본 논문에서는 IR-UWB 통신에 적합한 저 전력, 저복잡도의 CMOSRF 수신기를 제작하였다. 제안된 IR-UWB 수신기는 비교적 구조가 간단한 non-coherent demodulation 방식으로 설계, 제작되었다. 설계된 IR-UWB 수신기는 LNA, envelop detector, VGA, comparator로 구성되어 있으며, envelop detector, VGA, comparator는 $0.18{\mu}m$CMOS 공정 기술을 이용하여 단일 칩으로 설계, 제작하였다. 측정 결과 data rate이 1 Mbps일 때 sensitivity가 -70 dBm이며, 이때 BER은 $10^{-3}$의 값을 가진다. 외부의 LNA를 제외한 단일 칩 CMOS IR-UWB 수신기의 전류 소모는 전압이 1.8 V일 때 5 mA이다.
본 논문에서는 IR-UWB 통신에 적합한 저 전력, 저복잡도의 CMOS RF 수신기를 제작하였다. 제안된 IR-UWB 수신기는 비교적 구조가 간단한 non-coherent demodulation 방식으로 설계, 제작되었다. 설계된 IR-UWB 수신기는 LNA, envelop detector, VGA, comparator로 구성되어 있으며, envelop detector, VGA, comparator는 $0.18{\mu}m$ CMOS 공정 기술을 이용하여 단일 칩으로 설계, 제작하였다. 측정 결과 data rate이 1 Mbps일 때 sensitivity가 -70 dBm이며, 이때 BER은 $10^{-3}$의 값을 가진다. 외부의 LNA를 제외한 단일 칩 CMOS IR-UWB 수신기의 전류 소모는 전압이 1.8 V일 때 5 mA이다.
In this paper presents a CMOS RF receiver for IR-UWB wireless communications is presented. The impulse radio based UWB receiver adopts the non-coherent demodulation that simplifies the receiver architecture and reduces power consumption. The IR-UWB receiver consists of LNA, envelop detector, VGA, an...
In this paper presents a CMOS RF receiver for IR-UWB wireless communications is presented. The impulse radio based UWB receiver adopts the non-coherent demodulation that simplifies the receiver architecture and reduces power consumption. The IR-UWB receiver consists of LNA, envelop detector, VGA, and comparator and the receiver including envelope detector, VGA, and comparator is fabricated on a single chip using $0.18{\mu}m$ CMOS technology. The measured sensitivity of IR-UWB receiver is down to -70 dBm and the BER $10^{-3}$, respectively at data rate 1 Mbps. The current consumption of IR-UWB receiver except external LNA is 5 mA at 1.8 V.
In this paper presents a CMOS RF receiver for IR-UWB wireless communications is presented. The impulse radio based UWB receiver adopts the non-coherent demodulation that simplifies the receiver architecture and reduces power consumption. The IR-UWB receiver consists of LNA, envelop detector, VGA, and comparator and the receiver including envelope detector, VGA, and comparator is fabricated on a single chip using $0.18{\mu}m$ CMOS technology. The measured sensitivity of IR-UWB receiver is down to -70 dBm and the BER $10^{-3}$, respectively at data rate 1 Mbps. The current consumption of IR-UWB receiver except external LNA is 5 mA at 1.8 V.
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문제 정의
본 논문에서는 3.1 ~5 GHz 주파수 대역에서 동작하는 OOK(On-Off Keying) 방식의 비동기식 IR-UWB 수신기를 설계 및 제작하였다. 신호의 bandwidth는 500 MHz 정도의 대역폭을 갖는 1R-UWB 신호를 사용하게 된다.
제안 방법
본 논문에서는 0.18 "m CMOS 공정 기술을 이용해서 IR-UWB 수신기를 단일 칩으로 설계, 제작하였다. 수신기의 LNA는 안정된 특성을 위해 칩 외부에서 연결하였고, 단일 칩 수신기는 imp미se 신호 감지를 위한 envelope detector와 가변 이득을 위한 VGA, 그리고 일정한 문턱 신호 크기 이상이 될 경우 digi tal 신호로 전환하기 위 한 comparator로 구성 이 되 어있다 전체 IR-UWB 수신기는 송신기와의 무선 통신 실험에서 약 7 m의 거리에서 무선 통신이 가능한 것을 확인하였으며, data rate이 1 Mbps일 때 sensitivity -70 dB를 나타내었고, 이때 BER은 이다 그리고 앞단의 off chip의 LNAt 제외한 수신기의 전체전류 소모는 1.
3~5 GHz 대역에서 충분한 이득을 확보하여 안정적 수신 특성을 얻기 위해 external LNA를 이용하여 수신기를 설계하였다. External LNA를 설계하기 위해 고려되어야 할 사항은 LNA의 통과 주파수 대역, 이득 특성, 잡음 지수, 선형성, 전력 소모 등이 있으며, 서로 trade-off 관계이므로 적절한 선택이 필요하다.
제안된 comparator는 LNA에서 VGA까지 연산된 RF 및 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꿔주는 역할을 하며, differential amplifier와 buffering inverter로 구성되어져 있다. Differential amplifier의 positive (+) 입력에는 VGA 출력을, negative(-) 입력에는 기준 전압을 인가하여 두 신호를 비교한다. Positive 입력이 negative 입력보다 더 클 경우 high가 출력되며, 반대로 더 낮을 경우에는 low가 출력된다.
입력 In_p와 ln_n으로 인가된 UWB 신호는 M1-M4 트랜지스터에 의해 증폭된다. Envelop 신호를 검파하기 위해서 R1 저항과 Cl 커패시터에 의한 1 차 RC low pass filter와 Rout 저 항과 C^t 커 패 시 터 에의한 2차 RC low pass filter를 이용하여 고주파의 carrier 신호를 제거한다. Carrier 신호가 제거된 impul se envelop 신호는 주파수가 down conversion 되어 baseband의 신호로 변환된다.
제안된 수신기는 LNA(Low Noise Am- plifier) 와 envelop detector, VGA(Variable Gain Ampli fier), comparator로 이루어져 있으며, LNA의 경우는 칩 외부의 소자를 사용하여 구현하였다. LNA를 제외 한 envelope detector, VGA, comparator는 0.18 “m CMOS 공정을 이용하여 단일 칩으로 구현하여 chip on board(COB) 형태로 PCB 위에 구현하였다.
제안된 VGA는 Isolation의 향상과 수백 MHz 의 높은 동작 주파수 특성을 얻기 위해 cascode 구조를 이용해서 설계하였다. 또한, common mode rejection 기능을 가지며 좋은 잡음 특성을 가지는 differential 구조를 이용해서 설계하였다两 그림 4는 VGA의 회로를 나타낸 그림이다.
제안된 comparator는 LNA에서 VGA까지 연산된 RF 및 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꿔주는 역할을 하며, differential amplifier와 buffering inverter로 구성되어져 있다. Differential amplifier의 positive (+) 입력에는 VGA 출력을, negative(-) 입력에는 기준 전압을 인가하여 두 신호를 비교한다.
신호의 bandwidth는 500 MHz 정도의 대역폭을 갖는 1R-UWB 신호를 사용하게 된다. 제안된 수신기는 LNA(Low Noise Am- plifier) 와 envelop detector, VGA(Variable Gain Ampli fier), comparator로 이루어져 있으며, LNA의 경우는 칩 외부의 소자를 사용하여 구현하였다. LNA를 제외 한 envelope detector, VGA, comparator는 0.
대상 데이터
1 ~5 GHz 주파수 대역에서 동작하는 OOK(On-Off Keying) 방식의 비동기식 IR-UWB 수신기를 설계 및 제작하였다. 신호의 bandwidth는 500 MHz 정도의 대역폭을 갖는 1R-UWB 신호를 사용하게 된다. 제안된 수신기는 LNA(Low Noise Am- plifier) 와 envelop detector, VGA(Variable Gain Ampli fier), comparator로 이루어져 있으며, LNA의 경우는 칩 외부의 소자를 사용하여 구현하였다.
성능/효과
5 mm이다. 2 stage external LNA 측정 결과 3—5 GHz 주파수 대역에서 35 dB 이상의 이득 특성과 -15 dB 이하의 반사 손실 특성, 2.5 dB 이하의 잡음지수 특성을 나타낸다. Envelop detector가 검파할 수 있는 최소의 전압은 7 mV이며, 그림 6은 envelop de- tector의 출력 파형을 측정한 그림이다.
IR-UWB 수신기에는 광대역 특성을 가지면서 충분한 이득 특성과 낮은 잡음 특성을 가지는 LNA (Avago's MGA-86576)를 PCB상에서 Cascade로 연결하여 수신기 전체의 sensitivity를 향상시켰다. 설계된 LNA는 3~5 GHz 주파수 대역에서 35 dB 이상의 이득 특성과 T5 dB 이하의 반사 손실 특성, 2.5 dB 이하의 잡음 지수 특성을 나타낸다.
18 "m CMOS 공정 기술을 이용해서 IR-UWB 수신기를 단일 칩으로 설계, 제작하였다. 수신기의 LNA는 안정된 특성을 위해 칩 외부에서 연결하였고, 단일 칩 수신기는 imp미se 신호 감지를 위한 envelope detector와 가변 이득을 위한 VGA, 그리고 일정한 문턱 신호 크기 이상이 될 경우 digi tal 신호로 전환하기 위 한 comparator로 구성 이 되 어있다 전체 IR-UWB 수신기는 송신기와의 무선 통신 실험에서 약 7 m의 거리에서 무선 통신이 가능한 것을 확인하였으며, data rate이 1 Mbps일 때 sensitivity -70 dB를 나타내었고, 이때 BER은 이다 그리고 앞단의 off chip의 LNAt 제외한 수신기의 전체전류 소모는 1.8 V 전원에서 5 mA에 불과하다. 제안된 IR-UWB 수신기는 low power wireless sensor network 802.
8 V 전원에서 5 mA에 불과하다. 제안된 IR-UWB 수신기는 low power wireless sensor network 802.15.3a 규정에 만족하는 것을 확인하였다.
후속연구
한다. 제안된 IR-UWB 수신기는 2 GHz의 주파수 대 역폭과충분한 이득 특성을 갖는 광대역 LNA가 요구된다.
참고문헌 (7)
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David A. Johns, Ken Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley, pp. 304-333, 1996
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