EMETTEUR ULB. Architectures & circuits. Ecole ULB GDRO ESISAR - Valence 23-27/10/2006. David MARCHALAND STMicroelectronics 26/10/2006

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1 EMETTEUR ULB Architectures & circuits David MARCHALAND STMicroelectronics 26/10/2006 Ecole ULB GDRO ESISAR - Valence 23-27/10/2006

2 Introduction Emergence des applications de type LR-WPAN : Dispositif communicant à durée de vie importante Capacité de localisation, positionnement et poursuite Spécifications «1Mbps / 1an / 1mètre» Exemples d applications visées (WSN) : Mesures structurelles sur des ouvrages du génie civil Contrôles de température/hydrométrie sur des cultures Mesures de paramètres vitaux (tension, pouls, etc.) associées à une localisation de la personne (WBAN) Suivie de pompiers lors d interventions Bas coût : Techno silicium à forte intégration de type CMOS 90/65 Architecture à tendance vers le «all digital» Basse consommation & durée de vie importante : Tension d alimentation de 1.2V ou inférieure Architecture orientée «wake-up radio» 26/10/2006 2

3 Plan de la présentation Spécifications du standard IEEE a Choix d une architecture générique d émission Modèle d impulsion choisi pour l analyse système Impact des imperfections circuit et dimensionnement Contraintes d une technologie de type CMOS avancée Contraintes d une conception industrielle Exemple de réalisation d un générateur de «burst» Conclusion : méthodologie de conception 26/10/2006 3

4 Standard IEEE a David MARCHALAND STMicroelectronics 26/10/2006 EMETTEUR ULB Archi & Circuit

5 Spécifications du standard IEEE a Basées sur le «Draft P a/D4» (08/2006) Bandes de fréquence obligatoires (BW=499.2MHz) : Canal 3 (4492.8MHz) dans la bande basse Canal 9 (7987.2MHz) dans la bande haute Support de 2 préambules de longueur 31 : PRF maximale de 7.80MHz & 31.2MHz PRF moyenne de 4.03MHz & 16.10MHz Support du débit de données de 0.85Mb/s : PRF maximale de 499.2MHz PRF moyenne de 3.9MHz & 15.6MHz Modulation de type BPM-BPSK (Transmission de bursts) Précision sur les fréquences : Fréquence du maximum +/- 20ppm Fréquence du «chipping +/- 20ppm 26/10/2006 5

6 Dimensionnement d une architecture d émetteur ULB David MARCHALAND STMicroelectronics 26/10/2006 EMETTEUR ULB Archi & Circuit

7 Architecture d émetteur Ultra Large Bande Architecture générique de radio impulsionnelle : Partie numérique : Générer la modulation des impulsions/bursts Partie analogique / RF : 1. Générer une impulsion 2. Moduler en ternaire l impulsion (+1;0;-1) 3. Amplifier le signal (limite 4. Filtrer le signal (bande de 499.2MHz) - optionnel 26/10/2006 7

8 Architecture d un générateur d impulsion Principe de l architecture «fonctionnelle» : Moduler une porteuse par une enveloppe Ajouter les imperfections circuits pour spécifier les différents blocs RF en vue de la conception - Bruit de phase - «ON STATE» (τ) Isolation (Im) Puissance (A) 26/10/2006 8

9 Comment générer une enveloppe ULB? 26/10/2006 9

10 Impulsion de type GWCP (1) Fenêtrage d une fonction cosinus par une Gaussienne GWCP : Gaussian Windowed Cosine Pulse Paramètres de l impulsion : f 0 : Fréquence de la porteuse (fonction cosinus) σ : Ecart type de l enveloppe Gaussienne Expression temporelle : 2 t p( t) = Aexp 2 2σ cos ( 2πf t) Expression fréquentielle unilatérale : 2 + (2π ( f f ) ) 0 σ P ( f ) = A πσ exp /10/

11 Impulsion de type GWCP (2) 26/10/

12 Amplitude maximale de l impulsion (1) Expression d un train d impulsions GWCP non modulées : + 2 t s( t) δ p π 2 0 k σ = = P a P p ( t k / R ) Aexp cos( 2 f t) Pulses _ train [ W B ] = A πσ R / a p [ ] W B = 4.938A πσ B / p p Pulse _ shape Estimation de la puissance moyenne pour Rp>1MHz : Simulation d une mesure par un analyseur de spectre Estimation de la puissance maximale pour Rp<1MHz : Extraction via le PAPR défini par la NTIA Dans le cas où Rp>1MHz, la PRF est un facteur pour le calcul de l amplitude maximale A 26/10/

13 Amplitude maximale de l impulsion (2) σ=341ps 26/10/

14 Amplitude maximale de l impulsion (3) Cas d une impulsion de BW Paramètre GWCP «1» : σ = 968ps (impulsion de 4.5ns) Cas d une impulsion de BW Paramètre GWCP «2» : σ = 426ps (impulsion de 2ns) Dans le cas du préambule - PRF@16.10MHz : Amplitude maximale «1» de 99mV sur 100Ω Amplitude maximale «2» de 224mV sur 100Ω Dans le cas des données - PRF@3.9MHz : Amplitude maximale «1» de 407mV sur 100Ω Amplitude maximale «2» de 925mV sur 100Ω La BW et la PRF sont des facteurs de l amplitude 26/10/

15 Amplitude maximale versus isolation (1) Ajout de deux imperfections : Isolation du mélangeur Durée de l état de fonctionnement de l oscillateur Modèle d impulsion avec isolation et effet «on-state» : 2 t ( t) = τ 2π 2σ + ( A A ) exp A rect () t cos( f t) pτ 0 Estimation de la puissance maximale (Rp<1MHz) : P I 2 = 4.938B p 0 σ A 0τ ( A A0 ) πσ + + A0τ ( A A ) π pτ 2 Définition de l isolation du mélangeur : m = 20log A 10 = 20log A α osc 26/10/

16 Amplitude maximale versus isolation (2) 26/10/

17 Influence du bruit de phase (1) Modèle de bruit de phase jitter simple : 2 t p jitter ( t) = Aexp ( πf t + θ() t ) σ cos θ(t) : Processus Gaussien de variance σ j 2 Expression du plancher de bruit : N jitter [ dbc Hz] ( σ ) ( f ) / 20log 10 DSE normalisée : πσ exp + = SN p jitter j ( 2 ( ( ) ) )[ ] 2 2π f f σ 1 σ πσ 0 [ ] σ + σ j j j + σ N=-120dBc/Hz pour un plancher de 34dBc 2 j 26/10/

18 Influence du bruit de phase (2) 26/10/

19 Influence des imperfections sur le spectre 26/10/

20 Contraintes industrielles et technologiques David MARCHALAND STMicroelectronics 26/10/2006 EMETTEUR ULB Archi & Circuit

21 Contraintes d une conception industrielle (1) La notion des variations «PVT» : «Process» : Variation des caractéristiques des transistors MOS, des capacités, etc. en fonction de la technologie Conception à +/- 3σ (σ : variance globale du process) «Voltage»: Variation de la tension d alimentation du circuit Conception à VDD +/- 10% (1.08V-1.2V-1.32V en C65) «Temperature»: Variation de la température «on-chip» Conception «on-chip» entre -20C et +105C PTVmin = Slow / VDD-10% / +105C PTVmax = Fast / VDD+10% / -20C Conception de type Fast/Slow et Slow/Fast (N/P MOS) 26/10/

22 Contraintes d une conception industrielle (2) Partie RF : Variation de la consommation Contrôle de la puissance de sortie Utilisation de boucle de mode commun Partie numérique : Conception du digital à PVTmin (2xF NOMINAL ) Synchronisation régulière des signaux Synthèse de fréquence : Oscillateur avec une plage d accord plus importante Aspects système (Précision de la localisation) : Estimation du drift d horloge entre le TX et le RX Estimation du délai de la partie RF 26/10/

23 Impact d une technologie submicronique Techno submicronique : CMOS 90nm et moins W Conséquence de l évolution technologique : L Augmentation de la vitesse des transistors Dégradation du bruit en 1/f Diminution de la linéarité Augmentation du Q des inductances Meilleure intégration des capacités Augmentation des couplages substrat Influence significative du layout pour les interconnexions Diminution de la tension d alimentation à 1.2V : Réduction de la consommation en numérique Réduction de la puissance disponible sur une charge RF 26/10/

24 Limitation du Vdd sur l amplitude (1) Solution différentielle : Source de courant : 200mV Tension de seuil des MOS : 300mV Dynamique sur la charge : 700mV ( ) Limitations de la puissance de sortie à 7dBm sur 100Ω Solution pseudo différentielle : Suppression de la source de courant Utilisation de NMOS et PMOS Limitation de la puissance de sortie à 9dBm sur 100Ω 26/10/

25 Limitation du Vdd sur l amplitude (2) Mise en œuvre d un co-design antenne/tx : Diminution de l impédance de charge du TX Augmentation de la puissance de sortie Impact de l antenne : Filtrage Modification de l allure de l impulsion Il est nécessaire de choisir l antenne (Z 0 ) et l architecture conjointement pour une optimisation 26/10/

26 Exemple d un générateur de «burst» David MARCHALAND STMicroelectronics 26/10/2006 EMETTEUR ULB Archi & Circuit

27 Générateur de «burst» PIMOUSSE (1) Spécifications : Conception d un générateur de «burst» compatible a Plage de fonctionnement : de 3GHz à 5GHz (bande basse) Génération d impulsions avec une PRF de 499.2MHz Modulation ternaire : BPM-BPSK [+1,0,-1] Largeur de bande du «burst» de Technologie : CMOS 65nm, 6 niveaux de métaux, sans option Tension d alimentation de 1.2V Performances mesurées : Puissance de sortie : 0dBm sur 100Ω différentielle Consommation : 12mA (RF) / 1mA en TYP. Conso. moyenne : 300µW pour un débit de 1Mbps 26/10/

28 Générateur de «burst» PIMOUSSE (2) 26/10/

29 PIMOUSSE : mesures préliminaires (1) 26/10/

30 PIMOUSSE : mesures préliminaires (2) 26/10/

31 En conclusion David MARCHALAND STMicroelectronics 26/10/2006 EMETTEUR ULB Archi & Circuit

32 Méthodologie de conception d un émetteur 1. «Interprétation» du standard sur les spécifications 2. analyse système associé 3. Choix d une architecture générique 4. Modélisation des imperfections circuit 5. Contraintes de la technologie utilisée 6. Choix d un mode de réalisation 7. Dimensionnement des blocs circuits 8. Layout de l émetteur 9. Simulation post-layout et vérification des spécifications 10. Envoi en fabrication 11. Allumer un cierge! 26/10/

33 Questions? Contact : david.marchaland@st.com ST Genève Suisse David MARCHALAND STMicroelectronics 26/10/2006 EMETTEUR ULB Archi & Circuit