Design of a Multi-sensor and Re-configurable Smart Node for the IoT

The rapid deployment of the Internet of Things (IoT) is much dependent on the capacity of the IoT node to be able to self-adapt to the target application. With the increase of sensor networks and diversity of sensors available and with the increasing integration of multiple sensors in a sensor node, it is necessary to develop systems capable of handling all of these sensors with high level of flexibility. These may have different characteristics that provide quite distinct interface requirements, thus giving rise to the need for systems with re-configurable properties. With the implementation of sensor networks in places where energy supply is limited or non-existent, and in situations where technician intervention is expensive, there is a need to exchange conventional energy sources by methods of storage and harvesting of the energy present in the environment, where the sensor node is used (autonomous and renewable energy sources). This thesis will focus on the study and implementation of a family of re-configurable and multi-sensor IoT nodes with special emphasis on the energy storage and power management. It will also focus on the develop of a CAD tool in order to help in the design of CMOS circuits, for the purpose of integrating all the strategies here presented

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Integrated Circuits and Systems for Smart Sensory Applications

Connected intelligent sensing reshapes our society by empowering people with increasing new ways of mutual interactions. As integration technologies keep their scaling roadmap, the horizon of sensory applications is rapidly widening, thanks to myriad light-weight low-power or, in same cases even self-powered, smart devices with high-connectivity capabilities. CMOS integrated circuits technology is the best candidate to supply the required smartness and to pioneer these emerging sensory systems. As a result, new challenges are arising around the design of these integrated circuits and systems for sensory applications in terms of low-power edge computing, power management strategies, low-range wireless communications, integration with sensing devices. In this Special Issue recent advances in application-specific integrated circuits (ASIC) and systems for smart sensory applications in the following five emerging topics: (I) dedicated short-range communications transceivers; (II) digital smart sensors, (III) implantable neural interfaces, (IV) Power Management Strategies in wireless sensor nodes and (V) neuromorphic hardware

Characterization of 28 nm FDSOI MOS and application to the design of a low-power 2.4 GHz LNA

IoT is expected to connect billions of devices all over world in the next years, and in a near future, it is expected to use LR-WPAN in a wide variety of applications. Not all the devices will require of high performance but will require of low power hungry systems since most of them will be powered with a battery. Conventional CMOS technologies cannot cover these needs even scaling it to very small regimes, which appear other problems. Hence, new technologies are emerging to cover the needs of this devices. One promising technology is the UTBB FDSOI, which achieves good performance with very good energy efficiency. This project characterizes this technology to obtain a set of parameters of interest for analog/RF design. Finally, with the help of a low-power design methodology (gm/Id approach), a design of an ULP ULV LNA is performed to check the suitability of this technology for IoT

Integrated Circuit and System Design for Cognitive Radio and Ultra-Low Power Applications

The ubiquitous presence of wireless and battery-powered devices is an inseparable and invincible feature of our modern life. Meanwhile, the spectrum aggregation, and limited battery capacity of handheld devices challenge the exploding demand and growth of such radio systems. In this work, we try to present two separate solutions for each case; an ultra-wideband (UWB) receiver for Cognitive Radio (CR) applications to deal with spectrum aggregation, and an ultra-low power (ULP) receiver to enhance battery life of handheld wireless devices. Limited linearity and LO harmonics mixing are two major issues that ultra-wideband receivers, and CR in particular, are dealing with. Direct conversion schemes, based on current-driven passive mixers, have shown to improve the linearity, but unable to resolve LO harmonic mixing problem. They are usually limited to 3rd, and 5th harmonics rejection or require very complex and power hungry circuitry for higher number of harmonics. This work presents a heterodyne up-down conversion scheme in 180 nm CMOS technology for CR applications (54-862 MHz band) that mitigates the harmonic mixing issue for all the harmonics, while by employing an active feedback loop, a comparable to the state-of-the art IIP3 of better than +10 dBm is achieved. Measurements show an average NF of 7.5 dB when the active feedback loop is off (i.e. in the absence of destructive interference), and 15.5 dB when the feedback loop is active and a 0 dBm interferer is applied, respectively. Also, the second part of this work presents an ultra-low power super-regenerative receiver (SRR) suitable for OOK modulation and provides analytical insight into its design procedure. The receiver is fabricated in 40 nm CMOS technology and operates in the ISM band of 902-928 MHz. Binary search algorithm through Successive Approximation Register (SAR) architecture is being exploited to calibrate the internally generated quench signal and the working frequency of the receiver. Employing an on-chip inductor and a single-ended to differential architecture for the input amplifier has made the receiver fully integrable, eliminating the need for external components. A power consumption of 320 µW from a 0.65 V supply results in an excellent energy efficiency of 80 pJ/b at 4 Mb/s data rate. The receiver also employs an ADC that enables soft-decisioning and a convenient sensitivity-data rate trade-off, achieving sensitivity of -86.5, and -101.5 dBm at 1000 and 31.25 kbps data rate, respectivel

Integrated Circuit and System Design for Cognitive Radio and Ultra-Low Power Applications

The ubiquitous presence of wireless and battery-powered devices is an inseparable and invincible feature of our modern life. Meanwhile, the spectrum aggregation, and limited battery capacity of handheld devices challenge the exploding demand and growth of such radio systems. In this work, we try to present two separate solutions for each case; an ultra-wideband (UWB) receiver for Cognitive Radio (CR) applications to deal with spectrum aggregation, and an ultra-low power (ULP) receiver to enhance battery life of handheld wireless devices. Limited linearity and LO harmonics mixing are two major issues that ultra-wideband receivers, and CR in particular, are dealing with. Direct conversion schemes, based on current-driven passive mixers, have shown to improve the linearity, but unable to resolve LO harmonic mixing problem. They are usually limited to 3rd, and 5th harmonics rejection or require very complex and power hungry circuitry for higher number of harmonics. This work presents a heterodyne up-down conversion scheme in 180 nm CMOS technology for CR applications (54-862 MHz band) that mitigates the harmonic mixing issue for all the harmonics, while by employing an active feedback loop, a comparable to the state-of-the art IIP3 of better than +10 dBm is achieved. Measurements show an average NF of 7.5 dB when the active feedback loop is off (i.e. in the absence of destructive interference), and 15.5 dB when the feedback loop is active and a 0 dBm interferer is applied, respectively. Also, the second part of this work presents an ultra-low power super-regenerative receiver (SRR) suitable for OOK modulation and provides analytical insight into its design procedure. The receiver is fabricated in 40 nm CMOS technology and operates in the ISM band of 902-928 MHz. Binary search algorithm through Successive Approximation Register (SAR) architecture is being exploited to calibrate the internally generated quench signal and the working frequency of the receiver. Employing an on-chip inductor and a single-ended to differential architecture for the input amplifier has made the receiver fully integrable, eliminating the need for external components. A power consumption of 320 µW from a 0.65 V supply results in an excellent energy efficiency of 80 pJ/b at 4 Mb/s data rate. The receiver also employs an ADC that enables soft-decisioning and a convenient sensitivity-data rate trade-off, achieving sensitivity of -86.5, and -101.5 dBm at 1000 and 31.25 kbps data rate, respectivel

Low Power Circuit Design in Sustainable Self Powered Systems for IoT Applications

The Internet-of-Things (IoT) network is being vigorously pushed forward from many fronts in diverse research communities. Many problems are still there to be solved, and challenges are found among its many levels of abstraction. In this thesis we give an overview of recent developments in circuit design for ultra-low power transceivers and energy harvesting management units for the IoT. The first part of the dissertation conducts a study of energy harvesting interfaces and optimizing power extraction, followed by power management for energy storage and supply regulation. we give an overview of the recent developments in circuit design for ultra-low power management units, focusing mainly in the architectures and techniques required for energy harvesting from multiple heterogeneous sources. Three projects are presented in this area to reach a solution that provides reliable continuous operation for IoT sensor nodes in the presence of one or more natural energy sources to harvest from. The second part focuses on wireless transmission, To reduce the power consumption and boost the Tx energy efficiency, a novel delay cell exploiting current reuse is used in a ring-oscillator employed as the local oscillator generator scheme. In combination with an edge-combiner power amplifier, the Tx showed a measured energy efficiency of 0.2 nJ=bit and a normalized energy efficiency of 3.1 nJ=bit:mW when operating at output power levels up to -10 dBm and data rates of 3 Mbps

Reconfigurable Receiver Front-Ends for Advanced Telecommunication Technologies

The exponential growth of converging technologies, including augmented reality, autonomous vehicles, machine-to-machine and machine-to-human interactions, biomedical and environmental sensory systems, and artificial intelligence, is driving the need for robust infrastructural systems capable of handling vast data volumes between end users and service providers. This demand has prompted a significant evolution in wireless communication, with 5G and subsequent generations requiring exponentially improved spectral and energy efficiency compared to their predecessors. Achieving this entails intricate strategies such as advanced digital modulations, broader channel bandwidths, complex spectrum sharing, and carrier aggregation scenarios. A particularly challenging aspect arises in the form of non-contiguous aggregation of up to six carrier components across the frequency range 1 (FR1). This necessitates receiver front-ends to effectively reject out-of-band (OOB) interferences while maintaining high-performance in-band (IB) operation. Reconfigurability becomes pivotal in such dynamic environments, where frequency resource allocation, signal strength, and interference levels continuously change. Software-defined radios (SDRs) and cognitive radios (CRs) emerge as solutions, with direct RF-sampling receivers offering a suitable architecture in which the frequency translation is entirely performed in digital domain to avoid analog mixing issues. Moreover, direct RF- sampling receivers facilitate spectrum observation, which is crucial to identify free zones, and detect interferences. Acoustic and distributed filters offer impressive dynamic range and sharp roll off characteristics, but their bulkiness and lack of electronic adjustment capabilities limit their practicality. Active filters, on the other hand, present opportunities for integration in advanced CMOS technology, addressing size constraints and providing versatile programmability. However, concerns about power consumption, noise generation, and linearity in active filters require careful consideration.This thesis primarily focuses on the design and implementation of a low-voltage, low-power RFFE tailored for direct sampling receivers in 5G FR1 applications. The RFFE consists of a balun low-noise amplifier (LNA), a Q-enhanced filter, and a programmable gain amplifier (PGA). The balun-LNA employs noise cancellation, current reuse, and gm boosting for wideband gain and input impedance matching. Leveraging FD-SOI technology allows for programmable gain and linearity via body biasing. The LNA's operational state ranges between high-performance and high-tolerance modes, which are apt for sensitivityand blocking tests, respectively. The Q-enhanced filter adopts noise-cancelling, current-reuse, and programmable Gm-cells to realize a fourth-order response using two resonators. The fourth-order filter response is achieved by subtracting the individual response of these resonators. Compared to cascaded and magnetically coupled fourth-order filters, this technique maintains the large dynamic range of second-order resonators. Fabricated in 22-nm FD-SOI technology, the RFFE achieves 1%-40% fractional bandwidth (FBW) adjustability from 1.7 GHz to 6.4 GHz, 4.6 dB noise figure (NF) and an OOB third-order intermodulation intercept point (IIP3) of 22 dBm. Furthermore, concerning the implementation uncertainties and potential variations of temperature and supply voltage, design margins have been considered and a hybrid calibration scheme is introduced. A combination of on-chip and off-chip calibration based on noise response is employed to effectively adjust the quality factors, Gm-cells, and resonance frequencies, ensuring desired bandpass response. To optimize and accelerate the calibration process, a reinforcement learning (RL) agent is used.Anticipating future trends, the concept of the Q-enhanced filter extends to a multiple-mode filter for 6G upper mid-band applications. Covering the frequency range from 8 to 20 GHz, this RFFE can be configured as a fourth-order dual-band filter, two bandpass filters (BPFs) with an OOB notch, or a BPF with an IB notch. In cognitive radios, the filter’s transmission zeros can be positioned with respect to the carrier frequencies of interfering signals to yield over 50 dB blocker rejection