האתגר של כוח ב-WiFiual IoT

האינטרנט של הדברים מבטיח מיליארדי חיישנים מחוברים, אבל מחסום בסיסי נשאר: כוח.חיישנים רבים של IoT חייב לפעול במשך שנים על סוללה חד-תא יחיד או לקצור אנרגיה ממקורות הסביבה.הרדיו- ⁇ (RF) מגבר, מרכיב קריטי בחיישנים של חיישן & #8217; משדרים ומקלטים, לעתים קרובות לצרוך את הנתח הגדול ביותר של אנרגיה.

פריצות דרך האחרונות התמקדו בצמצום זרם ה-quiescent, תוך מינוף תהליכי CMOS מתקדמים, וליישם טכניקות הטיה דינמיות המאפשרות למגבר לצייר ליד אפס כאשר idle. אלה חידושים מאפשרים לחיישנים של IoT לתקשר יותר למרחקים גדולים יותר, עם שיעורי שגיאה נמוכים יותר, ועם חיי סוללה נמדדים בשנים ולא חודשים.

יסודות של מגברי RF בחיישנים

מגבר RF בחיישן IoT משמש בדרך כלל שני תפקידים: AFLT:0 כוח מגבר (PA) ,FLT:1 מגביר את האות לפני השידור להתגבר על אובדן הנתיב והתערבות. AFLT:2low-noise amplifierifier (LNA)FLT 3: 3 מגביר את האות לפני השידור כדי להתגבר על אובדן והתערבות. AFLT:2low-inlow-in-in-in's חייב להיות פחות כוח לינארי, במיוחד, או יותר ויותר, עם כוח איטי, לעתים קרובות, עם כוח איטי, עם כמה אורגניזמים איטי, יש צורך, יש צורך, עם פחות קיבולת נמוכה יותר ויותר, או יותר ויותר, עם כוח לינארי, במיוחד, עם פחות מילימטרים, יש צורך, עם כוח איטי יותר, 000.

מבחינה היסטורית, מגברי RF למכשירים ניידים המשמשים את המוליכים למחצה של III-V, כגון GaAs בשל הביצועים הגבוהים ביותר שלהם ⁇ גבוה ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

התקדמות טכנולוגית חשובה

1 עמוק-Submicron CMOS ו- Near-Threshold Operation

ההתקדמות המשמעותית ביותר הייתה אימוץ של FLT:0 עמוק-submicron CMOS nodesscioFLT:1 (65 nm ולמטה) טרנזיסטורים קטנים יותר יש קיבולים קצבים נמוכים יותר, המאפשר להם לעבור מהר יותר עם פחות מתח מתנדז, יותר מכך, הפעלת מגבר על ה-FLT:2ne-resentresalphalF3, שבו רק אספקת כוח דינמי של 517, 000, 000 כוח, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 כוח, 000, 000, 000 של כוח, 000, 000, 000 של כוח, 000, 000 של כוח, 000, 000 של כוח, 000 של כוח קיבולת רק כדי להשיג יותר, 000, 000 יותר, 000 יותר, 000 של כוח קיבולת גבוהה יותר, 000 של כוח קיבולת גבוהה יותר, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 הוא רק כדי להשיג את כוח היה יכול היה רק כדי להשיג את כוח קיבולת היה רק כדי להשיג את כוח קיבולת היה רק

פעולה קרובה לעצירה מגיעה עם אתגרים: טרנזירים איטיים ותהליכי תהליך גורמים להפצת ביצועים גדולים יותר.עם זאת, לולאות דיגיטאליים מתקדמות והטיה הסתגלותית יכולות לפצות על חלק מהטרנסיבי IoT המסחריים כיום משתמשים בטכניקה זו כדי להשיג את FLT:0sub-10nnnn נוכחי FLT:1 ועוצמה פעילה כ-1.8W עבור כל שרשרת הרדיו.

דינמי ביזה והתאמה של ניהול כוח

מגברי RF מסורתיים משתמשים בנקודת הטיה קבועה, אשר מבזבזת את הכוח כאשר החיישן מעבירה את שערי הנתונים הנמוכים או מרחקים קצרים יותר.עיצובי כוח אולטרה-נמוך מודרני מעסיק את FLT:0דינמית הטיה לאחור של ההרחבה:1 אשר מאמת את זרם הסקיזנט בזמן אמת על בסיס מעטפה, טמפרטורה, ועוצמה תפוקה הנדרשת.

שיטה פופולרית נוספת היא:0) עומס מודולציה ModulationFLT:1, שבו הפלט הרש"פ מתאים דינמי למניעה האנטנה לשמור על יעילות על פני רמות כוח. בשילוב עם נטייה דיגיטלית, טכניקות אלה יכולות לשמור על > 30% יעילות על פני טווח כוח חזרה של 20 dB.

3.נמוך-לאז (LNA) חידושים

בצד המקלט, LNA חייב להגדיל אותות נמוך כמו −100 dBm בעת הוספת רעש מינימלי. בעיצובים אולטרה-נמוך, LNA לעתים קרובות לצרוך את החלק הגדול ביותר של תקציב המקלט. לאחרונה LNAs לנצל את LNAs (FLT:0-הווה-reuse topologies FLT:1 שבו אותם זרמים דרך שלב קוד משותף של קלט-מקורות ו- תפוקה או תפוקה ביעילות, רק CMVederts דיווחו על ידי מטבוליזם של צריכת מטבוליזם של 1.

גישה נוספת היא השימוש ב-FLT:0 (רווחה עקפה) ב- 1:1 באמצעות משוב טרנספורמטינר או LC resonators.רשתות אלה מספקות רווח מתח ללא מכשירים פעילים, חיסכון כוח. חלק מהחיישנים משתמשים כעת ב-FLT:2-שלב LNAFLT 3), שבו השלב הראשון הוא מגבר משותף עבור התאמה רחבה ובשלב השני מספק רווח תפעולי מכל 0.5 V.

4.מונוליטי אינטגרציה ו- System-on-Chip (SoC) עיצוב

המעבר לעבר CMOS משולבת לחלוטין transceivers אומר מגבר RF, עיבוד בסיס ולוגיקה בקרה דיגיטלית כל שוה על אחד למות.זה מבטל אג"ח חוטי בין שבב ומפחית את הניכויים parasitic, המאפשר ל-FLT:0 קטן יותר טפסים CRLT:1 ועוצמה כוללת של IoT מודרני כגון Texas SimpleLinks או סדרת NUSR2R, אשר יכול לשלב את מערכת ההפעלה 4B3, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 , 000, 000, 000 , 000 , 000 קיבולת קטנה יותר, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 קיבולת קטנה יותר, 000 קיבולת קטנה יותר, 000 קיבולת נמוכה יותר, 000 קיבולת מלאה, 000 קיבולת כוללת, 000 קיבולת כוללת, 000 , 000 קיבולת נמוכה יותר, 000 קיבולת כוללת, 000 קיבולת כוללת, 000 קיבולת גבוהה יותר,

אינטגרציה גם מאפשרת (FLT:0) ⁇ ⁇ ( 1:1 של המגבר & #8217; הטיה והתאמה לפצות על תהליך, מתח וריאציות טמפרטורה.זה מבטיח ביצועים עקביים על פני מיליוני יחידות ללא כוונון ידני.

השפעה על ביצועים של IoT

ההתקדמות המתוארת לעיל תרגם ישירות לשיפורים הניתנים למדידה עבור פריסות IoT.

סוללה מורחבת Life

היתרון הבולט ביותר הוא תפעול של 3 מ"ר בין סוללה משתנה FLT:1 לדוגמה, חיישן טמפרטורה שנדרש קודם לכן 15 מ"מ לשידור יכול לפעול עם מגבר 3 מ"ר.אם החיישן מעביר פעם לשעה עבור 50 מ"מ, החיסכון בכוח להאריך את חיי הסוללה מ 2 שנים עד 10 שנים.

הגדלת תקציב הקישור

על ידי שיפור יעילות המגבר ו- LNA רעש, תקציב הקישור של המערכת הכולל משתפר. חיישן יכול לשדר רחוק יותר עם אותו כוח או להשתמש בכוח נמוך יותר עבור אותו טווח.בפרוטוקולים רבים של IoT כמו LoRaWAN או NB--I, כל dB של תקציב קישור מתורגם ישירות להרחבה. חלק מהעיצובים האחרונים השיגו FLT:0-D130bm רגישות ל-FLT 1 בעוד צריכת 5W.

קטן יותר ויותר דיסקטורים

שילוב של מגבר RF עם הטרצ'יסר מבטל מרכיבים חיצוניים דיסקרטיים.שרשרת הרדיו כולה עשויה לדרוש רק קומץ של קפקאים ומחנכים עבור התאמה.זה מאפשר לחיישנים להיות מוטבעים בתווית חכמה, כתמים רפואיים או בניית חומרים שהם רק כמה מ"מ עבה. לדוגמה, האנרגיה הנמוכה האחרונה של Bluetooth, משלבת את הרש"פ, LNA, והחלפת אנטנה אחת.

עלויות מערכת מופחתות

צריכת חשמל נמוכה מפחיתה את הצורך סוללות גדולות, ושילוב CMOS מקטין ספירת רכיב ואזור PCB. הצעת חומרים עבור חיישן נוד טיפות באופן משמעותי, המאפשרת את FLT:0 $ 1 לכל צומת 1 נקודה מחיר נדרש עבור פריסות IoT בקנה מידה מסיבי.זה קריטי עבור חקלאות חכמה, ניהול פסולת, מעקב נכסים.

אתגרים ומסחר

למרות התקדמות מרשימה, כמה אתגרים נותרו.

קוהרנטיות לעומת יעילות

מגברי כוח אולטרה-נמוכים חייבים לפעול לעתים קרובות ליד אזור השכור שלהם כדי להשיג יעילות גבוהה.זה מציג את ה-FLT:0non ליניארי עיוותFLT:1 שיכול לגרום לregrowth ספקטרלי ולפרו את מסכות הפליטה מתקדמות. תוכניות מודולציה מתקדמות כמו QPSK ו-DM רגישים במיוחד לא ליניאריות. מעצבים חייבים לאזן בזהירות את היעילות נגד הצורך עבור צורך עבור ניחומים, לעתים קרובות להפעיל ארכיטקטור דיגיטלי או predistortion.

שינוי תהליכים וגמישות

תהליכי CMOS עמוק-submicron סובלים מאפקט משמעותי:0מעבד, מתח וטמפרטורה (PVT) וריאציות FLT:1 .מגבר שפועל באופן מושלם ב 25 מעלות צלזיוס ו- 1.2 V עשוי להיכשל ב 85 מעלות צלזיוס או 1.0 V. Ultra-low Power designs לעתים קרובות פחות שולי, כך על שבבים ורגישות הם חששות חיוניים כגון אלקטרו-גרם למחזור נמוך יותר, גם כאשר הם לעתים קרובות יותר איטי יותר, לא ניתן לטעון על ידי הזרקה, כמו אלקטרו-מדומים, במיוחד, כמו אלקטרו-מדומים, אפילו יותר, כמו אלקטרו-מדומים, אפילו יותר, כי הם לעתים קרובות יותר, כמו אלקטרו-מדומים, כמו אלקטרו-מדומים, כי הם לעתים קרובות יותר, כמו אלקטרו-מדומים יותר, כמו אלקטרו-מדומים יותר, כמו אלקטרו-מדומים יותר, כמו אלקטרו-מדומים יותר, לא מעצימה, כמו גם לא ניתן להגדיל, כמו אלקטרו-מחדש, כמו גם מעצימה, אפילו יותר, כמו גם לא ניתן להגדיל יותר, כמו גם לא מעצימה, כמו אלקטרו-מחדש, כמו אלקטרו-מחדש, כמו גם לא ניתן לטעון פחות שולי יותר, כמו גם לא ניתן להגדיל יותר, כי הם לעתים קרובות יותר, כמו אלקטרו-

הרשאה הרמונית ומפוכחת

מגברים יעילים, במיוחד מסוגי E ו- Class F, מייצרים הרמוניות חזקות.עבור חיישנים IoT הפועלים בלהקות ללא רישיון כגון 868 MHz או 2.4 GHz, יש לסנן את הנזקים האלה כדי להימנע מהתערבות עם שירותים אחרים.רשת המסנן צורכת חלל ומוסיפה עלות.

כיוונים עתידיים

חומרים מתעוררים: GaN ומעבר

בעוד CMOS שולט כיום, FLT:0Gallium Nitride (GaN)teauFLT:1 טכנולוגיה עושה דרכים לתוך שטח ה- GHz IoT. GaN מציעה הרבה יותר מתח התמוטטות גבוה יותר, צפיפות כוח עליון, תדרי הפעלה גבוהים יותר.מונוליטים GaN כוח יכול לספק כמה וואט של כוח עם יעילות של 70%, אבל עלות ואינטגרציה גבוהה יותר עשוי להחליף חיישנים לטווח ארוך (N)

גרפן ו 2D חומרים

מחקר ב-FLT:0 graphene RF TransistorsFearLT:1 , הראה פוטנציאל ניידות גבוהה מאוד, אשר יכול להוביל למגבר עם לינאריות יוצאת דופן ויעילות במתחים היצע נמוך מאוד.עם זאת, היעדר של להקה בגרף מגביל את הישבן הנוכחי והופך את מאתגר עיצוב המעגל.

עיצוב מכונה-Learning-Optimized Design

תכנון מגבר RF אולטרה-נמוך דורש איזון עשרות פרמטרים עצמאיים. Machine Learning (ML) אלגוריתמים משמשים כעת ל-FLT:0optimize מעגלים להתנצלות וערכי הרכיבה FLT:1 באופן אוטומטי. כלים כמו Google & #8217; גנרטור פנימי מבוסס-RL או מסגרות אופטימיזציה של Bayesian יכול לחקור אלפי וריאציות כדי למצוא את preto-אופטימי עבור עיצובים זמניים, לעתים קרובות.

המונחים: neuromorphic Amplifiers

בהשראת יעילות האנרגיה של מערכות עצביות ביולוגיות, החוקרים חוקרים חוקרים את המחקר:0 מעגל עצבי לתנצלויות FLT:1 עבור העצמת RF.מגברים אלה פועלים עם גישה נוכחית מופולת שבו המגבר שואב רק כוח כאשר אירוע אות מתרחש, בדומה לנוירונים משולבים ואש.

מסקנה

האבולוציה המהירה של עיצוב מגבר RF שינתה באופן יסודי את מה שניתן עם חיישנים אולטרה-נמוך של טכנולוגיית CMOS מתקדמת, הטיה דינמית ואינטגרציה מונוליטית, מהנדסים יצרו רדיוים שצורכים פחות מ 5 מ"ר וחזקים את הרגישות וכוח הפלט הדרושים לתקשורת אלחוטית.ההתקדמות הזו מאפשרת דור חדש של חיישנים אוטונומיים שיכולים לפעול במשך עשור או יותר על פני סוללת יחיד, המאפשרת לכווץ בגודל של אורז.

בעוד אתגרים סביב לינאריות, וריאציות, ופליטות הרמוניות נמשכים, צינור המחקר עשיר עם פתרונות מבטיחים.חומרים מתעוררים, אוטומציה עיצוב מונחה מכונה, ואדריכלות בהשראת ביולוגית מצביעה על אפילו יותר הישגים יעילות רדיקלית.עבור מהנדסים ומפתחי מוצר בונים את הגל הבא של פתרונות IoT, הבנה של חידושים מגבר זה חיוני כדי לקבל החלטות עיצוב הממקסימות ביצועים תוך שמירה על מגבלות מוחלטות של כוח ועלות.

לקריאה נוספת על יישום ספציפי, ראה FLT:0A 0.5-V 100-μW LNA ב 28-nm CMOS עבור מקבלי IoT CMLT:1 ו-FLT:2Analog מכשירים ’ Ultra-Low Power RF design GuideFLT 3 עבור סקר רחב יותר של מכשירים מ-D RF, ראה 4Fal חומרים ביקורת:5: