Proyecto de fin de carrera por Emilio Torres Armas

1. DISEÑO DE UN RECEPTOR DE WAKE-UP
PARA REDES DE SENSORES
INALÁMBRICAS MEDIANTE EL USO DE
UN MEZCLADOR DE BAJADA
Tutores: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez
Dr. Sunil Lalchand Khemchandani
Grado en Ingeniería en Tecnologías de la Telecomunicación
Autor: Emilio Torres Armas
Fecha: Junio 2015

2. Índice
• Introducción y objetivos
• Diseño de los componentes del receptor wake-up
• Diseño del receptor wake-up
• Conclusiones y líneas futuras
• Presupuesto
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 2

3. Índice
• Introducción y objetivos
• Diseño de los componentes del receptor wake-up
• Diseño del receptor wake-up
• Conclusiones y líneas futuras
• Presupuesto
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 3

4. Redes de Sensores Inalámbricas
Tecnologías inalámbricas Redes de sensores inalámbricas
Gran número de campos de aplicación:
• Aplicaciones Militares
• Aplicaciones en la Agricultura
• Aplicaciones Medioambientales
• Aplicaciones Domóticas
• Aplicaciones en Automoción
• Aplicaciones en Medicina
WSNs ‘Internet de las cosas’
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 4

5. Elementos del nodo sensor:
Tipos básicos de nodos sensores:
Redes de Sensores Inalámbricas
Sensores Actuadores Controladores
Nodos Sensores
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 5

6. • Despliegue tipo Ad-hoc  Red descentralizada
• No se utiliza infraestructura de red
• Encaminamiento se realiza entre nodos adyacentes
• Topología dinámica
• Nodos densamente desplegados
• Nodos tienen un tamaño desde los µm a los mm
• Nodos económicos
• Nodos limitados en capacidad de calculo y memoria
• Nodos con consumo reducido de energía
Redes de Sensores Inalámbricas
Características de las redes de sensores
Optimizar funcionamiento
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 6

7. Hardware del nodo:
Redes de Sensores Inalámbricas
Requisitos para la implementación de WSNs
Bajo Coste
Bajo ConsumoPequeño Tamaño
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 7

8. Redes de Sensores Inalámbricas
Introducción al esquema Rendezvous
Pérdida de
Energía
Monitorización Inactiva
ColisiónOverhearing
Paquetes de control
Máximo Consumo Escucha Inactiva Apagar Nodos
Esquema Rendezvous
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 8

9. Redes de Sensores Inalámbricas
Introducción al esquema Rendezvous
Esquema Rendezvous
Comunicación entre nodos
Funciones de protocolo MAC
• Planificación de acceso al medio
• Evitar y resolver colisiones
Mejorar Eficiencia Energética
Controlar Encendido/Apagado
Latencia
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 9

10.  Tres categorías de esquema Rendezvous:
• Esquema síncrono  Hora establecida
• Esquema pseudo-síncrono  Nodo origen espera a que el
nodo destino despierte
• Esquema asíncrono  Nodo origen despierta al nodo destino
Redes de Sensores Inalámbricas
Introducción al esquema Rendezvous
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 10

11. Esquemas Rendezvous Control del ciclo de trabajo
Redes Asíncronas
• Receptor wake-up asíncrono
• Sustituye al reloj
• Escucha continua del canal
• Basado en peticiones de comunicación
• Mejora de la latencia
• Opción más interesante
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 11
Redes de Sensores Inalámbricas
Introducción al esquema Rendezvous

12. La arquitectura básica:
Receptores wake-up
Nodos con receptores wake-up
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 12

13. Receptores wake-up
Nodos con receptores wake-up
La arquitectura para este TFG:
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 13

14. • Receptor Tuned-IF:
Receptores wake-up
Arquitecturas típicas en receptores wake-up
• Baja Sensibilidad
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 14

15. • Arquitectura basada en ciclo de trabajo:
Receptores wake-up
Arquitecturas típicas en receptores wake-up
• Latencia
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 15

16. • Receptor Heterodino:
• Alto consumo
Receptores wake-up
Arquitecturas típicas en receptores wake-up
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 16

17. • Receptor Slading-IF:
Receptores wake-up
Arquitecturas típicas en receptores wake-up
• Alto consumo
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 17

18. • Receptor Tuned-IF con doble muestreo:
Receptores wake-up
Arquitecturas típicas en receptores wake-up
• Lógica de control
• Alta tasa de datos
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 18

19. • Receptor Uncertain-IF:
Receptores wake-up
Arquitecturas típicas en receptores wake-up
• Diseño del oscilador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 19

20. Objetivos
• Diseñar un receptor de wake-up de ultra bajo
consumo para redes de sensores inalámbricas
haciendo uso de una arquitectura Uncertain-IF
• Utilizará el software Advanced Design System
• Se hará uso de tecnología CMOS 65nm de UMC
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 20

21. Índice
• Introducción y objetivos
• Diseño de los componentes del receptor wake-up
• Diseño del receptor wake-up
• Conclusiones y líneas futuras
• Presupuesto
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 21

22. Funcionamiento de la arquitectura:
Diseño de los componentes del WuR
Arquitectura Uncertain-IF
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 22

23. Diseño de los componentes del WuR
Arquitectura Uncertain-IF
Ventajas
• Especificación ruido de fase
• Precisión de frecuencia
• Amplificación sobre la señal IF
Dificultades
• Susceptible a interferencias
• FLO ≠ FRF
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 23

24. La señal utilizada para despertar al nodo es una señal OOK
 Portadora 868 MHz – Moduladora 125 KHz
Las características de esta señal son debidas a:
• La antena del nodo trabaja a 868 MHz
• AS3933  5KHz – 150 KHz
Diseño de los componentes del WuR
Generación de la señal OOK
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 24

25. Circuito y simulación:
Diseño de los componentes del WuR
Generación de la señal OOK
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 25
5 10 15 200 25
0.2
0.4
0.6
0.8
0.0
1.0
time, usec
MOD,V
5 10 15 200 25
-50
0
50
-100
100
time, usec
PORT,mV
5 10 15 200 25
-50
0
50
-100
100
time, usec
OOK,mV

26. 0.5
0.0
1.0
MOD,V
-50
0
50
-100
100
PORT,mV
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 230 24
-50
0
50
-100
100
time, usec
OOK,mV
m1
time=
OOK=0.098
Peak
5.132usec
m2
time=
OOK=0.098
Peak
5.133usec
5.132 5.133 5.134 5.135 5.136 5.1375.131 5.138
-50
0
50
-100
100
time, usec
OOK,mV
m1 m2
m1
time=
OOK=0.098
Peak
5.132usec
m2
time=
OOK=0.098
Peak
5.133usec
Eqn OOK_freq=1/(indep(m2)-indep(m1))
OOK_freq
868.1 M
Circuito y simulación:
Diseño de los componentes del WuR
Generación de la señal OOK
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 26

27. Arquitectura Uncertain-IF:
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 27

28. Mezclador  Traslada en frecuencia la señal recibida a la entrada
WIF = WRF - WLO
• Ganancia de conversión
• Consumo
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 28

29. Simulación de Parámetros S: Red de adaptación y filtrado
m1
freq=
S(1,1)=1.000 / -0.025
impedance = Z0 * (65.315 - j4.604E3)
868.0MHz
freq (868.0MHz to 868.0MHz)
S(1,1)
m1
m1
freq=
S(1,1)=1.000 / -0.025
impedance = Z0 * (65.315 - j4.604E3)
868.0MHz
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 29

30. Simulación de Parámetros S: Red de adaptación y filtrado
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 30

31. Simulación de Parámetros S: Red de adaptación y filtrado
m1
freq=
S(1,1)=0.006 / -173.012
impedance = Z0 * (0.989 - j0.001)
868.0MHz
freq (800.0MHz to 900.0MHz)
S(1,1)
m1
m1
freq=
S(1,1)=0.006 / -173.012
impedance = Z0 * (0.989 - j0.001)
868.0MHz
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 31

32. Simulación de Balance de Armónicos: Circuito tanque
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 32

33. Simulación de Balance de Armónicos: Circuito tanque
Eqn convgain=dbm(mix(vif,{-1,1}))-RF_pwr
rt
10000.000
20000.000
30000.000
40000.000
50000.000
60000.000
70000.000
80000.000
convgain
8.613
14.340
17.318
17.645
15.748
12.083
8.535
6.705
Frecuencia de
Corte
Resistencia
"rt"
Condensador
"ct"
Ganancia de
Conversión
100 MHz 30 KΩ 53,05 fF 17,718 dB
100 MHz 35 KΩ 45,47 fF 18,911 dB
100 MHz 40 KΩ 39,79 fF 19,884 dB
100 MHz 45 KΩ 35,37 fF 20,633 dB
100 MHz 50 KΩ 31,83 fF 21,017 dB
100 MHz 55 KΩ 28,94 fF 20,730 dB
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 33

34. Simulación de Balance de Armónicos: Ganancia de Conversión
m1
freq=
dBm(vif)=-38.983
20.00MHz
1 2 3 4 50 6
-80
-60
-40
-20
-100
0
freq, GHz
dBm(vif)
m1
m1
freq=
dBm(vif)=-38.983
20.00MHz
Eqn convgain=dbm(mix(vif,{-1,1}))-RF_pwr
freq
20.00 MHz
convgain
21.017
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 34

35. Simulación en régimen transitorio
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 35

36. Simulación en régimen transitorio
m1
time=
vif=255.1mV
6.025usec
m2
time=
vif=254.5mV
6.075usec
6.01 6.02 6.03 6.04 6.05 6.06 6.07 6.08 6.096.00 6.10
220
230
240
250
260
270
280
290
300
210
310
time, usec
vif,mV
m1 m2
m1
time=
vif=255.1mV
6.025usec
m2
time=
vif=254.5mV
6.075usec
Eqn Freq_Mod=1/(indep(m2)-indep(m1))
Freq_Mod
20.19 M
6.01 6.02 6.03 6.04 6.05 6.06 6.07 6.08 6.096.00 6.10
250
300
350
400
450
500
200
550
time, usec
vif,mV
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 36

37. Simulación en régimen transitorio con la señal OOK
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 37

38. Simulación en régimen transitorio con la señal OOK
-200
0
200
-400
400
vrf,uV
7 8 9 10 11 12 136 14
300
400
500
200
600
time, usec
vif,mV
m1
time=
vif=245.9mV
6.849usec
m2
time=
vif=245.8mV
6.898usec
6.84 6.86 6.88 6.90 6.92 6.94 6.96 6.98 7.00 7.026.82 7.04
246
247
248
249
250
251
252
253
254
245
255
time, usec
vif,mV
m1 m2
m1
time=
vif=245.9mV
6.849usec
m2
time=
vif=245.8mV
6.898usec
Eqn FF=1/(indep(m2)-indep(m1))
FF
20.68 M
7 8 9 10 11 12 136 14
245
250
255
260
240
265
time, usec
vif,mV
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 38

39. Simulación en régimen transitorio con la señal OOK
6.3070
6.3075
6.3080
6.3085
6.3090
6.3095
6.3100
6.3065
6.3105
0
10
20
30
40
-10
50
time, usec
(I_Probe1.i),uA
Eqn Media=mean(I_Probe1.i)
Media
14.19 u
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 39

40. Parámetro Valor
Impedancia de Entrada 49,45 –j0.05
Ganancia de
Conversión
21,017 dB
Consumo de Corriente 14,20 µA
Resumen del mezclador:
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del mezclador
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 40

41. Arquitectura Uncertain-IF:
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 41

42. Amplificadores diferenciales
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 42

43. Se usan 5 etapas diferenciales:
• Condensador etapas impares limita el ancho de banda
inferior
• Limitación del ancho de banda superior se hace con el propio
diseño
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 43

44. Simulación en AC: Amplificador con fuente de corriente simple
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 44

45. Simulación en AC: Amplificador con fuente de corriente simple
• Barrido de corriente:
EqnVid=Vi_P-Vi_N
EqnVod=Vo_N-Vo_P
Eqnganancia=Vod/Vid
m1
freq=
dB(ganancia)=2.916
IBIAS_A1=0.000002
20.20MHz
m2
freq=
dB(ganancia)=8.140
IBIAS_A1=0.000005
20.20MHz
m3
freq=
dB(ganancia)=9.958
IBIAS_A1=0.000008
20.20MHz
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.0 1.0
0
5
-5
10
freq, GHz
dB(ganancia)
m1
m2
m3
m1
freq=
dB(ganancia)=2.916
IBIAS_A1=0.000002
20.20MHz
m2
freq=
dB(ganancia)=8.140
IBIAS_A1=0.000005
20.20MHz
m3
freq=
dB(ganancia)=9.958
IBIAS_A1=0.000008
20.20MHz
Corriente Ganancia a 20 MHz
1 µA -1,944
2 µA 2,916
3 µA 5,438
4 µA 7,035
5 µA 8,140
6 µA 8,938
7 µA 9,526
8 µA 9,958
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 45

46. Simulación en AC: Amplificador con fuente de corriente simple
• Número de fingers:
m1
freq=
dB(ganancia)=8.567
NFCAS_A1=2.000000
20.20MHz
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.0 1.0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
11
freq, GHz
dB(ganancia)
m1
m1
freq=
dB(ganancia)=8.567
NFCAS_A1=2.000000
20.20MHz
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 46

47. Simulación en AC: Amplificador con fuente de corriente simple
• Ancho y largo del transistor:
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.0 1.0
0
5
-5
10
freq, GHz
dB(ganancia)
m1m1
freq=
dB(ganancia)=8.567
WFCAS_A1=0.000002
20.20MHz
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.0 1.0
0
5
-5
10
freq, GHz
dB(ganancia)
m1m1
freq=
dB(ganancia)=8.567
LFCAS_A1=1.500000E-7
20.20MHz
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 47

48. Simulación en AC: Amplificador con fuente de corriente simple
• Resistencia de carga:
m3
freq=
dB(ganancia)=8.567
RL=70000.000000
20.20MHz
0.2 0.4 0.6 0.80.0 1.0
-5
0
5
10
-10
15
freq, GHz
dB(ganancia)
m3
m3
freq=
dB(ganancia)=8.567
RL=70000.000000
20.20MHz
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 48

49. Simulación en AC: Amplificador con fuente de corriente simple
• Simulación final:
EqnVid=Vi_P-Vi_N
EqnVod=Vo_N-Vo_P
Eqnganancia=Vod/Vid
m1
freq=
dB(ganancia)=8.567
20.20MHz
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.0 1.0
0
5
-5
10
freq, GHz
dB(ganancia)
m1
m1
freq=
dB(ganancia)=8.567
20.20MHz
Amplificador con fuente de corriente simple
Corriente de
polarización
4 µA
Número de Fingers 2
Ancho del transistor 2 µm
Largo del transistor 0,150 µm
Resistencia RL 70 KΩ
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 49

50. Simulación en AC: Amplificador con fuente de corriente doble
Amplificador con fuente de corriente doble
Corriente de
polarización
2 µA (por rama)
Numero de Fingers 2
Ancho del transistor 2 µm
Largo del transistor 0,150 µm
Resistencia RL 70 KΩ
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 50

51. Simulación en AC: Amplificador con fuente de corriente doble
• Condensador Cz:
m1
freq=
dB(ganancia)=8.412
CZ=1.000000E-12
20.20MHz
m2
freq=
dB(ganancia)=-129.306
CZ=1.000000E-12
0.0000Hz
0.2 0.4 0.6 0.80.0 1.0
-5
0
5
10
-10
15
freq, GHz
dB(ganancia)
m1
m2
m1
freq=
dB(ganancia)=8.412
CZ=1.000000E-12
20.20MHz
m2
freq=
dB(ganancia)=-129.306
CZ=1.000000E-12
0.0000Hz
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 51

52. Simulación en AC: Amplificador con fuente de corriente doble
• Simulación final:
EqnVid=Vi_P-Vi_N
EqnVod=Vo_N-Vo_P
Eqnganancia=Vod/Vid
m1
freq=
dB(ganancia)=8.412
20.20MHz
m2
freq=
dB(ganancia)=-129.306
0.0000Hz
0.2 0.4 0.6 0.80.0 1.0
-5
0
5
10
-10
15
freq, GHz
dB(ganancia)
m1
m2
m1
freq=
dB(ganancia)=8.412
20.20MHz
m2
freq=
dB(ganancia)=-129.306
0.0000Hz
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 52

53. Simulación en DC: Sustitución de las fuentes ideales
• Amplificador con fuente doble:
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 53

54. Simulación en DC: Sustitución de las fuentes ideales
• Amplificador con fuente doble:
m3
freq=
I_Probe1.i=2.007E-6
VBIAS_A2=0.473500
0.0000Hz
-8.0E-301
-6.0E-301
-4.0E-301
-2.0E-301
0.0
2.0E-301
4.0E-301
6.0E-301
8.0E-301
-1.0E-300
1.0E-300
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
1.0
2.2
freq, Hz
I_Probe1.i,uA
m3
m3
freq=
I_Probe1.i=2.007E-6
VBIAS_A2=0.473500
0.0000Hz
Ganancia con fuente real: 8,408 dB
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 54
Ganancia con fuente ideal: 8,412 dB
m4
freq=
dB(ganancia)=8.408
20.20MHz
1E6 1E7 1E8 1E91E5 1E10
-10
-5
0
5
-15
10
freq, Hz
dB(ganancia)
m4
m4
freq=
dB(ganancia)=8.408
20.20MHz

55. Simulación en DC: Sustitución de las fuentes ideales
• Amplificador con fuente simple:
Consideraciones:
• Misma tensión de polarización
que la etapa anterior (0,4735 V)
• Para obtener la misma corriente
con la misma tensión de
polarización el tamaño del
transistor de polarización ha de
ser el doble
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 55

56. Simulación en DC: Sustitución de las fuentes ideales
• Amplificador con fuente simple:
Ganancia con fuente real: 8,426 dB
m5
freq=
I_Probe1.i=3.916E-6
0.0000Hz
-8.0E-301
-6.0E-301
-4.0E-301
-2.0E-301
0.0
2.0E-301
4.0E-301
6.0E-301
8.0E-301
-1.0E-300
1.0E-300
3.9162028
3.9162028
3.9162028
3.9162028
3.9162028
freq, Hz
I_Probe1.i,uA
m5
m5
freq=
I_Probe1.i=3.916E-6
0.0000Hz
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 56
Ganancia con fuente ideal: 8,567 dB
m7
freq=
dB(ganancia)=8.426
20.20MHz
1E6 1E7 1E8 1E91E5 1E10
0
2
4
6
8
-2
10
freq, Hz
dB(ganancia)
m7m7
freq=
dB(ganancia)=8.426
20.20MHz

57. Simulación en AC: Etapa amplificadora completa
• Amplificador con fuente simple:
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 57

58. Simulación en AC: Etapa amplificadora completa
• Amplificador con fuente doble:
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 58

59. Simulación en AC: Etapa amplificadora completa
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 59

60. Simulación en AC: Etapa amplificadora completa
• Simulación final:
Eqn Vid=Vi_Pos-Vi_Neg
Eqn Vod=Vo_Neg-Vo_Pos
Eqn ganancia=Vod/Vid
m1
freq=
dB(ganancia)=34.738
4.400MHz
m2
freq=
dB(ganancia)=37.827
20.00MHz
m3
freq=
dB(ganancia)=34.816
97.01MHz
1E6 1E7 1E8 1E91E5 1E10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
-10
40
freq, Hz
dB(ganancia)
m1
m2
m3m1
freq=
dB(ganancia)=34.738
4.400MHz
m2
freq=
dB(ganancia)=37.827
20.00MHz
m3
freq=
dB(ganancia)=34.816
97.01MHz
Amplificador Final
Ganancia a 20MHz 37,827 dB
Consumo en corriente 19,8 µA
Caída superior a 3 dB 97 MHz
Caída inferior a 3 dB ≈ 5 MHz
Ancho de Banda ≈ 92 MHz
Diseño de los componentes del WuR
Diseño de la etapa amplificadora
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 60

61. Arquitectura Uncertain-IF:
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 61

62. Detector de envolvente diferencial
Entrada: Señal de alta
frecuencia
Salida: Envolvente de la
señal
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 62

63. Diseño del detector de envolvente con fuente de corriente ideal
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 63
2 4 6 8 10 12 140 16
0.2
0.4
0.6
0.8
0.0
1.0
time, usec
vmod,V
2 4 6 8 10 12 140 16
-5
0
5
-10
10
time, usec
vport,mV
2 4 6 8 10 12 140 16
-5
0
5
-10
10
time, usec
Salida,mV
2 4 6 8 10 12 140 16
0
50
100
-50
150
time, usec
Vout_D,uV

64. Diseño del detector de envolvente con fuente de corriente ideal
• Tamaño del transistor:
Fuente de corriente = 1µA
Condensador = 1 pF
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150 16
0
20
40
60
80
100
120
140
-20
160
time, usec
Vout_D,uV
m1
m1
time=
Vout_D=113.7u
NFCAS_D=2.000000
6.014usec
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 64
2 4 6 8 10 12 140 16
0
20
40
60
80
100
-20
120
time, usec
Vout_D,uV
m1
m1
time=
Vout_D=114.5u
WFCAS_D=0.000001
5.889usec
2 4 6 8 10 12 140 16
0
20
40
60
80
100
-20
120
time, usec
Vout_D,uV
m1
m1
time=
Vout_D=114.5u
LFCAS_D=1.000000E-7
5.959usec
Nº Fingers = 2
Ancho = 1 µm
Largo = 0,1 µm

65. Diseño del detector de envolvente con fuente de corriente ideal
• Corriente de polarización:
Condensador = 1 pF
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150 16
0
20
40
60
80
100
120
-20
140
time, usec
Vout_D,uV
m1 m1
time=
Vout_D=1.289E-4
IBIAS_D=9.000000E-8
6.944usec
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 65

66. Diseño del detector de envolvente con fuente de corriente ideal
• Condensador de salida:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150 16
0
20
40
60
80
100
120
-20
140
time, usec
Vout_D,uV
m1 m1
time=
Vout_D=1.284E-4
CAP_D=3.000000E-13
4.595usec
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 66

67. Diseño del detector de envolvente con fuente de corriente ideal
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 67

68. Diseño del detector de envolvente con fuente de corriente ideal
• Simulación final:
1.096
1.098
1.100
1.102
1.104
1.094
1.106
Salida_M,V
1.096
1.098
1.100
1.102
1.104
1.094
1.106
Salida_P,V
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150 16
0
50
100
-50
150
time, usec
Vout_D,uV
m1 m2
m1
time=
Vout_D=127.1uV
4.511usec
m2
time=
Vout_D=127.4uV
12.51usec
Eqn freq_out=1/(indep(m2)-indep(m1))
freq_out
125.0 k
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 68

69. Sustitución de la fuente ideal
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 69

70. Simulación en DC: sustitución de la fuente ideal
-8.0E-301
-6.0E-301
-4.0E-301
-2.0E-301
0.0
2.0E-301
4.0E-301
6.0E-301
8.0E-301
-1.0E-300
1.0E-300
90
92
88
94
freq, Hz
I_Probe1.i,nA
m3
m3
freq=
I_Probe1.i=90.00n
VBIAS_D=0.444000
0.0000Hz
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 70

71. Sustitución de la fuente ideal
m1
time=
Vout_D=125.3uV
4.594usec
m2
time=
Vout_D=125.3uV
12.59usec
2 4 6 8 10 12 140 16
0
20
40
60
80
100
120
-20
140
time, usec
Vout_D,uV
m1 m2
m1
time=
Vout_D=125.3uV
4.594usec
m2
time=
Vout_D=125.3uV
12.59usec
Eqn freq_out=1/(indep(m2)-indep(m1))
freq_out
125.0 k
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 71

72. Detector de envolvente conectado a una sonda
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 72

73. Detector de envolvente conectado a una sonda
1.096
1.098
1.100
1.102
1.104
1.094
1.106
Salida_M,V
1.096
1.098
1.100
1.102
1.104
1.094
1.106
Salida_P,V
2 4 6 8 10 12 140 16
20
40
60
80
0
100
time, usec
Vout_D,uV
1.096
1.098
1.100
1.102
1.104
1.094
1.106
Salida_M,V
1.096
1.098
1.100
1.102
1.104
1.094
1.106
Salida_P,V
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150 16
20
40
60
80
100
0
120
time, usec
Vout_D,uV
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 73

74. Creación del símbolo del detector de envolvente
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 74

75. Resumen del detector de envolvente
Detector de Envolvente
Corriente de polarización 90 nA
Numero de Fingers 2
Ancho del transistor 1 µm
Largo del transistor 0,1 µm
Capacidad de Salida 0,3 pF
Tensión de polarización 0,444 V
Diseño de los componentes del WuR
Diseño del detector de envolvente
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 75

76. Índice
• Introducción y objetivos
• Diseño de los componentes del receptor wake-up
• Diseño del receptor wake-up
• Conclusiones y líneas futuras
• Presupuesto
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 76

77. Arquitectura Uncertain-IF:
Diseño del receptor wake-up
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 77

78. Unión de los componentes
Diseño del receptor wake-up
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 78

79. Señal de RF:
m4
time=
vrf=39.77uV
5.557usec
2 4 6 8 10 120 14
-30
-10
10
30
-50
50
time, usec
vrf,uV m4
m4
time=
vrf=39.77uV
5.557usec
Eqn Vin= m4/(sqrt(2))
Vin
28.12 u
Diseño del receptor wake-up
Simulación del receptor wake-up
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 79

80. Señal de IF:
m7
time=
vif=366.1mV
4.560usec
m8
time=
vif=366.1mV
4.609usec
4.45 4.50 4.55 4.60 4.65 4.704.40 4.75
364
366
368
370
372
362
374
time, usec
vif,mV
m7 m8
m7
time=
vif=366.1mV
4.560usec
m8
time=
vif=366.1mV
4.609usec
Eqn Freq_IF=1/(indep(m8)-indep(m7))
Freq_IF
20.68 M
3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.03.0 5.2
360
365
370
375
380
355
385
time, usec
vif,mV
2 4 6 8 10 120 14
100
200
300
400
500
600
0
700
time, usec
vif,mV
Diseño del receptor wake-up
Simulación del receptor wake-up
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 80

81. Salida del amplificador:
Eqn Vod=Vo_Neg-Vo_Pos
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130 14
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
-0.3
0.3
time, usec
Vod
m9
time=
Vod=0.042
4.087usec
m10
time=
Vod=0.041
4.135usec
3.85 3.90 3.95 4.00 4.05 4.10 4.15 4.203.80 4.25
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
-0.08
0.08
time, usec
Vod
m9 m10
m9
time=
Vod=0.042
4.087usec
m10
time=
Vod=0.041
4.135usec
Freq_Amp
20.68 M
Eqn Freq_Amp=1/(indep(m10)-indep(m9))
Diseño del receptor wake-up
Simulación del receptor wake-up
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 81

82. Salida del detector
de envolvente:
m2
time=
vout_Rx=1.152mV
4.004usec
m3
time=
vout_Rx=1.152mV
12.00usec
m5
time=
vout_Rx=1.272mV
6.457usec
m6
time=
vout_Rx=1.152mV
9.434usec
2 4 6 8 10 120 14
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
0.9
1.5
time, usec
vout_Rx,mV
m2 m3
m5
m6
m2
time=
vout_Rx=1.152mV
4.004usec
m3
time=
vout_Rx=1.152mV
12.00usec
m5
time=
vout_Rx=1.272mV
6.457usec
m6
time=
vout_Rx=1.152mV
9.434usec
Eqn Freq_Out_Rx=1/(indep(m3)-indep(m2))
Freq_Out_Rx
125.0 k
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130 14
0
10
20
30
40
50
60
-10
70
time, usec
vout_Rx,mV
Eqn Vpp= m5-m6
Vpp
119.8 u
Sensibilidad = -78 dBm
Diseño del receptor wake-up
Simulación del receptor wake-up
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 82

83. m2
time=
vout_Rx=968.8uV
4.005usec
m3
time=
vout_Rx=965.30u
12.005usec
m5
time=
vout_Rx=1.089mV
7.792usec
m6
time=
vout_Rx=966.1uV
9.993usec
2 4 6 8 10 120 14
0.95
1.00
1.05
1.10
0.90
1.15
time, usec
vout_Rx,mV
m2 m3
m5
m6
m2
time=
vout_Rx=968.8uV
4.005usec
m3
time=
vout_Rx=965.30u
12.005usec
m5
time=
vout_Rx=1.089mV
7.792usec
m6
time=
vout_Rx=966.1uV
9.993usec
Eqn Freq_Out_Rx=1/(indep(m3)-indep(m2))
...q_Out_Rx
125.0 k
2 4 6 8 10 120 14
0
10
20
30
40
-10
50
time, usec
vout_Rx,mV
Vpp
123.0 u
Eqn Vpp= m5-m6
Diseño del receptor wake-up
Simulación del receptor wake-up conectado a una sonda
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 83

84. Resumen del receptor wake-up
Receptor Wake-Up
Consumo en corriente del
receptor
34,09 µA
Tensión de Alimentación 1,2 V
Consumo del receptor 40, 91 µW
Sensibilidad -78 dBm
Diseño del receptor wake-up
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 84

85. Transistores HVT Transistores LVT
Consumo en corriente del
mezclador
14,20 µA 361,40 µA
Consumo en corriente del
amplificador
19,80 µA 40 µA
Consumo en corriente del
detector
90 nA 527 nA
Consumo en corriente total
del receptor
34,09 µA 401,93 µA
Consecuencias de una mala
elección de los componentes
del diseño
Diseño del receptor wake-up
Complejidad del diseño
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 85

86. Índice
• Introducción y objetivos
• Diseño de los componentes del receptor wake-up
• Diseño del receptor wake-up
• Conclusiones y líneas futuras
• Presupuesto
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 86

87. Resumen de consumo de todas las etapas
Conclusiones
Mezclador
Ganancia de
Conversión
21,017 dB
Consumo de
Corriente
14,20 µA
Consumo en
Potencia
17,04 µW
Amplificador
Ganancia 37,827 dB
Consumo de
Corriente
19,80 µA
Consumo en
Potencia
23,76 µW
Ancho de
Banda
92 MHz
Detector de Envolvente
Consumo de
Corriente
90 nA
Consumo en
Potencia
108 nW
Receptor wake-up
Consumo del
Receptor
40,91 µW
Sensibilidad -78 dBm
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 87

88. Comparativa entre nodos
• Distancia máxima entre nodos
Elementos que conforman al nodo:
• Antena
• Switch ADG918
• WuR
• Transceptor CC1101 de Texas Instruments
• AS3933
• Microcontrolador MSP430 de Texas Instruments
Nodo Sensor Sensibilidad
Distancia Máxima
entre Nodos
Sin WuR -112 dBm 17.354 m
Con WuR
Pasivo
-40 dBm 4,36 m
Con WuR
Uncertain-IF
-78 dBm 346,3 m
Conclusiones
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 88

89. Comparativa entre nodos
• Duración de las baterías
Consumo de los elementos que conforman al nodo:
Nodo Sensor
Consumo
del WuR
Consumo del
Oscilador
Local
AS3933 MSP340 CC1101 ADG918 Total
Sin WuR N/A* N/A* N/A* 340 µA 15 mA N/A* 15,34 mA
Con WuR
Pasivo
0 µA N/A* 1,7 µA 0,1 µA 200 nA 1 µA 3 µA
Con WuR
Uncertain-IF
34,09 µA 20 µA 1,7 µA 0,1 µA 200 nA 1 µA 57,09 µA
*N/A: No aplica
Conclusiones
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 89

90. Comparativa entre nodos
• Duración de las baterías
Batería CR2477 de 950 mAh.
Conclusiones
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 90
Nodo Sensor Consumo Distancia Vida de la batería
Sin WuR 15,34 mA 17.354 m 2,58 días
Con WuR Pasivo 3 µA 4,36 m 36 años
Con WuR
Uncertain-IF
57,09 µA 346,3 m 1,9 Años

91. • Proyecto CERES-BACO (Circuitos electrónicos para redes
sensoriales inalámbricas de ultra bajo consumo). División de
Tecnología Microelectrónica del Instituto Universitario de
Microelectrónica Aplicada de la Universidad de Las Palmas de
Gran Canaria
• Articulo enviado al XXX Conference on Design of Circuits and
Integrated Systems - DCIS 2015
A 40.9 µW high sensitivity wake-up radio for wireless
sensor networks using uncertain-IF architecture
Conclusiones
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 91

92. Líneas futuras
• Diseño y simulación del bloque formado por el oscilador sin
bucle de enganche
• Integración del oscilador en el diseño del receptor wake-up
• Realización del layout del receptor, fabricación y verificación
del comportamiento real frente a los resultados obtenidos
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 92

93. Índice
• Introducción y objetivos
• Diseño de los componentes del receptor wake-up
• Diseño del receptor wake-up
• Conclusiones y líneas futuras
• Presupuesto
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 93

94. Presupuesto
Coste total del proyecto
Descripción Coste (€)
Tarifa de honorarios por tiempo
empleado
7.500
Amortización de recursos materiales 3.759,99
Material fungible 100
Costes de edición 200
Presupuesto antes de impuestos 11.559,99
Presupuesto total (7% IGIC) 12.369,19
Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada 94

95. DISEÑO DE UN RECEPTOR DE WAKE-UP
PARA REDES DE SENSORES
INALÁMBRICAS MEDIANTE EL USO DE
UN MEZCLADOR DE BAJADA
Tutores: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez
Dr. Sunil Lalchand Khemchandani
Grado en Ingeniería en Tecnologías de la Telecomunicación
Autor: Emilio Torres Armas
Fecha: Junio 2015