Study and design of an impulse radio UWB synthesizer for 3.1-10.6 GHz band in 28 NM CMOS FD-SOI technology

Abstract

Resumo: Este trabalho de dissertação de mestrado apresenta o estudo e desenvolvimento de sintetizador de pulsos de radio ultra banda larga para a banda 3,1-10,6 GHz em tecnologia 28 nm CMOS FD-SOI. A primeira utilização dessa banda de frequência foi autorizada pela comissão federal de comunicações dos Estados Unidos em 2002. Visando a explorar essa banda de frequência, o padrão IEEE 802.15.4 escolheu as comunicações baseadas em pulsos de radio em detrimento das comunicações tradicionais de banda estreita. Uma linha importante de pesquisa e o estudo e desenvolvimento de um transmissor ultra banda larga, capaz de endereçar múltiplas bandas e múltiplos padrões diferentes, que e consistido em um sintetizador de pulsos de radio devendo ter a capacidade de cobrir a banda 3,1-10,6 GHz. Para atingir tal objetivo, visa-se a implementação de uma arquitetura versátil baseada em um gerador de pulsos constituído principalmente por um oscilador controlado por tensão, e um circuito de formatação da envoltória do pulso, em que e possível fazer ajuste da duração e da frequência central dos pulsos, e compensar variações PVT (Processo, Tensão e Temperatura). O objetivo principal deste trabalho de dissertação de mestrado e estudo e desenvolvimento de um sintetizador de pulsos baseado nessa arquitetura em tecnologia 28 nm CMOS FD-SOI, de maneira que esse circuito seja capaz de cobrir toda banda 3.1-10.6 GHz e ao mesmo tempo cumprir os requerimentos espectrais estabelecidos pelos padrões IEEE 802.15.4 e IEEE 802.15.6. No projeto do circuito proposto, utilizou-se a técnica de síntese de pulso por transposição de frequência, constituído principalmente por um oscilador local comutado, permitindo a redução do consumo de energia, em que o sinal produzido pelo oscilador e modulado por um pulso em banda base. Em relação a metodologia do projeto, trata-se de um projeto totalmente personalizado, em que se utilizou as logicas CMOS e CML (Logica Diferencial), e se considerou capacitâncias parasitas estimadas no intuito de melhorar o dimensionamento dos transistores. A arquitetura do oscilador escolhida neste projeto foi o oscilador em anel, a qual permite de se obter uma banda de frequência suficientemente alta. Acerca da formatação do pulso, escolheu-se uma envoltória possível de se implementar com circuito digital reprogramável, visando a endereçar os diferentes canais do padrão IEEE 802.15.4 e IEEE 802.15.6. O sistema implementado, em nível de esquemático de transistor considerando capacitâncias parasitas estimadas, apresenta um desempenho satisfatório sobre a toda a banda de frequência de interesse, em que os pulsos gerados respeitam os gabaritos espectrais impostos pelos padrões IEEE, evidenciando a capacidade do circuito prosposto de ser multi-banda e cobrir toda a banda de frequência de interesse. Em relação ao consumo de potência, esse e influenciado pela duração do pulso e sua frequência central. Ademais, obteve-se um consumo de potencia estática 14 µW e um consumo de energia por pulso emitido máximo de 308 pJ, em que para esse caso, o pulso apresenta um energia transmitida de 11,7 pJ por pulso, assim apresentando uma eficiência de 3,8 %.

Abstract: This dissertation work concerns the study and design of an impulse radio ultra-wide band synthesizer for 3.1-10.6 GHz frequency band in 28 nm CMOS FD-SOI technology. Indeed, this frequency band exploitation was initially authorized by the federal communications commission of United States in 2002. Targeting to exploit this frequency band, the IEEE 802.15.4 standard has chosen the communications based on impulse radio instead of the traditional narrowband communications. Besides, the impulse radio communications should respect communications standards, like the IEEE 802.15.4 for wireless personal networks, or IEEE 802.15.6 for wireless body networks. These IEEE standards define the generated pulse bandwidth and its central frequency. An important line of research is the study and design of a multi-standard or multi-band UWB transmitter, consisted by a pulse synthesizer that should be able to address all the standardized channels. To accomplish this, a proposed solution reposes on design of versatile architecture based on pulse generator and an envelope shaping circuit, where it is possible to tune the pulse duration and central frequency, and also to compensate PVT variations (Process, Voltage and Temperature). The dissertation work main goal is the study and design of a pulse synthesizer based on this architecture in 28 nm CMOS FD-SOI technology, such that the designed system is capable to cover all the 3.1-10.6 GHz and at same time to comply the spectral requirements established by IEEE 802.15.4 and 802.15.6 standards. In relation of the proposed circuit design, it is applied the pulse synthesis technique based on frequency transposition, that is mainly composed by a local oscillator that can be turned on and off, which allows to reduce the power consumption. The generated oscillation is modulated by a baseband pulse. Concerning the design methodology, it is a full-custom project, where CMOS and CML logics were used, and estimated parasitic capacitances were considered to achieve more reliable transistor sizing. The oscillator architecture chosen is based on ring oscillator, which allows to reach a frequency range sufficiently large. For the pulse shaping, it was chosen a envelope that is feasible to implement with fully digital circuit, targeting to address all IEEE 802.15.4 and IEEE 802.15.6 standard channels. The implemented system presents, in schematic levels considering parasitic capacitances, a satisfactory performance over all the 3.1-10.6 GHz band, where the generated pulses respect the spectral requirements imposed by the IEEE standards, therefore indicating that the proposed circuit is multi-band and able to cover all frequency band of interest. In terms of power consumption, it was achieved a power leakage of 14 µW and a maximal energy per pulse consumption of 308 pJ, where for this case, the pulse has an emitted energy of 11.7 pJ per pulse, therefore a efficiency of 3.8 %.