Toshiba entwickelt 2,4-GHz-VCO mit extrem geringer Leistungsaufnahme, bei dem eine dynamische Technik zur Steuerung der Versorgungsspannung genutzt wird

Die Toshiba Corporation (TOKYO:6502) gab heute bekannt, dass die Firma einen spannungsgesteuerten 2,4-GHz-Oszillator (VCO, Voltage Controlled Oscillator) mit extrem geringer Leistungsaufnahme für verbrauchsgünstige drahtlose Systeme wie Bluetooth^® Low Energy (BLE) entwickelt hat. Der Betrieb bei niedriger Spannung unterhalb der Schwellenspannung des Transistors wird durch Kombination der Funktionen eines Klasse-D-VCO und der dynamischen Steuerungstechnik der Versorgungsspannung ermöglicht. Die Leistungsaufnahme des VCO wird im Vergleich zu einem herkömmlichen VCO auf ein Fünftel bis ein Zehntel reduziert. Toshiba stellte den VCO am 24. September 2014 auf der European Solid-State Circuits Conference (ESSCIRC) in Venedig (Italien) vor.

Im letzter Zeit wurden die Einsatzmöglichkeiten drahtloser Kommunikation auf Sport, Fitness, Gesundheitswesen, Uhren und mehr ausgeweitet. Da diese Anwendungen häufig lebenslang mit Batterien mit geringer Leistung betrieben werden – etwa mit Knopfzellen und Energie-Harvester – werden drahtlose IC mit extrem geringer Leistungsaufnahme benötigt. Dies hat die Forschung mit drahtlosen IC mit geringer Leistungsaufnahme und einzelnen Bausteinen beflügelt.

Bei Bausteinen stellt die Senkung des VCO-Stromverbrauchs eine besondere Herausforderung dar, da ein besseres Rauschverhalten eine höhere Leistungsaufnahme bedingt. Viele Techniken für geringes Rauschen und niedrige Leistungsaufnahme von VCO sind schon erforscht worden, vor allem mit Schwerpunkt auf der Senkung des Stromverbrauchs. Für eine extrem geringe Leistungsaufnahme ist jedoch auch eine Senkung im Bereich der Spannung notwendig.

Toshiba verwendet mit moderner CMOS-Technologie entwickelte Klasse-D-VCO, bei denen Transistoren als Schalter funktionieren (nicht als Transkonduktoren wie bei konventionellen VCO). Obwohl der Klasse-D-VCO bei niedrigen Eingangsspannungen ein hervorragendes Rauschverhalten erreichen kann, muss die Versorgungsspannung ebenfalls so niedrig wie möglich sein, um einen äußerst niedrigen Stromverbrauch zu ermöglichen.

Es wurde ein VCO mit extrem geringer Leistungsaufnahme mit einer dynamischen Technik zur Steuerung der Versorgungsspannung entwickelt, bei der ein Low-Drop-Out-Schaltkreis (LDO) als dynamischer Controller für die Versorgungsspannung genutzt wird. Beim Einschalten des VCO wird die Versorgungsspannung angehoben, um ein schnelles, zuverlässiges Einschalten zu gewährleisten. Im Betriebszustand nach dem Einschalten wird die Versorgungsspannung auf einen Wert unterhalb der Schwellenspannung geregelt, wodurch die Oszillation auch bei einer Versorgungsspannung unterhalb der Schwellenspannung des Transistors erhalten bleibt, da es ein Merkmal des Klasse-D-VCO ist, dass die Oszillationsamplitude etwa dreimal höher als die Eingangsspannung ist. Der Betrieb bei äußerst niedriger Spannung führt zu der geringen Leistungsaufnahme des VCO.

Der Testchip wird mit 28nm-CMOS-Technologie mit hoher Schwellenspannung gefertigt. Während eine hohe Schwellenspannung den Verluststrom im Ruhezustand senken kann, wird die Leistungsaufnahme bei herkömmlichen Klasse-D-VCO dadurch erhöht, da eine höhere Versorgungsspannung erforderlich ist. Da der geplante VCO jedoch bei einer Spannung oszillieren kann, die unter der Schwellenspannung liegt, ist selbst bei hoher Schwellenspannung eine Oszillation mit geringer Leistung möglich. Eine extrem geringe Leistungsaufnahme von nur 171 uW wird ebenso erreicht wie das bei drahtlosen Systemen mit niedriger Leistung erforderliche Phasenrauschverhalten.

Eine dynamische Technik zur Steuerung der Versorgungsspannung kann den Kompromiss zwischen dem Verluststrom im Ruhezustand und der aktiven Leistungsaufnahme im Betriebszustand lösen. Ein noch effizienteres drahtloses System wird möglich, wenn dieser Niedrigspannungs-VCO mit Energiequellen wie einem DC/DC-Wandler und einem Energy-Harvester verwendet wird.

Dieser VCO kann mit moderner CMOS-Technologie mit extrem geringer Leistungsaufnahme betrieben werden. In Zukunft wird Toshiba als nächstes die Reduzierung der Spannung bei komplett drahtlosen Systemen sowie bei VCO-Bausteinen voranbringen, um in den nächsten drei Jahren einen drahtlosen IC mit extrem geringer Leistungsaufnahme zu verwirklichen.

* Bluetooth ist eine eingetragene Marke im Besitz der Bluetooth SIG Inc. und wird von Toshiba unter Lizenz verwendet.

Über Toshiba

Die Toshiba Corporation, ein in Fortune 500 geführtes Unternehmen, bringt seine Weltklasse-Kapazitäten bei hochentwickelten elektronischen und elektrischen Produkten und Systemen in fünf strategische Geschäftsbereiche ein: Energie und Infrastruktur, Lösungen für das Gemeinwesen, Gesundheitssysteme und -dienstleistungen, elektronische Geräte und Komponenten sowie Lifestyle-Produkte und -Dienstleistungen. In Übereinstimmung mit den Grundprinzipien der Toshiba-Unternehmensgruppe bezüglich "Engagement für Menschen, Einsatz für die Zukunft" fördert Toshiba die weltweiten Aktivitäten zur Gewährleistung von "Wachstum durch Kreativität und Innovation" und trägt dazu bei, eine Welt zu schaffen, in der Menschen in jeder Gesellschaft in Sicherheit und Komfort leben können.

Toshiba wurde 1875 in Tokio gegründet und bildet heute den zentralen Knotenpunkt eines Netzwerks von 590 Konzernunternehmen, die weltweit über 200.000 Mitarbeiter beschäftigen, bei einem Jahresumsatz von über 6,5 Billionen Yen (63 Milliarden US-Dollar).
Weitere Informationen über Toshiba finden Sie unter www.toshiba.co.jp/index.htm

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