Nesnelerin İnterneti'nin (IoT) kesintisiz genişlemesi, gerçek dünya koşullarında güvenilir olan güvenilirliği korumak için kablosuz iletişim bileşenleri talep eder ve bu makale, elektriksel verilere ışık sinyalleri dönüştürür, devre dışı stratejileri sunar ve optik alıcılara minimum aktif devrelerle tanışmaları için daha yüksek bant genişliği elde ederler. ancak, bu alıcılara gerçek dünya koşullarındaki güvenilirlikleri sağlamak için bu alıcılara yönelik olarak, bu makale, teknik engelleri araştırır.

IoT'de Optik Alıcıların Eleştirel Rolü

IoT uygulamalarında optik iletişim – kapalı konum, tıbbi sensör ağları ve akıllı ev kontrolleri gibi – alıcı tarafından doğrudan etkiler ve düşük spektrumlu enerji dağıtımları dahil olmak üzere, mevcut tüm nano-frezegenler üzerinde avantajları sağlar.Bu nedenle, alıcıları alt-milliwatt güç dağılımı olmadan algılamayı tasarlayın ve onu pratik dağıtımlar için önemlidir.

Tipik IoT optik bağlantıları, renkli ışıktan ve devreden gelen gürültüyü reddetmede kızılötesi veya görünür LED'leri kullanır. 10 μW'nin altındaki bir güç bütçesiyle bunu yaparken, fotodetektör, yükselteç topoloji ve güç yönetimi programına dikkat edin.

Ultra-Low Power Design'da Anahtar Zorluklar

Aşırı enerji verimliliği için optik alıcılar tasarlamak, birçok çatışma kısıtlamaları dengelemek içerir: Temel zorluklar şunlardır:

  • [FONT=0)Sensitivity vs. Power:[Dönetici:[Dönetici:0) Yüksek hassasiyet büyük transimpedans kazanç ve düşük giriş-gödüllü gürültü talep ediyor, bu genellikle daha yüksek önyargı akımlarını gerektirir.Bu ticaretten artışı olmadan uzaklaşmak temel bir engeldir.
  • [FONT:0]Band genişlik vs. Kapasite:[Dönetici:[Dönetici:0)Im:0)Band genişlik vs. Kapasite:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici: 0FLT:1) IoT uygulamaları genellikle mütevazı veri oranlarına ihtiyaç duyar (bir saniye başına birkaç megabitler), ancak alıcının bant genişliği hala değiştirici programına sahip olmalıdır.
  • [FONT=0)Ambient Light Rejeksiyon: Güneş ışığı ve yapay aydınlatma, düşük frekanslı gürültüyü atabilir veya yüksek frekanslı filtreleme veya diferansiyel mimariler güç ekseği ekleyebilir.
  • [FONT:0)Process Variation and Sıcaklık: Low-power devreleri genellikle eşk gerilimlere yakın çalışır, onları üretim hatları ve sıcaklık sürüklenme konusunda hassas hale getirir. Robust tasarımı ekstra tazminat veya kesinti gerektirir.
  • [FONT=0]Cost ve İntegra:[Döneticileri düşük maliyet için CMOS entegrasyonunu destekliyor, ancak CMOS fotodiodes, özel dedektörlerinden daha düşük kuantum verimliliği ve daha yüksek karanlık akıma sahiptir.

Bu zorlukların her biri, topoloji seçimi, bileşen optimizasyonu ve sistem düzeyinde güç yönetimi kombinasyonu ile ele alınmalıdır.

Power Tüketim için Tasarım Stratejileri

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.

Low-Voltage Devre Operasyon

Analog devrelerdeki güç dağılımı, tedarik geriliminin karesi ile yaklaşık olarak ölçeklenir (örneğin mevcut olan) tedariki 3,3 V'den 1.2 V'ye veya 0.8 V'ye kadar azaltılabilir.[Dönetici, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yer alan bir yüksek çözünürlüktedir.[Dönetici).

Optimized Photodiode Selection ve Biasing

Fotodiode, alıcı zincirindeki ilk element ve gürültü zeminini ayarlar. Güç tüketimini etkileyen Anahtar parametreler şunlardır:

  • [FONT:0)Dark akımı (I[D][/FONT:2)[D][/FONT=0)[0) Dark akımı sadece atıklar gücü değil, aynı zamanda atış gürültülerini de arttırır. 1 nA'nın altındaki karanlık akımları seçmek veya tasarlamak ultra-düşük güç alıcıları için kritiktir.
  • [FONT=0)Kaptan (C[DÜDÜDÜDÜDÜSÜŞÜN) (C))))) Büyük fotoyode kapasite yükselticinin giriş gürültüsünü artırır ve bant genişliği azaltır. Küçük-area fotodiodes (e.g., 50-200 μm çapında) CPD[FLT: 5)
  • [FONT:0]Biasing:[Dön-biyön-biasing the photodiode, kapasitance'ı azaltır ve yanıt hızını artırır, ancak önyargı gerilimi sınırlı tedarikden yaratılmalıdır.Tüm şarj pompaları veya kendi kendine özgü pompalar ayrı bir tedarik pimi olmadan gerekli gerilimi sağlayabilir.

IoT uygulamaları için, veri oranları düşük (örneğin, 10 kbps to 1 Mbps), küçük kapasiteli bir fotodiode önyargılı 0,5-2 V tersine önyargı genellikle en iyi ticaret-off sunar.

Current-Mode Alıcı Mimarileri

Geleneksel gerilim-mode TIAs use a Oppoor in the feedback loop to turn current to voltaj. Gerekli geri bildirimler belirli bir kazanç için yüksek (yakıntıları bana ulaştırır), yüksek tedarik başının yüksek gerilim salması için büyük bir baskıya yol açar, çünkü giriş transistörünün, mevcut durumdaki TIA veya düzenlemeli cascode (RGC), doğrudan fotoğraftan vazgeçen yüksek çözünürlükte artış göstermesi gibi.

Görev Bisikleti ve Güç Gating

Belki ortalama gücü azaltmak için en etkili yol, alıcıyı kullanımda olmadığı zaman çevirmektir. IoT cihazları genellikle kısa patlamalarda çalışır: uyanmak, almak veya veri göndermek, sonra uyumak için geri dön. İyi tasarlanmış bir alıcı birkaç mikrosaniyenin başlangıç zamanı olabilir, çoğu uygulama için% 0.1% 0.1% -1'lik bir görev döngüsüne izin verebilir.

  • [FONT=0)Fast-settling önyargı jeneratörleri: Bandgap referansları ve mevcut kaynaklar hızla uyanmalı ( 1-5 μs) geçişte enerjiden kaçınmak için.
  • [FONT:0)Power-gated yükseltici aşamalar: TIA'nın her aşaması ve post-amplifier, minimum sızıntı akımı sırasında tedarikten aşaması izole eden transistörleri özelleştirmelidir.
  • [FONT:0] Event-güdümlü bir uyandırma: Basit, her zaman enerji dedektörü (örneğin, bir Schottky diyot bir hesaplama ile bağlantılı) gelen ışık pulsunu hissedebilir ve ana alıcıyı tetikleyebilir, yakın durgun güce ulaşır.

Sistem düzeyinde görev bisiklet, alıcının ortalama gücünü yüzlerce mikrowatttan birkaç mikrowatta azaltabilir ve yıllarca çalışan batarya destekli sensörler için uygun hale getirebilir.

Gelişmiş Signal Processing ve Equalization

Dijital sinyal işleme (DSP) analog ön sonundan sonra, daha yüksek getiri, daha yüksek güç TIA. Düşük seviyeli bağlantılar için, basit eşleme veya temel çemberli yürüyüş, küçük bir dijital kapı hesabı hesabında uygulanabilir. daha sofistike teknikler, karar verme eşitleme veya maksimum benzeri olmayan geçiş süresi 2-5 dB tarafından daha fazla hassasiyetle artırabilir.

Alıcı Devre Mimarileri Detaylı

Genel stratejilerin ötesinde, optik alıcının özel devre üstoloji, gücünü belirler. Aşağıdaki bölümler, ultra-düşük güç IoT alıcıları için üç yaygın kullanılan mimarileri inceler.

Transimpedance Amplifier (TIA) with Subthreshold Giriş Aşaması

Klasik TIA, yüksek çözünürlükte veya yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bir görüntü oluşturabilir (Dönetici)[Dönetici)[Döneticileri) ile bir araya getiren bir yüksek çözünürlükte bir görüntü oluşturabilir.[Döneticileri değiştir][Döneticileri değiştirmiş bir şekilde, bir sonraki 50-30 V-[D][/FONT=)[D][/FONT=3][/FONT=)))))

Alttaki TIA'nın bir dezavantajı, sınırlı lineer aralığıdır.In IoT uygulamaları on-off keying (OOK) veya geri dönüş olmayan gürültünün (NRZ) modulmasını kullanarak, bu topolojiyi idealleştirmek daha az kritiktir. Gürültülü gürültünün şu anda 1.A/Sönemli gürültünün altında yer aldığı tahminler.

Regated Cascode (RGC) Topology

Daha yüksek bant genişliği veya daha düşük giriş engelleyicisi gerektiren uygulamalar için RGC topoloji tercih edilir. [Döneticisel bir geri bildirim döngüsü (bir katkod transistörünün kapısına) göre, girişin yaklaşık olarak imkânsızlığını azaltmak için.)|Döneticileri)

Yardımcı yükselteçin kendisi minimum güç tüketmelidir.Bu, mevcut önyargı (örneğin, 1-5 μA) ile basit bir TIA'nın genel gürültüsü, ek aktif cihazlar nedeniyle, ancak bant genişliği avantajı genellikle bu cezayı gürültülü ortamlarda optik kablosuz iletişim gibi uygulamalarla sınırlandırır.

Digital Post-Processing

Daha fazla güç azaltmak için, araştırmacılar fotodiode çıktısının doğrudan düşük güçli bir hesaplayıcı kullanarak eşiğiyle kıyaslandığını, bu “dijik optik alıcı”, son derece verimli bir şekilde bir araya getirerek, çok daha iyi bir bilgisayarlı bilgisayarlı bir bilgisayar cihazıyla birlikte, toplam güç 5 μWmode altında tutulabilir.

Bitirme ve Optimizasyon

Doğru fotodiode ve pasif bileşenleri seçmek devre tasarımı kadar önemlidir. Aşağıdaki kılavuzlar ultra-düşük güç için tüm alıcı zinciri optimize etmenize yardımcı olur.

Fotodiode Type ve Paket

  • [FONT:0)PIN fotodiodes:[Dönetici:[Dönetici:0) Düşük karanlık akım (sub-nanoamp) ve orta kapasiteleri. hızlı yanıtları (nanosan aralığı) IoT veri oranları için yeterli olan bir PIN diyotunu seçmek.
  • [FONT:0]Silicon fotomultiplier (SiPM): [DFLT:1) Yüksek iç kazanç sağlar, bir TIA için ihtiyacı ortadan kaldırır. Ancak SiPMs yüksek önyargı gerilimi gerektirir (tipik olarak 20-70 V) ve daha yüksek karanlık sayı oranlarına sahiptir, onları pratik olarak en batarya destekli IoT cihazlar için uygular.
  • [FONT=0)Integrated CMOS fotodiodes: Düşük maliyet ancak düşük kuantum verimliliğinden (% 30) ve yüksek karanlık akımlar için sadece hassas gereksinimlerin rahat olduğu uygulamalar için uygulanabilir (örneğin, çok kısa menzil).

Çoğu ultra-düşük güç IoT tasarımları için, açık bir epoxy paketi ( görünür ışık için) veya kalıplanmış plastik paketi ( IR için) en iyi performans maliyeti sunar.

Pasif Bileşenler ve PCB Layoutout

Fotodiode ve TIA girişinin kısaltıldığı girişte kapasiteye sahip olmak, doğrudan gürültüyü azaltmak ve gürültüyü artırmak için bir zemin uçağı kullanın. Parasitic kapasitance. Place the photodiode and require close as possible sızıntı (in 5 mm) to avoid the high-valueors (e.g., 1-10 MULL) for feedback to achieve high gain under current, but be know that large objectors create termal gürültü ve mümkün sızıntı önlemek için dikkatli bir şekilde ayar gerektirir.

Bisiklet ve Güç Yönetimi Schemes

Etkili güç yönetimi, mikrowatt aralığında ortalama güç tüketimi elde etmek için en etkili tasarım elemanıdır. Tipik bir IoT optik alıcı, uyku modunda %99 harcıyor ve aktif modda ortalama 1-5 μW'ye sahip olabilir, aktif güç 100-500 μW. Key düşünceler içerir:

  • [FONT=0)Başlangıç zamanı:[Döneticileri ve TIA’nın uyanmadan sonra yerleşmesi gereken süre en aza indirgenmelidir. Küçük dekoupling cleors (e.g, 100 pF) iç önyargı düğümleri üzerinde ve yavaş başlangıç referansları önlemek için.
  • [FONT:0) Mevcut:[Dön uykuda, tek güç tüketimi güç değiştirici anahtarları ve her zaman enerji dedektörünün sızıntısı olmalıdır. 10 nA'nın altında sızıntıları veya özel düşük doz hücreleri kullanın.
  • [FONT:0]Wake-up algılaması:[Dönetici: 0,4][/FONT=0) Bir düşük güç kümesi tarafından takip edilen bir filtre dizisi tespit edebilir, ana alıcıyı sadece doğru veriler mevcut olduğunda uyandırır.Bu yaklaşım, çevre ışık flaşlarından yanlış uyanmalardan kaçınır.

Bir devlet makinesinin (veya küçük bir mikro kontrolde) uygulanması, bu dizilerin gücü, resepsiyon ve güç-düşün aşamaları tekrarlanabilir düşük güç işlemesine ulaşmak için önemlidir.

Gelişen Teknolojiler ve Gelecek Yollar

Birkaç kesim teknoloji, IoT için optik alıcıların gücünü daha da azaltmaya söz verir, potansiyel olarak küçük para hücreleri veya enerji hasatlarından sürekli operasyon sağlar.

Silikon Fotonikleri ve Entegre Optik Devreler

Silikon fotonikleri fotonik bileşenleri ( dalga kılavuzları, modülatörler ve Ge fotodetektörler) aynı CMOS alıcı elektronik olarak ölür, ancak ultra-düşük gücü ortadan kaldırır ([Döneticileri ortadan kaldırır ve ultra-com[geçiciler, düşük-10 fF giriş kapasiteli alıcılara izin verir. Son gösteriler 10 Gbps'de 1 mW'den daha az tüketiyor, ancak ultra-düşük gücüne ölçeklendirmek için ölçeklendirmek (<100 µW) for IoT speeds remains an active research area. )A 2020 kağıt IEEE JSSC[DQD D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D

A Adaptif Alıcı Optimizasyonu için Makine Öğrenmesi

Makine öğrenme algoritmaları dinamik olarak alıcı parametrelerini ayarlayabilir - önyargı akım, eşleme seviyesi ve kazan- son bir atölye çalışması) Bir bilgisayar ağı çevrimdışı olarak eğiterek ve onu küçük bir sistemdeki küçük bir tasarımla uygulama yoluyla azaltılan TIA, alıcı sürekli olarak güç performansı ticaret-off.ETHFLT:0).A son bir atölye kağıdı

Enerji-Köpek Alıcıları

Bir futuristik yaklaşım, gelen ışık sinyalini bir güç kaynağı olarak kullanmaktır. Fotoğrafçının yanı sıra küçük bir fotovoltaik hücreyi dahil ederek, alıcı, boş zamanlar sırasında enerji üretebilir veya hatta veri resepsiyonunda bile. Erken prototipler 10 kbps'de dış bataryada kendini kodlayabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Aşırı sağdaki güç tüketimi için optik alıcılar, cihaz seçimi, devre mimarisi ve sistem düzeyinde güç yönetimi arasındaki dikkatli bir işbirliği gerektiren çok yönlü bir mühendislik meydan okumasıdır.In CAReraging düşük gerilim altları, etkili fotodiode önyargı ve agresif bir şekilde şarj etmek, bu sınırları daha da ileri götürmek için, yeterli enerji-enerji kontrol sistemlerinin beklentilerini korumak için mümkün olan birkaç mikrowatt.

Daha fazla okuma için, danışma:0) Bu EDN pratik IoT alıcı tasarımı üzerine makale[Dönetici: 1) ve alttaki kağıt optik alıcılara [Döneticileri 3 ) sahiptir.