2013 ISSCC 國際技術趨勢剖析

Energy-Efficient Wireless 近年來，網路和通訊技術的蓬勃發展，無線通訊在生活中扮演著重要的角色，近

距離無線通訊技術成為關注的重點，也意味著個人區域網路日漸重要，常見的近

距無線通信技術包含近距離無線通訊(NFC)、超頻寬(Ultra WideBand)、藍芽(Bluetooth)、Zigbee、802.11(Wi-Fi)等等，其不同的技術都有不同的特殊要求與特色，或可以符合單一應用的特別要求等；然而由於環保意識抬頭，功率消耗與

功率的轉換能力變成一個重要趨勢，為下一個階段的重要發展。以 ISSCC2013為例，有許多運用於個人區域網路和近距無線通訊的收發機被提出，其具有較低

的功率消耗或轉換效率，以下將進一步介紹發表之相關技術論著之技術特點及其

內涵。

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論文編號：25.1 論文名稱：A 45nm CMOS Near-Field Communication Radio with 0.15A/m RX Sensitivity and 4mA Current Consumption in Card Emulation Mode 論文作者：Yogesh Darwhekar1, Evgeniy Braginskiy2, Koby Levy2, Abhishek Agrawal1, Vikas Singh1, Ronen Issac2, Ofer Blonskey2, Ofer Adler2, Yoav Benkuzari2, Matan Ben-Shachar2, Srikanth Manian1, Apu Sivadas1, Subhashish Mukherjee1, Gangadhar Burra3, Nir Tal2, Yariv Shlivinski2, Guy Bitton2, Sreekiran Samala3 研發機構：1Texas Instruments, Bangalore, India, 2Texas Instruments, Ra’anana, Israel, 3Texas Instruments, Dallas, TX 論文內容：在 NFC 的應用上可以分成兩大部分應用:標籤(TAG)和讀取器(Reader)，主要技術為讀取器發出電磁波時，被標籤上的天線接收，在標籤 IC 內將 RF power轉換成 DC power 供給標籤 IC 內電壓，並將標籤 IC 內 ROM data 由天線傳送出去，在標籤 IC 設計上，接收電磁波大小的範圍(0.15A/m ~12A/m)會影響整體的效能，感測器主要分為 Vsense 和 Isense，在較高電磁波磁場下，需要 Vsense 和Isense 同時進行，而在低電磁波磁場下，只需 Vsense 即可，如果同時加入 Isense會產生額外的功率和雜訊，因此，本篇提出一個自動磁場偵測標籤控制(Automatic Field monitor Tag Controller)，如圖一，可解決上面所提出的問題，並最佳化標籤特性。另外，負載調變電阻需要被轉換當在不同高低的電磁波磁場下，在較低的

磁場下，在較低的電阻會導致較低的電壓擺幅，這樣會導致 field-derived clock的發生，而增加時間的問題，利用上述所提到的自動磁場偵測標籤控制，調整負

載電阻”RT”和”RR”來輕緩時間的問題。負載圖如圖一所示，圖二為量測結果，比較 incident field 和 packet reception probability 的結果，圖中可看出，當使用AFTC 的架構下，在整個 full-field 的範圍內，packet reception probability 的反應結果都是最佳的。

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圖一、Automatic Field monitor Tag Controller circuitry

圖二、Measured packet reception probability curves for Tag with and without AFTC

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論文編號：25.2 論文名稱：An Ultra-Low-Power 9.8GHz Crystal-Less UWB Transceiver with Digital Baseband Integrated in 0.18µm BiCMOS 論文作者：Jonathan K. Brown1, Kuo-Ken Huang2, Elnaz Ansari2, Ryan R. Rogel2, Yoonmyung Lee2, David D. Wentzloff2 研發機構：1Cavium, Marlborough, MA, 2University of Michigan, Ann Arbor, MI 論文內容：在生物醫學晶片應用上，無線感測器的體積大小是主要設計重點，通

常為毫米等級大小，而在這個條件下，完整的積體電路是需要的，而且操作電池

的限制是備受考驗，在低功濾消耗的架構下，可以將低電池大小，然而天線和石

英震盪器依然是主要面積的來源，在此篇論著中利用了0.18um BiCMOS實現了一個IR-UWB radio，其主要面積為2.73mm2，在晶片內有可選擇性的天線(2mm monopole)，為了面積和功率消耗問題，石英震盪器被一個溫度補償的弛張振盪器(relaxation oscillator)所取代，在震盪器量測的結果，在溫度從0度到50度，頻率不準確的變異量約為1%，由於電池大小的限制，此篇功率消耗大約為330uW，圖三為電路架構圖，電流限制器(current limiter)來保護過電流和小電壓，此架構有一個極低功率的睡眠狀態(sleep state)來限制功率消耗，且在輪值工作時，利用一個內部的大電容來儲存多於能量。圖四為效能結果，其中TX的使用範圍為9-12GHz，在30kb/s的data rate下，平均的功率消耗為22.4uW，而在RX部分，在10-3BER，RX的sensitivty為-67dBm，且平均的功率消耗為37uW，在Baseband的系統，主要操作在3MHz頻率，其功率消耗為269uW，總功率消耗大約為330uW，是極低的功率消耗結果。

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圖三、Block diagram

圖四、Performance summary

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論文編號：25.3 論文名稱：A Self-Duty-Cycled and Synchronized UWB Receiver SoC Consuming 375pJ/b for -76.5dBm Sensitivity at 2Mb/s 論文作者：Baradwaj Vigraham, Peter Kinget 研發機構：Columbia University, New York, NY

論文內容：超寬頻脈衝無線電(IR-UWB)廣泛被運用在標籤(TAG)和人體近身區域網路(Body Area Network)，然而同步化和位元水平佔空比(bit-level duty cycling)是一重要的挑戰，在此篇論著中提出一個自我佔空比(self-duty cycling)的超寬頻脈衝無線電(IR-UWB)接收器，控制自我佔空比的機制，利用電容儲存偏壓點資訊來降低功率消耗，並利用全數位極低功率消耗的時脈資料回復器(CDR)來解決復原傳送的時脈和同步化接收器。對於常見超寬頻脈衝無線電(IR-UWB)接收器，功率約為 1.3nJ/bit 到 2.5nJ/bit，而此篇論著為 0.735nJ/bit，所使用的製程為 65nm LP CMOS，面積大小為 1.375mm2，當整個電路都持續在開的情況下，功率消耗為 11.56mW，由於位元水平佔空比(bit-level duty cycling)和偏壓水平佔空比(bias duty cycling)的機制下，可以使功率消耗為 0.750uW，在量測BER的結果，在 2Mb/s下，sensitivity 為-76.5dBm，圖五為 Bit error ratio 相關功能的量測結果，可以看出在位元水平佔空比(bit-level duty cycling)和偏壓水平佔空比(bias duty cycling)的機制下效能的結果會是最好的，圖六為效能結果。

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圖五、BER measurement results

圖六、Performance summary

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論文編號：25.4 論文名稱：A 1.9nJ/b 2.4GHz Multistandard (Bluetooth Low Energy /Zigbee /IEEE802.15.6) Transceiver for Personal/Body-Area Networks 論文作者：Yao-Hong Liu1, Xiongchuan Huang1, Maja Vidojkovic1, Ao Ba1, Pieter Harpe2, Guido Dolmans1, Harmke de Groot1 研發機構：1imec - Holst Centre, Eindhoven, The Netherlands, 2Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands

論文內容：本篇論著提出在人體近身區域網路(Body Area Network)下，一個可以適應三種規格的收發機，分別可以使用在藍芽(Bluetooth Low energy)、ZigBee 和IEEE802.15.6下的規格，其架構如圖六，其中有兩個方法可以強化高效率的運作，分別為 push-pull mixer 和 digitally assisted PA。對於單端低雜訊放大器(single-ended LNA) 通常會被運用因為可以操作在較低的功率消耗，且可以避免lossy Balun，然而單端的 mixers 會因較大的 LO 訊號而有 feedthrough 的問題和對於電源上的雜訊干擾很嚴重，為了解決這個問題，本篇論著提出了一個 push-pull mixer 的架構，利用 single-end 架構的低雜訊放大器可以降低功率消耗，後面接上 push-pull mixer 來強化 gm efficiency 和相位低雜訊，架構如圖七。在 digitally assisted PA 部分，可讓 PA 的 efficiency 提高，且在低電壓操作下可以提高線性度和有好控制的 AM path delay。圖八為規格比較表，所使用的製程為 90nm，RX的 noise figure 為 6dB，RX 的 IIP3 為-19dBm，在功率消耗部分，RX 為 3.8mW，在 TX 部分為 5.4mW，RX 的 energy efficiency 在 2Mbps 的規格下，為 1.9nJ/b，而在 Zigbee 為 15.2nJ/b，在其他架構的比較下，此篇論著皆有較好的結果。

圖七、The simplified schematic of the RX front-end

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圖八、Comparison table

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論文編號：25.5 論文名稱：A 1.7mW 0.22mm2 2.4GHz ZigBee RX Exploiting a Current-Reuse Blixer + Hybrid Filter Topology in 65nm CMOS 論文作者：Zhicheng Lin1, Pui-In Mak1, Rui Martins1,2 研發機構：1University of Macau, Macao, China, 2Instituto Superior Tecnico, Lisbon, Portugal

論文內容：在奈米等級的 CMOS 製程，能提供較高的 ft 和比較低的 Vt可以去設計較低功率消耗的接收機，並將 RF-to-BB 的電路放在同一個晶片中，而且訊號的傳送可以利用電流領域的傳送來強化面積的效能、RF 的頻寬和線性度，例如不需要用 AC couple 的架構，在本篇論著提出一個運用於 ZigBee 的接收機，其操作頻率為 2.4GHz，主要是利用一個 Blixer (Balun-LNA plus I/Q mixers) amplifies的架構，用電流當作訊號，降頻到 2MHz IF 訊號，並利用一 hybrid filter 在電流領域進行濾波，而 hybrid filter 是堆疊在 Blixer amplifies 上，使用電流再運用(reuse) 的方式，降低功率消耗。另外本論文使用 25%佔空比的 LO 訊號，可以降低 I/Q 不匹配，而且可降低電流消耗。圖九為本論文的架構圖，所使用的製程為 65nm CMOS，為了解決功率消耗和~0.4Vpp 對於 mix 的增益和 Noise figure 有最好的結果，所以在 LO 產生器使用 0.6Vpp 的電壓，而其他電路的電壓為 1.2v，所以總功率消耗為 1.7mW，另外在 LO 產生器的部分，使用了兩種方式，一種為直接外部給定 LO 訊號，另一個為利用 VCO 震盪產生，其中兩種方式的量測結果如圖十，整體的效能差異並不會差很多。和其他論文的比較，此篇論著有較好

的功率消耗和較低的面積。

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圖九、Architecture

圖十、Comparison table

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論文編號：25.6 論文名稱：A 110pJ/b Multichannel FSK/GMSK/QPSK/π/4-DQPSK Transmitter with Phase-Interpolated Dual-Injection DLL-Based Synthesizer Employing Hybrid FIR 論文作者：San-Jeow Cheng1, Yuan Gao1, Wei-Da Toh1, Yuanjin Zheng2, Minkyu Je1,3, Chun-Huat Heng3

研發機構：1Institute of Microelectronics, Singapore, Singapore, 2Nanyang Technological University, Singapore, Singapore, 3National University of Singapore, Singapore, Singapore

論文內容：本篇論著提出一個可使用在多重通道下的發射機，其多重通道包含

FSK/GMSK/QPSK/π/4-DQPSK 等等，在發射機的架構下，除小數頻率合成器部分，ring 震盪器可以達到好的 energy efficient，但由於會有差的相位雜訊和大的quantization noise，為了改善雜訊的效能，一個高的 LC 震盪器可以被運用，但面積和功率消耗相對較高，所以在本論文中提出一個延遲迴路的架構(DLL)，其中有 12 個延遲區塊，而頻率為 133MHz，其中使用相位內插法(phase-interpolated)搭配多重注入(dual-injection)的方法強化延遲迴路的效能，其後再加上 hybrid 8-tap FIR filter，使其能改善功率和面積的效能(efficiency)，並且不會造成過大的功率消耗，量測結果中，功率消耗為 2.35mA，energy efficiency 為 110pJ/b，圖十一為架構和在 FSK modulation 操作。圖十二為效能比較表。

圖十一、Block diagram and operation principle of PSK modulation

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圖十二、Comparison table

在近距離無線通訊能夠快速且自動的建立無線網路，其他無線通訊設備提供一個

虛擬連接器，使電子設備可以在短距離範圍內進行通訊，由於個人區域網路越來

越普及，在提高整體效能與如何將低晶片成本的製作上略趨重要，以上六篇論著

皆提出如何降低功率消耗的方式，並且同時能夠降低晶片面積、提高功率放大器，

甚至能同時支援多種的系統規格。因此，從 ISSCC 2013 的論文來看，如何提高整體效能、降低功耗和降低製作成本將是未來重要的趨勢。