Architectures and Circuits dedicated to Ultra Wide Band Low Data Rate Transmitters
Architectures et Circuits dédiés aux Émetteurs Ultra Large Bande Bas Débit
Résumé
Because of an increasing market request concerning wireless sensor networks, the development of new radio solutions becomes mandatory in order to answer the requirements of these emergent applications in terms of cost, power consumption, data rates and battery lifespan.
Associated to that framework, this PhD thesis proposes in a first time an overview of UWB (Ultra Wide Band) technology fundamentals followed by a status on the worldwide regulation and the IEEE 802.15.4a standard ; a set of specifications about an impulse transmitter is thus established. Correlated to the state-of-the-art of pulse generators, it clarifies the need for developing new transmitters, which we propose through an architecture based around a differential RF DAC working at 4GHz. An innovative principle for burst generation compatible with the IEEE 802.15.4a standard is then developed ; it allows to reduce the transmitter overall complexity. In a second time, both digital and RF blocks of the proposed architecture are specified and designed in the ST CMOS 65nm process. The functional principle of the generator architecture is validated by circuit measurements which achieve an efficiency of 38pJ per pulse for a pulse repetition frequency of 500MHz and an output average power of 0dBm.
Associated to that framework, this PhD thesis proposes in a first time an overview of UWB (Ultra Wide Band) technology fundamentals followed by a status on the worldwide regulation and the IEEE 802.15.4a standard ; a set of specifications about an impulse transmitter is thus established. Correlated to the state-of-the-art of pulse generators, it clarifies the need for developing new transmitters, which we propose through an architecture based around a differential RF DAC working at 4GHz. An innovative principle for burst generation compatible with the IEEE 802.15.4a standard is then developed ; it allows to reduce the transmitter overall complexity. In a second time, both digital and RF blocks of the proposed architecture are specified and designed in the ST CMOS 65nm process. The functional principle of the generator architecture is validated by circuit measurements which achieve an efficiency of 38pJ per pulse for a pulse repetition frequency of 500MHz and an output average power of 0dBm.
Du fait d'une demande croissante du marché concernant les réseaux de capteurs sans-fil, le développement de nouvelles solutions radio devient nécessaire afin de répondre aux contraintes de coût, de consommation, de débits et de durée de vie de ces domaines d'applications émergents.
Associée à ce contexte applicatif, cette thèse propose dans un premier temps une présentation des fondamentaux de la technologie Ultra Large Bande (ULB) suivie par un statut sur la réglementation mondiale et le standard IEEE 802.15.4a ; un cahier des charges d'un émetteur impulsionnel est ainsi établi. Confronté à un état de l'art des générateurs d'impulsions, il met en lumière la nécessité de développer de nouveaux émetteurs, ce que nous proposons à travers une architecture basée autour d'un DAC RF différentiel fonctionnant à 4GHz. Un principe novateur de génération de bursts compatibles avec le standard IEEE 802.15.4a est ensuite développé ; il permet de réduire la complexité globale de l'émetteur. Dans un second temps, l'architecture proposée est dimensionnée au niveau de ses blocs numériques et RFs puis son implémentation est effectuée dans la technologie ST CMOS 65nm. Le principe fonctionnel de l'architecture du générateur est validé par la mesure du circuit qui affiche une efficacité de 38pJ par impulsion pour une fréquence de répétition de 500MHz et une puissance moyenne de sortie de 0dBm.
Associée à ce contexte applicatif, cette thèse propose dans un premier temps une présentation des fondamentaux de la technologie Ultra Large Bande (ULB) suivie par un statut sur la réglementation mondiale et le standard IEEE 802.15.4a ; un cahier des charges d'un émetteur impulsionnel est ainsi établi. Confronté à un état de l'art des générateurs d'impulsions, il met en lumière la nécessité de développer de nouveaux émetteurs, ce que nous proposons à travers une architecture basée autour d'un DAC RF différentiel fonctionnant à 4GHz. Un principe novateur de génération de bursts compatibles avec le standard IEEE 802.15.4a est ensuite développé ; il permet de réduire la complexité globale de l'émetteur. Dans un second temps, l'architecture proposée est dimensionnée au niveau de ses blocs numériques et RFs puis son implémentation est effectuée dans la technologie ST CMOS 65nm. Le principe fonctionnel de l'architecture du générateur est validé par la mesure du circuit qui affiche une efficacité de 38pJ par impulsion pour une fréquence de répétition de 500MHz et une puissance moyenne de sortie de 0dBm.
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