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© CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que...

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© CEA 2008. Tous droits réservés. Toute reproduction totale ou partielle sur quelque support que ce soit ou utilisation du contenu de ce document est interdite sans l’autorisation écrite préalable du CEA All rights reserved. Any reproduction in whole or in part on any medium or use of the information contained herein is prohibited without the prior written consent of CEA 1 2007 Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers Alp OGUZ 1,2 , Dominique MORCHE 1 , Catherine DEHOLLAIN 2 , Erkan Nevzat ISA 1,2 1 CEA-Leti, MINATEC Campus, Grenoble, France 2 École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland 13.12.2010
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1

2007

Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

Adaptive Power Reconfigurability for

Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless

ReceiversAlp OGUZ1,2, Dominique MORCHE1,Catherine DEHOLLAIN2, Erkan Nevzat ISA1,2

1 CEA-Leti, MINATEC Campus, Grenoble, France2 École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland

13.12.2010

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2007

Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

Presentation Outline

Problem definition

Over-specified receiver

Baseband block optimization

Performance evaluation

Conclusions

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2007

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3Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

Problem Definition

Wireless receivers Usually utilized in mobile applications

Operate on batteries or energy scavenging structures

Power dissipation is imposed by the requirements Higher requirements Higher power dissipation

Over-specified receiver dissipates excessive power

POWER IS STRICTLY LIMITED

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4Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

minker SNR

P

PDR

signal

blocreq

minker SNRP

PPDR

signal

signalblocreq

floor

signalblocreq N

PPDR

ker

A conventional receiver has a fixed configuration High specifications due to worst case conditions

Dynamic range requirement alters during operation A function of signal and blocker conditions

Receiver becomes over-specified

Over-specified Receiver

kerblocsignal PPif

minSNRDRreq

kerblocsignal PPif

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5Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

Over-specified Receiver – cont.’d

SOLUTION:Adaptive Power

Reconfigurability

High Freq. Processing

Frequency Translation

Low Freq. Processing

Antenna

Digital Processing

Sensing & ReconfiguringProcessed Signal

Analog Blocks

Digital Blocks

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6Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

Trade-off between LPF and ADCHigh order filter Low resolution ADC

Low order filter High resolution ADC

Should be optimized for minimum total powerResults will indicate the dominant power consumer

Requires high-level LPF and ADC power models

Baseband Block Optimization

SNDRFilter Order SNDR

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7Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

Baseband Block Optimization – cont.’d

POWER MODELS Normalized real data points from the literature

Up-to-date reconfigurable Active Gm-RC filter [Ozgun2006]

Up-to-date SAR ADCs are used [Nuzzo2009, Harpe2010, C.Liu2010, W.Liu2010]

Regions between the data points are extrapolated

Constant capacitance scaling assumed while normalizing BW (implies P ~ BW)

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8Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

Baseband Block Optimization – cont.’d

Optimization is done

for ZigBee receivers

Filter power

dominates

Total power changes

between 24 μW and

4.197 mW

Filter order changes

between 0 and 3

Filter DR changes

between 32.85 dB and

85.37 dB

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9Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

Average power dissipation depends on operating schedule

Statistical data is hard to obtain

An illustrative scenario is derived

Blocker source at the center

Signal power is constant

Assumed P ~

Performance Evaluation

The time weight of nth worst operating condition

1R2

ωn = ω1 . (1.112)n-1

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10Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

Time weights calculated using the formula

With adaptive power reconfigurability, Pav = 115.87 µW

Without adaptive power reconfigurability, Pav = 4.197 mW

Performance Evaluation – cont.’d

Power reduction by a factor of 36 (15.6 dB)

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2007

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11Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

Conclusions

Investigated the effect of using adaptive power reconfigurability concept in wireless receivers

Optimized the baseband block of a ZigBee receiver for minimum total power

Filter should be reconfigurable, ADC not necessarily

Illustrative scenario shows up to 36 times improvement is possible in average power dissipation

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2007

Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

Innovationfor industry

Thanks for your attention…

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2007

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13Adaptive Power Reconfigurability for Preventing Excessive Power Dissipation in Wireless Receivers

References[Ozgun2006] M. T. Ozgun, Y. P. Tsividis, and G. Burra, “Dynamic power

optimization of active filters with application to zero‑IF receivers,” IEEE J. Solid‑State Circuits, vol. 41, no. 6, pp. 1344‑1352, Jun. 2006.

[Nuzzo2009] P. Nuzzo et al., “A 6‑bit 50‑MS/s threshold configuring SAR ADC in 90‑nm digital CMOS,” Symposium on VLSI Circuits, 2009, pp. 238‑239.

[Harpe2010] P. Harpe, C. Zhou, X. Wang, G. Dolmans, and H. de Groot, “A 30fJ/conversion‑step 8b 0‑to‑10MS/s asynchronous SAR ADC in 90nm CMOS,” Int. Solid‑State Circuits Conf. Digest of Technical Papers, Feb. 2010, pp. 388‑389.

[C.Liu2010] C. C. Liu et al., “A 10b 100MS/s 1.13mW SAR ADC with binary‑scaled error compensation,” Int. Solid‑State Circuits Conf. Digest of Technical Papers, Feb. 2010, pp. 386‑387.

[W.Liu2010] W. Liu, P. Huang, Y. Chiu, “A 12b 22.5/45MS/s 3.0mW 0.059mm² CMOS SAR ADC achieving over 90dB SFDR,” Int. Solid‑State Circuits Conf. Digest of Technical Papers, Feb. 2010, pp. 380‑381.


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