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Abstrakt in Englisch

Wakeup receivers (WuRxs) are a key enabler for energy efficient wireless communication and sensor networks. They are intended to receive a wakeup sequence (WUS) to wake up a wireless node subsequently. This class of wireless receivers (Rxs) need to exhibit a sufficient input sensitivity and input filtering bandwidth at very low direct current (dc) power consumption, which are typically below 1 µW. The requirements on the data rate are relaxed, depending on the tolerable wakeup latency. On the other hand, a WuRx can also be used to receive payload data, if low data rates are sufficient. This work proposes two novel on-off keying (OOK) WuRx architectures operating in the 434 MHz industrial, scientific and medical (ISM) band, namely the switched passive input network (SPIN) amplifier Rx and the switched injection-triggered oscillator (SITO) Rx. They both rely on a novelly proposed SPIN based on a cheap (1$) commercial off-the-shelf (COTS) surface acoustic wave (SAW) resonator. It is shown that this off-chip surface mounted device (SMD) component adds very little to the Rx system size, which is typically dominated by the antenna for Rxs operating at this carrier frequency. For the SPIN output voltage, an analytical transient description is derived for varying loss resistances. It turns out, that the loss resistance is limited by the losses in the off-chip inductor. The SPIN amplifier Rx can be categorized as a direct radio frequency (RF) demodulation Rx, characterized by the SPIN instead of a conventional steady state input matching network (IMN). A SPIN amplifier Rx prototype comprising the analog frontend (AFE) and a digital backend (DBE) is implemented in IHP SGB25V 250 nm bipolar CMOS (BiCMOS) technology. The SITO Rx on the other hand poses a promising alteration of the super-regenerative receiver (SRR), by injecting the input signal into the oscillator via the SAW resonator, which is part of the SPIN. A noise model for the SITO, which is an oscillator with two resonators and thus two oscillation frequencies, is derived in this work. This noise model is based on the noise analysis for a single resonator super-regenerative amplifier (SRA) found in the literature. The noise model is validated against measurements of a proof-of-concept Rx implemented in GlobalFoundries 22 nm fully depleted silicon on insulator (FD-SOI) technology. The dc power consumption and the input sensitivity of the SITO Rx both are limited by the losses in the off-chip inductor of the SPIN. It is shown by calculations and measurements of a proof-of-concept Rx system, that the SITO Rx behaves conversely compared to the SRR in terms of input sensitivity vs. oscillator ramp-up time. Furthermore, the SITO Rx makes the input frequency selectivity largely independent of the ramp-up length. Another implementation in GlobalFoundries 22 nm FD-SOI technology achieves a very performant combination of good input sensitivity, i.e., −94 dBm (BER ≤ 10−3), a narrow input 3 dB bandwidth (BW) of only 133 kHz and a very low consumed dc energy per bit of the AFE of only Eb = 2.8 pJ (all measured). Based on the assumption, that the dc energy consumption of a wireless Rx is dominated by the AFE, this corresponds to a reduction of the consumed dc energy per bit by a factor of 138 compared to state-of-the-art (SOTA) Rxs. This results in a low average dc power consumption, e.g., 28 nW from a 0.3 V and 0.8 V supply at a data rate of 10 kbps. This high energy efficiency of the wireless Rx opens up new possibilities in terms of batteryless wireless internet of things (IoT) nodes, since this low dc power can be provided from energy harvesting solutions with only small geometrical size. This is proven by supplying an Rx AFE presented in this work from two Perovskite solar cells with an area of only 9 mm2 in total, while at the same time enabling sufficient transmission distances of over 100 m.

Abstrakt in Deutsch

Aufwachempfänger sind eine Schlüsselkomponente für die Realisierung energieeffizienter drahtloser Kommunikations- und Sensornetze. Die Aufgabe des Aufwachempfängers besteht darin, eine Aufwachnachricht drahtlos zu empfangen, um den drahtlosen Knoten anschließend aufzuwecken. Diese Klasse von Drahtlosempfängern muss eine suffiziente Eingangsempfindlich keit und eingangsseitige 3 dB-Bandbreite aufweisen bei einer sehr geringen durchschnittlichen DC-Leistungsaufnahme, welche typischerweise unter 1 µW liegt. Die Anforderungen an die Datenrate hingegen sind vergleichsweise gering, abhängig von der tolerierbaren Aufwachlatenz. Diese Arbeit schlägt zwei neuartige Architekturen für Aufwachempfänger vor, welche ein-aus getastete (engl. on-off keying (OOK)) Signale auf einer Trägerfrequenz im 434 MHz ISM-Band empfangen können: der Empfänger mit geschaltetem passiven Eingangsnetzwerk (engl. switched passive input network (SPIN)) samt Verstärker und der geschaltete injektionsausgelöste Oszillator (engl. switched injection-triggered oscillator (SITO)) -Empfänger. Beide basieren auf dem neuartig vorgeschlagenen geschalteten passiven Eingangsnetzwerk, welches einen günstigen (1$) kommerziell erhältlichen akustischen Oberflächenwellen (engl. surface acoustic wave (SAW)) -Resonator nutzt. Es wird gezeigt, dass dieses oberflächenmontierte Bauteil, welches nicht Teil des Chips ist, die Größe des Empfängersystems nur marginal erhöht, da die Systemgröße bei dieser Trägerfrequenz üblicherweise von der Größe der Antenne dominiert wird. Für die Ausgangsspannung des SPINs wird eine analytische Beschreibung im Zeitbereich für verschiedene Verlustwiderstände hergeleitet. Es zeigt sich, dass der Verlustwiderstand durch die Verluste in der externen Spule dominiert wird. Der Empfänger mit SPIN samt Verstärker kann klassifiziert werden als Empfänger mit direkter Hochfrequenz (HF) Demodulation (auch Geradeausempfänger genannt), wobei das Eingangsanpassungsnetzwerk für stationärem Betrieb durch das oben genannte SPIN ersetzt wird. Ein Empfängersystem mit SPIN und Verstärker wurde in IHP SGB25V 250 nm BiCMOS Technologie implementiert, bestehend aus analogem Frontend und Digitalteil. Andererseits stellt der SITO-Empfänger eine Abwandlung des Superregenerativempfängers (engl. super-regenerative receiver (SRR)) dar, bei der die Signalinjektion in den Oszillator über den SAW-Resonator erfolgt, welcher Teil des SPINs ist. In dieser Arbeit wird ein Rauschmodell für den SITO hergeleitet, welcher einen Oszillator mit zwei Resonatoren und daher mit zwei Oszillationsfrequenzen darstellt. Diese Rauschmodell basiert auf der Rauschanalyse eines superregenerativen Verstärkers mit einem einzelnen Resonator aus der Literatur. Das Rauschmodell wird mit Hilfe von Messungen eines Empfängerprototyps validiert, welcher in GlobalFoundries 22 nm FD-SOI Technologie implementiert wurde. Die DC-Leistungsaufnahme sowie die Eingangsempfindlichkeit des SITO-Empfängers werden beide limitiert durch die Verluste in der externen Spule des SPINs. Anhang von Berechnungen und Messungen eines Empfängerprototyps wird gezeigt, dass der SITO-Empfänger sich konträr zum SRR verhält hinsichtlich Eingangsempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Anschwingzeit des Oszillators. Darüber hinaus ist die eingangsseitige Frequenzselektivität des SITO-Empfängers weitgehend unabhängig von der Anschwingzeit. Ein weiterer Empfängerprototyp implementiert in GlobalFoundries 22 nm FD-SOI Technologie erreicht eine leistungsfähige Kombination von guter Eingangsempfindlichkeit (−94 dBm bei einer Bitfehlerrate von maximal 10−3), einer schmalen eingangsseitigen 3 dB-Bandbreite von lediglich 133 kHz und einer sehr geringen DC-Energieaufnahme des analogen Frontends je Bit von nur Eb = 2.8 pJ (all diese Werte wurden gemessen). Ausgehend von der Annahme, dass die DC-Leistungsaufnahme eines Drahtlosempfängers vom analogen Frontend dominiert wird, erzielt der SITO-Empfänger eine Reduktion der DC-Leistungsaufnahme je Bit um einen Faktor 138 gegenüber Drahtlosempfängern gemäß Stand der Technik. Das resultiert in einer sehr geringen durchschnittlichen DC-Leistungsaufnahme, beispielsweise von 28 nW von einer 0.3 V und einer 0.8 V Versorgungsspannung bei einer Datenrate von 10 kbps. Diese hohe Leistungseffizienz des Drahtlosempfängers eröffnet neue Möglichkeiten in Hinblick auf batterielose drahtlose Knoten für das Internet der Dinge (engl. internet of things (IoT)), da die benötigte DC-Leistung bereitgestellt werden kann von kompakten Modulen zur Energiegewinnung (engl. energy harvesting). Dies wird nachgewiesen durch den Betrieb eines hier vorgestellten analogen Empfängerfrontends von zwei Perowskit-Solarzellen mit einer Gesamtfläche von 9 mm2, während gleichzeitig eine Übertragungsdistanz von mehr als 100 m gezeigt wird.