A Low-Power IEEE 802.15.4a/z/ab-Compliant IR-UWB Receiver with Linearity Enhanced Techniques for High Blocker Resilience

Abstract

This thesis proposes impulse-radio ultra-wideband (IR-UWB) receiver (RX) with high linear, low NF, low power RF front-end including low-noise amplifier (LNA), low-noise transconductance amplifier (LNTA). A 25% duty-cycled passive mixer (MX) following LNTA converts RF signals to baseband (BB) signals. Following the passive down-conversion MX, the RX consists of a transimpedance amplifier (TIA), a low pass filter (LPF) and an output buffer sequentially which can drive high capacitive load such as ADC or measurement equipment.

The proposed LNA adopted a N/PMOS complementary common gate (CG) topology for the first stage which reduces the required gm for proper input impedance matching (50ohms) while achieving lower power consumption due to its current re-use manner. Moreover, it can reduce second-order intermodulation distortion (IMD2) due to the embedded topology performance, enhancing linearity. The second stage of LNA implements a noise cancelling and post-linearization technique to effectively cancel out noise and third-order intermodulation distortion (IMD3) components generated from the first CG stage of LNA. To preserve the high linearity on the entire receiver chain, preventing linearity degradation is important. The high linearity obtained from the LNA can be preserved by the LNTA utilizing a multi-gate transistor (MGTR) using different transistor flavors. Following the LNTA, a single-balanced passive mixer is employed for RF-to-BB conversion and a TIA and LPF which are based on inverter structure can operate with low power consumption and wideband performance while providing high-order BB filtering. This approach enables the proposed IR-UWB RX to achieve the required high linearity while operating with low noise and low power consumption, making it suitable for applications that comply with UWB standards. The RX is fabricated in a 28nm CMOS process and occupies 0.287mm2. Post-layout simulation results show an out-of-band (OOB) input-referred third-order intercept point (IIP3) of −1.85dBm, an OOB input-referred second-order intercept point (IIP2) of 15.8dBm, a noise Fig. (NF) of 4.86 dB, and a total power consumption of 14.6mW. The OOB-IIP3 shows state-of-the art performance between recent IR-UWB RXs.

Keywords: impulse-radio ultra-wideband (IR-UWB), IEEE 802.15.4a/z/ab standard compliant RX, linearity enhancement technique, blocker resilience, RF-frontend.|본 논문은 IR-UWB 기술과 통신 규격에 대해 소개하고 현재 IR-UWB 수신기가 직면한 블로커에 의한 수신기의 이득 압축, 상호 혼변조, 상호 간섭 왜곡 문제를 제시하였다. 이들 중 대역 외 블로커에 의해 발생하는 상호 간섭 왜곡 신호를 줄이기 위한 고선형, 저전력 수신기를 제안하였다. 수신기의 선형성은 NF 와 같이 수신기 앞 단의 성능이 지배적이다. 따라서, RF 프론트엔드(RFFE)에 포함되는 저잡음 증폭기(LNA)와 저잡음 트랜스컨덕턴스 증폭기(LNTA)의 선형성을 크게 높이고 이를 수신기 전체에서 유지될 수 있도록 하였다. 제안된 저잡음 증폭기는 첫 번째 단으로 상보 보완형 N/PMOS 공통 게이트 증폭기를 통해 광대역 입력 임피던스 정합과 높은 2 차 선형성을 얻을 수 있다. 또한, 두 번째 단의 노이즈 상쇄 및 후선형화 기법을 통해 낮은 NF 와 높은 3 차 선형성을 성능을 가질 수 있다. 또한, 저잡음 증폭기의 높은 선형성을 기저대역까지 유지시키기 위해 멀티-게이트 트랜지스터 (MGTR) 기법이 적용된 저잡음 트랜스컨덕턴스 증폭기가 제안되었으며, 이를 통해 RF 프론트엔드에서 높은 선형성을 가진 신호가 기저대역까지 유지될 수 있었다. 이러한 고선형 트랜스컨덕턴스 증폭기의 출력은 수동 다운컨버전 혼합기를 통해 RF 신호가 기저대역 신호로 다운컨버전된다. 기저대역의 증폭기들은 트랜스임피던스 증폭기(TIA), 로우패스필터(LPF), 출력 버퍼로 구성되어 있다. 트랜스임피던스 증폭기와 로우패스필터는 인버터 기반의 gm-C 아키텍처 기반으로 저전력으로 UWB 규격을 만족시키는 광대역 동작을 제공한다. 또한, 고차 기저대역 필터링을 통해 대역 외 신호를 효과적으로 억제할 수 있다. 제안된 IR-UWB 수신기는 28nm CMOS 공정으로 설계되었으며, IEEE 802.15.4a/z/ab 규격을 만족시키는 광대역 동작을 한다. 또한, 14.6mW 의 저전력 동작 및 4.86dB 의 낮은 NF 성능을 보이며, 특히 대역 외 블로커 신호에 대한 3 차 선형성은 세계 최고 수준의 성능을 보인다. 핵심어: IR-UWB, IEEE 802.15.4a/z/ab 규격 준수 수신기, 선형성 향상 기법, 블로커 저항성, RF 프론트엔드.