A 2.4 GHz Low Power Low-IF Receiver Employing OOK and FSK Dual-Mode Demodulator for IoT Applications

이명훈,권구덕 한국과학기술원 반도체설계교육센터 2021 IDEC Journal of Integrated Circuits and Systems Vol.7 No.4

In this paper, a 2.4 GHz low-power low-IF receiver employing a dual-mode demodulator for on-off keying (OOK) and frequency-shift keying (FSK) signals is presented for Internet of Things (IoT) applications. The switched dual-mode demodulator can demodulate both OOK and FSK signals. The proposed receiver consists of a low-noise transconductance amplifier, single-balanced current-mode passive mixer, transimpedance amplifier, variable gain amplifier, and dual-mode demodulator. The proposed receiver was designed in a 65-nm CMOS process and mainly simulated at 2.4 GHz. The receiver achieves a noise figure of 9.9 dB, a maximum conversion gain of 74 dB, and an input-referred third-order intercept point of −26.3 dBm. The active die area of the designed receiver is 0.53 mm2, and it draws a bias current of 1.8 mA from a nominal supply voltage of 1 V.

A Transimpedance Amplifier Employing a New DC Offset Cancellation Method for WCDMA/LTE Applications

이청민,권구덕 대한전자공학회 2016 Journal of semiconductor technology and science Vol.16 No.6

In this paper, a transimpedance amplifier based on a new DC offset cancellation (DCOC) method is proposed for WCDMA/LTE applications. The proposed method applies a sample and hold mechanism to the conventional DCOC method with a DC feedback loop. It prevents the removal of information around the DC, so it avoids signal-to-noise ratio degradation. It also reduces area and power consumption. It was designed in a 0.13 m deep n-well CMOS technology and drew a maximum current of 1.58 mA from a 1.2 V supply voltage. It showed a transimpedance gain of 80 dBΩ, an input-referred noise current lower than 0.9 pA/√Hz, an out-of-band input-referred 3rd-order intercept point more than 9.5 dBm, and an output DC offset lower than 10 mV. Its area is 0.46 mm  0.48 mm.

전류 재사용 Gm-boosting 기술을 이용한 MedRadio 대역에서의 170μW 저잡음 증폭기

김인수(InSoo Kim),권구덕(Kuduck Kwon) 대한전자공학회 2017 전자공학회논문지 Vol.54 No.2

본 논문에서는 의료 기기용 401MHz - 406MHz MedRadio 대역에서 사용하는 저잡음 증폭기를 제안한다. 제안한 저잡음 증폭기는 전류 재사용 gm-boosting 기술을 이용한 공통 게이트 증폭기 구조를 채택하여 기존의 gm-boosted 공통 게이트 증폭기에 비해 동일한 전력소모에서 더 높은 전압 이득과 더 낮은 잡음 지수 특성을 얻었다. 제안한 전류 재사용 gm-boosted 저잡음 증폭기는 0.13 μm CMOS 공정을 사용하여 설계하였고, 22 dB의 전압 이득, 2.95 dB의 잡음 지수, -17 dBm의 IIP3 특성을 보이며, 공급 전압 0.5 V에서 170 μW의 전력을 소비한다. This paper proposes a 401MHz-406MHz low noise amplifier for MedRadio applications. The proposed low noise amplifier adopts a common gate amplifier topology using current reuse gm-boosting technique. The proposed low noise amplifier shows better performance of voltage gain and noise figure than the conventional gm-boosted common gate amplifier in the same power consumption. The proposed current-reuse gm-boosted low noise amplifier achieves a voltage gain of 22 dB, a noise figure of 2.95 dB, and IIP3 of -17 dBm while consuming 170 μW from a 0.5 V supply voltage in 0.13 μm CMOS process.

의료기기용 MedRadio 대역 저전력 저잡음 증폭기

김태종(Taejong Kim),권구덕(Kuduck Kwon) 대한전자공학회 2016 전자공학회논문지 Vol.53 No.9

본 논문에서는 의료기기용 MedRadio 대역의 저전력 저잡음 증폭기를 제안한다. 제안한 저잡음 증폭기는 전류 재사용 저항피드백 증폭기 구조를 채택하여 gm을 증폭시키고 소스 인덕터 없이 입력 매칭을 가능하도록 하였다. 추가적으로 제안한 직렬저항, 인덕터, 커패시터 입력 매칭 네트워크의 Q-factor를 통해 저잡음 증폭기의 전압 이득을 증가시켜 잡음 지수를 최소화했다. 로드저항이 없는 구조를 채택하여 낮은 전원 전압으로 전력 소모를 줄였다. 제안한 MedRadio 대역 저전력 저잡음 증폭기는 0.13 μm CMOS 공정을 사용하여 설계하였고, 전원 전압 1 V에서 0.18 mA의 전류를 소모하면서 0.85 dB의 잡음 지수, 30 dB의 전압 이득, -7.9 dBm의 IIP3의 성능을 보인다. This paper presents a MedRadio-band low power low noise amplifier for Medical Devices. A proposed MedRadio-band low power low noise amplifier adopts a current-reuse resistive feedback topology to increase overall gm and reduce power consumption. The gain of the LNA increases by the Q-factor of the additional series RLC input matching network, and its noise figure is minimized by the similar factor. Furthermore, it consumes low power because of low supply voltage and current reuse technique. By exploiting the gm-booting and matching network property, the proposed MedRadio-band low noise amplifier achieves a noise figure of 0.85 dB, a voltage gain of 30 dB, and IIP3 of -7.9 dBm while consuming 0.18 mA from a 1 V supply voltage in 0.13 μm CMOS technology.

Quadrature Generator를 사용하는 Bluetooth Low Energy용 저전력 2.4 GHz Local Oscillator 버퍼

김신영(Sinyoung Kim),권구덕(Kuduck Kwon) 대한전자공학회 2017 전자공학회논문지 Vol.54 No.11

본 논문에서는 quadrature generator를 사용하는 Bluetooth low energy용 2.4 GHz 저전력 local oscillator (LO) 버퍼를 제안한다. 제안한 quadrature LO 버퍼는 크기와 위상 보상회로를 가지는 트랜스컨덕터 타입 quadrature 발생기를 사용함으로써 2.4 GHz에서 패러시틱 캐패시턴스를 고려하여도 정교한 quadrature 신호를 발생시켰다. 제안한 LO 버퍼는 LO 신호 경로에서 divider-by-2, 수동 폴리 페이즈 필터 및 quadrature 전압 조정 발진기와 같은 quadrature 신호를 제공하는 기존의 블록 없이도 자체적으로 quadrature 신호를 제공하기 때문에 LO 블록의 전력소모를 줄일 수 있다. 제안한 LO 버퍼는 65 nm CMOS 공정을 사용하여 설계하였고 0.6 V의 공급 전압에서 1.2 mA의 전류를 소모하며 6.2 dB의 전압 이득과 정교한 quadrature 신호를 생성한다. In this paper, a low power 2.4 GHz local oscillator (LO) buffer employing quadrature generator for Bluetooth low energy applications is proposed. A proposed quadrature LO buffer employs the transconductor-type quadrature generator with the gain and phase mismatch compensator and generates accurate quadrature signals at the 2.4 GHz frequency with parasitic capacitances. The proposed LO buffer can minimize the power consumption of the LO path because the block generating quadrature signals such as a divider-by-2, a poly-phase filter, and a quadrature VCO can be removed from the LO path. The proposed LO buffer is realized in CMOS 65 nm process. The LO buffer achieves simulated voltage gain of 6.2 dB and generates accurate quadrature signals while consuming 1.2 mA at the supply voltage of 0.6 V.

전류 재사용 g<SUB>m</SUB>-boosted 저잡음 증폭기를 사용한 의료기기용 MedRadio 대역 초저전력 수신기 RF 프런트-엔드

김태종(Taejong Kim),권구덕(Kuduck Kwon) 대한전자공학회 2017 전자공학회논문지 Vol.54 No.12

본 논문에서는 전류 재사용 gm-boosted 저잡음 증폭기를 사용하는 의료기기용 MedRadio 대역의 초저전력 수신기 RF 프런트- 엔드를 제안한다. 제안한 수신기 RF 프런트-엔드의 저잡음 증폭기는 gm-boosting 기술을 통해 gm을 증폭시켜 전압이득을 높이고 잡음지수를 낮추었고 전류 재사용 구조를 사용하여 낮은 전원 전압을 통해 전력 소모를 줄였다. 그리고 current-bleeding 기술을 적용한 single-balanced 믹서를 통해 1/f 잡음 지수를 낮추었다. 401 MHz - 406 MHz 의 MedRadio 대역을 지원하는 제안한 의료기기용 초저전력 수신기 RF 프런트-엔드는 0.13 μm CMOS 공정을 사용하여 설계하였고, 전원 전압 0.5 V에서 640 μA의 전류를 소모하면서 37 dB의 변환 이득, 3.4 dB의 잡음 지수, 그리고 -34 dBm의 IIP3의 성능을 보인다. This paper presents a MedRadio-band ultra-low-power receiver RF front-end employing a current-reuse gm-boosted low noise amplifier for medical devices. A proposed low noise amplifier adopts a gm-boosting topology to increase overall gm and voltage gain and reduce noise figure. In addition, it employs a current-reuse technique to reduce a supply voltage and power consumption. The proposed single-balanced mixer adopts current-bleeding technique to reduce flicker noise. The proposed 401 MHz - 406 MHz ultra-low-power receiver RF front-end is designed in 0.13 μm CMOS technology. It achieves a conversion gain of 37 dB, a noise figure of 3.4 dB, and an IIP3 of -34 dBm while consuming 640 μA from a 0.5 V supply voltage.

저전력 광대역 전류-재사용 피드-포워드 연산증폭기

변강현(Kanghyeon Byun),권구덕(Kuduck Kwon) 대한전자공학회 2019 전자공학회논문지 Vol.56 No.2

본 논문에서는 전류 재사용 기술을 적용한 저전력 광대역 피드-포워드 연산증폭기를 제안한다. 제안하는 연산증폭기는 저주파 전압 이득 이단 증폭기에 고주파 피드-포워드 일단 증폭기를 결합함으로써 Miller 보상 없이 영점을 생성하여 요구하는 위상 여유를 확보하였다. Miller 보상을 위한 저항과 커패시턴스가 제거되었기 때문에 광대역 특성을 확보할 수 있다. 저주파 전압 이득 이단 증폭기에 전류 재사용 기술을 적용하여 저주파 전압 이득을 높이고 공통 모드 출력 전압을 위한 피드백 루프를 1차로 구성함으로써 공통 모드 피드백 루프의 위상 보상을 위한 저항과 커패시턴스를 제거하여 향상된 단위 이득 주파수를 얻었다. 제안한 저전력 광대역 피드-포워드 연산증폭기는 65-nm CMOS 공정을 사용하여 설계되었다. 전원 전압 1.2 V에서 765 μW의 전력을 소모하며 62.26 dB의 DC 전압 이득과 1.232 GHz의 단위 이득 주파수를 가진다. In this paper, a low-power broadband feed-forward operational amplifier (OPAMP) adopting current-reuse technique is proposed. By combining a feed-forward amplifier with low-frequency two-stage voltage gain amplifier, the proposed OPAMP obtains required phase margin without Miller compensation. It achieves broadband frequency response by removing Miller resistor and capacitor. The proposed OPAMP obtains an extra low frequency voltage gain by adopting current-reuse technique at low frequency two-stage amplifier. It has improved unity-gain frequency with 1st-order common-mode feed-back loop. The proposed low-power broadband feed-forward OPAMP is designed in 65-nm CMOS process. It achieves a DC gain of 62.26 dB and an unity-gain frequency of 1.232 GHz while consuming 765 μW from a supply voltage of 1.2 V.

3G/4G/5G 이동통신 표준을 위한 저전력 광대역 피드-포워드 연산증폭기

변강현(Kanghyeon Byun),권구덕(Kuduck Kwon) 대한전자공학회 2018 대한전자공학회 학술대회 Vol.2018 No.11

Quadrature G<SUB>m</SUB>-stage 단을 사용하는 Bluetooth Low Energy용 2.4 GHz 초저전력 수신기 RF 프런트-엔드

김신영(Sinyoung Kim),권구덕(Kuduck Kwon) 대한전자공학회 2017 전자공학회논문지 Vol.54 No.12

본 논문에서는 quadrature Gm-stage 단을 사용하는 Bluetooth low energy용 2.4 GHz 초저전력 수신기 RF 프런트-엔드를 제안한다. 제안하는 초저전력 수신기 RF 프런트-엔드는 믹서에서 quadrature Gm-stage 단을 사용하여 quadrature 신호를 생성하고 single-to-differential 변환을 수행한다. 믹서에서 quadrature Gm-stage 단의 사용은 local oscillator (LO) 신호 경로에서 quadrature 신호를 만들어내기 위해 사용하는 divider-by-2나 폴리 페이즈 필터, quadrature 전압 조정 발진기의 사용을 대체함으로써 LO 신호 경로에서 필요한 전력소모를 줄인다. 제안한 quadrature Gm-stage 단은 I/Q 신호의 크기 및 위상 보상회로를 사용하여 2.4 GHz에서 정교한 quadrature 신호를 생성하도록 해준다. 제안한 수신기 RF 프런트-엔드는 65 nm CMOS공정을 사용하여 설계하였고 1 V의 공급 전압에서 0.9 mA의 전류를 소모하며 36 dB의 변환 이득, 2.1 dB의 잡음지수, 그리고 -21 dBm의 IIP3 성능을 보인다. In this paper, an ultra-low-power 2.4 GHz receiver RF front-end adopting a transconductor-type quadrature generator is presented for Bluetooth low energy applications. The mixer of the proposed RF front-end employs a quadrature Gm-stage which generates quadrature signals and performs single-to-differential conversion. The proposed quadrature Gm-stage in the RF signal path minimizes the power consumption of the LO path because the blocks generating quadrature signals such as a divider-by-2, a poly-phase filter and a quadrature voltage controlled oscillator are not required. The proposed quadrature Gm-stage with the magnitude and phase mismatch compensator generates adequate quadrature signals at 2.4 GHz. The proposed receiver RF front-end, realized in 65 nm CMOS process, achieves a conversion gain of 36 dB, a NF of 2.1 dB, and an IIP3 of -26 dBm while consuming 0.9 mA at supply voltage of 1 V.

가변 임피던스 매칭 네트워크를 이용한 영상 감시 Disposable IoT용 광대역 CMOS RF 에너지 하베스터

이동구(Dong-gu Lee),이두희(Duehee Lee),권구덕(Kuduck Kwon) 대한전기학회 2019 전기학회논문지 Vol.68 No.2

This paper presents a CMOS RF-to-DC converter for video surveillance disposable IoT applications. It widely harvests RF energy of 3G/4G cellular low-band frequency range by employing a tunable impedance matching network. The proposed converter consists of the differential-drive cross-coupled rectifier and the matching network with a 4-bit capacitor array. The proposed converter is designed using 130-nm standard CMOS process. The designed energy harvester can rectify the RF signals from 700 MHz to 900 MHz. It has a peak RF-to-DC conversion efficiency of 72.25%, 64.97%, and 66.28% at 700 MHz, 800 MHz, and 900 MHz with a load resistance of 10kΩ, respectively.