所示。提出的节能意识放大器

基于广泛使用的电感退化同源性疾病拓扑中,人物1显示了提出了可重构放大器实现上述想法。这是一个改善提案对,在3),只有最坏的处理过程的变化。

通过输入增益和功耗是数控和。可控性介绍通过连接两个额外的分支与传统共源共栅并行配置(和)。每个分支包括跨导级(和)和一对共源共栅作为电流开关(,连接到信号输出,,连接到signal-dumping路径)。相同的分支被认为是为了简单起见。这个电路结合了两种不同的控制技术:(1)获得,通过晶体管功率控制宽度可伸缩性(7)和(2)current-splitting增益控制技术(22,23]。

其他特征与基本拓扑可以概括如下。变性电感()提供了输入阻抗的实部在不添加额外的噪声源(24]。Gate-source连接电容器()允许减少噪声图不增加能耗在获得限制应用程序(25,26]。门电感器()曲调必要的输入阻抗和排水电感器()提供了与总电容并联共振输出。电容分压器用于匹配输出阻抗和50个吗独立的原型测试的终止。

3.1。操作模式描述

出现的操作模式的方案图1可以描述如下。

的最高增益放大器由连接两个可切换的分支输出网络()。然而,这种HG-FP(代表“增益高、全功率”)模式也带来了最高的功耗。如果一个额外的分支(设置是关闭的10 - 01,),一个midgain和midpower模式(MG-MP),同时关闭两个可切换的分支()导致低增益模式功耗最低的(LG-LP模式)。

上述操作(宽度可伸缩性)的缺点是,它影响了输入阻抗匹配。原因在于输入电阻更低电流流经变性电感器(可切换的分支断开)。因此,容许阻抗匹配退化限制的总增益变化和节电率。

在需要时,模式可以实现增益较低,但消费为代价的中间或最高的功率值。低增益/ midpower (LG-MP)和低增益/全功率(LG-FP)设定的模式打开一个或两个可切换的分支机构通过倾销共源共栅晶体管(与或01 LG-MP模式,LG-FP模式)。虽然在三种低增益模式(LG-LP、LG-MP LG-FP)只有固定的分支(和)连接到输出,得到不同的增益值,因为输入级运行点的变化。当打开一个可切换的分支,但信号流经地面(通过倾倒路径),它不影响输出信号;然而,它确实提高输入电阻,导致减少放大器的跨导。

总之,表1显示的控制代码和预期性能不同的操作模式。

3.2。调整策略

接下来,提出了使用不同的操作模式,或调整策略,提出了。

HG-FP模式应该提供获得超过一定值,在最坏的情况下,由于过程的变化,是实现所需的最小增益值所需的灵敏度(例如,)。另一方面,midgain典型值可以设置略过去了通过适当大小,,。这种方式,这些接收器过程变化的影响较小,可以使用MG-MP模式而不是HG-FP模式获得最小输入信号级别,从而节约能耗,在这种情况下没有降解生产产量。

LG-LP模式可用于储蓄力量当输入信号水平允许接收器NF放松。取决于放大器的线性度,和随后的阶段,这种低增益模式也可以满足系统要求的最大输入信号水平。然而,低增益模式(LG-MP或LG-FP)可能有助于弥补可能的线性放大器由于降解过程变化,增加功耗但只有当被需要。

4所示。实现和结果

为了证实了提出的想法,LNA设计和模拟使用130纳米CMOS技术的2.4 GHz IEEE-802.15.4应用程序。通道长度设置为最小值为每个晶体管(120海里)。Cascode-transistor宽度设置为相应的transconductance-stage晶体管的一半。10 dB的价值(27),获得所需的12 dB HG-FP模式的典型案例(模拟获得的角落)。MG-MP增益设置接近10.5 dB。晶体管宽度比::= 2:1:1被发现提供一个合适的增益变化在每一个模式(适当的输入阻抗匹配dB)。晶体管宽度和当前值被选择的结果进行基于仿真的设计空间探索与传统拓扑结构(即。没有可切换的分支),减少能耗,同时交易LNA的NF和IIP₃。被动元件在MG-MP决心匹配阻抗值模式,为了忍受输入电阻的增加而减少,当用不同的偏置电流模式之间的切换。表2显示所选组件的大小和偏置。完整的能耗(所有分支打开)从1.2 V 0.64 mW供应,与节电25%和50%使用中期和最低功率模式时,分别。电流镜是包括提供gate-biasing电压,。

图2显示了典型的案例仿真结果27°C。双模式使用相同的功耗(HG-FP / LG-FP和MG-MP / LG-MP)显示出相似的输入匹配(),国际信息局₃如预期,考虑相应的直流操作点保持不变的事实。另一方面,输出匹配(当切换模式)是几乎不受影响。偏置电流越高,IIP越高₃和当前分割获得的增益变化越大。这higher-IIP₃/低增益组合强化使用LG-MP或LG-FP如果接收者需要更好的线性。

4.1。采用过程的变化

采用行为过程的变化进行了分析通过1000 -蒙特卡罗模拟运行,使用提供的统计分布铸造。接收机性能评估分析,使用放大器仿真结果,(4)。整个NF和IIP₃采用多次后规范的阶段将满足接收机的要求,在每个蒙特卡罗跑,至少有一个高的增益/低增益模式组合。接收器的规格被遵守IEEE-802.15.4标准(28),使用提出的要求在极端的通信信道条件[29日]:德国联邦铁路(dB);,检测最小输入信号水平(85−dBm,尽管国际信息局₃计算、最小输入信号功率为3 dB /接收器的灵敏度28),即。,−82 dBm [16])与最大(−52 dBm)和干扰dB(来自给定的值29日]);和dBm,接收的最大输入功率(−20 dBm)。最放松的和选择(25.3 dB和4.2 dBm,职责),当使用HG-FP / LG-FP模式组合实现的。

图3显示了NF和IIP的价值观₃的接收器,对应于每一个运行的蒙特卡罗模拟(点)和典型案例(着色钻石)。虚线标出接收机的功能规格根据每个操作模式(NF高增益和midgain模式规范,国际信息局₃规范低增益模式)。

国际信息局₃总是高于接收弱信号所需的最小值在陷(−32 dBm);因此,噪声指数决定了接收机灵敏度在所有情况下。此外,在每种情况下,最大输入信号功率,可以由高增益和midgain模式总是高于低增益模式的敏感性。这可以保证任何输入信号水平是由至少一个操作模式。

根据最小功耗需要用来满足接收机要求在极端通信信道条件,得到五个可能的场景。对于每一个场景,一个特定的运行的行为被突出显示在图3。电路较低或没有退化的射频性能(例如,运行),对典型的情况下,可以使用能耗最低的组合(MG-MP / LG-LP,使用0.48和0.32兆瓦,resp。)接收所需的最小和最大输入信号水平标准(dB和dBm)。

当接收机的噪声图使用MG-MP模式并不确保接收机灵敏度(dB),因此HG-FP模式(功耗增加到0.64兆瓦)必须使用(例如,运行B, D, E和F)。在这种情况下,HG-FP模式应结合的一个低增益模式取决于线性性能:可接受的线性(dBm)允许使用LG-LP模式(例如,运行B);中层线性退化(dBm但dBm)需要使用LG-MP模式(消费0.48 mW,例如,D)运行,在运行多个退化线性(dBm)需求最低的方式获得和IIP最高₃,LG-FP模式(0.64 mW,例如,E和F)。特别是,运行E和F与最糟糕的情况下图和线性接收机的噪声,分别。

另一方面,如果接收机噪声图是可以接受的,但线性降解MG-MP / LG-MP组合使用(例如,运行C)。最后可能的情况下,案件与一个可接受的接收机NF和高度IIP退化₃,不存在任何发生;因此,MG-MP / LG-FP组合不是必需的。

表3总结了以上的信息,包括每个场景的发生概率。在大多数的运行,能耗最低的组合可以使用(MG-MP / LG-LP),而大多数用电组合(HG-FP / LG-FP)只在1%的情况下是必需的。

此外,所需的操作模式与独立处理极端通信信道条件,直流电源可以使用(即最低。,using the LG-LP mode) during circuit operation as input-signal level moves away from its minimum and maximum values and more relaxed behavior of receiver’s noise and linearity can be tolerated (according to (1)- (3))。这可以观察到在图4时,所需的最低功耗放大器被绘制为输入信号电平的函数。包含五个不同的情节,对应于每个处理各种场景。值得注意的是,LG-LP模式可以处理大部分的输入信号功率范围。这应该在操作时间增加节能的可能性。

4.2。供应和温度变化

提出了电路的功能,以抵消电源电压和温度变化的影响,与其他重要的微电子电路,性能下降的原因进行了分析。模拟扫值,在27°C,和温度V,使用典型的案例进行了电路对过程的变化。接收机性能评估使用的值和覆盖最糟糕的情况下计算的过程变化(25.3 dB和4.2 dBm,职责)。

图5表明NF和IIP的性能₃在接收者LNA供应变化、±20%(即就其名义价值。,从0.96 V至1.44 V)。虚线表示接收机要求(德国联邦铁路(dB);dBm),而着色标记表示每个规范的操作模式会议最低的功耗。接收机的NF上升减少,主要原因是由于减少放大器增益下降跨导。另一方面,尽管放大器增益降低,接收机的IIP₃也会降低减少低于1.2 V,由放大器线性退化引起的。然而,该放大器的出现能够抵消这些影响。当使用MG-MP模式不满足接收机的灵敏度(dB为V),切换到HG-FP模式允许满足这个需求的增加能耗。同样,LG-LP模式不能用于接收的最大输入信号水平(dBm)V,但是低维护所需的接收机的线性增益模式(例如,LG-MP分析范围)。

关于温度变化,图6显示了接收机的NF和IIP₃行为计算仿真结果的LNA、席卷该参数从−40°C到85°C。当温度增加时,它会导致噪声图的退化,而如果它减少那么IIP₃下降。再次切换到更高的节能操作模式允许会议所需的灵敏度或线性在需要的时候(dB为°C;dBm的°C)。

4.3。相比其他作品

表4比较该放大器的性能与以前公布IEEE-802.15.4恢复(节能意识6和传统的18]设计)。从我们的工作,下面的模式和案例提出了从工艺变化分析:获得最低(最高NF) IIP HG-FP模式和最低的₃LG-LP和LG-FP模式。为了评估和比较每个放大器的性能在接收者的情况下,需要NF和IIP₃以下阶段进行计算,并提出了。

节电率在[6比我们更好(74%和50%),但我们的设计呈现显著降低功耗。增益越高(6]放松NF在随后的阶段,但要求更好的线性类似的程度。另一方面,射频性能和功耗放大器相媲美的研讨会(18),但我们可以节省多达50%的力量下轻松的工作环境。

5。结论

与数字控制可重构放大器增益和功耗提出了作为能源利用的解决方案。新颖的设计准则给出了最小化能耗作为通信信道条件和函数过程变化的影响。1.2 V 130纳米CMOS放大器后提出的建议是为2.4 GHz IEEE-802.15.4应用程序设计的,确凿的节能策略的有效性。设计采用了能够抵消电源电压和温度变化的影响。仿真结果,考虑最坏情况下变化过程,是与最近发表的作品,有一个好处,那就是可以实现显著的节电与我们的建议下轻松的工作环境。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作已经由CAPES-Brazil通过项目176/12,CNPq(巴西),MAEC-AECID(西班牙)通过福丁项目(Ref . D / 024124/09),菲德尔计划通过军政府的安达卢西亚项目p09 - tic - 5386和Ministerio de隐藏y Competitividad(西班牙)通过项目tec2011 - 28302。

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