文摘
无线通信集成与许多挑战,如可靠性、服务质量、沟通范围,和能源消耗。作为无线传感器网络(WSN)的整体性能将得到改善,如果每个传感器节点优化的能力,使用一些技术来调整各种电路的每个节点。在近期作品中,唤醒接收器节点引入了延迟不增加能源消耗降到最低。为了克服唤醒接收机的灵敏度的限制,设计低噪声放大器(LNA)的几个设计规范是必需的。本文讨论了相关性唤醒接收机的应用程序和系统提供了一个简短的研究该组件。WSN唤醒接收器放大器设计应用程序。放大器设计的具有挑战性的任务是提供公平的权衡性能如噪声图,增益,功耗,阻抗匹配,线性。放大器电路是专为无线个人区域网络(WLAN)利用RF-TSMC CMOS 0.18标准μm。两个创新技术应用于放大器拓扑,以改善其性能:身体向前偏置用于降低11.43兆瓦的电能消耗,和衬底电阻由1.8 dB添加到减少噪音。发达放大器实现噪声指数为1.6 dB,功率增益为21.7 dB在5.2 GHz。在0.6 V,设计采用消散0.87兆瓦。
1。介绍
目前物联网(物联网)是将众多领域的最前沿的敏捷度在分布式数据存储和处理的方式,以提高生产率。
物联网技术是建立在强大的无线设备集成在一个复杂的生态系统来分享和分析数据。这些无线装置称为传感器节点,它们分散在一个大型网络使用多个技术和交流在不同频率的水平。操作频率影响数据速率,传动功率,传感器节点的能耗。
无线技术,如wi - fi、蓝牙、无线射频识别(RFID),和超宽频(UWB)是用来提供可靠的本地化IoT-based系统。显示在图1超宽频数字pulse-based (UWB)技术的数字数据传输带宽7.5 GHz。它需要一点力量操作在短距离(15米)。因为它的低功率谱密度(PSD)的-41.3 dBm /兆赫,它可能是简单地和安全地安装与当前无线通信系统不产生干扰。超宽频的高数据率传输能耗低和多路径阻力特性使得它能够被用于高精度无线物联网应用范围(1]。
另一方面,网络系统是一个分层的服务器架构中,每一层都是根据一个特定的函数进行定义的。上下两层进一步网络体系结构划分为七种不同的层(应用程序,演示、会议、交通、网络数据链路,和物理层)。在文学中,许多方法和技术引入了以最小化能源的基础系统。一些研究集中在最小化能源基于算法在网络层2,3]。和其他研究感兴趣的能源消耗我们工作在物理层。
唤醒接收器是无线传感器网络的一个重要组成部分。这个紧凑的接收机中使用广泛的应用程序,包括物联网、环境情报、和个人区域网络。唤醒接收机设计中最关键的困难之一是降低能耗,提高电池寿命;图2描绘了一个无线传感器节点配备一个唤醒接收器。详细研究唤醒接收机和一些现有架构的比较提出了(4]。
作为它的功能的一部分,预计唤醒接收机解调信号,认识到在某些情况下,一个特定的代码,并发出一个脉冲打开主接收器链。因此,其反应时间是至关重要的,因为它有助于接收机的和应用程序的启动时间。与代码识别通信协议允许错误的唤醒信号的降低和优化使用。良好的接待是依赖其识别干扰信号的能力,不管其接收弱信号的能力在各种情况下或函数。
通过射频载波信号传输的频率是一个重要的参数。频率范围是根据不同的参数选择。在场景唤醒接收器和主要接收器是在同一芯片上,它可能是全等的简单性和功能的主要广播共享。由于空间和潜在的耦合,我们可以使用相同的频率,防止互调困难,使单个天线的使用。然而,如果没有限制主接收器,每个频段的使用是由规则。蓝牙、无线个域网和其他无线技术,例如,使用2.4 GHz范围。工作在这样一个乐队需要高水平的选择性。此外,最常使用的乐队在文献[5- - - - - -7为唤醒接收器是868 MHz的建设;这个乐队的优势,除了无线个域网的注册标准,是它的一部分,ISM(工业科学医疗)乐队。使用这个乐队放松限制的通信协议,但我们不能使用那些唤醒接收器在超宽频无线个人区域网络(WLAN),身体区域网络和其他网络。
前面描述的频带选择影响调制技术的选择。这个灯是用来在一个射频载波传输数据。复杂的信号传输的调制是有利的,因为它提供了免疫相比其他信号。后者,另一方面,需要更复杂的电路和不太符合低消费的目的。第一个调频调制方法,很难在唤醒接收机的上下文中执行,因为它是不可能控制一个没有采用活性成分和外部的参考时钟。此外,链式设计是复杂的和不兼容的目标低消费。第二个调幅调制方法,最简单的处理;它由一个射频信号相乘,承运人,由一个信息信号,调制信号。这个灯的主要缺点是低信噪比(信噪比)和频率调制。调幅尤其适合被动或semipassive接收方法。 In this situation, the receiver provides excellent consumption performance. There are two sorts of active reception systems that may be applied. The simplest is the chain with direct detection, which operates with no frequency change, and the more sophisticated is the chain with intermediate detection, which operates with an intermediate frequency. The most significant item in consumption in the first situation is the amplification of the RF signal, whereas the most important item in consumption in the second case is the creation of the intermediate frequency. The phase is the final signal characteristic that may be modified. This sort of modulation is commonly used in telecommunications, such as GSM and Wi-Fi. A complicated infrastructure of mixers, phase shifters, and oscillators is used to demodulate a phase-modulated signal. It is not appropriate for low-power circuits due to its complexity. We identified no realizations based on this modulation in the literature for wake-up receiver-based applications.
所需的参数对唤醒接收机灵敏度,必须超过-70 dBm。我们可以克服低量程约束通过开发一个高度敏感的接收器。数据率主要取决于应用程序的另一个重要标准,因为大多数物联网应用程序需要很低很偶尔的转移。因此,降低数据率可以用来降低功耗。
许多研究在唤醒接收机的应用最近已经出版。高度集成和可伸缩的65纳米CMOS唤醒接收机提出了制造2022年(8]。它达到-91.5 dBm的性能敏感性与0.9 - -20.9的功耗μW女士1 s-10延迟。然而,在(9),作者设计只有一个包络检波器的前端唤醒接收器。两个人物的价值指导优化的权衡MOS包络检波器唤醒接收机已经提出。在[10),为低功耗无线局域网模式提供了一个新颖的方法使用唤醒接收机。建议的解决方案可以减少使用频宽比战略时出现的问题。在[11),作者提出一个nanowatt-powered唤醒接收机成为可能的重大进展。使用130纳米CMOS技术,唤醒接收机实现-76 dBm 151.8 MHz多用途广播服务乐队在433 MHz和-71年dBm工业、科学和医疗带直流电源总消费量的7.6西北。在[12),一个混合接收器放大器后门用的双平衡混频器和倍压器合并放大器和LC-resonator正交压控振荡器从变压器电路。这种基因混合在台积电接收机实现CMOS射频系统的过程是非常有用的。
另一方面,在13),作者提出了一个基于调谐射频唤醒接收机架构需要过滤为高灵敏度和高选择性射频增益。此体系结构更适合,因为它很简单和低成本的实现;它由一个放大器放大接收到的信号以最小的噪音,一个包络检波器降频转换器基带和射频信号频率显著低于承运人,基带放大器来提高电压水平的提取的信封,迟滞比较器和解码器。数字部分的选择PIC12由于其电气性能,内部外设,和空间需求。此唤醒接收机使用修改后的介质访问协议,允许3μW的功率消耗和检测灵敏度的-90分贝。2018年,王等人,彼得等人提出三种不同的唤醒接收器(14- - - - - -16),其基本设计包括变压器过滤器,一个包络检波器,比较器和数字基带。按照(14),他们使用一个活跃的包络检波器,本研究提出了一种113.5 MHz OOK-modulated唤醒接收机灵敏度达到-69分贝,而消费仅为4.5兆瓦的电力。使用一个被动pseudobalun包络检波器的LNA、作者的15)获得-80.5 dBm只有6.1西北的敏感性。因此,主动包络检波器系统可以实现超低功率操作,但有限的敏感性没有实质性的射频电压增益和低噪声基带电路。使用一个活跃pseudobalun包络检波器,彼得et al。16)完成一个400 MHz, 4.5西北电力和-63.8分贝灵敏度唤醒接收器使用这种方法。所有前系统采用相同的数字基带,这种相关器分析传入的数据通过计算之间的汉明距离序列和可编程采样过密的代码。一旦价值低于某一阈值,发现模式声明和相关器生成一个唤醒信号。几乎所有的先前描述的唤醒接收机设计操作在一个低频光谱,与一些还在2.4 GHz频率操作。
作为其他WLAN唤醒接收机的设计和实现,我们关注的是低功率放大器的设计使用RF-TSMC CMOS 0.18μ米技术。接收器链中的放大器是一个重要的阻碍,因为它大大增加了接收机灵敏度,对射频电路设计及其性能是一个挑战。放大器是第一个组件的信号接收链天线接收信号后,任何噪声由放大器将在整个链中,影响后续组件的性能;因此,它是至关重要的考虑这个参数。如图3放大器,放大器用来放大信号从天线接收不增加噪音。在长途通信的情况下,如卫星通信、波传播到不能控制的传播行数十或数百公里长,前面组件必须满足严格的要求,一个好的不同代理的每个链接需要之间的联系。在这种情况下,前端的晶体管放大器必须能够满足这些需求。此外,一些研究只关注放大器的实现已经出版17- - - - - -21]。
剩下的纸是组织如下:在部分2,低噪声放大器的设计进行了探讨。的参数,谐波平衡、蒙特卡罗和PVT模拟结果并给出了电路设计的部分3。部分4总结了纸。
2。方法
2.1。放大器的实现
图4说明了该放大器的拓扑。它由两个阶段的电阻shunt-shunt反馈。common-gate拓扑和定位作为输入阶段为了降低功耗和生成一个广泛的输入匹配在感兴趣的频率范围。由于输入匹配和增益之间的权衡common-gate阶段,同源性疾病阶段添加到实现高增益。shunt-shunt反馈结构是用来调整获得通过改变反馈电阻,提供不断变化的增益。连接到门的 ,并没有进一步推动当前是必要的。
利用电感 并联电感峰值和系列电感峰值,分别兴趣增加的带宽。的参数 是用于直流偏压隔离。
输入阶段形成的和晶体管。因此,和晶体管用于最小化的主要噪声源, 。认识到每个晶体管都有一个独特的噪音图,我们使用和电阻减少每个晶体管的噪声图,因此降低了整个电路的噪声图。
2.2。输入匹配
切比雪夫滤波器已经大幅横摇的利益因素阻带和通带波纹。这个过滤器输入阻抗共振反应操作频率范围的一部分。许多研究利用切比雪夫滤波器放大器实现的设计已经出版。在[22),一个简单的切比雪夫滤波器是用来匹配输入带宽。这个输入网络不太复杂,一个优秀的反射系数在3.1 GHz和10.6 GHz之间。作为输入阶段(23),切比雪夫滤波器已经建立的目的,提供适当的高端和低端截止频率。
此外,采用切比雪夫滤波器(24)获得宽带输入匹配和平坦的增益。图5描述了使用过滤器。
2.3。低压技术分析
身体偏置是应用于减少晶体管的T是一个V电压指标。T是一个V指数的降低使低DD V索引操作和提高电路设计的自由。根据仿真晶体管消耗最大的权力;因此,身体向前偏压将被应用到这个晶体管。
的NMOS可以表示如下: 在哪里与zero-body-source电压阈值电压,是身体的影响系数,然后呢是大部分费米的潜力。在这短暂的电压之间的身体和晶体管的源会有相对地 V减少 。根据仿真,T是一个V指数的NMOS晶体管可以降低当body-to-source电压0.38 V等于0.45 V。因此,电源电压和功耗降低。
2.4。消声技术分析
设计采用总噪声图给出如下:
我们可以假设,除了和 ,所有晶体管会影响整体噪声图;因此,我们要减少有关每个晶体管的噪声图为了减少总噪声图。
衬底电阻,可以用来减少噪音在金属氧化物半导体设备,从而提高放大器的噪声性能。
图7描绘了一个阻力与衬底MOS晶体管的示意图 。金属氧化物半导体设备的噪声等效电路衬底电阻如图8。
(一)
(b)
一般来说,衬底阻抗可以简化为一个简单的串联RC电路如下:
所以,衬底电阻表示如下:
噪声图可以表示为(25]
最低噪声图和噪声参数可以写成
从方程(3),添加一个衬底电阻增加了衬底阻抗 。根据方程(6)和(7),相当于衬底电阻增加降低了最小噪声图 ;此外,减少和减少了噪声图在方程(5)。
2.5。增益控制电路
增益控制结构如图4在第二个阶段。我们可以改变增益的调整 ,偏置电压。应该注意的是,被放置在门口的并可能被写成
考虑到根据方程(PMOS和8),互阻抗获得通过减少控制 。
3所示。仿真结果
3.1。参数仿真结果
使用广告,建议采用开发和模拟RF-TSMC CMOS 0.18μ米技术。我们应用现有的广告优化算法。我们可以设立目标,优化的类型,最终的范围使用这种方法所需的优化参数。直流电的电路使用1.45 mW, 0.6伏特的电源电压。电路优化的主要目标,减少噪音,给一个高增益和良好的输入匹配,并在考虑保留接受电路参数值。
表1显示了优化电感值,而表2显示最佳的电容值。应该注意的是,电感和电容值应该为了实现低可行。
所需的晶体管放大器的设计特点如表所示3。通过选择晶体管的最短长度为0.18μm,放大器的带宽和寄生电容是最小化。
参数分析是5和6 GHz之间进行。对于模拟的其余部分,我们将在5.2 GHz集中在结果上,自从ISM波段规范的IEEE 802.11 WLAN标准采用的载波频率5.2 GHz,如图1。由于更大的传输速率要求,802.11 b有11个Mbit / s显然不如802.11,这是一个修改的IEEE 802.11协议增加了更高的数据率高达54 Mbit / s利用5.2 GHz乐队(19]。
模拟输入反射系数S11图所示9。在5.2 GHz S11 = -14.15 dB。
反向隔离如图10。在5.2 GHz,参数系数S12小于-21.8分贝。增益功率等于21.7 dB的5.2 GHz,见图11。
图12说明了噪声的仿真结果图。该放大器展品最小噪声图大约1.6 dB在5.2 GHz。
提出的参数模拟放大器如图9- - - - - -12。在此基础上分析,我们可以得出结论,建议设计提出了更好的性能比现有几个电路在文献中。
3.2。谐波平衡仿真结果
我们使用谐波平衡仿真来验证设计的放大器。计算产品和三阶互调失真的拦截点,两个输入音调相同的强度但相隔很短的频率偏移或间距可以使用。在不同的混合频率,这两个音调相结合并产生高阶变形产品。
见图13,IIP3点的值等于-26.5 dBm代表一个好的线性非线性设备。
比较的性能恢复,品质因数(FoM)中定义的计算26]:
表4比较该放大器的电路性能的各种早些时候发表的研究。
3.3。蒙特卡罗模拟
一系列的蒙特卡罗模拟进行演示流程修改的影响放大器的性能参数。蒙特卡罗分析被用来减少5%的所有电路晶体管的大小。
数据14和15蒙特卡罗分析的结果。放大器的增益参数如图14200年,比14.9 dB蒙特卡罗模拟运行在5.2 GHz。放大器的噪声图参数小于2 dB 200年蒙特卡洛模拟运行在相同的频率范围,如图15。
3.4。PVT模拟
这个放大器的性能评估在不同过程的角落,供应电压和温度评估其对PVT变化的敏感性。增益和噪声指数是PVT的因素进行调整。这个过程角落本模拟中使用的铸造。
首先,三个病例被认为是:第一个(TC)是最典型的情况下,所有的晶体管的一个典型的模型和电路操作在0°C。第二种情况(WP)认为操作温度为-45°C的情况下和所有晶体管的模型符合FF (fast-fast)模型。第三例中的晶体管(WS)采用SS(慢慢)模型,和周围的温度是50°C。
在5.2 GHz, PT(温度)的变化没有影响功率增益值,如图16。而温度几乎没有影响噪声图值(图17),它仍然是小于2 dB为不同的温度。
知道降低电源电压是本文中使用的方法来减少电力使用情况,检查值分别为0.7 V, 0.6 V和0.55 V。
如图18在5.2 GHz,电源电压变化对功率增益值几乎没有影响,但最小增益值大约21 dB。然而,电源电压变化对噪声没有影响图的值(图19)。
4所示。结论和未来的工作
提出了工作描述的低功耗无线局域网LNA WSN唤醒接收机的应用程序。系统旨在给予更多重视减少功耗和噪声图。在0.18中实现μm CMOS技术,建议采用消耗0.87 mW。最大增益达到大约在5.2 GHz 21.7 dB。最低噪音水平大约是1.6分贝高衬底电阻是用来减少噪声图。角落里模拟完成观察电路的免疫力PVT变化以及蒙特卡罗模拟来证明放大器的性能。它可以分析得出结论,我们的设计在几乎所有性能参数提出了优势。因此,电路适用于应用程序,需要低功耗、低噪声、低成本的解决方案对WSN叫醒接收器。在未来的工作中,我们打算开发整个无线局域网唤醒接收机架构基础上的应用程序。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
信息披露
这项工作是下一个博士项目资助。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。