第二十七卷 第九期 - 2014年十一月七日 PDF
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使用直接射頻檢測具有-65/-50 dBm靈敏度的2.4/5.8 GHz 10 μW喚醒接收器
鄭光偉1,*, 劉興2, 濟旼奎3
1 國立成功大學電機工程學系
2 新加坡科技研究局微電子研究院
 
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線傳感器網路需求一個體積小且可靠的無線通信設計。為了使用小體積和長效壽命的電池,減少電子產品的功耗,一直是WSN應用的關鍵。減少低活動率系統中傳感器的功耗,可以透過循環開關,把多數的時間操作在低功耗的睡眠模式,這卻會造成相鄰節點,通訊時同步上的問題。因此,發送端必須多次發送喚醒請求,而接收端應經常收聽,以保證雙端通信上的品質。一個不休眠的喚醒接收器(WuRx)的設計,則可以打破上述功耗和系統延遲間的進退兩難。

一個能源自主傳感器,透過收集環境的能源,無需更換電池,即可提供自我操作。但是,能量收集效率太低、無線電太耗電,都仍無法實現這個理想。如果WuRx功耗可少於10 µW,將可以首先實現無限長的待機時間。不過,WuRx的功耗仍遠高於這個目標,其中超過50%消耗在包絡檢測器之前的射頻放大器、或是降頻用的本地震盪器。當天線尺寸或是應用標準的限制,必須使用較高的載波頻率,射頻放大器和本地震盪器將會需求更高的功耗。

我們提出了一個完全集成的使用直接有源RF檢測的喚醒接收器。該RF前端設有嵌入式輸入匹配網絡的高靈敏度RF檢測器,從而消除對於RF放大級和LO產生器用於降頻的需要。這一完整的接收器包含一個RF檢波器,中頻放大器,以及一個連續時間ΣΔ類比數位轉換器來提供固有的抗混疊濾波,從而簡化了整體設計。此設計採用0.18微米CMOS制程,實現了數據速率100 kbps下、敏感性為-65 dBm,並且在2.4 GHz ISM頻段只有10 μW。通過調整輸入匹配,它也可以用於5.8GHz頻帶運作,提供-50 dBm的靈敏度,無需額外的功耗。這款高度集成的喚醒接收器原型驗證,直接使用有源射頻檢測和架構簡單與連續時間採樣ADC,具有卓越的電源效率,由於如此低的功率消耗,可搭配周圍環境獵量技術,未來的工作將考慮電源管理的整合,實現自供電自治的無線傳感器節點。

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