Low-power wideband receiver front-end design for short-range IoT applications

Abbasi, Arash (2022). Low-power wideband receiver front-end design for short-range IoT applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The fast growth of the internet-of-things (IoT) promises the establishment of a smart environment including home automation, health monitoring, location tracking etc. Billions of IoT devices are needed to achieve this goal and connect the objects around us. This introduces a need to develop low-power IoT devices. Accordingly, reducing by a fraction of the power consumption in each IoT device can lead to an important overall energy use reduction globally. undoubtedly, the RF transceiver plays a significant role to define the overall power consumption of the IoT module.

The aim of this work is to develop a low-power and wideband current-reuse receiver front-end for IoT applications. The wideband feature covers several frequency bands to reduce the number of receivers required. To do this, first, a literature review is presented. It focuses on the low-power receiver design techniques and discusses the circuits in detail.

Following the literature review, A detailed design tutorial including the design procedures and characterization results is presented to provide a systematic design approach of the current-reuse receiver front-end to breakdown the circuit to sub-blocks and perform the design as a conventional receiver architecture.

A low-power RF-to-BB current-reuse receiver front-end using an active-inductor and 1/ f noise-cancellation techniques for L-band applications is presented. The active-inductor improves the receiver noise-figure at higher frequencies and the noise-cancellation technique suppresses the low frequency noise. Both active-inductor and 1/ f noise-cancellation techniques help enhance the receiver noise figure. The effect of the metal fill on the performance is studied in measurements that shows the notable improvement in the noise figure performance.

A comparison of an off-chip differential and an LC Balun employing the same current-reuse receiver front-end with and without an on-chip inductor is presented to evaluate the performance using different matching networks and frequencies. This demonstrates that the receiver can be tuned to any frequency band by adjusting the matching network.

Overall, this thesis describes the study, design and characterization of low-power and wideband current-reuse receiver front-ends that can be tuned for any frequency band to be used for different IoT applications. The active-inductor and 1/ f noise-cancellation techniques introduced in this work improve the performance of the receiver and allow it to maintain its performance at higher frequencies even in a relatively large 130 nm CMOS process.

Titre traduit

Conception de récepteur RF large bande à basse consommation pour les applications IoT à courte portée

Résumé traduit

La croissance rapide de l’internet des objets (IoT) promet la mise en place d’un environnement intelligent, y compris la domotique. Des milliards d’appareils IoT sont nécessaires pour atteindre cet objectif. En conséquence, la réduction d’une fraction de la consommation d’énergie de chaque appareil IoT peut entraîner une importante réduction globale de la consommation d’énergie à l’échelle mondiale. Sans aucun doute, l’émetteur-récepteur RF joue un rôle important pour définir la consommation électrique globale des modules IoT.

L’objectif de ce travail est de développer un récepteur RF à faible consommation d’énergie et à large bande pour les applications IoT. Pour ce faire, dans un premier temps, une revue de la littérature est présentée. Elle se concentre sur les techniques de conception de récepteurs à faible puissance et examine les circuits en détail.

À la suite de la revue de littérature, un tutoriel de conception détaillé comprenant la procédure de conception et la caractérisation est présenté pour fournir une approche de conception systématique du récepteur RF à réutilisation du courant proposé.

Un récepteur RF à faible puissance et à réutilisation de courant utilisant une inductance active et des techniques d’annulation de bruit 1/f pour les applications en bande L est présenté. L’inductance active améliore le facteur de bruit du récepteur à des fréquences plus élevées et les techniques d’annulation de bruit suppriment le bruit à basses fréquences.

Une comparaison d’un balun différentiel hors puce et d’un balun LC utilisant le même récepteur RF à réutilisation de courant avec et sans inductance sur puce est présentée pour évaluer les performances en utilisant différents réseaux d’adaptation et bandes de fréquences.

En somme, cette thèse décrit l’étude, la conception et la caractérisation d’un récepteur RF à faible puissance et à large bande à réutilisation du courant qui peut être conçu dans plusieurs bandes fréquentielles pour utilisation dans différentes applications IoT.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 107-111).
Mots-clés libres:	IoT, current-reuse receiver, low noise amplifier, wideband, low-power
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nabki, Frédéric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 févr. 2023 14:08
Dernière modification:	10 févr. 2023 14:08
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3153

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