Mobility-based Time References for Wireless Sensor Networks

176 Pages·2013·4.12 MB·English

by  Kofi A. A. Makinwa (auth.), Fabio Sebastiano, Lucien J. Breems

Mobility-based Time References for Wireless
Sensor Networks
ANALOG CIRCUITS AND SIGNAL PROCESSING
Series Editors:
Mohammed Ismail, The Ohio State University
´
Mohamad Sawan, Ecole Polytechnique de Montre´al
For further volumes:
http://www.springer.com/series/7381
Fabio Sebastiano • Lucien J. Breems
Kofi A.A. Makinwa
Mobility-based Time
References for Wireless
Sensor Networks
123
Fabio Sebastiano Lucien J. Breems
NXP Semiconductors NXP Semiconductors
High Tech Campus 32 High Tech Campus 32
Eindhoven Eindhoven
Netherlands Netherlands
Kofi A.A. Makinwa
Delft University of Technology
Mekelweg 4
Delft
Netherlands
ISBN 978-1-4614-3482-5 ISBN 978-1-4614-3483-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-1-4614-3483-2
Springer New York Heidelberg Dordrecht London
Library of Congress Control Number: 2012938039
© Springer Science+Business Media New York 2013
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Preface
Measuring time is an ancient problem. Along history, man has developed more and
more advanced timekeeping devices to keep up with his growing needs: mechanical
clocks to increase accuracy; quartz watches to cut down on size and cost; atomic
clocks to reach higher accuracy. Today, each node in a wireless sensor network
(WSN) needs a time reference with even novel requirements: it must be cheap, of
ultralow power, and fully integrated on a silicon die, thus not employing any off-chip
component.
This book approaches the challenge of designing such reference in a systematic
way. First, the reader is guided through the architectural choices and the trade-offs
in the design of a wireless sensor node in order to understand the application of
the time reference and its specifications. Based on that and on the review of several
alternatives, mobility-based references are chosen as the preferred candidates. In the
following parts of the book, they are thoroughly dissected by illustrating concepts,
circuit design, temperature compensation schemes, and experimental validations, so
that their potentiality as time references for WSN can be finally assessed.
The research presented in this book has been completed during my Ph.D. and I
wish to thank those who helped me during that period: the European Commission
for financial support in the Marie Curie project TRANDSSAT; the TRANDSSAT
team, comprising Salvo Drago, Lucien Breem, Domine Leenaerts, Kofi Makinwa,
and Bram Nauta; Onur Kaya and Rabindra Rijal for helping with the
0.16-m-CMOS measurements; Maristella Spella and Muhammed Bolatkale for
proofreading the manuscript; the Mixed Signals Circuits and Systems group of
NXP Research, where the research was carried out; the Electronic Instrumentation
Laboratory of Delft University. Finally, nothing would have been possible without
the loving support of my family and my fiance´e Elisa.
Eindhoven Fabio Sebastiano
v
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Enhancing Perception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 References for Wireless Communication .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Fully-Integrated Time References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Motivation and Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 Organization of the Book. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Fully Integrated Radios for Wireless Sensor Networks. . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Requirements for a WSN Node . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Application .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Cost and Size. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 Energy Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 The Network Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 Asynchronous vs. Synchronous Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 Duty-Cycled Wake-Up Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.3 Optimization of MAC Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.4 Impact of Wake-Up Radio Non-idealities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.5 System Performance .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.6 Master Node . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Frequency Accuracy .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.1 RF Modulation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.2 Transmitter Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.3 Receiver Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.4 Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Node Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.1 Main Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.2 Wake-Up Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.3 Time Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
vii
viii Contents
3 Fully Integrated Time References .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Sources of Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.1 Basic Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.2 Random Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.3 Systematic Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 RC-Based References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1 Frequency Accuracy .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.3 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4 LC-Based References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.1 Frequency Accuracy .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4.3 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5 Thermal-Diffusivity-Based References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.1 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.2 Frequency Accuracy .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5.4 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.6 MOS-Based References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.1 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.2 Frequency Accuracy .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.4 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.7 Mobility-Based References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.7.1 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.7.2 Frequency Accuracy .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.7.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.7.4 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.8 Other References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.9 Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.9.1 Requirements for Time References for WSN . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.9.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4 A Mobility-Based Time Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3 Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.1 Deriving a Frequency from Carrier Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.2 Oscillator Topology .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4 Oscillator Accuracy.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.1 Trimming and Temperature Compensation .. . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.2 Topology of the Current Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Contents ix
4.4.3 Accuracy of the Current Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.4 Accuracy of the Oscillator Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4.5 Residual Source of Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.5 Circuit Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.5.1 Oscillator Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.5.2 Current Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5.3 Comparator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.7 On Temperature Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.8 Effects of Packaging and Process Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5 Temperature Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2 Architecture of the Time Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.3 Requirements on the Temperature Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.1 Sampling Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.2 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.3.3 Voltage Supply and Power Consumption .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4 Temperature-Sensor Operating Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.5 Sources of Inaccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5.1 Non-idealities of Bipolar Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5.2 ADC Accuracy and Quantization Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.5.3 Process Spread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.5.4 Non-linearity of Vbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.6 Temperature-Sensor Circuit Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.6.1 Current Level in the Bipolar Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.6.2 Bias Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.6.3 Bipolar Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.6.4 Sigma-Delta ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.7 Temperature-Sensor Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.8 Temperature Compensation of the Time Reference .. . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.9 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.1 Main Findings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2 Applications.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.3 Future Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
A Derivation of the Accuracy of Mobility-Based Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . 147
A.1 Composite MOS Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
x Contents
A.2 Accuracy of the Mobility-Based Current Reference .. . . . . . . . . . . . . . . . 149
A.2.1 Effect of Mismatch and Finite Output Resistance. . . . . . . . . . . 149
A.2.2 Effect of Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
A.3 Matching of Current Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.4 Behavior of MOS Transistor Mismatch Over Temperature.. . . . . . . . . 153
A.4.1 Threshold Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.4.2 Current Factor (ˇ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
A.5 Charge of a MOS Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
B Analysis of the Spread of the Mobility-Based Time Reference . . . . . . . . . 159
B.1 Model for the Frequency Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
B.2 Analysis of Experimental Data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169