RF CMOS transceiver a 2.4 GHz para microsistemas em redes de sensores sem fios

Abstract

Esta tese descreve o projecto, fabrico e teste de um RF CMOS transceiver para comunicações sem fios de curta distância. O RF CMOS transceiver foi projectado para operar na banda ISM de 2.4 GHz. Utilizou-se a tecnologia RF CMOS de 0.18 µm da UMC, pois podem-se integrar as indutâncias, os condensadores e as resistências. Além disso, esta tecnologia permite uma alimentação de apenas 1.8 V. Isto torna-a adequada ao fabrico de microssistemas de baixo consumo e dimensões reduzidas. O emissor foi projectado para uma potência máxima na antena de 1 mW (0 dBm). O amplificador de potência (Power Amplifier – PA) pode ser controlado, para variar-se a potência na antena entre quatro valores: 0.28 mW, 1.01 mW, 1.21 mW e esligado. Os consumos no emissor e no amplificador de potência são de 13.6 mW e de 8 mW, respectivamente. O receptor possui uma sensibilidade de -60 dBm, e utiliza como método de desmodulação, a detecção por envolvente. O amplificador de baixo ruído consome 3.6 mW. O receptor é composto ainda, por um pós-amplificador e por um detector de envolvente, cujos consumos são de 2.1 mW e de 0.12 mW, respectivamente. O consumo total do receptor é de 6.3 mW. Para um afastamento de dez metros, as especificações do RF CMOS transceiver garantem uma probabilidade de erro inferior a 10-6, mesmo quando a transmissão ASK é feita ao débito binário máximo de 250 kbps. Para tornar a integração do RF CMOS transceiver o mais completa possível, incluíu-se no projecto, um switch que liga o receptor e o emissor à antena. O switch apresenta perdas inferiores a 1.3 dB, e um isolamento mínimo de 41.5 dB. O RF CMOS transceiver possui sinais de controlo que ligam e desligam o emissor e receptor. Isto permite a programação de protocolos eficientes em termos de gestão de energia para redes de sensores sem fios. O EEG sem fios e a camisa electrónica para monitorização de pacientes em risco, constituem exemplos de aplicações biomédicas, para microssistemas que utilizem o RF CMOS transceiver desenvolvido. Permitem ainda, o uso do método plug-in-play.

This thesis describes the design, fabrication and test of a RF CMOS transceiver for short-range wireless microsystems. This RF CMOS transceiver was designed to operate in the 2.4 GHz ISM band. The fabrication process used is the UMC RF 0.18 µm CMOS (it has a poly and six metal layers, allowing the use of integrated spiral indutors - with a reasonable quality factor) with low-power supply of 1.8 V. These features match the short-range wireless microsystems requirements, e.g., full on-chip solution with low-power/low-voltage in small-size devices. The transmitter was designed to deliver a maximum power of 1 mW (0 dBm) to the antenna. It is possible to have four different RF powers: 0.28 mW, 1.01 mW, 1.21 mW and switched-off. When active, the power consumptions of the transmitter and the power amplifier (PA) are 13.6 mW and 8 mW, respectively. The receiver adopts a direct demodulation through envelope detection. This is enough to achieve a bit error probability less that 10-6 with a sensibility of -60 dBm, for a transmitted power of 0 dBm using ASK modulation. These specifications allow data transmissions with distances up to ten meters and for data-rates up to 250 kbps. The power consumption of the low-noise amplifier (LNA) is 3.6 mW. The LNA is followed by a post-amplifier and an envelope detector, with power consumptions of 2.1 mW and 0.12 mW, respectively. The receiver has a total power consumption of 6.3 mW. It was included an antenna-switch in the design. This improves the full on-chip solution. The switch has a maximum transmission-loss of 1.3 dB and a minimum isolation of 41.5 dB. Innovative topics concerning efficient power management was taken into account during the design of the RF CMOS transceiver. It consists of control signals, used to enable or disable the several subsystems of the RF CMOS transceiver. The applications, using this RF CMOS transceiver in complete microsystems, include wireless EEG (electroencephalogram) modules plug-in-play and smart electronic shirts based on wireless sensor networks.