Le tecnologie di regolazione dell’impedenza e di autocorrezione del segnale di riferimento possono facilitare l’implementazione di Bluetooth LE nei dispositivi IoT. Queste innovazioni semplificano la progettazione della scheda, riducono le dimensioni del circuito e aumentano l’efficienza energetica.
Renesas Electronics ha annunciato oggi lo sviluppo di due nuove tecnologie per ricetrasmittenti RF a 2,4 GHz che supportano la comunicazione a bassa potenza Bluetooth Low Energy standard. Le nuove tecnologie consentono anche di ridurre ulteriormente le dimensioni e aumentare l’efficienza energetica. Renesas ha presentato le tecnologie alla International Solid-State Circuits Conference 2022 (ISSCC 2022) in svolgimento a San Francisco.
Oltre ad essere compatti, economici ed efficienti dal punto di vista energetico, i dispositivi IoT devono fornire un supporto flessibile per Bluetooth LE, indipendentemente dal formato di implementazione. Renesas ha sviluppato due nuove tecnologie per soddisfare questi requisiti:
- una tecnologia di adattamento che copre un’ampia gamma di impedenza e consente al circuito integrato di adattarsi a una varietà di impedenze di antenne e schede senza la necessità di un circuito di adattamento di impedenza esterno;
- una tecnologia di correzione del segnale, per segnali di riferimento generati localmente. Il sistema utilizza un piccolo circuito per correggere automaticamente le incongruenze negli elementi del circuito e le variazioni nelle condizioni circostanti senza calibrazione.
Renesas ha verificato l’efficacia di queste tecnologie su un prototipo di circuito ricetrasmettitore Bluetooth LE RF costruito con processo CMOS a 22 nm. Con queste nuove tecnologie, Renesas ha ridotto l’area del circuito – compreso l’alimentatore – a 0,84 mmq, il più piccolo al mondo per un dispositivo di questo tipo. Ciò è stato ottenuto modificando l’architettura del ricevitore per ridurre il numero di induttori, introducendo nel contempo altri miglioramenti come l’amplificatore in banda base a bassa corrente con una piccola area di montaggio e l’amplificatore in classe D ad elevata efficienza. Questi due stadi garantiscono la migliore efficienza energetica della categoria, con un consumo di 3,6 mW e 4,1 mW rispettivamente durante la ricezione e la trasmissione. Questi progressi consentono di ottenere una riduzione delle dimensioni e dei consumi, semplificando al contempo il processo di progettazione della scheda.
I vantaggi delle nuove tecnologie dei ricetrasmettitori RF riguardano:
- Tecnologia del circuito di adattamento che copre un’ampia gamma di impedenza (On-chip Antenna Impedance Tuner, AIT)
La tecnologia di adattamento dell’impedenza presentata da Renesas all’ISSCC 2015 consente di realizzare prodotti Bluetooth LE compatti e a basso costo che non richiedono induttori o condensatori esterni per il passaggio tra ricezione e trasmissione o per l’adattamento dell’impedenza. In precedenza, in funzione del tipo di antenna e delle caratteristiche del circuito, l’impedenza non raggiungeva perfettamente il valore di 50 Ω ed era ancora necessario un circuito di adattamento esterno. Inoltre, spesso sorgevano problemi di eccessiva attenuazione del segnale.
La nuova tecnologia di adattamento dell’impedenza sviluppata da Renesas consiste in due induttori e quattro condensatori di capacità variabile. L’induttore lato trasmettitore e l’induttore lato ricevitore utilizzati nel circuito di adattamento sono configurati in una disposizione concentrica e la loro induzione reciproca viene utilizzata per ridurre la perdita di segnale e tagliare la capacità parassita. Tutto ciò amplia la gamma di impedenza variabile e riduce sostanzialmente l’area del circuito. È stato confermato un rapporto di onda stazionaria di tensione (VSWR), che indica disallineamenti di impedenza, equivalente a un massimo di 6,8 e un intervallo di impedenza variabile da circa 25 a 300 Ω. Il rapporto VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), che indica il disallineamento con l’antenna presenta un valore massimo di 6.8 con un valore di impedenza compreso tra 25 e 300 Ω.
- Tecnologia di autocorrezione del segnale di riferimento che elimina la necessità del circuito di calibrazione (Self-IQ-Phase Correction, SIQC)
Come in tutti i ricevitori a conversione, il dispositivo genera un segnale di riferimento che viene utilizzato per convertire il segnare RF in un segnale in banda base. La precisione del segnale di riferimento può essere influenzata dalle caratteristiche dei componenti, da variazioni della temperatura e della tensione di alimentazione. In passato, per generare accuratamente il segnale di riferimento, veniva utilizzata una tecnologia di compensazione per le deviazioni di fase e di ampiezza con un circuito di calibrazione. L’integrazione del circuito di calibrazione comporta un aumento dell’area del chip, un maggiore consumo energetico e un aumento dei costi di test.
Renesas ha risolto questi problemi sviluppando una nuova tecnologia automatica di correzione IQ che utilizza segnali di riferimento di quattro fasi diverse che si correggono a vicenda. Questo circuito di autocorrezione è molto più piccolo, occupando circa 1/12 delle dimensioni di un circuito di calibrazione convenzionale. Il rapporto di reiezione della frequenza dell’immagine, cruciale per le prestazioni di ricezione, è in media di 39 dB, che soddisfa lo standard Bluetooth con un comodo margine di riserva.
Oltre a Bluetooth LE, queste tecnologie sono applicabili a diversi tipi di ricetrasmettitori RF e Renesas sta attualmente lavorando su applicazioni pratiche per queste tecnologie.
