Разработка усилителей обратной связи для сверхнизкого потребления энергии в изотовых устройствах
Экосистема Интернета вещей (IoT) выросла из нишевой концепции до повсеместной инфраструктуры, соединяющей миллиарды устройств, от датчиков окружающей среды в сельском хозяйстве до носимых мониторов здоровья и контроллеров умного дома. Каждое устройство должно работать в течение нескольких месяцев или лет на небольшой батарее или собранной энергии, что делает энергоэффективность единственным наиболее важным ограничением проектирования. Среди строительных блоков этих систем усилители обратной связи занимают уникально требовательное положение: они должны обеспечивать точный прирост, линейность и стабильность при потреблении микроамперов или даже наноамперов тока. В этой статье рассматриваются физические и схемы уровня стратегий для проектирования усилителей обратной связи, которые достигают сверхнизкого потребления энергии, что позволяет увеличить срок службы батареи, меньшие форм-факторы и более надежные системы IoT.
Критическая роль усилителей обратной связи в энергетических бюджетах IoT
В узле датчика IoT аналоговый передний конец обуславливает необработанный сигнал преобразователя до того, как он достигнет аналого-цифрового преобразователя (ADC). Усилители обратной связи служат буферами, программируемыми стадиями усиления или активными фильтрами в этой цепи. Их энергопотребление часто доминирует в аналоговой подсистеме, поскольку они приводят в движение внутренние нагрузки и должны поддерживать линейность по полосе пропускания сигнала. Например, датчик температуры, считывающий каждую минуту, может требовать, чтобы усилитель с низкой мощностью оставался постоянно смещенным, даже если система спит большую часть времени. Каждый наноампер, сохраненный в усилителе, непосредственно продлевает срок службы батареи или уменьшает размер энергоуборщика, что делает дизайн сверхнизкой мощности экономическим и инженерным императивом.
Фундаментальные стратегии проектирования для усилителей обратной связи с ультранизким энергопотреблением
Пороговая региональная операция
Один из самых мощных методов снижения мощности — это смещение входных транзисторов в области подпорогов (слабая инверсия). В этом режиме ток стока экспоненциально связан с напряжением источника затвора, позволяя усилителю достигать полезной транспроводности (g]m на уровнях тока, которые были бы невозможны при сильной инверсии. Метрика эффективности тока gm/ID достигает своего теоретического максимума при слабой инверсии, часто превышающей 20 S/A. Конструкторы должны тщательно управлять компромиссом между полосой пропускания, шумом и стабильностью, поскольку подпороговая операция снижает частоту перехода (f]T и увеличивает шум мерцания. Практические реализации используют устройства длинного канала и тщательную компоновку для максимизации усиления при сохранении токов смещения в диапазоне наноамперов.
Низкопороговый транзисторный выбор
Стандартные пороговые напряжения 0,5-0,7 В в процессах CMOS могут заставить дизайнеров использовать более высокие напряжения питания или более крупные токи смещения для достижения желаемого зала. Варианты транзисторов с низким порогом (low-V ], доступные во многих современных процессах, снижают напряжение, необходимое для включения устройства. Это позволяет усилителю работать от источника 1,0 В или даже 0,8 В при сохранении достаточного динамического диапазона. Штраф - это повышенный ток утечки в выключенном состоянии, который может быть смягчен с помощью нативных транзисторов или многопороговых конструкций, где только критический путь сигнала использует устройства с низким V ]. . Варианты процессов, такие как полностью истощенный кремний-на-изоляторе (FD-SOI), предлагают возможность динамической регулировки порога для оптимизации мощности по сравнению со скоростью адаптивно.
Передовые методы предвзятости
Классические схемы смещения, такие как смещения затвора фиксированного напряжения, отработают статическую мощность, когда усилитель проста. Адаптивные методы смещения динамически регулируют ток смещения в ответ на активность сигнала. Например, усилитель может работать в режиме ожидания с низким энергопотреблением во время тихих интервалов и переключаться в режим активного тока более высокого тока только тогда, когда происходит событие сигнала. Такие схемы, как Muller C-элемент или простые детекторы оболочки, могут инициировать переход. Другой подход использует ток голодающего в компенсированном Миллером двухступенчатом усилителе: ток смещения задается зеркалом тока, которое может быть запрограммировано цифровым способом, что позволяет системному микроконтроллеру обмениваться мощностью для полосы пропускания на основе скорости отбора проб. Класс-AB смещения остается ценным для этапов вывода, поскольку он устраняет искажение кроссовера нулевого тока при холостом ходе на части пикового тока.
Высокопроизводительные сети обратной связи
Резисторы и конденсаторы обратной связи в обычном неинвертируемом усилителе представляют нагрузку постоянного тока на выходную стадию. Для конструкций с ультранизким энергопотреблением эти сопротивления должны находиться в диапазоне мегаомов, чтобы поддерживать ток обратной связи ниже тока смещения выходного транзистора. Резисторы полисиликана с высоким сопротивлением листа или схемы коммутируемого конденсатора, которые эмулируют большие сопротивления без статического тока, являются практическими решениями. Конденсатор обратной связи в компенсированном усилителе также влияет на мощность: конденсаторы обратной связи позволяют более высокую пропускную способность для данного тока, но увеличивают шум и чувствительность к паразитной емкости. Компенсация Миллера с нульирующим резистором или метод компенсации каскода может улучшить запас фаз, не требуя больших компенсационных конденсаторов, тем самым уменьшая ток, необходимый для их управления.
Передовые топологии цепей для энергоэффективности
Двухступенчатая топология против трехступенчатой топологии
Для маломощных конструкций с умеренными требованиями к увеличению (40-60 дБ) двухступенчатая топология Миллера-компенсированная топология остается популярной, потому что она обеспечивает хороший отказ от питания и запас фаз. Однако, когда требуемый прирост превышает 80 дБ, трехступенчатая компенсация Миллера или топология NMC (компенсация Миллера вложенной в сетку) часто потребляет меньше общего тока, чем одна стадия с высокой прибылью. Ключ заключается в распределении прироста по этапам, каждый из которых смещен вблизи порога, так что общее g [FLT: 0] m [[FLT: 1]] достигается с минимальным током. Современные исследования также исследуют одноступенчатые усилители с увеличением усиления [[FLT: 2]], где регулируемый каскод улучшает импеданс выхода без добавления дополнительных энергоемких стадий, хотя стабильность должна быть тщательно проверена.
Усилители на основе инвертора и повторного использования
Топология повторного использования тока позволяет использовать один и тот же ток смещения как сигнальными путями NMOS, так и PMOS. Классический push-pull инвертор является общим примером: при смещении в подпороговом положении он обеспечивает отличную эффективность тока и может достигать усиления выше 40 дБ только с несколькими наноамперами. В дифференциальной версии используется пара инверторов в конфигурации с полным инвертором, что устраняет источник тока хвоста и дополнительно снижает требования к запасам напряжения. Эти топологии особенно подходят для низковольтных источников (0,6-1,0 В), обнаруженных в узлах IoT, собирающих энергию. Основными недостатками являются более низкий отказ в обычном режиме и более высокая чувствительность к изменениям питания, которые могут быть смягчены путем использования регулируемого питания или простого зарядного насоса для усилителя.
Динамическое спаривание элементов и отсечение
Усилители сверхнизкой мощности часто страдают от высокого смещения напряжения и 1/f шума, поскольку входные транзисторы малы и смещены в слабой инверсии. Методы стабилизации и автоматического сбрасывания могут уменьшить эти ошибки без сжигания дополнительной статической мощности. В усилителе вертолета сигнал модулируется до более высокой частоты, усиливается, а затем демодулируется, в то время как смещение и шум преобразуются и фильтруются. Частота среза может быть такой же низкой, как несколько килогерц, чтобы поддерживать динамическую мощность на низком уровне. Динамическое соответствие элементов (DEM) применяется к входной дифференциальной паре или резисторам нагрузки уменьшает гармонические искажения, позволяя усилителю поддерживать линейность даже при очень низких токах смещения. Дополнительная мощность переключения этих схем должна быть сбалансирована с улучшением шума и смещения, но для многих прецизионных датчиков IoT (например, термопары или интерфейсы нагрузочных ячеек) компромисс является благоприятным.
Технологии и процессы Рассмотрение
Выбор узла CMOS
Масштабирование до более мелких узлов CMOS (например, 65 нм или 45 нм) обеспечивает более быстрые переходы и меньшую емкость затвора на единицу ширины, что снижает динамическую мощность цифровых цепей управления. Однако аналоговая производительность в глубоко масштабированных узлах страдает от снижения внутренней выгоды (g ]m o o ) из-за короткоканальных эффектов и более высокой утечки. Для усилителей обратной связи сверхнизкой мощности старые узлы, такие как 180 нм или 130 нм, часто предлагают лучший компромисс: они обеспечивают высоковольтную обработку (до 5 В для определенных процессов) и хорошо понятные модели для подпорогового поведения. Узел 180 нм остается популярным для чипов IoT смешанного сигнала, потому что он может интегрировать усилитель обратной связи, ADC и цифровую логику на одной ИС с приемлемой утечкой.
Пассивная утечка компонентов и их укладка
На уровнях смещения наноампера ток утечки пассивных компонентов — особенно резисторов обратной связи — может стать значительной частью собственного тока усилителя. Предпочтительны резисторы полисиликана с высоким сопротивлением листа (1 кОм / кв или более), но они также проявляют нелинейность и температурный дрейф. Конденсаторы металл-изолятор-металл (MIM) предлагают низкую утечку и высокую плотность, но их нижняя пластина паразитной емкости может загружать выходную стадию. Тщательная компоновка с защитными кольцами и экранированием предотвращает пути утечки поверхности. Конструкторы также должны учитывать утечку диодного соединения, которая удваивается примерно каждые 10 ° C, потенциально доминируя над общим током в высокотемпературных приложениях IoT, таких как мониторинг промышленных двигателей.
Интеграция системного управления мощностью
Режимы сна и схемы пробуждения
Усилитель обратной связи должен часто оставаться работающим и стабильным в течение всего периода работы устройства, даже когда датчик не считывается. Простой транзистор с отключением питания, который отключает смещенность усилителя, может сохранять значительный ток в течение холостого времени, но время пробуждения зависит от отцепления на чипе и времени оседания смещения. Для приложений, которые требуют получения сигнала с нерегулярными интервалами (например, акселерометр, который просыпается только на вибрации), усилитель должен быть спроектирован так, чтобы оседать в течение десятков микросекунд от тока смещения нескольких наноампер. A генератор смещения с быстрым запуском с помощью компаратора тока может уменьшить время оседания на порядок, позволяя глубже спать и снизить среднюю мощность.
Мощность и масштабирование напряжения
Системный уровень подачи энергии может отключать не только усилитель, но и его регулятор подачи, оставляя только путь тока утечки. Напряжение масштабирования уменьшает мощность квадратично с напряжением питания, поэтому управление усилителем при минимально допустимом предложении (обычно задаваемое требованиями к выходному качению) имеет важное значение. Многие усилители обратной связи малой мощности предназначены для диапазона подачи от 0,9 В до 1,5 В, что позволяет прямое подключение к одному литиевому элементу или суперконденсатору. Динамическое натяжение накаливания напряжения регулирует подачу усилителя в режиме реального времени: в периоды низкой активности подачу можно сбросить до минимального напряжения удержания, а затем восстановить на более высокий уровень для активного измерения.
Сопроектирование с маломощными ADC и датчиками
Усилитель обратной связи не работает изолированно. Его усиление и пропускная способность должны соответствовать выходному импедансу датчика и входной емкости ADC. Например, емкостному акселерометру MEMS может потребоваться усилитель с высоким входным импедансом и нижним шумовым полом, в то время как мосту терморезистора требуется дифференциальный вход с плотным согласованием. Оптимизация спецификаций усилителя в сочетании с коэффициентом перебора и разрешением ADC может выявить возможности для расслабления коэффициента усиления постоянного тока усилителя или требований к линейности, экономя мощность. Многие современные IoT SoC интегрируют программируемый усилитель усиления (PGA) и регистр последовательного приближения (SAR) ADC на одном и том же кристалле, позволяя динамически регулировать мощность усилителя на основе требуемого эффективного количества битов (ENOB).
Пример практического проектирования: Ультранизкий усилитель мощности для носимого датчика PPG
Рассмотрим носимый фотоплетизмографический (PPG) датчик для мониторинга сердечного ритма. Выходной ток фотодиода находится на уровне 10-100 нА и должен быть преобразован в напряжение и усилен примерно до 1 В пиковой для ADC. Усилитель трансимпеданса (TIA) с резистором обратной связи 10 MΩ достигает усиления 10 7 V/A. Усилитель обратной связи должен иметь входной ток смещения ниже 1 пА и полосу пропускания несколько килогерц. Используя двухступенчатый CMOS-усилитель с входными транзисторами, смещенными в подпороговом диапазоне при 50 нА каждый, общее потребление тока TIA может быть ниже 200 нА. При подаче 1,2 В мощность составляет 240 нВт, что незначительно по сравнению с током светодиодного драйвера (обычно 5-10 мА). Усилитель выключается между измерениями с помощью переключателя питания, давая среднюю мощность всего нескольких нановатт, когда образцы устройства на 10 Гц.
Измерение и валидация потребления энергии
Моделирование статической и динамической мощности усилителя обратной связи является простым, но реальные измерения показывают паразиты и пути утечки, которые могут пропустить модели моделирования. При измерении токов на уровне наноампера требуется точный блок измерения источника (SMU) или пикометр, и испытательный прибор должен быть защищен от помех окружающей среды. На входе-назначенный шум должен быть измерен по соответствующей полосе пропускания, чтобы проверить, что работа подпорогов не ухудшает отношение сигнал-шум за пределами системного требования. Термическая характеристика также имеет решающее значение: повышение температуры на 20 ° C может удвоить токи утечки, потенциально толкая потребление энергии выше бюджета. Схемы смещения, компенсируемые температурой, такие как те, которые используют ссылку на ширину диапазона на чипе, гарантируют, что ток усилителя остается стабильным в промышленном температурном диапазоне (−40 ° C до +85 ° C).
Будущие тенденции и выводы
Новые технологии, такие как транзисторы с отрицательной емкостью и двумерные материалы канала , обещают резко снизить напряжение, необходимое для работы подпорогов, потенциально позволяя усилителям, которые потребляют простые пикампы тока смещения. На стороне схемы машинное обучение применяется к автоматическим размерам транзисторов и токам смещения для заданных целей мощности и производительности, позволяя проектировщикам более быстро исследовать оптимальный фронт Парето. Интеграция сбора энергии непосредственно в регулирование питания усилителя — известная как кондиционирование напряжения с нулевой мощностью — может однажды сделать бюджет мощности усилителя почти нерелевантным.
В настоящее время практические стратегии, изложенные в этой статье — помехи на пороге, устройства с низким V, адаптивные помехи, обратная связь с высоким уровнем сопротивления, тщательный выбор топологии и управление мощностью на уровне системы — обеспечивают надежную основу для проектирования усилителей обратной связи, которые потребляют сверхнизкую мощность в устройствах IoT. Овладев этими методами, инженеры могут создавать системы IoT, которые работают в течение многих лет на одной ячейке монет, открывая новые приложения в удаленном мониторинге, носимом здоровье и умной инфраструктуре. Чтобы изучить дополнительные детали, читатели могут проконсультироваться с классическими текстами, такими как Аналоговый дизайн интегральных схемАналоговый дизайн интегральных схем для фундаментальной теории или обзор последних инноваций в цепях, опубликованных в IEEE Journal of Solid-State Circuits