Conception d`un émetteur CMOS pour les capteurs RF sans fil

Conception d’un émetteur CMOS pour les capteurs RF sans fil
Hanen Thabet1,2, Stéphane Meillère2 and Jean-Luc Seguin2
EMC Research Group-National Engineering school of Sfax, BP. 1173–3038, Sfax, Tunisia.
2
Aix-Marseille Université, IM2NP-CNRS-UMR 6242, Case 152, 13397 Marseille Cedex 20, France.
Emails: [email protected],{stephane.meillere, jean-luc.seguin}@im2np.fr
1
Résumé: Cet article décrit la conception d’un émetteur avec la
technologie CMOS standard et fonctionnant dans la bande 863870 MHz pour les applications européenne de capteurs sans fil.
L'émetteur proposé combine un modulateur BFSK qui utilise le
Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) destiné aux
applications sans fil courte portée, un mélangeur de conversion
et un amplificateur de puissance. Dans cet article, deux blocs
importants sont présentés et simulés: un oscillateur en anneau
contrôlé en tension (VCO) et une nouvelle architecture pour le
Combiner basée sur les inverseurs CMOS seulement. La
fréquence d'oscillation de l'oscillateur est commandée par une
tension Vctrl. Les résultats de simulation du VCO proposé
montrent que la consommation d'énergie, à la fréquence
d'oscillation désirée et sous une tension d'alimentation de 3,3 V,
est seulement 7,48 mW et le bruit de phase est inférieure à -126
dBc/Hz à 10 MHz d’offset. Le combiner fonctionne dans le
mode de transconductance et l’application typique de
sommation est présentée pour illustrer les capacités du circuit.
Mots clés: capteur sans fil, technologie CMOS, émetteur à
conversion directe, VCO en anneau, inverseur CMOS,
Combiner.
I.
INTRODUCTION
Avec la croissance significative des systèmes de
communication sans fil ces dernières années [1, 2], et suite au
développement de capteurs intelligents, des microprocesseurs puissants et des protocoles de communication,
les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) ne cessent de réaliser
une intégration rapide dans de nombreuses applications. Les
RCSFs sont composés de petits nœuds qui communiquent sur
de courtes distances et travaillent pour atteindre des objectifs
spécifiques. Une fois déployés dans l'environnement, ils
communiquent sans fil pour recueillir et diffuser à un point
d'intérêt les informations sur leur environnement physique ou
chimique. Les capteurs sont utilisés dans de nombreuses
applications critiques telles que la télémédecine, l'agriculture
de précision, la surveillance militaire, la surveillance de
l'environnement et la domotique. Importance d’élévation du
taux d’intégration des circuits et des systèmes impose une
pression impitoyable sur le coût, la puissance et la taille du
capteur. En fait, pour concevoir un capteur RF hautement
intégré et autonome pour des applications typiques tels que
dans la domotique, les capteurs doivent fonctionner sous la
même batterie pendant plus de cinq ans. La bande 863-870
MHz, qui est disponible seulement en Europe, est un bon
champ pour tester les nouvelles idées et concepts de
développement d'un système de communication à faible
puissance pour ces applications à faible débit de données et à
courte portée [3]. Récemment la technologie CMOS a été
améliorée pour offrir une haute densité d'intégration et une
faible consommation. Cela favorise son utilisation dans les
communications sans fil [4] avec le développement de
l'approche système sur puce (SoC) qui permet l'intégration de
l'ensemble des circuits CMOS sur une seule puce RF. Cela
conduit à de nombreuses améliorations dans la conception de
l'architecture de l'émetteur. En outre, puisque la distance de
transmission est très courte (typiquement de l'ordre de 50
mètres ou moins), un faible débit de données et un système
de communication à courte portée sont nécessaires. Ainsi,
l'architecture de conversion directe est utilisée dans la bande
863-870 MHz, qui a été créé par le Comité des
communications électroniques (ECC) et la nouvelle norme
mondiale pour les connectivités sans fil ZigBee modifiée sont
utilisées pour répondre aux exigences sévères d'émission
pour la conception. La suite de cet article est organisée
comme suit: la section II présente l'architecture de l'émetteur.
La conception du circuit VCO en anneau est détaillée avec
les résultats de simulation dans la section III. Dans la section
IV, la conception de la nouvelle architecture du circuit
combiner se basant sur l'inverseur CMOS dans le mode de
transconductance est présenté. Enfin, la conclusion est
donnée dans la section V.
II. ARCHITECTURE DE L’EMETTEUR
L'émetteur est un bloc important dans les systèmes de
communication. Il convertit le signal en bande de base à la
fréquence radio en effectuant trois fonctions de base: la
modulation, la translation de fréquence, et l'amplification de
puissance. Deux architectures d'émetteurs existent [5]. La
première est une architecture en deux étapes où le signal en
bande de base est converti deux fois. La seconde utilise un
modulateur I/Q et effectue la translation de fréquence en une
seule étape, comme indiqué dans la Fig. 1. Il est aussi appelé
émetteur à conversion directe parce que le signal en bande
de base se traduit directement à un signal RF. En raison de
ses nombreux avantages comme sa simplicité et son
potentiel de mise en œuvre d’un système sur puce,
l'architecture à conversion directe a été un choix attrayant
pour l’intégration sur une seule puce malgré quelques
problèmes bien connus qui ont empêché son utilisation
auparavant [5, 6]. De plus, elle n’exige aucun filtre de rejet
d’image [7] ce qui favorise son utilisation pour les
architectures multistandards. L’émetteur à conversion directe
présenté fonctionne comme suit: le modulateur digital FSK
appelé aussi DDFS réalise la modulation en BFSK de
l’information et fait la synthèse d’un signal FHSS en
quadrature complexes à la bande de base [8]. Un oscillateur
à fréquence fixe transpose ces sorties à la bande de 863-870
MHz en utilisant un mélangeur à simple bande latérale. Avec
un oscillateur à 866.5 MHz au centre de la bande, la bande
latérale supérieure ou inférieure est choisie. Après la
transposition, un amplificateur de puissance (PA) amplifie le
signal avant la transmission. Un filtre RF passe bande (BPF)
entre la PA et l'antenne supprime les signaux hors bande.
Cette méthode de modulation en quadrature a l'avantage de
réduire ou d'éliminer les interférences d'intermodulation. En
fait, les deux sorties du mélangeur sont additionnées à l'aide
de Combiner pour faire la somme des composantes en phase
et la différence de celles en quadrature. L'émetteur a été
conçu pour la modulation BFSK avec un débit de données de
20 ko/s. La largeur d’un seul canal de transmission du signal
BFSK a été calculée à 80 kHz. Par conséquent, la séparation
entre les canaux adjacents est égale à 40 kHz. En fait, pour
répondre à l'exigence FHSS et les règlements l'ETSI (avec
une distance minimale de 25 kHz entre les canaux
adjacents), la bande ISM a été divisée en 58 canaux et ainsi
chaque canal a une largeur de bande de 120 kHz [8, 9]. Le
FHSS a été choisi pour sa faible densité spectrale et sa
grande immunité aux interférences [8].
III. CONCEPTION DE L’OSCILLATEUR EN ANNEAU
Le VCO en anneau conçu est complètement différentiel et
utilise une structure à trois cellules pour générer la fréquence
centrale de la bande ISM 863-870 MHz [8]. Dans la
littérature, les oscillateurs en anneau sont les oscillateurs de
relaxation les plus utilisés pour l'intégration [7]. Bien que les
oscillateurs en anneau présentent un bruit de phase
relativement élevé, ils ont généralement une gamme de
fréquence d'oscillation plus large, de plus une petite taille et
une faible consommation en puissance. Puisque l'oscillateur
intégré doit répondre à certaines spécifications importantes
telles que la consommation en puissance, le faible bruit de
phase et petite taille de la puce, la topologie d’oscillateur en
anneau est la plus approprié pour notre application.
L’utilisation d'un nombre réduit d'étages (trois) augmente la
fréquence d'oscillation (Fosc) et réduit la consommation
d'énergie. La structure de base de chaque étage du VCO
conçu est basée sur un amplificateur différentiel CMOS pour
réduire le bruit du substrat avec une rétroaction positive pour
réduire le temps de retard et augmenter ainsi la vitesse de
fonctionnement. Deux transistors commandés par la tension
de grille (Vctrl) de deux autres transistors couplés forment
cette cellule présentée par la figure 2. La tension Vctrl
commande la fréquence de sortie de la structure. La
polarisation est fournie par une résistance en silicium poly
cristallin pour éviter l'utilisation de miroirs de courant, et par
conséquence réduire la surface du circuit. Cela améliore
également les performances de bruit de phase. En fait,
comme détaillé dans [10], le transistor source de courant est
responsable de l'injection d’un bruit parasite à des
fréquences harmoniques de la fréquence porteuse pour les
transistors couplés et dégrade ainsi les performances en bruit
de phase. Dans la figure 2, les transistors NMOS M1 et M2
forme la paire d'entrée pour augmenter la transconductance
et obtenir une meilleure fréquence de fonctionnement. Les
charges de la cellule à retard comprennent des transistors
PMOS commandés (M5 et M6) par la tension de grille Vctrl.
Les deux transistors (M3 et M4) sont utilisés pour fournir
une rétroaction positive. Dans cette conception, la fréquence
de sortie peut être variée tout simplement en contrôlant la
conductance des transistors M5 et M6 via la tension Vctrl.
En outre, la valeur de R peut varier légèrement la fréquence
Fosc mais elle dégrade la consommation en puissance et le
bruit de phase du VCO. C'est pour cela les paramètres de
circuit sont sensibles au choix de la valeur de R pour
maintenir un bon compromis entre la consommation de
puissance et le bruit de phase. Pour concevoir un VCO ayant
des paramètres optimisés, les tailles des transistors ont été
calculées en utilisant une analyse théorique se basant sur des
équations relatives à la fréquence d'oscillation, la tension de
commande et les paramètres du circuit et en tenant compte
des performances d'optimisation du VCO tels que la
consommation de faible puissance et faible bruit de phase.
Comme mentionné dans [11], la réduction des dimensions
des transistors augmentent la vitesse de fonctionnement du
circuit et ainsi la fréquence de fonctionnement augmente.
Ainsi, il est nécessaire de réaliser un compromis entre la
fréquence de fonctionnement et la consommation d'énergie.
Une microphotographie du prototype, fabriqué en utilisant un
procédé CMOS standard 0,35 pm, est montrée dans la figure
3. La surface de la puce est d’environ 725 μmx324.4 µm.
Comme le VCO a été fabriqué, la post-layout simulation a été
effectuée afin de s'assurer que même avec les variations de
processus le circuit maintient ses performances. Pour
déterminer la linéarité du VCO proposé, une analyse
paramétrique dans lequel la fréquence d'oscillation est
simulée pour plusieurs tensions de commande, est exécutée.
La plage d’oscillation en fréquence est de 381 MHz VCO à
1,15 GHz lorsque la tension de contrôle varie de 1,8V à 3,3V.
Considérant la fréquence centrale de 866,5 MHz, la valeur de
Δf/Δf0 simulée est d'environ 89%. L'oscillateur a une bonne
linéarité pour une tension de commande comprise entre 1,8V
et 2,2V et le gain du VCO est d'environ -783 MHz/V. La
réponse transitoire du VCO à une fréquence de 866,521 MHz
lorsque la tension de commande est égale à 2V est
représentée dans la figure 4. Il peut être vu que les signaux de
sortie VOUT+ et VOUT- du VCO conçu avez de grande
amplitude. À cette tension de commande, la consommation
de puissance du VCO est 7.48mW. Ainsi, la dissipation de
puissance varie avec la tension de contrôle, elle est égale à
4,44 mW à 3,3V et la dissipation de puissance maximale est
de 9,24 mW à une fréquence de fonctionnement de 1,15 GHz
sous une tension de commande de 1.8V. Le bruit de phase à
bande latérale unique de l'oscillateur commandé en tension à
une fréquence de 866,521 MHz a une valeur d'environ -106
dBc/Hz à une fréquence de décalage de 1 MHz et une valeur
de -126dBc/Hz à une fréquence de décalage de 10 MHz.
IV. CMOS Combiners
A. Inverser CMOS en mode transconductance
Un inverseur CMOS est un circuit construit à base de
commutateurs complémentaires. Compte tenu de la
différence entre les mobilités des transistors NMOS et PMOS
(μN et μP respectivement), un inverseur traditionnel atteint
l'équilibre quand LN est égal à LP et WP  µN µP  WN
[12]. Ou WN, WP (LN and LP) sont respectivement les
largeurs et les longueurs des transistors NMOS et PMOS.
Fig. 1 L’architecture de
l’émetteur à conversion
directe pour les capteurs RF
sans fils.
Dans cette condition, lorsque le noeud de sortie OUT est
ouvert, on a alors VIN=VOUT=VDD/2. Autour de ce point
de fonctionnement (la tension de mode commun (VCM) est
égale à Vdd/2, les transistors NMOS et PMOS à la fois
fonctionnent dans le mode de fonctionnement saturé [13].
Aussi l'inverseur CMOS simule, pour des signaux de faible
amplitude, une transconductance négative entre la tension
d'entrée (VIN) et le courant de sortie (IOUT). dans ce mode
de fonctionnement, le courant (Iout) est donné à basse
fréquence par iout=-gm.Vin, ou gm=gmn+gmp avec gmn et gmp
sont respectivement les conductances grille-source des
transistors NMOS et PMOS en mode de saturation.
Fig. 2 L’implémentation d’un étage du VCO proposé.
Fig. 3 La microphotographie du prototype du VCO.
Fig. 4 Allure de la réponse transitoire du VCO à 866.521 MHz.
B.
COMBINER ( SOUSTRACTEUR) PROPOSEE
Le combiner proposé a une topologieà base des inverseurs
CMOS classiques. Le soustracteur montré par la figure 5
n’est formé que par 10 inverseurs CMOS. Puisque le circuit
est complètement différentiel, il est formé par deux
branches symétriques, dont chacune contient quatre
cellules d'inverseurs et les deux branches sont reliées par
deux autres inverseurs connectés entre l'entrée d’une
branche et la sortie de l’autre branche. Tous les inverseurs
fonctionnent en mode de transconductance offrant une
linéarité relativement élevé par rapport à son
fonctionnement en mode numérique [14]. Considérant la
transconductance gmi de chaque inverseur INVI dans la
Fig. 5, et en choisissant tous les gmi égaux, l'expression des
sorties VOUT1 et VOUT2 peuvent être extraites, comme
expliqué dans le paragraphe suivant. Les inverseurs INV2
et INV4 dans chaque chaine sont équivalents à des
résistances 1/gm2 et 1/gm4 respectivement [13] en
connectant les nœuds de la sortie et de l’entrée.
Par conséquent, à basse fréquence au niveau du noeud A1,
on obtient:
(1)
V A1  I OUT 1  1 g m2   g m1 g m2   VIN 1
Et puisque les transconductances de tous les inverseurs
sont égales, la tension VA1 peut être approchée à VIN1.
Pour le soustracteur et afin de déterminer l'expression de la
sortie VOUT1 au nœud B1 nous avons:
(2)
VOUT1  I OUT 3  I OUT 6   1 g m4 
Fig. 7 Réponse transitoire du soustracteur aux noeuds VOUT2
pour deux signaux d’entrée en opposition de phase
REMERCIEMENT
Fig. 5 Architecture proposée du soustracteur à base
d’inverseurs CMOS
Puisque gm3=gm6=gm4 alors VOUT1=VIN1-VIN2 et la même
approche est suivie pour déterminer l’expression de
VOUT2. En considérant les nœuds A2 et B2 on obtient
l'équation VOUT2=VIN2-VIN1. Le circuit a été fabriqué en
utilisant la technologie CMOS standard 0.35μm. Sous la
tension d'alimentation de 3,3V le circuit fonctionne à des
fréquences pouvant atteindre 900 MHz avec un courant
dissipé de 1.34mA. Pour valider les équations déjà
présentées, en appliquant deux tensions sinusoïdales en
opposition de phase (les courbes bleue et rose dans la
figure 7) respectivement aux nœuds VIN1 et VIN2, les
deux sorties VOUT1 et VOUT2 (courbe verte) sont bien
en opposition de phase. En fait, dans ce cas nous devons
obtenir VOUT1=2VIN1=-VOUT2 et VOUT2=-2VIN1.
Ce travail a été fait grâce au soutien financier de l'action
intégrée franco-tunisienne du ministère français des
Affaires étrangères et européennes et le ministère de
l'Enseignement supérieur, recherche scientifique et
technologique de la Tunisie.
REFERENCES
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
V. CONCLUSION
Un oscillateur CMOS en anneau à trois étapes avec
une rétroaction positive ayant une bonne linéarité a été
détaillé dans le présent papier. Les résultats de simulation
post-layout montrent que le VCO a des avantages de très
faible dissipation de puissance, de grande amplitude
d’oscillation et de petite surface en Silicium. Pour la
première fois, la faisabilité d’une nouvelle topologie de
soustracteur de hautes performances en utilisant seulement
les inverseurs CMOS a été proposée. Ces circuits proposés
pourraient aider le concepteur analogique dans la synthèse
de nombreuses fonctions analogiques. Les résultats de
mesure de l'émetteur seront publiés dans un futur travail.
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
Fig. 6 La microphotographie du prototype du
soustracteur.
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