Transmetteur très faible consommation et haut-débit pour les communications couplées au corps humain en 28 nm FD-SOI

Ultra-low power high data-rate transmitter for body-coupled communication in 28 nmFD-SOI CMOS

• Auteur / Autrice : Guillaume Tochou
• Direction : Andreas Kaiser, Andreia Cathelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 01/02/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : STMicroelectronics
• Partenaire(s) de recherche : Université : University of California (Berkeley)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Yann Deval
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jan M. Rabaey, Patricia Desgreys, Rabia Tugce Yazicigil, Antoine Frappé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Bourdel, Jerald Yoo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de surface

Basse tension

MOS complémentaires

Technologie silicium sur isolant

Internet des objets

Économies d'énergie

Transmission numérique

Systèmes de communication sans fil

Systèmes de communication

Corps humain

Mots clés libres

Réseau Local Corporel

Body-Coupled Communication

Transmitter

28nm FD-SOI CMOS

Low-Power

Ultra-Low Voltage

Wearables

Résumé

Ce travail de recherche doctorale a été réalisé dans le cadre du projet Human Intranet. Le concept d’Human Intranet vise à interconnecter différents types de capteurs et d’actionneurs sur le corps humain pour des applications médicales et bien-être.Les solutions RF connues, telles que le Bluetooth ou l’Ultra-Wideband, subissent l'effet d'ombre du corps, qui dégrade la qualité et la fiabilité du canal de communication. Comme alternative, la communication couplée au corps humain, où le corps humain est utilisé comme moyen de propagation, a été étudiée.Les communications couplées au corps humain nécessitent des émetteurs-récepteurs avec un débit de données flexible, une expérience utilisateur confortable, une faible consommation d’énergie, une couverture de communication élevée et une grande robustesse. Cette thèse présente un émetteur entièrement numérique à base d’impulsions, pour les communications couplées au corps humains capacitives(c-BCC), en technologie 28 nm FD-SOI CMOS. L’émetteur fonctionne à 450 MHz où la propagation par ondes de surface est le mécanisme dominant, offrant une plus grande largeur de bande avec un canal de communication plus stable. L’émetteur à rapport-cyclique élevé utilise un oscillateur en anneau pseudo-différentiel de 90 MHz en boucle ouverte et des combinateurs de fronts pour générer des impulsions modulées en OOK de forme gaussienne à travers un amplificateur de puissance à capacités commutées (SCPA). La large plage de tension de polarisation du substrat, offerte par la technologie FD-SOI, permet de régler la fréquence d’utilisation et d’optimiser l’efficacité en fonction du débit de données. L’émetteur proposé consomme de 17 à 76 μW pour des débits de données flexibles de 0,1 à 27 Mb/s (170 pJ/b à 2,8 pJ/b) avec une efficacité système allant jusqu’à 14 % pour une tension d’alimentation de 0,5 V. Ce travail présente également une méthodologie pour la conception de SCPA à ultra-basse tension en 28 nm FD-SOI CMOS, ainsi que des considérations de conception pour les récepteurs à ultra-basse consommation.

This PhD research work was realized in the framework of the Human Intranet project. The Human Intranet aims to interconnect various kinds of sensors and actuators on the human body for wellness and medical applications. Common RF-based solutions such as Bluetooth or Ultra-Wideband suffer from the body shadowing effect degrading the quality and reliability of the channel. As an alternative, body-coupled communication, where the human body is used as the medium of propagation, has been studied. Human body communications require transceivers with flexible data rate, comfortable wearability, low-power consumption, high body coverage, and robustness. This thesis presents a fully digital pulse-based transmitter for capacitive body-coupled communications (c-BCC) in 28 nm FD-SOI CMOS. The transmitter is operating at 450 MHz where surface wave propagation is the dominant mechanism of c-BCC, offering a larger bandwidth with a more stable channel than c-BCC with electro-quasi static communication. The heavily duty-cycled transmitter uses a 90 MHz free-running pseudo-differential ring oscillator and edge-combiners to generate OOK Gaussian-shaped pulses through a switched-capacitor power amplifier (SCPA). Wide range forward body-biasing, specific to FD-SOI technology, allows frequency tuning and adaptive efficiency optimization as a function of data rate. The proposed transmitter consumes 17 to 76 µW for flexible data rates from 0.1 to 27 Mb/s (170 pJ/b down to 2.8 pJ/b) with up to 14 % system efficiency under 0.5 V supply voltage. This work also presents design principles and methodology of body-biased, ultra-low voltage SCPA in 28 nm FD-SOI CMOS, and design considerations for ultra-low power receivers.