As the market for biomedical services grows, there has been increasing demand for wireless transmission of bio-signals with minimized power dissipation. Existing solutions such as ZigBee and Bluetooth-LE are not appropriate for such applications because of the large power dissipated by the transceiver. There is accordingly need for an ultra-low power (ULP) transceiver that reduces the power by more than an order of magnitude.
Most previously reported ULP receivers were developed for single-channel data transmission focusing on low power consumption. However, to accommodate multiple users at the same time and place, multi-channel functionality is essential.
This dissertation presents a multi-channel ULP 1Mb/s 2.4GHz OOK receiver in 65nm CMOS for wireless sensor network applications. Main focus is reducing the power of LO generation blocks in the ULP OOK receiver. Considering the relaxed frequency stability requirement of OOK modulation, a receiver based FLL (RBFLL) is proposed which adopts the receiver chain as a part of FLL substituting the power hungry divider. Furthermore, by adopting RF I/Q generator and external inductor based VCO relaxed the power burden of LO generation circuitry. The proposed ULP receiver is based on low-IF architecture with RBFLL in cooperation with an ULP high gain LNA, hybrid complex filter, and quadrature summation envelope detector. It exhibits -83dBm sensitivity at 1Mb/s data-rate and -30.5/-22.5dB CW/OOK signal-to-interferer rejection ratio (SIR) at 10MHz offset frequency, allowing multi-channel operation, while consuming 227μW (227pJ/b energy efficiency).
본 논문에서는 무선 센서 네트워크용 초저전력 2.4GHz OOK 수신기를 65nm CMOS 공정을 사용하여 구현하였다. 제안된 수신기는 전력을 많이 소모하는 국부발진회로 및 위상동기루프의 전력소모를 줄이는 것에 특히 초점을 맞추었다. OOK modulation을 사용함으로써 요구되어지는 적당한 수준의 국부 발진 주파수 안정도를 바탕으로 수신기의 일부를 주파수 분주기로서 사용하는 수신기 기반의 주파수 동기 루프를 제안하였다. 또한, RF I/Q 발생기의 적용과 on-chip 인덕터 대신 external 인덕터를 사용하여 국부발진회로를 초저전력으로 구현하였다. 이와 더불어 새롭게 제안 및 설계된 초저전력 LNA, hybrid complex filter, quadrature summation envelope detector가 수신기에 적용되어 수신기의 감도를 저하시키지 않고 전력소모를 줄이는 것이 가능하였다.
결과적으로, 본 논문에서 제안된 초저전력 수신기는 총 227uW를 소모하며, 1Mb/s의 데이터 전송속도에서 -83dBm의 수신감도 성능, 10MHz offset 의 CW (continuous wave) 혹은 OOK 간섭신호에 대해 각각 -30.5dB와 -22.5dB의 신호 대 간섭신호 비 성능 (signal-to-interferer ration, SIR)을 보여줌으로써 극소전력만을 사용하여 다채널 수신기로서의 동작이 가능함을 제시하였다.
