A A- -N pour systèmes de communication à faible N pour systèmes de communication à faible consommation: vers la radio intelligente verte consommation: vers la radio intelligente verte consommation: vers la radio intelligente verte consommation: vers la radio intelligente verte Jamel NEBHEN Post-doctorant, IM2NP, Marseille, France 10 Avril 2014
mixtes et RF LNA ADC Baseband Processor Data out Introduction (2/3) Introduction (2/3) Défi majeur de la radio intelligente détection précise des faibles signaux sur une large gamme de fréquences Développement de la partie frontale RF large bande et des convertisseurs A/D sont des questions critiques PA DAC Baseband Processor Data in 4
(3/3) Introduction (3/3) Appariement des composants et fiabilité à long terme Bruit de scintillement Haute tension de seuil à basse tension d'alimentation La conception d'un ADC à hautes performances et à faible consommation devient un défi sérieux 5
la courbe de réponse idéale et la courbe réelle Erreur de non-monotonie: un décroissement de la sortie avec un ADC: état de l’art (1/7) ADC: état de l’art (1/7) accroissement de l’entrée Erreur de gain: écart entre la pente de courbe de réponse idéale et la courbe réelle 7
(Effective Number Of Bits) ( ) 6,02 1,76 SNR dB N = + ( ) 1,76 6,02 SNR dB ENOB − = 2. s F OSR BW = ADC: état de l’art (2/7) ADC: état de l’art (2/7) SFDR (Spurious Free Dynamic Range) THD (Total Harmonic Distorsion) SINAD (Signal to Noise ratio And Distorsion) FoM (Figure of Merit) ( ) 10log diss bruit harmoniques P SINAD dB P + = ( / ) 2 .2. diss ENOB P FoM pJ step BW = ( ) 10.log harmoniques diss P THD dB P = 1 ( ) 20.log max( , ) k a SFDR dB a s = 8
communication modernes: • de 80 à 90 dB de SNR • plus de 90dB de SFDR • 10-100 MHz de bande passante ADC: état de l’art (3/7) ADC: état de l’art (3/7) • 10-100 MHz de bande passante • 0,5 pJ par étape de conversion Par exemple: ADC 16 bits, 2,2 GHz: puissance de 1 à 10 W Consommation d'énergie très élevée! 9 [Linear Technology, LTC2217]
est parasité par du bruit Le bruit est un signal aléatoire, souvent d’origine thermique, qui définit le seuil de détection de tout récepteur On peut définir le bruit en terme de densité spectrale … Densité spectrale de puissance (W/Hz ou dBW/Hz) 15 (W/Hz ou dBW/Hz) Impossible d'afficher l'image. Votre ordinateur manque peut-être de mémoire pour ouvrir l'image ou l'image est endommagée. Redémarrez l'ordinateur, puis ouvrez à nouveau le fichier. Si le x rouge est toujours affiché, vous devrez peut-être supprimer l'image avant de la réinsérer. Seuil de bruit Signal détectable Signal non détectable Fréquence n0 df Puissance du bruit : 0 b f P n df = ∫
résistance. Lié à l’agitation thermique. Bruit gaussien • Bruit de grenaille : lié au passage des électrons à travers une résistance, une jonction PN 4. .T.R. bruit V k B = 2. . . bruit I q I B = Il existe de nombreuses sources de bruit. Les principales sont : Bruit en électronique (2/3) Bruit en électronique (2/3) • Bruit rose ou en 1/f ou de scintillement : lié aux défauts des dispositifs électroniques -k: Constante de Boltzmann -R: Resistance -T: Temperature en Kelvin -K: Coefficient de bruit en 1/f -q: Charge élementaire d’un electron -B: Bande passante utile -α et β: Coefficients (entre 0.8 et 1.3) bruit I S K f = α β 16 • Autres sources de bruit : naturels (rayons cosmiques, aurores boréales) ou humaines (50 Hz secteur)
Nin Nout ( ) ( ) ( ) dB N dBm N dB NF N N NF in out in out − = ⇒ = Bruit en électronique (3/3) Bruit en électronique (3/3) Système en cascade 1 1 1 − − − NF NF NF N 17 1e élément 2e élément Ne élément G1 NF1 G2 NF2 GN NFN Nout Nin 1 2 1 2 1 3 1 2 1 ... 1 ... 1 1 − − + + − + − + = = N N in out G G G NF G G NF G NF NF N N NF Rapport signal à bruit (SNR) ( ) 10.log s b P SNR dB P = Les exigences en terme de SNR pour des communications analogiques sont très strictes
édition 2011 Composition du consortium : CEA-Léti, IM2NP, LVA-INSA de Lyon, Neurelec Objectif du projet : Réalisation d’un capteur microphone MEMS, basé sur un Conception d’un LNA (1/15) Conception d’un LNA (1/15) concept innovant et une technologie de type microélectronique avancée utilisant des nano-fils silicium Capteur microphone MEMS planaire à détection piézo-résisitive par nanofil Si ASIC très bas bruit/consommation pour la détection piézo-résistive Démonstrateur microphone (MEMS avec ASIC dans un packaging adapté) intégrable dans un produit de type implant cochléaire 19
: Oreille Oreille humaine humaine: : - Dynamic range 100 dB - Fréquence: 20 Hz to 20 kHz Conception d’un LNA (3/15) Conception d’un LNA (3/15) Signal numérique à la sortie du capteur piézo-résistif Data converter A Bias Read out circuit Capteur piézo-réistif Sigma Delta réalise la résolution réquise 21
en 1/f lié aux électrons piégés entre l’oxyde et le semi-conducteur 2 8. . 3. eq m k T i g = Bruit d’un transistor CMOS en régime saturé Conception d’un LNA (4/15) Conception d’un LNA (4/15) Avec: -Cox: Capacité d’oxyde -µ: Mobilité surfacique -W: Longueur du canal -L: Largeur du canal -KF: 1/f noise coefficient -K: Constante de Boltzmann -T: temperature 2 . m ox D W g µC I L = 2 2 1 . . . F eq ox K v C W L f = 2 eq v W/L 2 eq i 22
- Variations du processus de fabrication - Erreurs de lithographie Des dérives qui génèrent le bruit en 1/f: - Variation de la température Conception d’un LNA (5/15) Conception d’un LNA (5/15) - Variation de la température - Vieillissement Pour diminuer le bruit: -Assurer un bon appariement entre les composants -Augmenter la transconductance des transistors -Utiliser une technique de minimisation de bruit Technique Chopper 23
Chopper est bien adaptée pour le traitement des signaux qui sont continus dans le temps Eliminer le bruit en 1/f et la tension de décalage Réduire la distorsion harmonique d’intermodulation de deuxième ordre du modulateur Le signal est transposé, amplifié, ramené en bande de base et filtré Le signal existe d’une façon continue 24 [C. C. Enz, Proceedings of the IEEE 1996]
4 6 7 . out m m vo ip in ds ds ds ds V g g A V V g g g g = = − + + Conception d’un LNA (8/15) Conception d’un LNA (8/15) Vin Vip Vout + − Densité spectrale du bruit: 2 2 m c g GBW C π = ( , , ) m Noise f W L g = 26 ( ) 2 3 1 3 2 2 1 1 1 3 3 1 16 2 3 N m P m m m ox m K g K KT g g g C f W L W L g + + +
technologie CMOS ST 65nm Simulation niveau système: VHDL® et MATLAB® Simulation niveau transistor sous le logiciel CADENCE® VIRTUOSO® Dessin des masques de l’ASIC Conception d’un LNA (12/15) Conception d’un LNA (12/15) Dessin des masques de l’ASIC 30 [Nebhen, DTIP 2014] [Nebhen, ICECS 2013] [Nebhen, IEEE SENSORS 2013] Technology: CMOS 65 nm Alimentation: VDD = 2.5 V Area: 1mm x 1mm Package: TQFP64
Utilisation des techniques de minimisation de bruit Réduire la consommation des fonctions analogiques : Conclusion Conclusion Réduire la consommation des fonctions analogiques : Conception basse consommation Gestion dynamique de la consommation des fonctions analogiques 35