Radio-chip voor Internet of Things

"Het is essentieel om circuits te ontwerpen met een extreem lage standby-dissipatie, want de meeste van die componenten zitten ‘in rust’ te wachten op een gebeurtenis die de communicatie triggert", verklaart prof. Anantha Chandrakasan van het  MIT. "Als het aan staat, wil je dat het zo efficiënt mogelijk werkt en als het uit staat wil je het opgenomen vermogen eigenlijk naar nul brengen".

Op de International Solid-State Circuits Conference presenteerde de groep van Chandrakasan een nieuw transmitterontwerp dat het weglekkende vermogen in de uit-toestand met een factor 100 reduceert. Tegelijkertijd levert het voldoende vermogen voor Bluetooth-transmissie, of zelfs voor het draadloze-communicatieprotocol 802.15.4 voor grotere afstanden.

.

"De truc is dat we technieken hebben ‘geleend’ waarmee we de leakage power in digitale circuits reduceren", zegt Chandrakasan. De fundamentele component van een digitaal circuit is de transistor, die twee elektrische aansluitingen (source en drain) koppelt via een halfgeleidend materiaal. In hun natuurlijke toestand zijn halfgeleiders geen bijzonder goede geleiders. Maar in een transistor  wordt via een derde aansluiting (de gate) een positieve elektrische lading naar het halfgeleidermateriaal gestuurd. Daardoor worden elektronen aangetrokken. Door de concentratie van elektronen ontstaat een brug waardoor een stroom kan gaan lopen tussen de source en de drain.

Maar halfgeleiders zijn evenmin perfecte isolatoren. Zelfs als de gate geen lading voert zal er toch nog wat stroom door de transistor lekken. Dat is niet veel, maar met het verloop van de tijd kan dat toch de levensduur van de batterij beperken, zelfs in rusttoestand.

Negatief worden

Chandrakasan, samen met MIT-student computerwetenschappen  Arun Paidimarri en wetenschapper Nathan Ickes, reduceerden de lek door een negatieve lading op de gat aan te brengen als de transistor in rust verkeert. Dat stuurt de elektronen weg van de aansluitingen en maakt de halfgeleider een veel betere isolator.

Natuurlijk werkt deze strategie alleen als het genereren van de negatieve lading minder energie kost dan wat er anders door lek verloren zou gaan. Bij proeven met een prototype-chip constateerden de onderzoekers dat het circuit slechts 20 picowatt verogen nodig had om 10 000 picowatt aan lek te besparen. .

Om de negatieve lading efficiënt te genereren, gebruikten de MIT-onderzoekers een circuit dat bekend staat als ladingspomp. Het bestaat uit een klein netwerk van condensatoren en schakelaars. Als de ladingspomp wordt aangesloten op de voedingsspanning van de chip, bouwt in één van de condensatoren een lading op. Door het omzetten van een schakelaar wordt de positieve kan van de condensator verbonden met massa, waardoor vanuit de andere kant een stroom vloeit. Dat proces wordt permanent herhaald. Alleen het schakelen – ongeveer 15 maal per seconde – kost vermogen.

Om de transmitter efficiënter te maken in actieve toestand, gebruikten de onderzoekers een techniek waaraan al lang wordt gewerkt in het team van prof. Chandrakasan. Normaliter wordt de frequentie waarop een transmitter zendt, bepaald door een spanning. Maar de onderzoekers verdeelden het probleem van het genereren van een elektromagnetisch signaal in discrete stappen, waarvan er voor slechts enkele hogere spanningen nodig zijn. Voor die stappen gebruikt het systeem condensatoren en spoelen om de spanning lokaal te verhogen. Dat houdt de totale spanning van het circuit laag, terwijl toch hoogfrequente transmissie mogelijk is.

Wat die rendementsverbeteringen betekenen voor de levensduur van de batterij hangt af van hoe frequent de transmitter operationeel is. Maar als het toereikend is om bijvoorbeeld eens per uur te zenden, reduceert het MIT-circuit de vermogensconsumptie met een factor 100.