JP5019362B2 - Voltage amplifier for wireless transceivers in sensor networks - Google Patents
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Description
本発明は、バッテリ容量で駆動するセンサノードにより構成される無線センサネットワークに関し、特に各センサノードにおいて、無線トランシーバの受信回路に用いられる電圧増幅器に関するものである。 The present invention relates to a wireless sensor network including sensor nodes driven by battery capacity, and more particularly to a voltage amplifier used in a receiving circuit of a wireless transceiver in each sensor node.
近年注目されている無線センサネットワーク(Wireless sensor network;WSN)は、センシング機能を有するセンサノードを無線通信によってネットワーク化したものである。無線センサネットワークは、各センサノードで環境情報を取得し、マルチホップで基地局にデータを収集することが可能なため、河川や森林のリモートセンシング,防犯センシング,農場監視システム,工場生産管理システムなど様々なアプリケーションが考えられている。しかしながら、各センサノードは通常バッテリで動作することから、センサノードの数が膨大な数(数万から数百万個)に及ぶようなシステムや、広大な敷地や立ち入りの困難な場所にセンサノードを設置し使用するシステムでは、バッテリ交換作業が大きな課題となっている。このため、各センサノードのバッテリ交換の回数を削減し(バッテリ交換の極小化を図り)、システム全体の可用時間の長期化(ライフタイムの拡大)を図ることが、センサネットワークの実用化に向けての技術課題となっている。 A wireless sensor network (WSN) attracting attention in recent years is a network of sensor nodes having a sensing function by wireless communication. Wireless sensor networks can acquire environmental information at each sensor node and collect data at base stations in multiple hops, so remote sensing of rivers and forests, crime prevention sensing, farm monitoring systems, factory production management systems, etc. Various applications are considered. However, since each sensor node normally operates on a battery, the sensor node can be installed in a system that has a huge number of sensor nodes (tens of thousands to millions), a large site, or a place where access is difficult. In a system that installs and uses a battery, battery replacement is a major issue. For this reason, reducing the number of battery replacements for each sensor node (minimizing battery replacement) and extending the usable time of the entire system (expanding the lifetime) will lead to the practical application of sensor networks. It has become a technical issue.
各センサノードにおける消費電力は、無線データ通信に関わる部分が支配的となっている。各センサノードにおいて無線データ通信に関わる部分は、RF(Radio Frequency)トランシーバである。
例えば、RFトランシーバとして、433MHz帯の非コヒーレント型OOK(on-off keying)トランシーバを採用するセンサネットワークの場合、各ノード間の通信距離は5m程度であり、各ノードの目標消費電力は1mWである。このRFトランシーバの受信回路において、直列に接続された電圧増幅器(cascade gain amp)は、受信回路全体の消費電力の約94%を占めている。
The power consumption in each sensor node is dominant in the portion related to wireless data communication. A part related to wireless data communication in each sensor node is an RF (Radio Frequency) transceiver.
For example, in the case of a sensor network that employs a 433 MHz band non-coherent OOK (on-off keying) transceiver as the RF transceiver, the communication distance between the nodes is about 5 m, and the target power consumption of each node is 1 mW. . In the receiving circuit of this RF transceiver, a voltage amplifier connected in series accounts for about 94% of the power consumption of the entire receiving circuit.
従来の電圧増幅器を図7に示す。従来の電圧増幅器は、インバータ型の電圧増幅器であり、メインアンプであるインバータの入出力を抵抗で短絡した構成を有する。RFトランシーバの受信回路は、このインバータ型の電圧増幅器が直列的に複数接続されている。図7に示すように、このインバータ型の電圧増幅器は、抵抗からなるフィードバックループがあるため、メインアンプはバイアス調整を行う必要がない。メインアンプのバイアス電圧は、自動的に供給電圧の半分にセットすることができる。このインバータ型の電圧増幅器は、大きな電圧ゲインを有するが、貫通電流が流れるため、たとえ入力信号が無くても消費電力が大きいという問題がある。 A conventional voltage amplifier is shown in FIG. A conventional voltage amplifier is an inverter type voltage amplifier, and has a configuration in which an input / output of an inverter as a main amplifier is short-circuited by a resistor. A plurality of inverter type voltage amplifiers are connected in series in the receiving circuit of the RF transceiver. As shown in FIG. 7, since this inverter type voltage amplifier has a feedback loop composed of resistors, the main amplifier does not need to perform bias adjustment. The bias voltage of the main amplifier can be automatically set to half of the supply voltage. Although this inverter type voltage amplifier has a large voltage gain, since a through current flows, there is a problem that power consumption is large even if there is no input signal.
そのため、上述のインバータ型の電圧増幅器の替わりに、図8に示されるラッチ型の電圧増幅器が提案されている(非特許文献1)。このラッチ型の電圧増幅器は、インバータ型の電圧増幅器の問題点である貫通電流を抑えるために提案されたものである。このラッチ型の電圧増幅器は、入力信号Vinが無い場合に双安定性を有する。このことは、図9(a)に示されるラッチ型の電圧増幅器のDC特性から示される。
入力信号Vinがあると、メインアンプはそれを増幅し、同時にサブアンプを駆動する。サブアンプは、そのフィードバックによってメインアンプの増幅を助ける。
For this reason, a latch-type voltage amplifier shown in FIG. 8 has been proposed instead of the above-described inverter-type voltage amplifier (Non-Patent Document 1). This latch-type voltage amplifier has been proposed to suppress a through current that is a problem of the inverter-type voltage amplifier. This latch-type voltage amplifier has bistability in the absence of the input signal Vin. This is shown from the DC characteristics of the latch-type voltage amplifier shown in FIG.
When there is an input signal V in, the main amplifier amplifies it to drive the sub-amplifier concurrently. The sub-amplifier helps the main amplifier to be amplified by the feedback.
入力信号Vinに2Va以上の変化があると、サブアンプがメインアンプに対し信号をフィードバックすることで、メインアンプの動作点をVtとすることができる。印加される電位差2Vaは非常に小さいため、サブアンプは、サブスレッショルド領域で動作するため消費電力(貫通電流を含む) を非常に小さくできる。また、非動作時にメインアンプのバイアス電圧がVhまたはVlとなることで、図9(b)からわかるように貫通電流も削減することができる。 When there is a change over 2V a input signal V in, that the sub-amplifier is fed back a signal to the main amplifier, it is possible to the operating point of the main amplifier and V t. Since the potential difference 2V a applied is very small, sub-amplifier (including a through current) power to operate in the subthreshold region can be made very small. Further, since the bias voltage of the main amplifier becomes V h or V 1 during non-operation, the through current can be reduced as can be seen from FIG. 9B.
上記のラッチ型の電圧増幅器は、入力信号Vinが方形波の場合にだけ有効に機能するものであり、入力信号が交流(AC)の場合に問題が発生する。すなわち、このラッチ型の電圧増幅器にAC入力信号が入ると、メインアンプへのフィードバックまでに遅延が発生し、図10に示すように、入力信号とサブアンプの出力信号に位相差が発生してしまう。そのためメインアンプの入力信号は、入力信号Vinとフィードバックされた信号の合成信号となり、図11に示すようにメインアンプのDCレベルが変動し、それに伴い増幅率が低下するといった問題がある。
なお、この位相差を回避する方法として、メインアンプおよびサブアンプのサイズを大きくして遅延を改善する方法が考えられるが、この方法は低消費電力化に向かない。
Voltage amplifier of the latch type, the input signal V in is intended to function only effective in the case of a square wave, the input signal is a problem occurs when the alternating current (AC). That is, when an AC input signal is input to this latch-type voltage amplifier, a delay occurs until feedback to the main amplifier, and a phase difference occurs between the input signal and the output signal of the sub-amplifier as shown in FIG. . Therefore the input signal of the main amplifier becomes a composite signal of an input signal V in and the feedback signal, DC level of the main amplifier is varied as shown in FIG. 11, the amplification factor along with it there is a problem decreases.
As a method of avoiding this phase difference, a method of improving the delay by increasing the sizes of the main amplifier and the sub-amplifier can be considered, but this method is not suitable for low power consumption.
本発明は、貫通電流を抑え、消費電力効果、信号増幅効果の優れた無線トランシーバ用電圧増幅器を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a voltage amplifier for a radio transceiver that suppresses a through current and is excellent in power consumption effect and signal amplification effect.
上記課題を解決すべく、本発明のセンサネットワークにおける無線トランシーバ用電圧増幅器は、メインアンプと該メインアンプの出力をフィードバックするサブアンプから構成され、前記サブアンプのダイナミックレンジが第1の電圧(Vh)と第2の電圧(Vl)に制限されており、入力信号(Vin)が無い場合に双安定となり、入力信号に第1の電圧と第2の電圧の中間電圧差(2Va)以上の変化がある場合にサブアンプがメインアンプに対し信号をフィードバックしてメインアンプの動作点をメインアンプのスレショルド電圧(Vt)とする電圧増幅器において、サブアンプの入力側にキャパシタと抵抗が設けられ、サブアンプの入力電圧が所定電圧(Vm)にクランプ(固定)されたことを特徴とする。ここで、所定電圧(Vm)は、第1の電圧(Vh)と第2の電圧(Vl)の中間電圧であることが好適である。 In order to solve the above problems, a voltage amplifier for a radio transceiver in a sensor network according to the present invention includes a main amplifier and a sub-amplifier that feeds back an output of the main amplifier, and the dynamic range of the sub-amplifier has a first voltage (V h ). And the second voltage (V l ), and is bistable when there is no input signal (V in ), and the input signal has an intermediate voltage difference (2V a ) or more between the first voltage and the second voltage. In the voltage amplifier in which the sub-amplifier feeds back a signal to the main amplifier and the operating point of the main amplifier is the threshold voltage (V t ) of the main amplifier, a capacitor and a resistor are provided on the input side of the sub-amplifier, The input voltage of the sub-amplifier is clamped (fixed) to a predetermined voltage (V m ). Here, the predetermined voltage (V m ) is preferably an intermediate voltage between the first voltage (V h ) and the second voltage (V l ).
本発明の無線トランシーバ用電圧増幅器は、電圧増幅器が動作時、入力信号(Vin)が無い場合に、サブアンプの作用により前記メインアンプの動作点がシフトすることにより、メインアンプの貫通電流を削減され、また、電圧増幅器が動作時、入力信号(Vin)が無い場合に、サブアンプのバイアス点がシフトすることにより、サブアンプの貫通電流を削減される。
そして、電圧増幅器が動作時、入力信号(Vin)がある場合に、サブアンプに中間電圧差(Va)以上の入力振幅を有する信号が入力することによりフィードバックが発生して、増幅率が増加する。
The voltage amplifier for a radio transceiver of the present invention reduces the through current of the main amplifier by shifting the operating point of the main amplifier by the action of the sub amplifier when there is no input signal (V in ) when the voltage amplifier is operating. Further, when the voltage amplifier is in operation, when there is no input signal (V in ), the bias point of the sub amplifier is shifted, so that the through current of the sub amplifier is reduced.
When the voltage amplifier is in operation and there is an input signal (V in ), feedback is generated by inputting a signal having an input amplitude greater than the intermediate voltage difference (V a ) to the sub-amplifier, increasing the amplification factor. To do.
本発明の無線トランシーバ用電圧増幅器は、上記の無線トランシーバ用電圧増幅器の回路において、Zigzag回路を適用し、非動作時(スタンバイ時)の消費電力を削減することを特徴とする。ここで、Zigzag回路とは、「K. Min, H. Kawaguchi, and T. Sakurai, ”Zigzag Super Cut-off CMOS(ZSCCMOS) Block Activation with Self-Adaptive Voltage Level Controller,” Dig. IEEE ISSCC, pp. 400−401, Feb. 2003.」の文献に開示されている回路であり、このZigzag回路を用いることで、各ノードの電位が固定されることによりリーク電流の削減と、スタートアップの高速化を図ることができる。 The radio transceiver voltage amplifier according to the present invention is characterized in that, in the radio transceiver voltage amplifier circuit, a Zigzag circuit is applied to reduce power consumption during non-operation (standby). Here, the Zigzag circuit is “K. Min, H. Kawaguchi, and T. Sakurai,” Zigzag Super Cut-off CMOS (ZSCCMOS) Block Activation with Self-Adaptive Voltage Level Controller, ”Dig. IEEE ISSCC, pp. 400-401, Feb. 2003. "This Zigzag circuit is used to reduce leakage current and speed up startup by fixing the potential of each node. be able to.
また、本発明の無線トランシーバ用電圧増幅器は、サブアンプに必要となる第1の電圧(Vh)と第2の電圧(Vl)と所定電圧(Vm)の各電圧を発生する電圧発生器を設けたことを特徴とする。そして、サブアンプに必要となる前記第1の電圧(Vh)と第2の電圧(Vl)の間のインピーダンスを可変とすることで、中間電圧差(2Va)を変化させ、これにより前記電圧増幅器に対して最小入力信号振幅の制御を行うことを特徴とするものである。 Further, the voltage amplifier for a radio transceiver according to the present invention is a voltage generator that generates the first voltage (V h ), the second voltage (V l ), and the predetermined voltage (V m ) required for the sub-amplifier. Is provided. Then, by changing the impedance between the first voltage (V h ) and the second voltage (V l ) required for the sub-amplifier, the intermediate voltage difference (2V a ) is changed, thereby The minimum input signal amplitude is controlled for the voltage amplifier.
本発明の無線トランシーバ用電圧増幅器によれば、非コヒーレント型受信器の消費電力の約94%を占める直列接続の電圧増幅器(cascade gain amp)に関して、非動作時(スタンバイ時)、動作時に信号入力がない場合、動作時に信号入力がある場合の各状態における貫通電流を削減し、消費電力を削減できるといった効果を有する。 According to the voltage amplifier for a radio transceiver of the present invention, a signal input in a non-operating state (standby) or in an operating state with respect to a cascaded voltage amplifier (cascade gain amplifier) that accounts for about 94% of the power consumption of a non-coherent receiver When there is no signal, there is an effect that the through current in each state when there is a signal input during operation can be reduced and the power consumption can be reduced.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明していく。ただし、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and various changes and modifications can be made.
図1に、実施例1の無線トランシーバ用電圧増幅器の回路図を示す。メインアンプとその出力をフィードバックするサブアンプから構成され、サブアンプのダイナミックレンジが第1の電圧(Vh)と第2の電圧(Vl)に制限されており、入力信号に第1の電圧と第2の電圧の中間電圧差(2Va)以上の変化がある場合にサブアンプがメインアンプに対し信号をフィードバックしてメインアンプの動作点をメインアンプのスレショルド電圧(Vt)とする点は、上述したラッチ型の電圧増幅器と同様である。 FIG. 1 shows a circuit diagram of a voltage amplifier for a radio transceiver according to the first embodiment. It is composed of a main amplifier and a sub-amplifier that feeds back its output. The dynamic range of the sub-amplifier is limited to the first voltage (V h ) and the second voltage (V l ). The sub-amplifier feeds back a signal to the main amplifier when there is a change greater than the intermediate voltage difference (2V a ) between the two voltages, and the operating point of the main amplifier is set to the threshold voltage (V t ) of the main amplifier. This is the same as the latch type voltage amplifier.
図8で示されるラッチ型の電圧増幅器の回路図と比較して異なる点は、図1中の矢印で示される破線の楕円内の部分であり、キャパシタCfbと抵抗Rfbが加えられ、サブアンプの入力電圧が所定電圧(Vm)にクランプさせている点である。この異なる点によって、電圧増幅器のバイアス点が安定し、また、正弦波の入力信号を受け入れることが可能となる。
メインアンプは入力信号(Vin)を増幅して、出力バッファを動作させ出力信号(Vout)を生成する。
A difference from the circuit diagram of the latch-type voltage amplifier shown in FIG. 8 is a portion within a broken line ellipse indicated by an arrow in FIG. 1, and a capacitor C fb and a resistor R fb are added. The input voltage is clamped to a predetermined voltage (V m ). This different point stabilizes the bias point of the voltage amplifier and also accepts a sinusoidal input signal.
The main amplifier amplifies the input signal (V in ), operates the output buffer, and generates the output signal (V out ).
図1に示された実施例1の電圧増幅器の回路も、図8で示されるラッチ型の電圧増幅器の回路図と同様に、位相差の問題は回避できていない。しかし、サブアンプの入力電圧を所定電圧(Vm)にクランプさせ、サブアンプの入力DCレベル(入力電圧)を固定可能としたことで、非動作時(スタンバイ時)、動作時に信号入力がない場合、動作時に信号入力がある場合の各状態における貫通電流を削減し、消費電力を削減可能としている。 The circuit of the voltage amplifier of the first embodiment shown in FIG. 1 cannot avoid the problem of the phase difference as in the circuit diagram of the latch type voltage amplifier shown in FIG. However, by clamping the input voltage of the sub-amplifier to a predetermined voltage (V m ) and fixing the input DC level (input voltage) of the sub-amplifier, when there is no signal input during non-operation (standby) or operation, By reducing the through current in each state when there is a signal input during operation, the power consumption can be reduced.
次に、実施例1の電圧増幅器のDC特性について説明を行う。図2は、実施例1の電圧増幅器のDC特性を示すグラフで、図2(a)はバイアス電圧を、図2(b)はバイアス電流を表している。図2(a)は1Vの供給電圧での動作ポイントを説明している。図2(a)のグラフ上のカーブは、メインアンプとサブアンプの動作カーブが2箇所で交差していることを示している。メインアンプの出力電圧(Vi)が、サブアンプのダイナミックレンジが第1の電圧(Vh)と第2の電圧(Vl)の中間電圧差(2Va)を越えるたびに、メインアンプのバイアス点は入れ替わる。中間電圧差(Va)が小さい値であるため、バイアス点は従来のラッチ型の電圧増幅器のものとほとんど同じとなる。 Next, the DC characteristics of the voltage amplifier according to the first embodiment will be described. 2A and 2B are graphs showing DC characteristics of the voltage amplifier according to the first embodiment. FIG. 2A shows a bias voltage, and FIG. 2B shows a bias current. FIG. 2 (a) illustrates the operating point at a supply voltage of 1V. The curve on the graph of FIG. 2A indicates that the operation curves of the main amplifier and the sub amplifier intersect at two places. Whenever the output voltage (V i ) of the main amplifier exceeds the intermediate voltage difference (2V a ) between the first voltage (V h ) and the second voltage (V l ), the sub amplifier's dynamic range The points are swapped. Since the intermediate voltage difference (V a ) is a small value, the bias point is almost the same as that of a conventional latch-type voltage amplifier.
また、図2(b)は、所定設計値のトランジスタで構成されたメインアンプとサブアンプを流れているバイアス電流を示している。図2(b)のようなバイアス電流特性の場合、メインアンプのバイアス電流はシフトされたバイアス電圧のおかげで、240μアンペア(最大値から12%ダウン)になる。そして、このことは出力バッファを流れている貫通電流を減少させることになる。ここで、サブアンプのバイアス電圧は、Vm(=0.5V)に固定されているが、サブアンプの供給電圧は50mV(=Vh−Vl)であるため、バイアス電流は非常に小さくなる。
FIG. 2B shows the bias current flowing through the main amplifier and the sub-amplifier composed of transistors having a predetermined design value . In the case of the bias current characteristics as shown in FIG. 2B, the bias current of the main amplifier is 240 μamperes (down 12% from the maximum value) thanks to the shifted bias voltage. This then reduces the through current flowing through the output buffer. Here, the bias voltage of the sub-amplifier is fixed at V m (= 0.5 V), but the supply current of the sub-amplifier is 50 mV (= V h −V l ), so the bias current becomes very small.
次に実施例2では、実施例1の電圧増幅器の回路において、Vm,Vh,Vl,Vaなどの設定パラメータを変え、非動作時の消費電力や動作時の過渡特性について示す。
実施例2の電圧増幅器の回路は、図1に示す回路と同じ構成で、Vm=0.5V,Vh=0.6V,Vl=0.4V(Va=0.1V) と設定している。メインアンプのVtを約0.51V、サブアンプのVtを0.49Vとすることで、非動作時にVmにバイアスされたサブアンプの出力はVlに固定される。このことにより非動作時の貫通電流を抑えている。
Second Embodiment Next, in the voltage amplifier circuit of the first embodiment, the setting parameters such as V m , V h , V l , and V a are changed, and power consumption during non-operation and transient characteristics during operation are shown.
The voltage amplifier circuit according to the second embodiment has the same configuration as the circuit shown in FIG. 1 and is set to V m = 0.5 V, V h = 0.6 V, and V l = 0.4 V (V a = 0.1 V). is doing. About the V t of the main amplifier 0.51 V, by a 0.49V the V t of the sub-amplifier, the output of the biased sub amplifier to V m during non-operation is fixed to V l. This suppresses the through current during non-operation.
実施例2の電圧増幅器の非動作時の各部の消費電力を表1に示す。非動作時の本回路の消費電力は約289μWである。 Table 1 shows the power consumption of each part when the voltage amplifier of Example 2 is not operating. The power consumption of the circuit when not operating is approximately 289 μW.
次に、実施例2の電圧増幅器の動作時の過渡解析結果を示す。本電圧増幅器は、入力信号がない場合は安定点に遷移しているため、サブアンプの入力信号は少なくともVaを超えなければ(メインアンプとサブアンプの交点を超えなければ)、2つの案定点を遷移しながら増幅動作を繰り返すという不安定動作を行ってしまう。従って、本電圧増幅器の入力振幅は少なくともサブアンプの入力振幅が2Vaを超える大きさが必要である。実施例2の電圧増幅器では入力振幅を0.1Vにしている。Vaが入力信号振幅の最小値を決めるのである。 Next, the transient analysis result at the time of operation | movement of the voltage amplifier of Example 2 is shown. This voltage amplifier, since if there is no input signal is transitioning to a stable point, if the input signal of the sub-amplifier is not exceeded at least V a (unless beyond the intersection of the main amplifier and the sub amplifier), the two draft fixed point An unstable operation of repeating the amplification operation while making a transition is performed. Thus, the input amplitude of the voltage amplifier input amplitude of at least the sub-amplifier is required size of greater than 2V a. In the voltage amplifier of the second embodiment, the input amplitude is set to 0.1V. V a determines the minimum value of the input signal amplitude.
実施例2のサブアンプの入力信号が2Vaを超え、正常に動作しているとき(入力信号が0.1Vの場合)の各部波形を図3−1に示す。また反対に、実施例2のサブアンプの入力信号が2Vaを超えず、不安定動作を行っているもの(入力信号が0.09Vの場合)を図3−2に示す。 Input signals of the sub-amplifier of Example 2 exceeds 2V a, shows a waveform of each part when (if the input signal is 0.1 V) which is operating normally in Figure 3-1. On the contrary, the input signal of the sub-amplifier of the second embodiment does not exceed 2V a, shows what is done unstable operation (if the input signal is 0.09 V) in Figure 3-2.
サブアンプの入力がVmによって0.5Vに固定されており、メインアンプのVt>0.5Vであり、サブアンプのVt<0.5Vであるため、メインアンプの入力バイアスはほぼ0.5Vに固定となる。以上より、メインアンプのゲインが高いところで増幅動作が可能となる。Vmをサブアンプでなくメインアンプの入力に印加することで同様の動作を期待できるが、非動作時の消費電力を下げることができないため、本回路の構成が最も低消費電力化を達成できると考えられる。 Since the input of the sub-amplifier is fixed to 0.5 V by V m , V t > 0.5 V of the main amplifier and V t <0.5 V of the sub-amplifier, the input bias of the main amplifier is approximately 0.5 V. It becomes fixed to. As described above, the amplification operation can be performed when the gain of the main amplifier is high. The same operation can be expected by applying V m to the input of the main amplifier instead of the sub-amplifier. However, the power consumption during non-operation cannot be reduced, so that the configuration of this circuit can achieve the lowest power consumption. Conceivable.
下記表2に、入力信号電圧を変化させたときの消費電力と電圧ゲインをまとめる。シミュレーションでは電圧ゲインをみるために入力端子および出力端子に高インピーダンスプローブを使用することを前提に行っている。表2に示すように、消費電力は入力信号振幅が0.1Vのときに418μW、電圧ゲインは11.0dBとなっている。 Table 2 below summarizes the power consumption and voltage gain when the input signal voltage is changed. In the simulation, it is assumed that high impedance probes are used at the input terminal and output terminal in order to see the voltage gain. As shown in Table 2, the power consumption is 418 μW when the input signal amplitude is 0.1 V, and the voltage gain is 11.0 dB.
実施例3の電圧増幅器は、実施例1の電圧増幅器の入力信号(Vin)に対して、入力電圧振幅を調整し得る入力電圧振幅調整回路を設けたものである。図4に、実施例3の電圧増幅器の回路図を示す。入力電圧振幅調整回路を設けることにより、無線通信においてキャリアの状況を確認するために必要なキャリアセンス機能を実現可能である。 The voltage amplifier according to the third embodiment is provided with an input voltage amplitude adjustment circuit capable of adjusting the input voltage amplitude with respect to the input signal (V in ) of the voltage amplifier according to the first embodiment. FIG. 4 shows a circuit diagram of the voltage amplifier according to the third embodiment. By providing the input voltage amplitude adjustment circuit, it is possible to realize a carrier sense function necessary for confirming the carrier status in wireless communication.
前述した実施例の電圧増幅器において、動作時に信号入力がない場合とある場合の両方で既に消費電力の削減は行われている。本発明の電圧増幅器がインバータの多段接続であることに着目し、非動作時(スタンバイ時)の消費電力の削減を図るべく、Zigzag回路を適用する。Zigzag回路については、「K. Min, H. Kawaguchi, and T. Sakurai, ”Zigzag Super Cut-off CMOS(ZSCCMOS) Block Activation with Self-Adaptive Voltage Level Controller,” Dig. IEEE ISSCC, pp. 400−401, Feb. 2003.」の文献に詳細に説明されている。このZigzag回路を用いることで、各ノードの電位が固定されることによりリーク電流の削減と、スタートアップの高速化を図ることができる。このZigzag回路を導入した実施例4の電圧増幅器の回路図を図5に示す。 In the voltage amplifier of the above-described embodiment, power consumption has already been reduced both when there is no signal input during operation and when there is no signal input. Focusing on the fact that the voltage amplifier of the present invention is a multistage connection of inverters, a Zigzag circuit is applied in order to reduce power consumption during non-operation (standby). For the Zigzag circuit, see “K. Min, H. Kawaguchi, and T. Sakurai,” Zigzag Super Cut-off CMOS (ZSCCMOS) Block Activation with Self-Adaptive Voltage Level Controller, ”Dig. IEEE ISSCC, pp. 400-401. , Feb. 2003. ”is described in detail. By using this Zigzag circuit, the potential of each node is fixed, so that leakage current can be reduced and startup speed can be increased. FIG. 5 shows a circuit diagram of the voltage amplifier of Example 4 in which this Zigzag circuit is introduced.
本発明の電圧増幅器の回路図は、Vh,Vl,Vmを必要となる。従って、この3つの電位を発生する電圧発生器が必要となる。3つの電位を発生する電圧発生器の回路図を図6に示す。
本電圧発生器の回路単体にて、サブアンプに必要なVh,Vl,Vmを生成可能である。また、Vh−Vl=2Vaが非常に小さいために電力供給能力が低く抑えることができ、低消費電力である。また、非動作時(スタンバイ時)のために、P−MOSスイッチ,N−MOSスイッチを備えている。さらに、Selv 信号によってVh,Vl間のインピーダンスを変化させることで、2Vaを変化させることが可能であり、最小入力信号振幅を制御できることとなる。
The circuit diagram of the voltage amplifier according to the present invention requires V h , V l , and V m . Therefore, a voltage generator for generating these three potentials is required. A circuit diagram of a voltage generator for generating three potentials is shown in FIG.
V h , V l and V m necessary for the sub-amplifier can be generated by a single circuit of this voltage generator. In addition, since V h −V l = 2V a is very small, the power supply capability can be kept low, and the power consumption is low. In addition, a P-MOS switch and an N-MOS switch are provided for non-operation (standby). Further, by changing the impedance between V h, V l by Selv signal, it is possible to vary the 2V a, and thus can control the minimum input signal amplitude.
次に、シミュレーションによる従来の電圧増幅器回路との比較結果について述べる。なお、2Vaは0.05Vと設定している。
図12は、に入力信号振幅を変化させたときの電圧ゲイン特性を示している。この図12からわかるように入力信号振幅が0.04Vとなったところで急激にゲインが増加することがわかり、最小入力信号振幅が存在することがわかる。
Next, the comparison result with the conventional voltage amplifier circuit by simulation is described. It should be noted, 2V a is set to 0.05V.
FIG. 12 shows the voltage gain characteristic when the input signal amplitude is changed. As can be seen from FIG. 12, it can be seen that when the input signal amplitude reaches 0.04 V, the gain increases abruptly, and the minimum input signal amplitude exists.
また、図13は、周波数特性を示している。周波数が高くなるにつれゲインが下っており、本発明の電圧増幅器は、最小信号入力が存在するために、従来の増幅器に比べゲインが低くなる。しかし、これは高周波で最適化することにより対処可能である。
また、図14は、入力信号振幅を変化させたときの、動作時に信号入力がある時の消費電力特性を示す。本発明の電圧増幅器の消費電力には、電圧発生器の消費電力も含んでいる。この結果から、本発明の電圧増幅器は従来に比べ常に低消費電力であり、入力信号振幅が0.04Vのときは31%の電力削減効果を得ることができるという見積りを得る。
また、下表3に、スタンバイ時の消費電力とデューティサイクルが10−3のときのトータル消費電力をまとめる。この結果からデューティサイクルが10−3のとき消費電力を54%削減可能であるという見積りを得る。
FIG. 13 shows frequency characteristics. The gain decreases as the frequency increases, and the voltage amplifier of the present invention has a lower gain than the conventional amplifier due to the presence of the minimum signal input. However, this can be dealt with by optimizing at high frequencies.
FIG. 14 shows power consumption characteristics when there is a signal input during operation when the input signal amplitude is changed. The power consumption of the voltage amplifier of the present invention includes the power consumption of the voltage generator. From this result, it can be estimated that the voltage amplifier of the present invention always consumes less power than the conventional one, and that a 31% power reduction effect can be obtained when the input signal amplitude is 0.04V.
Table 3 below summarizes the power consumption during standby and the total power consumption when the duty cycle is 10 −3 . From this result, it is estimated that the power consumption can be reduced by 54% when the duty cycle is 10 −3 .
図15は、スタンバイ信号をハイ(high)にしたときの各回路の遷移(スタートアップタイム) を示す。この結果からZigzag回路の導入によりスタートアップタイムが35%削減できていることが理解される。 FIG. 15 shows the transition (start-up time) of each circuit when the standby signal is set to high. From this result, it is understood that the start-up time can be reduced by 35% by introducing the Zigzag circuit.
次に、ソフトウェアキャリアセンスについて説明する。一般に無線センサネットワークにおいて無駄な電力を浪費しないようにデータの衝突と干渉を避けるべきである。あるノードがデータを送信している間に、その周りの他のノードが通信しないことが望ましく、その問題を解決する1つの方法として、多くのMAC(Media access control) ではキャリアセンスアプローチは広く用いられている。データを送信する前にすべてのノードはキャリアセンスを行う。もしキャリアが空間に存在すると判定した場合、そのノードはパケットの送信を延期する。典型的なキャリアセンスの方法はRSSI(received signal strength indicator) を測ることである。もし検出されたチャネルの電力が閾値より大きければ、チャネルをビジーと見なす。そうでない場合は、周りはアクティブでないと見なす。RSSIキャリアセンスは、A/Dコンバータなどの比較的消費電力の大きい回路を追加する必要があるため、無線センサネットワークのように消費電力の制約が大きい場合は不適当である。 Next, software carrier sense will be described. In general, data collision and interference should be avoided so as not to waste wasted power in wireless sensor networks. It is desirable that one node transmits data while other nodes around it do not communicate. As one method for solving the problem, a carrier sense approach is widely used in many MACs (Media Access Control). It has been. All nodes perform carrier sense before transmitting data. If it is determined that the carrier is in space, the node defers packet transmission. A typical carrier sense method is to measure a received signal strength indicator (RSSI). If the detected channel power is greater than the threshold, the channel is considered busy. If not, the surroundings are considered inactive. Since RSSI carrier sense requires the addition of a circuit with relatively high power consumption, such as an A / D converter, it is not appropriate when power consumption is highly limited as in a wireless sensor network.
図16は、本発明のソフトウェアキャリアセンスの概念図を示す。この概念図において、Node−AがNode−Bにパケットを伝達するとし、Node−CはNode−Aのキャリアセンスレンジ外であるノードの1つである。送信するRF信号としてOOK変調を行うバイナリ信号をマンチェスター符号化する。マンチェスター符号化では、例として信号''0''を''01''、信号''1''を''10''と設定する。符号化された信号は両方とも''1''を含み、これはOOK信号ではある特定の振幅の存在によって表される。よって、受信器が''1''を検出すればキャリアは利用されていると判断できる。一方で全く検出できなければキャリアはあいていると判断する。通信にはBER (bit error rateが存在し、誤りが1ビットでも混入するとパケット信号はロストしてしまう。しかし、BERが非常に大きい場合でもキャリアセンスでは問題がない。BERが10−1の場合でも90%の確率でマンチェスター符号内の振幅を検出できるためである。ソフトウェアキャリアセンスはこれを利用する。 FIG. 16 shows a conceptual diagram of the software carrier sense of the present invention. In this conceptual diagram, Node-A transmits a packet to Node-B, and Node-C is one of the nodes outside the carrier sense range of Node-A. A binary signal to be subjected to OOK modulation as an RF signal to be transmitted is Manchester encoded. In Manchester encoding, the signal “0” is set to “01” and the signal “1” is set to “10” as an example. Both encoded signals contain "1", which is represented by the presence of a certain amplitude in the OOK signal. Therefore, if the receiver detects “1”, it can be determined that the carrier is being used. On the other hand, if it cannot be detected at all, it is determined that the carrier is open. There is BER (bit error rate in the communication, the packet signal when an error is also mixed with 1 bit would be lost. If, however, .BER no problem in carrier sense even if the BER is very large is 10 -1 However, this is because the amplitude in the Manchester code can be detected with a probability of 90%, which is used by software carrier sense.
あるBERが達成されるように、信号の強さの閾値(Pamp)を設定する。もしNode−Bの受信データ(Pdata)がPampより大きい場合、Node−Bは正しくNode−Aからパケットを受け取ることができる。また同様にキャリア信号強度の閾値(Pc)を設定する。キャリアセンスレンジはPcによって決まり、PcはPampより小さく設定する。本発明の電圧増幅器は最小入力振幅を持ち、それより小さい信号は無視できる。また、本発明の電圧増幅器ではPampとPcは調整可能である。よって、ノードがキャリアセンスをする場合は閾値をPcに設定し、パケットを受信する場合はPampに設定すれば良い。受話ノードにおいて衝突を減らすために、キャリアセンスレンジ(rc) は送信レンジ(rt) より大きくするべきである。PcをPampより小さく設定することにより、送信ノードは他のノードからの送信が受話ノードの周りに存在しているのを発見することができるようにする。このことにより衝突を防ぐことが可能になる。また、Pampをより大きく設定することで無視できる入力信号振幅も大きくできる。よって強度の大きい信号のみを増幅し、強度の小さい干渉波を抑制できる。この図16において、Node−AがNode−Cの送信を検出することができない場合でも、Node−BはNode−Cからの干渉波を無視することができる。 A signal strength threshold (Pamp) is set so that a certain BER is achieved. If the received data (Pdata) of Node-B is larger than Pamp, Node-B can correctly receive a packet from Node-A. Similarly, a threshold value (Pc) of the carrier signal strength is set. The carrier sense range is determined by Pc, and Pc is set smaller than Pamp. The voltage amplifier of the present invention has a minimum input amplitude, and smaller signals are negligible. In the voltage amplifier of the present invention, Pamp and Pc can be adjusted. Therefore, the threshold value may be set to Pc when the node performs carrier sense, and may be set to Pamp when the packet is received. In order to reduce collisions at the receiving node, the carrier sense range (rc) should be larger than the transmission range (rt). By setting Pc to be smaller than Pamp, the transmitting node can discover that transmissions from other nodes exist around the receiving node. This makes it possible to prevent collisions. Further, the input signal amplitude that can be ignored can be increased by setting Pamp larger. Therefore, it is possible to amplify only a signal having a high intensity and suppress an interference wave having a low intensity. In FIG. 16, even when Node-A cannot detect the transmission of Node-C, Node-B can ignore the interference wave from Node-C.
本発明によれば、無線センサネットワークシステム全体の可用時間向上(低電力化)が図ることができ、センサノードの数が膨大な数に及ぶようなシステムや、広大な敷地や立ち入りの困難な場所にセンサノードを設置し使用するシステムへの利用が可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve the available time (low power consumption) of the entire wireless sensor network system, a system in which the number of sensor nodes is enormous, a large site, and a place that is difficult to enter It can be used for a system that installs and uses sensor nodes.
1 メインアンプ回路
2 サブアンプ回路
1 Main amplifier circuit 2 Sub amplifier circuit
Claims (8)
サブアンプの入力側にキャパシタと抵抗が設けられ、サブアンプの入力電圧が所定電圧(Vm)にクランプ(固定)されたことを特徴とする無線トランシーバ用電圧増幅器。 It consists sub-amplifier to feed back the output of the main amplifier and said main amplifier, the dynamic range of the sub-amplifiers are limited to a first voltage (V h) and the second voltage (V l), the input signal 1 The sub-amplifier feeds back the signal to the main amplifier when there is a change greater than the intermediate voltage difference (2V a ) between the voltage (V h ) and the second voltage (V l ), and the operating point of the main amplifier is In a voltage amplifier having a threshold voltage (V t ),
A voltage amplifier for a radio transceiver, wherein a capacitor and a resistor are provided on an input side of a sub-amplifier, and an input voltage of the sub-amplifier is clamped (fixed) to a predetermined voltage (V m ).
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