Проектирование оптических приемников для сверхнизкого энергопотребления в изотовых устройствах

Неустанное расширение Интернета вещей (IoT) требует компонентов беспроводной связи, которые потребляют ничтожную энергию. Оптические приемники, которые преобразуют световые сигналы в электрические данные, предлагают убедительный путь к сверхнизкой мощности, поскольку они могут достичь высокой пропускной способности с минимальной активной схемой. Однако проектирование этих приемников для работы на бюджетах микроэнергии при сохранении надежности в реальных условиях остается сложной задачей. В этой статье рассматриваются технические препятствия, стратегии на уровне схем и новые инновации, которые позволяют оптическим приемникам удовлетворять строгим энергетическим ограничениям устройств IoT с питанием от батареи и энергосбережением.

Критическая роль оптических приемников в IoT

Оптическая связь в приложениях IoT, таких как позиционирование в помещении, сети медицинских датчиков и элементы управления «умным домом», обеспечивает преимущества перед радиочастотными (RF) каналами связи, включая иммунитет к электромагнитным помехам и доступность нелицензионного спектра. Оптические приемники образуют передний конец этих каналов, захватывая модулированный свет и преобразуя его в полезный электрический сигнал. В устройствах с батарейным питанием каждый наноампер тока, потребляемый приемником, напрямую влияет на срок службы системы. Поэтому проектирование приемников с субмилливаттным рассеиванием мощности без ущерба для чувствительности или скорости имеет важное значение для практического развертывания.

Типичные оптические IoT-соединения используют инфракрасные или видимые светодиоды в качестве передатчиков, а фотодиоды в качестве приемников. Приемник должен усиливать крошечный фототок (часто в диапазоне от наноампера до микроампера) до цифрового логического уровня, отклоняя шум от окружающего света и самой схемы. Достижение этого с бюджетом мощности ниже 10 мкВт до 100 мкВт требует тщательной кооптимизации фотоприемника, топологии усилителя и схемы управления мощностью.

Ключевые проблемы в дизайне сверхнизкой мощности

Проектирование оптических приемников для достижения максимальной энергоэффективности предполагает балансирование нескольких противоречивых ограничений.

Каждая из этих проблем должна решаться путем сочетания выбора топологии, оптимизации компонентов и управления мощностью на системном уровне.

Стратегии проектирования для минимизации потребления энергии

Over the past decade, researchers and engineers have developed a set of proven techniques that dramatically reduce the power consumption of optical receivers. The following subsections detail the most impactful strategies.

Низковольтная схема работы

Распределение мощности в аналоговых схемах масштабируется приблизительно с квадратом напряжения питания (для данного тока). Снижение подачи от 3,3 В до 1,2 В или даже 0,8 В может сократить мощность в 5-10 раз. Однако снижение напряжения сокращает доступный запас для работы транзистора, усложняя конструкцию усилителей с высокой прибылью. Современные конструкции КМОП работают с транзисторами в области слабой инверсии, где g m /I D , обеспечивая лучшую транспроводимость на единицу тока. Этот подход позволяет усиливать колебания сигнала на уровне милливольта с помощью токов смещения на уровне микроампера.

Оптимизированный выбор фотодиода и предвзятость

Фотодиод является первым элементом в цепи приемника и устанавливает шумовое дно. Ключевые параметры, влияющие на энергопотребление, включают:

  • Темный ток (I]D): Высокий темный ток не только растрачивает энергию, но и увеличивает шум выстрела.Выбор или проектирование фотодиодов с темными токами ниже 1 нА имеет решающее значение для приемников сверхнизкой мощности.
  • Вместимость (CPD): Большая емкость фотодиода увеличивает входной шум усилителя трансимпеданса (TIA) и уменьшает пропускную способность.Малые фотодиоды (например, диаметр 50—200 мкм) помогают удерживать CPD под 1 пФ.
  • Смешение: Обратное смещение фотодиода снижает его емкость и повышает скорость отклика, но напряжение смещения должно генерироваться из ограниченного питания.Интегрированные зарядные насосы или самопредвзятые схемы могут обеспечивать необходимое напряжение без отдельного штифта питания.

Для приложений IoT, где скорость передачи данных низкая (например, от 10 кбит/с до 1 Мбит/с), фотодиод с малой площадью и низкой емкостью с отклонением на 0,5-2 В часто предлагает лучший компромисс между чувствительностью и мощностью.

Современные архитектуры приемников

Традиционные TIA-режимы напряжения используют резистор в петле обратной связи для преобразования тока в напряжение. Требуемое значение резистора обратной связи для заданного усиления высокое (сотни килоомм до мегахм), что приводит к большим колебаниям напряжения, требующим большого запаса головки. Приемники тока, такие как TIA общего затвора или регулируемый каскод (RGC), непосредственно ощущают фототок на узле с низким импедансом, позволяя входной стадии работать с очень небольшим перепадом напряжения. Этот подход снижает статическую мощность, потому что входной транзистор может быть смещен в слабой инверсии без ущерба для пропускной способности. Кроме того, топологии токового режима естественным образом отменяют емкость фотодиода, улучшая стабильность и производительность шума без дополнительной мощности.

Обязанности велосипеда и питания

Возможно, наиболее эффективным способом снижения средней мощности является выключение приемника, когда он не используется. Устройства IoT обычно работают короткими всплесками: просыпаются, получают или передают данные, а затем возвращаются ко сну. Хорошо спроектированный приемник может иметь время запуска в несколько микросекунд, что позволяет использовать рабочий цикл 0,1%-1% для большинства приложений. Ключевые блоки схемы для дежурного цикла включают:

  • Генераторы смещения с быстрым выравниванием: Ссылки на пропускную способность и источники тока должны быстро просыпаться (в пределах 1-5 мкс), чтобы избежать потери энергии при переходе.
  • Стадии усилителя с усилителем, наложенным на питание: Каждая стадия TIA и постусилителя должна иметь специальные транзисторы переключателя, которые изолируют стадию от подачи во время сна, с минимальным током утечки.
  • Пробуждение, вызванное событием: Простой, всегда включенный детектор энергии (например, диод Шоттки, подключенный к компаратору) может ощущать входящие световые импульсы и запускать основной приемник, достигая почти нулевой мощности в режиме ожидания.

Систематическое дежурство на велосипеде может снизить среднее энергопотребление приемника с сотен микроватт до нескольких микроватт, что делает его пригодным для датчиков с батарейным питанием, которые работают в течение многих лет.

Продвинутая обработка сигналов и уравнение

Цифровая обработка сигналов (DSP) после аналогового переднего конца может восстанавливать слабые сигналы, которые в противном случае потребовали бы более высокой мощности TIA. Для низкочастотных ссылок простая адаптация порога или коррекция исходных параметров могут быть реализованы в крошечном количестве цифровых ворот. Более сложные методы, такие как выравнивание обратной связи принятия решения или обнаружение последовательности с максимальной вероятностью, могут улучшить чувствительность на 2-5 дБ без увеличения аналоговых токов смещения. Однако сама цифровая логика должна быть сверхнизкой мощностью - часто с использованием субпорогового цифрового синтеза - чтобы сохранить общую мощность приемника ниже 10 мкВт.

Архитектура приемников в деталях

Помимо общих стратегий, топология конкретных схем оптического приемника определяет его энергоэффективность. В следующих разделах рассматриваются три широко используемые архитектуры для приемников IoT со сверхнизким энергопотреблением.

Усилитель трансимпеданса (TIA) с субпороговой стадией ввода

Классический TIA состоит из инвертора или усилителя общего источника с резистором обратной связи. Для конструкций с низким энергопотреблением входной транзистор смещен в субпороговой области, что дает высокое отношение g m/ID[[FLT]][[FLT]]][[FLT]]]. Резистор обратной связи реализован с использованием резистора MOS (предвзятая область триода) или полирезистора с высоким сопротивлением листа. Одноступенчатый TIA может достигать коэффициента трансимпеданса 50—100 дБОм с полосой пропускания в несколько мегагерц при извлечении 10—50 мкА из источника 1 В. Добавление второй стадии постамплификатора (также подпороговой)

Одним из недостатков подпороговой TIA является ее ограниченный линейный диапазон. Для приложений IoT, использующих модуляцию включения-выключения (OOK) или невозвращения-в-нуле (NRZ), линейность менее критична, что делает эту топологию идеальной. Анализ шума показывает, что входной сигнальный ток доминирует тепловым шумом резистора обратной связи и шумом мерцания входного транзистора. Тщательная компоновка (например, использование нагрузок PMOS большой площади для низкого шума мерцания) может уменьшить шумовой пол ниже 1 pA / √Hz.

Регулируемый каскод (RGC)

Для приложений, требующих более высокой пропускной способности или более низкого входного импеданса, предпочтительна топология RGC. Он использует локальный контур обратной связи (усилитель общего источника, приводящий в действие затвор транзистора каскода) для уменьшения входного импеданса примерно до 1/(g mmaux, где Aaux, который изолирует емкость фотодиода от основного усилителя, позволяя значительно расширить полосу пропускания для данного тока смещения. RGC может быть спроектирован с общим током 10-30 мкА, что делает его конкурентоспособным с простым TIA, предлагая лучшую стабильность и меньшую чувствительность к вариации емкости фотодиода.

Сам вспомогательный усилитель должен потреблять минимальную мощность. Это может быть простая стадия с общим источником со слабым уклоном тока (например, 1-5 мкА). Общий шум RGC немного выше, чем у простого TIA из-за дополнительных активных устройств, но преимущество полосы часто перевешивает это наказание в приложениях, таких как оптическая беспроводная связь в шумных средах.

Интеграция цифрового постпроцессинга

Для дальнейшего снижения мощности исследователи предложили полностью цифровые приемники, где выход фотодиода сравнивается непосредственно с порогом с использованием маломощного компаратора, без линейного TIA. Этот «цифровой оптический приемник» опирается на фототок, достаточно большой, чтобы сбить компаратор. Для сверхнизкой мощности этот подход работает только на очень коротких расстояниях (несколько сантиметров) или с высокой мощностью передатчика. Однако, комбинируя простой TIA с высокоэффективным асинхронным компаратором (например, динамическая защелка), общая мощность может поддерживаться ниже 5 мкВт при достижении чувствительности −20 дБм или лучше. Цифровой выход затем обрабатывается простой государственной машиной, которая выполняет восстановление часов и декодирование данных. Эта архитектура хорошо подходит для связи в режиме разрыва в сенсорных сетях.

Выбор и оптимизация компонентов

Выбор правильного фотодиода и пассивных компонентов так же важен, как и конструкция схемы. Следующие рекомендации помогают оптимизировать всю цепочку приемников для сверхнизкой мощности.

Тип фотодиода и пакет

  • PIN-фотодиоды: Предлагают низкий темный ток (субнаноамп) и умеренную емкость. Их быстрого отклика (наносекундный диапазон) более чем достаточно для скорости передачи данных IoT. Выберите PIN-диод с активной площадью 0,1-0,5 мм2 для балансировки чувствительности и емкости.
  • Силиконовый фотоумножитель (SiPM): Обеспечивает высокий внутренний прирост, устраняя необходимость в TIA. Однако SiPM требуют высокого напряжения смещения (обычно 20–70 В) и имеют более высокие показатели темного счета, что делает их непрактичными для большинства устройств IoT с батарейным питанием.
  • Интегрированные CMOS-фотодиоды: Низкая стоимость, но страдают от низкой квантовой эффективности (10-30%) и высокого темного тока. Они жизнеспособны только для приложений, где требования к чувствительности смягчены (например, очень короткий диапазон).

Для большинства ультранизких конструкций IoT внешний фотодиод PIN с прозрачным эпоксидным пакетом (для видимого света) или формованным пластиковым пакетом (для ИК) предлагает лучшее соотношение производительности и стоимости.

Пассивные компоненты и PCB-раскладка

Беглая емкость на входном узле между фотодиодом и TIA должна быть минимизирована, так как она непосредственно уменьшает полосу пропускания и увеличивает шум. Используйте наземную плоскость с вырезом под входным следом для уменьшения паразитной емкости. Поместите фотодиод как можно ближе (в пределах 5 мм) к входному штифту TIA. Используйте высокоценные резисторы (например, 1-10 MΩ) для обратной связи для достижения высокого усиления без чрезмерного тока, но имейте в виду, что большие резисторы создают тепловой шум и требуют тщательной компоновки, чтобы избежать путей утечки.

Схемы управления циклом и питанием

Эффективное управление мощностью является наиболее эффективным элементом проектирования для достижения среднего энергопотребления в диапазоне микроватт. Типичный оптический приемник IoT, проводящий 99% своего времени в спящем режиме и 1% в активном режиме, может достичь средней мощности 1-5 мкВт, даже если активная мощность составляет 100-500 мкВт.

  • Время запуска: Время, необходимое для того, чтобы схемы смещения и TIA оседали после пробуждения, должно быть сведено к минимуму. Используйте небольшие конденсаторы разъединения (например, 100 pF) на внутренних узлах смещения и избегайте ссылок на медленный запуск.
  • Ток утечки: В глубоком сне единственным энергопотреблением должна быть утечка переключателей питания и постоянно включенного детектора энергии. Используйте транзисторы с толстым оксидом или пользовательские ячейки с низким утечкой, чтобы сохранить утечку ниже 10 нА.
  • Обнаружение просачивания: Всегда включенный детектор оболочки с последующим маломощным компаратором может обнаружить преамбулированную последовательность импульсов, пробуждая основной приемник только при наличии достоверных данных.

Внедрение машины состояния (либо в жесткой проводке, либо в небольшом микроконтроллере), которая последовательности этапов включения, приема и отключения питания, имеет важное значение для достижения повторяемой работы с низким энергопотреблением.

Новые технологии и будущие направления

Некоторые передовые технологии обещают еще больше снизить энергопотребление оптических приемников для IoT, что потенциально позволит непрерывно работать с небольшими монетными ячейками или сборщиками энергии.

Кремниевая фотоника и интегрированные оптические схемы

Кремниевая фотоника интегрирует фотонные компоненты (волновые направляющие, модуляторы и фотодетекторы Ge) на том же CMOS-диапазоне, что и приемная электроника. Эта монолитная интеграция устраняет паразиты проводов связи и позволяет использовать ультракомпактные приемники с емкостью ввода суб-10 fF. Недавние демонстрации показали, что TIA потребляют менее 1 мВт при 10 Гбит/с, но масштабируются до сверхнизкой мощности (<100 µW) for IoT speeds remains an active research area. ] В статье 2020 года в IEEE JSSC описан оптический приемник 0,8 В, 90 мкВт с использованием фотодиода Ge, интегрированного в процесс фотоники Si, достигая −14 дБм чувствительности при 1 Гбит/с.

Машинное обучение для адаптивной оптимизации приемника

Алгоритмы машинного обучения могут динамически настраивать параметры приемника, такие как ток смещения, пороговый уровень и коэффициент усиления, для соответствия изменяющимся условиям связи (например, окружающему свету, расстоянию). Обучая легкую нейронную сеть автономно и реализуя ее как небольшую машину с состоянием на чипе, приемник может непрерывно оптимизировать свой компромисс по производительности мощности. В недавней работе семинара продемонстрирован TIA с нейронной сетью, который уменьшил среднюю мощность на 40% по сравнению с дизайном с фиксированной тягой в жилой сенсорной сети IoT.

Энергосберегающие оптические приемники

Футуристический подход заключается в использовании самого входящего светового сигнала в качестве источника питания. Включая небольшую фотоэлектрическую ячейку вместе с фотодиодом, приемник может собирать энергию в холостые периоды или даже во время приема данных. Ранние прототипы продемонстрировали автономные приемники, которые могут декодировать данные на 10 кбит/с без внешней батареи. Проблемы включают управление энергетическими накладными расходами схемы декодирования и обработку различных уровней освещения. Если созреть, эта технология может позволить действительно безбатарейные узлы IoT.

Заключение

Проектирование оптических приемников для сверхнизкого энергопотребления является многогранной инженерной задачей, которая требует тщательного сотрудничества между выбором устройства, архитектурой схемы и управлением мощностью на уровне системы. Используя низковольтные подпороговые схемы, топологии текущего режима, эффективное переключение фотодиодов и агрессивную езду на велосипеде, можно достичь бюджетов мощности приемника в несколько микроватт при сохранении адекватной чувствительности и скорости передачи данных для приложений IoT. Новые технологии, такие как кремниевая фотонная интеграция и адаптация на основе машинного обучения, обещают еще больше расширить эти границы, позволяя новому поколению энергоавтономных беспроводных датчиков. Инженеры, которые осваивают эти методы, будут хорошо позиционированы для обеспечения устойчивых, долгоживущих устройств IoT, которые все больше требуются на рынке.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к этой статье EDN о практическом дизайне приемников IoT и IEEE бумаги о подпороговых оптических приемниках .