学位論文要旨



No 121173
著者(漢字) タマタカーン,アーティット
著者(英字)
著者(カナ) タマタカーン,アーティット
標題(和) ユビキタス・エレクトロニクスに向けたUWBトランシーバーのための低電力回路とアーキテクチャ
標題(洋) Low-power Circuits and Architectures for Ultra-Wide-Band (UWB) Transceiver toward Ubiquitous Electronics Applications
報告番号 121173
報告番号 甲21173
学位授与日 2006.03.23
学位種別 課程博士
学位種類 博士(工学)
学位記番号 博工第6263号
研究科 工学系研究科
専攻 電子工学専攻
論文審査委員 主査: 東京大学 教授 桜井,貴康
 東京大学 教授 柴田,直
 東京大学 教授 高木,信一
 東京大学 教授 平本,俊郎
 東京大学 助教授 藤島,実
 東京大学 助教授 池田,誠
内容要旨 要旨を表示する

This thesis proposes low-power circuits and architectures for ultra-wide-band (UWB) communication system towards ubiquitous electronics applications. The thesis is organized into seven chapters. The first chapter is motivation and goal of the thesis.

Chapter 2 introduces definitions of UWB signal, regulations for UWB transmission, pulse modulation methods, and two conventional UWB systems. The first architecture is a correlator-based UWB system which precise synchronization is required. The second one is match-filter-based UWB architecture. This system does not need the precise synchronization but it requires an ultra-high-speed analog-to-digital converter (ADC) to digitize the incoming pulse for performing pulse-position demodulation by a match filter.

Chapter 3 proposes a new architecture of pulse-based UWB communication system. The architecture is named as 'Double Thresholding' method which is suitable for binary phase shift keying (BPSK) modulation scheme. The proposed architecture requires only front-end amplifiers, continuous-time comparators, digital bit holder and a phase detector (PD). Any incoming pulse is amplified before comparing with two threshold levels at the comparators to detect positive and negative peaks. The PD decides bit of the received pulse from the first rising edges when the peaks are detected. Since only first rising edge is considered, the architecture can ignore any multi-path signal as well. Bit-error-rate (BER) performance of the system is also better than previous methods because the two threshold levels generate a noise gap which makes the system can tolerate very high noise floor.

Many circuit innovations for implementing the double thresholding UWB transceiver are explained in chapter 4. A parallel common-gate amplifier with resistive termination is used as the front-end amplifier, and then three parallel common-source stages are used to enhance total gain of the amplifier. The resistive termination of the most front-end block enables wideband impedance matching with low power consumption, but it has poor noise figure of 20.3dB. Fortunately, the proposed double thresholding architecture has very good noise resiliency and this level of noise figure is acceptable in the proposed architecture.

A low-power opamp with source-degenerated active-load compensation is also proposed in the chapter 4. This opamp eliminates feed-forward path while the feedback loop still exists. This opamp is used in a direct current (DC) voltage stabilizing loop of parallel current-reused amplifiers which DC voltage at the output node is not stable. Thus, the opamp does not require high slew rate, but it must has very small bandwidth and low power.

A short-active long-sleep style clocking architecture, which is called as 'Flashing', is applied into analog parts of the UWB transceiver in this thesis to utilize power of the pulse-based UWB system since the pulse width is very narrow compare with period of two adjacent pulses. Two fast wake-up approaches are proposed here. The first one is to use small replica circuits to keep DC operating point at the output node of flashing circuits. The small replica bias circuits are called as 'Bias keeper' and they consume much less power than the core analog circuits. When the core analog circuits are down into sleep mode, the bias saver is still active. It suddenly recovers operating voltage after the core circuits turns to active mode. The second method is to apply some delay for clock of each amplifier stage. The earlier stage is firstly turned on and the later stages are turned on after delay. For four stage amplifiers, this staggered activation scheme can reduce total wake-up time down to 56% of the non-staggered scheme.

Chapter 5 shows an implementation of the proposed circuits and architectures in a micro-power flashing UWB transceiver. The proposed UWB transceiver is manufactured in a 0.15 m FD-SOI CMOS technology and the measurement results are shown in this chapter. The proposed UWB transceiver achieves power consumption of 299 W with speed of 25kbps at distance of 35cm under 1-V supply voltage. This speed is five times higher than other micro-power transceiver.

Chapter 6 gives many discussions on performance improvement of the UWB transceiver for ubiquitous electronics applications. A new structure of LNA is proposed in this chapter. This LNA structure has a common-gate input structure to achieve wideband impedance matching, while gain of the LNA can be achieve from a feed-forward gain which is parallel common-source structure. Since impedance matching and gain can be separately designed, the LNA is named as 'matching-separated LNA'. This LNA structure is very easy to design due to separation of the matching and gain. At the same distance, improvement on BER is estimated around 1000 times better than using the amplifier with resistive termination. For other alternative of improvement, the three times longer distance with the same BER level can be expected by using the matching-separated LNA.

A compact outside-rail circuit structure is proposed for using in an outside-rail UWB pulse transmitter. The compact outside-rail structure has only two transistors per one nominal supply voltage (VDD) while the conventional structure requires six transistors. An outside-rail opamp and an outside-rail filter are demonstrated as examples of analog part in ubiquitous electronics applications. For supply voltage of nVDD, the transmission distance can be expected to be n times longer by using the outside-rail pulse transmitter. For analog part of the ubiquitous applications, the estimated die area can be scaled down to n-2 factor.

Finally, conclusions are made in the last chapter of the thesis.

審査要旨 要旨を表示する

本論文は「Low-power Circuits and Architectures for Ultra-Wide-Band (UWB) Transceiver toward Ubiquitous Electronics Applications」 (和訳:ユビキタス・エレクトロニクスに向けたUWBトランシーバのための低電力回路とアーキテクチャ)と題し、ウルトラ・ワイドバンド(UWB)用途の無線トランシーバ回路とアーキテクチャを提案している。特に、二重しきい値方式のアーキテクチャ及び超低消費電力無線回路技術を提示するもので、全7章で構成されている。

第1章は「Introduction」(序論) であり、近未来のユビキタス・エレクトロニクスにおける無線トランシーバ回路に対する要求をまとめ、本論文の目的と背景を明確にしている。

第2章は「Conventional pulse-based UWB communication」(従来のUWB通信)と題し、UWBシステムの定義、電波法規、パルスの変調方法等を述べるとともに、従来のコリレータ方式の受信機アーキテクチャを説明し、問題点を明らかにしている。

第3章は「Double thresholding UWB architecture」(二重しきい値方式のUWBアーキテクチャ)と題し、二つの受信しきい値電圧を用いた新規のアーキテクチャを提案している。従来のアーキテクチャにおいて必要であった高精度な同期クロックを廃し、実用性を向上、また高レベルの雑音と反射がある環境でも、従来の方式に比べビット誤り率が低いことを示している。

第4章は「Circuit-level innovations for low-power transceiver design」(UWBトランシーバ用低電力回路技術)と題し、UWB送受信機向けの新しい超低消費電力回路を提案している。受信回路に広帯域でインピーダンス整合可能な増幅器及び新しい位相補償方式を導入することにより、従来に比べ20%の電力削減を達成したことを示している。また短い間だけ動作するアナログ回路(フラッシング機能)について、バイアス保持回路や、複数の増幅器間でオンタイミングを変えることでウェークアップ時間を低減させるといった技術を提案している。

第5章は「Micro-power UWB transceiver system」(超低消費電力UWBトランシーバシステム)と題し、第3章のアーキテクチャ及び第4章の低消費電力回路技術を適用した実際のトランシーバを設計し、シリコンチップで動作性能を実測した結果をまとめている。提案したトランシーバは従来のものより低消費電力、省面積、高速であることを示している。

第6章は「Discussions」(議論)であり、前章で提案したトランシーバの性能をより向上させるための回路技術を述べている。初めにビット誤り率を低減するための新しい低雑音増幅回路を提案し、インピーダンス整合と利得を別々に設計できるメリットを示している。更に、通信距離を延長するための高耐圧回路構成を提案している。高耐圧インバータを設計・実測し、信頼性に問題のない回路動作を確認している。高耐圧オプアンプ、高耐圧フィルタの試作も行い、従来の高耐圧回路より省面積で高速なことも実証している。

第7章は「Conclusions」(結論)であり、本論文の成果を要約し結論を述べている。

以上のように本論文は、低電力通信方式として期待されているウルトラ・ワイドバンド通信に関して、従来より低電力化できる無線通信アーキテクチャとウルトラ・ワイドバンド送受信機に向けた複数の低消費電力回路方式を提案し、それらの有効性を設計・試作・測定を通じて実証したものであって、電子工学上寄与するところが少なくない。

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。

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