KR20150020672A - 단거리 통신용 초저전력 라디오 - Google Patents

단거리 통신용 초저전력 라디오 Download PDF

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KR20150020672A
KR20150020672A KR20157000479A KR20157000479A KR20150020672A KR 20150020672 A KR20150020672 A KR 20150020672A KR 20157000479 A KR20157000479 A KR 20157000479A KR 20157000479 A KR20157000479 A KR 20157000479A KR 20150020672 A KR20150020672 A KR 20150020672A
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데이빗 디. 웬츨로프
나탄 이. 로버츠
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더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시건
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Abstract

저전력 라디오를 위한 웨이크-업 기능이 제공된다. 라디오는: 안테나, 정류기 및 비교기를 포함한다. 정류기는 안테나로부터 RF 신호를 수신하도록 구성되며, RF 신호의 존재하에 크기가 감소하는 출력을 생성한다. 비교기는 정류기로부터의 출력을 기준 신호와 비교하고, 다른 라디오 컴포넌트에 대한 활성 신호를 출력한다. 활성 신호에 응답하여, 라디오 컴포넌트는 저전력 소비 모드에서 고전력 소비 모드로 전환한다. 이러한 방식으로, 정류기 및 비교기는 RF 신호의 존재 하에 협동하여 웨이크-업 기능을 수행하도록 작동한다.

Description

단거리 통신용 초저전력 라디오{ULTRA-LOW-POWER RADIO FOR SHORT-RANGE COMMUNICATION}
본 발명은 저전력 라디오, 특히 저전력 라디오에 사용하기 위한 개선된 정류기(rectifier)에 관한 것이다.
정부 조항(GOVERNMENT CLAUSE)
본 발명은 국립 과학 재단(National Science Foundation)에 의해 수여된 승인번호 CNS1035303 하에 정부 지원이 이루어졌다. 정부는 본 발명에 일정한 권리를 갖는다.
상호참조에 관한 관련출원(RELATED APPLICATIONS TO CROSS-REFERENCE)
2013년 6월 12일에 출원된 US 유틸리티 출원번호 13/915,749에 우선권을 주장하며, 2012년 6월 12일에 출원된 US 가출원 제61/658,515의 이익을 주장한다. 상기 출원의 전체 내용이 참고로 인용된다.
인체 영역 네트워크(body area networks; BAN)의 무선 센서 노드의 유비쿼터스 사용을 이끄는 두 개의 중요한 과제는 소형 및 저전력 소비이다. 라디오 전력이 일반적으로 센서 노드의 총 전력의 대부분을 소모하기 때문에 에너지 효율적인 디자인이 상당한 걸림돌이 된다. BAN의 소비 전력을 감소하는 하나의 기술은 저전력 슬립 상태(low-power sleep state)로 고전력 라디오 통신을 유지하는 비동기 통신(asynchronous communication)을 사용하는 것이다. 이것을 달성하는데 사용되는 일반적인 기술이 50μW 정도의 낮은 소비 전력의 라디오이다. 그러나, 이들은 항상 ON이 되어 있어서 노드의 전체 에너지 소비의 상당 부분을 차지한다. 또한, BAN에 중단없이 전력 감소가 사용할 수 있는 점에 센서 노드의 수명을 향상시킬 필요가 있다.
도 1은 공개된 초저전력 라디오의 감도 비교 조사(왼쪽 상단) 및 2005-2012에서의 에너지 수확기(energy harvester)(오른쪽 아래)를 도시한다. 1) 전력을 소비하는 저전력 라디오 및 2) 전력을 생성하는 에너지 수확기(energy harvester)의 두 부분으로 플롯이 나누어져 있다.
저전력 라디오 부분을 보면, -60dBm 이하의 감도를 가지는 라디오에 있어 -1/2의 경험적 기울기(empirical slope)가 명백하다. 이 기울기는 데이터 레이트(data rate), 아키텍처(architecture)의 변화, RF 주파수의 증폭 및 라디오(radio)에 존재하는 비선형과 같은 여러 변수의 영향을 받는다. 조사는 BAN 연구에 일반적인, 초 저전력 수신기를 포함하며; 따라서, 높은 전력을 가지는 블루투스(Bluetooth)나 지그비(Zigbee) 수신기는 이 선 위에 있을 것이다. RF에서 이득을 달성하기 위한 최소한의 전력 요구에 의해 유발되는, 50μW 주위의 눈에 띄는 전력 층이 존재한다.
에너지 수확기 부분에서, 또한 -30dBm 이상의 감도의 데이터에서 -1/2의 경험적 기울기가 명백하다. -30dBm 이하에서, 수신된 전압이 정류기 단계를 완전히 정류하기에 충분하지 않고, 전력 수확 효율이 급격히 떨어진다.
도 1에서 보면, 50μW 이하 및 -60dBm 및 -36dBm 사이의 영역에서 통신이 존재하지 않는 것을 알 수 있다. 이 영역의 왼쪽 영역 및 상부에서 무선 통신(radio)이 이루어짐이 명백하게 입증되었고, 오른쪽에서 수신 전력이 충분히 높아서 제로 전력으로 통신하기 위해 정류가 이용된다는 것이 명백하다. 이 연구의 목적은 감도 -40dBm 및 전력 소비 <1μW의 라디오를 대상으로 외삽 추세(extrapolated trend lines)의 교차점 근처에서, 이 영역을 탐색하는 것이다.
따라서, 본 발명은 도 1의 외삽 추세(extrapolated trend lines)의 교차점 근처에서 동작하면서 상기 과제를 모두 해결하기 위해 액티브 영역을 가지는 저전력 라디오를 제공하는 것이다. 이 섹션은 반드시 선행기술이라고 볼 수 없는 본 발명과 관련된 배경 정보를 제공한다.
이 섹션은 본 발명의 일반적인 개요를 제공하는 것이며, 그 전체 범위 또는 모든 기능을 포괄적으로 공개하지 않는다.
웨이크-업 기능(wake-up function)이 저전력 라디오에 제공된다. 웨이크-업 기능은 안테나, 정류기(rectifier) 및 비교기(comparator)에 의해 구현된다. 정류기는 안테나로부터 RF 신호를 수신하도록 구성되며 RF 신호의 존재 하에 감소되는 크기를 가지는 출력을 생성한다. 비교기는 정류기로부터의 출력을 기준 신호와 비교하고, 다른 라디오 컴포넌트에 대한 활성 신호(activation signal)를 출력한다. 활성 신호에 응답하여, 상기 라디오 컴포넌트는 저전력 소비 모드에서 고전력 소비 모드로 전이한다. 이러한 방식으로, 정류기 및 비교기는 RF 신호의 존재하에 웨이크-업 기능을 수행하도록 협력적으로 작동한다.
본 발명의 한 측면에서, 정류기는 일반적으로 액티브 회로(active circuit), 레플리카 바이어스 회로(replica bias circuit) 및 액티브 피드백 회로(active feedback circuit)로 구성된다. 액티브 회로는 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터(active field effect transistor)를 포함한다. 액티브 회로는 RF 신호를 수신하도록 구성되고, RF 신호의 존재 하에서, 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에서의 전압을 감소시키는 동작한다. 레플리카 바이어스 회로는 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터(bias field effect transistor)의 드레인 단자에 정전압(constant voltage)을 출력하도록 작동하는 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터를 포함한다. 액티브 피드백 회로는 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 접속된 입력부(input) 및 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터 및 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터의 게이트 단자에 접속된 출력부(output)를 가지며, 액티브 피드백 회로가 서브쓰레드홀드 영역(subthreshold region)에서 작동하도록 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터를 바이어스하며(bias), 서브쓰레드홀드 영역(subthreshold region)에서 작동하도록 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터를 바이어스한다.
액티브 회로는 제2 액티브 전계 효과 트랜지스터 및 제2 바이어스 전계 효과 트랜지스터를 더 포함할 수 있고, 제2 액티브 전계 효과 트랜지스터는 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터의 드렌인과 접속된 소스를 가지며, 제2 바이어스 전계 효과 트랜지스터는 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터의 드레인에 접속된 소스를 갖는다.
액티브 피드백 회로는 제2 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 연결된 반전 단자(inverting terminal), 기준 전압 회로(voltage reference circuit)에 연결된 비반전 단자(non-inverting terminal) 및 제1 전계 효과 트랜지스터 및 제2 전계 효과 트랜지스터 모두의 게이트 단자에 연결되는 출력 단자를 가지는 연산 증폭기(operational amplifier)로서 정의될 수 있다.
기준 전압 회로는 일반적으로 캐스코드 전류 미러(cascode current mirror); CTAT(complementary to absolute temperature) 전압 발생기; 및 PTAT(proportional to absolute temperature) 전압 발생기로 구성될 수 있다. CTAT 전압 발생기 및 PTAT 전압 발생기는 서로 직렬로 연결되며 캐스코드 전류 미러의 출력부에 교차하여 연결된다. 또한, CTAT 전압 발생기는 상위 FET(upper field effect transistor)를 포함하고, PTAT 전압 발생기는 하부 EFT(lower field effect transistor)를 포함하며, 상위 FET의 소스 단자는 하위 FET의 드레인 단자에 연결된다. 참고로, 상위 FET(upper field effect transistor)의 게이트는 하부 EFT(lower field effect transistor)의 게이트에 연결된다.
일부 실시예에서, 필터는 안테나 및 정류기 사이에 개재된다. 필터는 안테나로부터 RF 신호를 수신하고 특정 주파수 범위에서 신호를 출력하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 라디오 컴포넌트는 또한 무선 송수신기로서 또는 라디오의 하우징 내의 제어기로서 정의된다.
이용가능한 영역은 본원에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 이 섹션의 설명 및 특정예는 단지 설명을 위한 것이며 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1은 저전력 및 에너지 수확기의 조사를 도시한 차트이다;
도 2는 저전력 라디오용 예시적인 아키텍처의 블록도이다;
도 3은 예시적인 정류 회로의 개략도이다;
도 4는 예시적인 온-칩 기준 전압 회로의 개략도이다;
도 5는 라디오에 의해 출력된 파형을 도시한 그래프이다;
도 6a 및 도 6b는 각각 입력 전력 및 주파수의 함수로서 저전력 라디오의 비교기에서 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
본 명세서에서 설명된 도면은 단지 선택된 실시예를 설명할 목적이며 모든 가능한 실시예를 설명하고자 하는 것이 아니며, 또한 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분에 대응하는 참조 부호를 나타낸다.
실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 저전력 라디오 라디오(10)의 예시적인 배열을 묘사한다. 라디오(10)은 안테나(12), 필터(13), 정류기(14) 및 비교기(15)를 포함한다. 예시적인 배열은 또한 1.2V와 같은, 단일 외부 전원 공급장치(external power supply; 16)를 포함한다. 일 실시예에서, 정류기(14) 및 비교기(15)는 단일 칩(17)에 통합된다. 오프-칩(off-chip) FPGA에 의해 제어되는 스캔 체인(scan chain)을 이용하여 구현되는, 교정을 통해 프로세스 및 미스매치가 보상되지만 퓨즈(fuses)를 이용하여 일회성으로 프로그래밍될 수도 있다. 라디오의 관련 컴포넌트만 도 1에 관련하여 논의되지만, 제어기 또는 오디오 출력부와 같은 다른 컴포넌트도 작동 장치를 구성하는데 필요할 수 있다. 라디오용 기타 아키텍처 배열은 본 발명의 넓은 관점에서 고려된다.
작동 동안, RF 신호가 안테나(12)에서 수신되고 전력은 정류기(14)의 입력부에 도달하기 전에 필터(13)에 의해 일치된다. -40dBm의 감도에 있어, 안테나에서의 입력 신호는 약 2.2mV일 것이다. 필터(13)는 특정 주파수 범위에서 신호를 전달하도록 작동한다. 예시적인 실시예에서, 상기 필터(13)는 공진 탱크 회로(resonant tank circuit)로서 정의된다. 정류기의 변환 이득을 최대화하기 위해 정류기로의 입력 신호가 가능한 한 큰 것이 바람직하기 때문에, 수신 전압을 올리기 위해 정류기의 입력부에서 공진 탱크가 이용될 수 있다. 공진 탱크를 구현하기 전에, 측정된 회로의 입력 임피던스는 0.7-j18.8이므로 공진 탱크에서 1pF의 커패시터 및 5.5nH의 인덕터를 사용하여 12dB까지 웨이크-업 라디오의 감도를 증가시켰다.
정류기(14)는 RF 신호의 존재하에 그 크기가 감소하는 액티브 출력(Vactive)을 생성한다. 정류기(14)는 일정하게 유지되는 레플리카 바이어 출력(Vbias)을 생성하고, 이에 의해 비교기(15)의 입력부에서 바이어스 점으로서 작용한다. 정류기(14)로부터의 두 출력 신호가 비교기(15)로 공급된다. 비교기(15)는 차례로 두 입력 신호를 비교하고 디지털 출력을 생성한다. 예를 들면, 비교기(15)는 액티브 신호가 바이어스 신호보다 작은 때 큰 값을 가지고, 액티브 신호가 바이어스 신호보다 클 때 낮은 값을 갖는 활성 신호(activation signal)를 출력한다.
비교기(15)의 디지털 출력은 또 다른 라디오 컴포넌트에 대한 활성 신호(activation signal)로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 활성 신호(activation signal)는 제어기, 다른 무선 송수신기(예를 들면, 블루투스 송수신기) 또는 저전력소비 모드(예를 들면, 슬립 모드)로 작동하는 다른 라디오 컴포넌트를 활성화시키는데 이용될 수 있다. 활성 신호에 응답하여, 라디오 컴포넌트는 저전력 소비 모드에서 고전력 소비 모드로 전환한다. 이러한 방식으로, 정류기(14) 및 비교기(15)는 협동하여 RF 신호의 존재 하에 웨이크-업 기능을 수행하도록 작동한다.
도 3은 저전력 라디오(10)에서 사용하는 정류기(14)의 실시예를 묘사한다. 정류기(14)는 일반적으로 액티브 회로(31), 레플리카 바이어스 회로(32) 및 액티브 피드백 회로(33)로 구성된다. 액티브 회로(31)는 RF 신호를 수신하도록 구성되며, RF 신호의 존재하에, RF 신호의 존재시 감소하는 전압을 출력하도록 작동한다. 실시예에서, 액티브 회로(31)는 전계 효과 트랜지스터(M1)으로 구성되며, 여기서 액티브 출력이 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에서 출력된다. 예를 들면, 전계 효과 트랜지스터는 또한 이진 가중형 6-비트 전류 DAC(binary-weighted 6-bit current DAC)에 의해 제어되는, 약한 반전에서의 셀프-바이어스 트리플-웰 NMOS 장치(self-biased triple-well NMOS device)로 정의될 수 있다. NMOS 장치는 서브 쓰레드홀드 기울기를 감소시키는, (본체에 연결된 게이트) DTMOS로 구성되며 그 전환 이득을 증가시킨다. 신호가 존재하면 낮은 출력(Vactive)이 출력된다.
예시적인 실시예에서, 레플리카 바이어스 회로(32)는 또한 그 드레인 단자에서 정전압(constant voltage)을 출력하도록 작동하는 전계 효과 트랜지스터(M2)로 구성된다. 다른 유형의 트랜지스터가 본 발명에서 고려될 수 있지만, 전계 효과 트랜지스터(M2)는 액티브 회로(31)에 사용되는 NMOS 장치와 동일할 수 있다.
액티브 피드백 회로(33)는 액티브 회로(31) 및 레플리카 바이서스 회로(32)를 바이어스하도록 작동한다. 특히, 액티브 피드백 회로는 서브 쓰레스홀드 영역에서 작동하도록 전계 효과 트랜지스터(M1, M2)를 바이어스한다. 실시예에서, 액티브 피드백 회로(33)는 연산 증폭기(operational amplifier)이며, 연산 증폭기에서 반전 단자는 레플리카 바이어스 회로의 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 접속되고, 비반전 단자는 기준 전압 회로에 접속되며, 출력 단자는 액티브 회로 및 레플리카 바이어스 회로 모두의 전계 효과 트랜지스터의 게이트 단자에 접속된다. NMOS 장치(M2)의 최소 오버헤드의 2~3 배에 해당하는 공칭 기준 전압(nominal voltage reference)에 접속된 하나의 입력부를 가지는 액티브 피드백 증폭기(33)가 레플리카 바이어스 회로(32)를 셀프-바이어스하는데 이용되고 나서 액티브 정류기로 DC 바이어스를 제공한다. RF 신호의 존재하에, 정류기(M1)가 빠르게 드레인 전압을 낮추고 나서 도 5에 도시된 것처럼 선형 영역에 들어올 때 고르게 하고, 그로 인하여 신호가 사라질 때 신속하게 재설정시킨다. 액티브 피드백 회로에 대한 다른 구현 또한 본 발명에서 고려된다.
정류기의 드레인에서의 전압을 비교기(15)의 공통-모드 범위 내의 전압으로 레벨 시프트(level shift)하도록 두 개의 추가 트랜지스터(M3, M4)가 이용될 수 있다. 실시예에서, 한 트랜지스터(M3)는 액티브 회로(31) 내의 전계 효과 트랜지스터(M1)의 드레인 단자에 연결되는 소스 단자를 갖는다; 반면, 다른 트랜지스터(M4)는 레플리카 바이어스 회로(32) 내의 전계 효과 트랜지스터(M2)의 드레인 단자에 연결된 소스 단자를 갖는다.
도 4는 정류기(14)와 함께 사용될 수 있는 예시적인 기준 전압 회로(40)를 도시한다. 기준 전압 회로(40)는 매우 낮은 전력 레벨에서 비교적 안정된 출력 전압을 가지도록 설계된다. 일 실시예에서, 기준 전압 회로(40)는 일반적으로 캐스코드 전류 미러(41); CTAT(complementary to absolute temperature) 전압 발생기(42); PTAT(proportional to absolute temperature) 전압 발생기(43)로 구성된다. CTAT 전압 발생기(42) 및 PTAT 전압 발생기(43)은 서로 직렬로 연결되고 캐스코드 전류 미러(41)의 출력부에 교차하여 연결된다. 실시예에서, CTAT 전압 발전기(42)는 상위 FET(upper field effect transistor)에 의해 구현되고 PTAT 전압 발생기(43)는 하위 FET에 의해 구현되며, 여기서 상위 FET의 소스 단자는 하위 FET의 드레인 단자에 연결된다. 참고로, 상위 FET의 게이트는 하위 FET의 게이트에 연결된다. 상위 FET의 게이트를 하위 FET의 게이트에 연결하지 않으면(대신 VDD로 묶고), 상위 FET가 너무 강해서 정류기 회로에서 원하는 것보다 높은 기준 전압을 이끈다. 하위 FET의 게이트를 상위 FET의 게이트에 연결하는 것을 통해 그 강도를 감소시키고 정류기를 적절하게 작동하는데 필요한 범위 내에서 출력 전압을 낮출 수 있다. 절대 전압 출력 성능 및 안정성이 기준 전압의 낮은 전력 성능만큼 중요하지 않으므로 이것이 허용될 수 있다. 다른 기준 전압 회로도 본 발명의 넓은 관점 내에 포함될 것이다.
작동시, 정류기는 인버터와 같이 기능한다. 인버터의 풀-업 부분(pull-up portion)은 끊임없이 M1에서 상승하는 전류 DAC이다. M1은 인버터의 풀-다운 부분(pull-down portion)이고 두 정상 사이의 출력을 유지하도록 피드백 증폭기에 의해 바이어스된다. 신호가 존재하면, 약한 반전 정류기(weak inversion rectifier)의 지수 거동(exponential behavior)이 풀다운을 더 강하게 하고 출력을 낮게 이끌 것이다. 정류기 바이어스되어서 드레인 전압이 최소 헤드룸(headroom)의 2~3배가 되기 때문에, 드레인 전압이 매우 빠르게 고르게 된다. 이 시점에서, 비교기 출력을 전환(toggle)할 정도로 출력이 충분히 떨어진다. 입력 신호가 제거되면, 풀업이 풀업과 풀다운 사이의 균형을 회복할 것이다.
실시예에서, 정류기의 출력을 비교하기 위해, 조정가능한 비대칭성(tunable asymmetry)을 가지는 이력 비교기(hysteretic comparator)가 사용된다. 비교기는 히스테리시스(hysteresis)의 양을 결정하기 위해 4-비트 이진 가중형 교정 방식(4-bit binary-weighted calibration scheme)을 사용한다. 비교기의 양 측의 평행 꼬리 장치(parallel tail device)를 이용하여 교정이 이루어진다. 양 측의 4개의 장치 중에서 이진 스위칭(binary switching)이 그 유효폭을 변경하고, 따라서 입력 오프셋을 변경한다. 공통 모드 입력 전압은 300mV 내지 600mV의 범위 내이고, 히스테리시스는 -31mV 내지 +29mV의 범위 내이다. 정류기에 사용된 것과 유사한, 7-비트 이진 가중형 전류 DAC를 사용하여 프로세스 변화에 걸쳐 전력을 제어하고, 전력 소비 및 디바이스 누설을 감소시키기 위해 두꺼운 산화물 장치를 사용한다. 비교하기 위해 라디오가 다른 유형의 컴포넌트를 채용하고 그렇지 않으면 정류기의 출력을 처리하는 것이 고안된다.
약한 반전에서 장치를 사용하는 디자인에서 미스매치가 과장되기 때문에, 미스매치가 성능에 미치는 영향을 줄이기 위해 여러 단계를 수행하였다. 액티브 정류기와 레플리카 바이어스 회로의 출력에서의 상대적인 전압 레벨에서 미스매치가 가장 두드러질 것이다.
액티브 정류기 및 레플리카 바이어스 모두에 있어 게이트 바이어싱(gate biasing)을 제어하기 위해, 정류기를 위한 공칭 작동이 바이어스 장치의 드레인 전압에 접속된 입력부를 가지는, 단일 피드백 증폭기를 이용한다. 이를 통해 두 장치가 동일한 게이트 전압으로 바이어스되며, 미스매치 없이, 동일한 드레인 전압을 생성한다. 그러나, 미스매치로 인하여, 드레인 전압이 달라질 것이며 이러한 효과를 보상하기 위해, 비교기의 프로그래머블 히스테리시스(programmable hysteresis)가 액티브 출력 및 바이어스 출력 사이의 차이를 교정할 수 있다.
정류기의 액티브 장치의 출력 및 바이어스 장치의 출력 사이의 오프셋이 매우 충분한 경우, 제2 피드백 증폭기가 사용될 수 있어서 액티브 장치 및 레플리카 바이어스 장치가 독립적으로 바이어스될 수 있다. 각 액티브 피드백 요소는 자신의 드레인 전압을 근접하게 끌어오기 위해 동일한 온-칩 기준 전압 입력을 가질 것이다. 액티브 정류기 및 바이어스 정류기 사이에서 전압이 공유되기 때문에, 전압 레벨에 둔감한 정확한 PVT은 필요하지 않다. OOK 입력 신호의 존재하에 바이어스 레벨을 정상으로 유지하기 위해 피드백 증폭기는 충분히 느린 응답 시간을 갖는다. 이 방법의 단점은 피드백 증폭기에서의 총 전력 소비를 두 배로 하고 감도가 감소된다는 것이다.
일부 실시예에서, 저전력 라디오은 듀티-순환 웨이크-업(duty-cycled wake-up) 전략을 지원하기 위해 저전력 슬립 모드로 설계되었다. 슬립 모드에서 에너지 소비의 중요성이 추가로 강조된다. 슬립 모드 에너지를 향상시키기 위해, 두꺼운 산화물 전력 게이트 장치(thick-oxide power gating device)가 최소 길이 이상으로 설계에서 사용된다.
실시예에서, 저전력 라디오는 0.13㎛ CMOS로 제조되고 단일 1.2V 전원 하에 작동한다. 저전력 라디오의 액티브 영역은 15 X190㎛2이다. 테스트 회로 없이, 저전력 라디오은 5 IO 핀을 사용한다.
-41dBm의 감도를 가지는 915MHz의 신호가 수신기 입력부에 직접 접속되고 신호 출력이 오실로스코프(oscilloscope)에서 모니터링된다. 100kbps로의 데이터 레이트에서 신호가 OOK 변조된다. 도 5는 98nW 총 전력에서 실행되는 저전력 라디오의 과도 작동(transient operation)을 나타낸다. 패치 안테나를 사용하는 통신은 0dBm으로의 송신 전력을 사용하여 4ft의 거리에서 확인되었고, 이는 프리스 식에 기초한 8.5ft의 이론적 통신 거리의 거의 절반에 해당한다.
도 6a 및 도 6b는 각각 입력 진폭 및 주파수의 함수로서 정류기의 측정된 출력 전압을 나타낸다. 도 6a는 낮은 입력 감도에서 감소된 출력 전압 진폭을 나타낸다. 높은 입력으로, 잠재적인 전력 절감(potential power savings)을 가능하게 하는 변환 이득(conversion gain)을 개선한다. 예를 들면, -30dBm에서, 웨이크-업 라디오의 소비 전력는 53nW로 감소될 수 있다. 도 6b는 오프-칩 공진 탱크에 기인한 출력 전압 대 주파수를 나타낸다. -36dBm의 입력 전원에서 데이터를 취하였고, 데이터는 920MHz에서의 피크 공명을 나타내지만 915MHz에서 충분한 성능을 발휘했다.
Power
(nW)		 Min Max
바이어스 회로 20nW 히스테리시스
교정		 -31mV +29mV
정류기 23nW 히스테리시스
해상도		 2mV
레플리카 회로 23nW 전류 DAC
해상도		 1.4nA
피드백 증폭기 4nW 온칩 기준 전압 시작 시간 110
비교기 28nW
전체 98nW Sleep Power 11pW
상기 표 1은 도 5와 동일한 상태에서 저전력 라디오의 전력 브레이크다운(breakdown)을 나타낸다. 전체 라디오는 11pW의 측정된 슬립 전력으로 총 98nW를 소비하였다. 표의 우측에 피드백 증폭기에서 사용된 온-칩 기준 전압에서의 슬립으로부터 시작 시간뿐만 아니라 교정 설정 해상도(Resolution)를 나타낸다.
This Work [1] [2] [3]
전력 98nW 51uW 52uW 500uW
주파수 915MHz 915MHz 2GHz 916.5MHz
데이터-레이트 100kbps 100kbps 100kbps 1Mbps
에너지/비트 0.98pJ/bit 510pJ/bit 520pJ/bit 500pJ/bit
감도 -41dBm -75dBm -72dBm -37dBm
다이 영역(Die Area) 0.3mm2 0.36mm2 0.1mm2 1.82mm2
VDD 1.2V 0.5V 0.5V 1.4V
프로세스 0.13
CMOS		 90nm
CMOS		 90nm
CMOS		 0.18
CMOS
상기 표 2는 다른 저전력 라디오 장치와의 비교를 나타낸다. 감도가 감소하면 훨씬 더 낮은 전력의 라디오 디자인뿐만 아니라 더 에너지 효율적인 통신이 가능함을 알 수 있다. -40dBm 주위에 감도 수준은 신체 영역 네트워크의 많은 적용분야에서 허용된다.
0.13㎛ CMOS에서 설계되는 저전력 라디오를 제시하였다. RF에서 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 생성할 필요가 없도록 함으로써, 라디오 전력이 조사된 50μW 전원층 이상으로 감소될 수 있다. 이 방법을 이용하여 -41dBm 감도와 100kpbs 데이터 레이트를 가지는 98nW 웨이크-업 라디오가 달성되었다.
실시예들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 그것들은 발명을 망라하거나 제한하려는 것이 아니다. 특정 실시예의 개별 요소 또는 특징은 일반적으로 그 특정 실시예에 한정되지 않고, 적용가능한 한, 상세하게 도시되거나 설명되지 않은 경우에도, 교체가능하며 선택된 실시예에서 사용될 수 있다, 또한, 동일한 범위에서 다양하게 변경 및 수정될 수 있다. 이러한 변형은 본 발명에서 벗어나는 것으로 간주되지 않으며, 모든 이러한 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (19)

  1. 저전압 라디오(low power radio)로서,
    RF 신호를 수신하도록 구성된 안테나;
    상기 안테나로부터 상기 RF 신호를 수신하도록 구성되며, RF 신호의 존재 하에 감소하는 크기를 가지는 액티브 출력 신호를 생성하도록 작동하는 정류기(rectifier);
    상기 액티브 출력 신호 및 바이어스 신호를 수신하도록 구성되며, 상기 바이어스 신호와 상기 액티브 출력 신호를 비교하도록 작동하며, 상기 액티브 출력 신호가 상기 바이어스 신호보다 작을 때 큰 값을 가지는 활성 신호를 출력하고 상기 액티브 출력 신호가 상기 바이어스 신호보다 클 때 작은 값을 가지는 활성 신호를 출력하는 비교기; 및
    저전력 소비 모드에서 작동하면서 상기 비교기로부터 활성 신호를 수신하도록 구성되며, 큰 값을 가지는 활성 신호의 수신에 응답하여 저전력 소비 모드에서 고전력 소비 모드로 전이하는 라디오 컴포넌트; 를 포함하는, 저전력 라디오.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류기는
    제1 액티브 전계 효과 트랜지스터(active field effect transistor)를 포함하고, RF 신호를 수신하도록 구성되며, RF 신호의 존재시, 상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에서 전압을 감소시키도록 작동하는 액티브 회로(active circuit);
    제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터(bias field effect transistor)를 포함하고, 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에서 정전압(constant voltage)을 출력하도록 작동하는, 레플리카 바이어스 회로(replica bias circuit); 및
    제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 접속된 입력부 및 상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터 및 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터 모두의 게이트 단자에 접속된 출력부를 가지는 액티브 피드백 회로(active feedback circuit)를 포함하며, 상기 액티브 피드백 회로는 서브쓰레드홀드 영역(subthreshold region)에서 작동하도록 상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터를 바이어스하고 서브쓰레드홀드 영역에서 작동하도록 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터를 바이어스하는, 저전력 라디오.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액티브 회로는 제2 액티브 전계 효과 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 제2 액티브 전계 효과 트랜지스터는 상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터의 드레인에 연결된 소스를 가지는, 저전력 라디오.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 액티브 피드백 회로는 제2 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 접속된 반전 단자(inverting terminal), 기준 전압 회로에 접속된 비반전 단자(non-inverting terminal) 및 상기 제1 전계 효과 트랜지스터 및 상기 제2 전계 효과 트랜지스터 모두의 게이트 단자에 접속한 출력 단자를 가지는 연산 증폭기(operational amplifier)를 더 포함하는, 저전력 라디오.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기준 전압 회로는
    캐스코드 전류 미러(cascode current mirror);
    상위 전계 효과 트랜지스터(upper field effect transistor)로 구성된 CTAT(complementary to absolute temperature) 전압 발생기; 및
    하위 전계 효과 트랜지스터(lower field effect transistor)로 구성된 PTAT(proportional to absolute temperature) 전압 발생기;를 포함하며, 상기 상위 전계 효과 트랜지스터 및 상기 하위 전계 효과 트랜지스터는 상기 캐스코드 전류 미러의 출력부에 교차하여 접속되어서, 상기 상위 전계 효과 트랜지스터의 소스가 상기 하위 전계 효과 트랜지스터의 드레인과 연결되고, 상기 상위 전계 효과 트랜지스터의 게이트가 상기 하위 전계 효과 트랜지스터의 게이트와 연결되는, 저전력 라디오.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터 및 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터 중 적어도 하나가 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide semiconductor field effect transistor)로서 더 정의되는, 저전력 라디오.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안테나로부터 RF 신호를 수신하고 특정 주파수 범위에서 입력 신호를 출력하도록 구성된 필터를 더 포함하는, 저전력 라디오.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 라디오 컴포넌트는 무선 송수신기(wireless transceiver)로서 또는 라디오의 하우징에 위치한 제어기로서 더 형성되는, 저전력 라디오.
  9. 저전력 라디오에서 사용하기 위한 개선된 정류기로서,
    제1 액티브 전계 효과 트랜지스터(active field effect transistor)를 포함하고, RF 신호를 수신하도록 구성되며, RF 신호의 존재시, 상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에서 전압을 감소시키도록 작동하는 액티브 회로(active circuit);
    제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터(bias field effect transistor)를 포함하고, 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에서 정전압(constant voltage)을 출력하도록 작동하는, 레플리카 바이어스 회로(replica bias circuit); 및
    제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 접속된 입력부 및 상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터 및 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터 모두의 게이트 단자에 접속된 출력부를 가지는 액티브 피드백 회로(active feedback circuit)를 포함하며, 상기 액티브 피드백 회로는 서브쓰레드홀드 영역(subthreshold region)에서 작동하도록 상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터를 바이어스하고 서브쓰레드홀드 영역에서 작동하도록 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터를 바이어스하는, 저전력 라디오에서 사용하기 위한 개선된 정류기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 액티브 회로는 제2 액티브 전계 효과 트랜지스터 및 제2 바이어스 전계 효과 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 제2 액티브 전계 효과 트랜지스터는 상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터의 드레인에 연결된 소스를 가지며, 상기 제2 바이어스 전계 효과 트랜지스터는 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터의 드레인에 연결된 소스를 가지는, 정류기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터 및 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터 중 적어도 하나는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide semiconductor field effect transistor)로서 더 형성되는, 정류기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 액티브 피드백 회로는 제2 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 접속된 반전 단자(inverting terminal), 기준 전압 회로에 접속된 비반전 단자(non-inverting terminal) 및 상기 제1 전계 효과 트랜지스터 및 상기 제2 전계 효과 트랜지스터 모두의 게이트 단자에 접속된 출력 단자를 가지는 연산 증폭기(operational amplifier)를 더 포함하는, 정류기.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 기준 전압 회로는
    캐스코드 전류 미러(cascode current mirror);
    상위 전계 효과 트랜지스터(upper field effect transistor)로 구성된 CTAT(complementary to absolute temperature) 전압 발생기; 및
    하위 전계 효과 트랜지스터(lower field effect transistor)로 구성된 PTAT(proportional to absolute temperature) 전압 발생기;를 포함하며, 상기 상위 전계 효과 트랜지스터 및 상기 하위 전계 효과 트랜지스터는 상기 캐스코드 전류 미러의 출력부에 교차하여 접속되어서, 상기 상위 전계 효과 트랜지스터의 소스가 상기 하위 전계 효과 트랜지스터의 드레인과 연결되고, 상기 상위 전계 효과 트랜지스터의 게이트가 상기 하위 전계 효과 트랜지스터의 게이트와 연결되는, 정류기.
  14. 저전력 라디오로서,
    RF 신호를 수신하도록 구성된 안테나;
    제1 액티브 전계 효과 트랜지스터로 구성되고, 약한 반전 모드(weak inversion mode)에서 작동하도록 바이어스된 게이트 단자를 가지며, 상기 안테나로부터 RF 신호를 수신하도록 구성되어서 RF 신호의 존재 시 감소하는 크기는 가지는 액티브 출력 신호를 생성하는 정류기(rectifier); 및
    상기 액티브 출력 신호 및 바이어스 신호를 수신하도록 구성되며 상기 액티브 출력 신호를 상기 바이어스 신호와 비교하도록 작동하고, 상기 액티브 출력 신호가 상기 바이어스 신호보다 작을 때 큰 값을 가지는 활성 신호를 출력하고 상기 액티브 출력 신호가 상기 바이어스 신호보다 클 때 작은 값을 가지는 활성 신호를 출력하는 비교기(comparator)를 포함하는, 저전력 라디오.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 정류기는
    제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터(bias field effect transistor)를 포함하고, 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에서 정전압(constant voltage)을 출력하도록 작동하는, 레플리카 바이어스 회로(replica bias circuit); 및
    제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 접속된 입력부 및 상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터 및 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터 모두의 게이트 단자에 접속된 출력부를 가지는 액티브 피드백 회로(active feedback circuit)를 포함하며, 상기 액티브 피드백 회로는 서브쓰레드홀드 영역(subthreshold region)에서 작동하도록 상기 제1 액티브 전계 효과 트랜지스터를 바이어스하고 서브쓰레드홀드 영역에서 작동하도록 상기 제1 바이어스 전계 효과 트랜지스터를 바이어스하는, 저전력 라디오.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 액티브 피드백 회로는 제2 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 접속된 반전 단자(inverting terminal), 기준 전압 회로에 접속된 비반전 단자(non-inverting terminal) 및 상기 제1 전계 효과 트랜지스터 및 상기 제2 전계 효과 트랜지스터 모두의 게이트 단자에 접속한 출력 단자를 가지는 연산 증폭기(operational amplifier)를 더 포함하는, 저전력 라디오.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 안테나로부터 RF 신호를 수신하고 특정 주파수 범위에서 입력 신호를 출력하도록 구성된 필터를 더 포함하는, 저전력 라디오.
  18. 제14항에 있어서,
    저전력 소비 모드에서 작동하면서 상기 비교기로부터 활성 신호를 수신하도록 구성되며, 큰 값을 가지는 활성 신호의 수신에 응답하여 저전력 소비 모드에서 고전력 소비 모드로 전이하는 라디오 컴포넌트를 더 포함하는, 저전력 라디오.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 라디오 컴포넌트는 무선 송수신기(wireless transceiver) 또는 라디오의 하우징에 위치한 제어기로서 더 형성되는, 저전력 라디오.
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