Renesas phát triển bộ thu phát sóng RF năng lượng thấp Bluetooth Low Energy

Ngoài việc nhỏ gọn, chi phí thấp và tiết kiệm điện, các thiết bị được kết nối phải cung cấp hỗ trợ linh hoạt cho Bluetooth LE, bất kể ứng dụng và định dạng triển khai của chúng là gì. Renesas đã phát triển hai công nghệ mới để giải quyết những yêu cầu này: 1) công nghệ mạch phù hợp bao gồm một dải trở kháng rộng và cho phép vi mạch kết hợp nhiều loại trở kháng ăng-ten và bo mạch mà không cần mạch kết hợp trở kháng bên ngoài; 2) công nghệ hiệu chỉnh tín hiệu cho các tín hiệu tham chiếu được tạo cục bộ sử dụng một mạch nhỏ để tự sửa các điểm không nhất quán trong các phần tử mạch và các biến thể trong điều kiện xung quanh mà không cần hiệu chuẩn.

Renesas đã xác minh tính hiệu quả của những công nghệ này trên nguyên mẫu mạch thu phát Bluetooth LE RF được xây dựng bằng quy trình CMOS 22 nm. Với những công nghệ mới này, Renesas đã giảm diện tích mạch bao gồm nguồn điện xuống còn 0,84 mm2, nhỏ nhất thế giới đối với một thiết bị loại này. Điều này đạt được bằng cách sửa đổi kiến ​​trúc bộ thu để giảm số lượng cuộn cảm và thực hiện các cải tiến như bộ khuếch đại băng tần cơ sở dòng điện thấp với diện tích lắp đặt nhỏ và bộ khuếch đại class-D hiệu quả cao. Thiết kế mới mang lại hiệu suất điện năng tốt nhất trong phân khúc, với mức tiêu thụ điện năng lần lượt là 3,6 mW và 4,1 mW trong quá trình thu và truyền. Những tiến bộ này cho phép kích thước nhỏ hơn, giảm chi phí bo mạch và tiêu thụ điện năng thấp hơn, đồng thời đơn giản hóa quy trình thiết kế bo mạch.

Bộ dò trở kháng ăng-ten trên chip, AIT

Công nghệ mạch kết hợp trở kháng tích hợp được Renesas trình bày tại ISSCC 2015 cho phép các sản phẩm Bluetooth LE nhỏ gọn và chi phí thấp không yêu cầu cuộn cảm bên ngoài hoặc tụ điện để chuyển đổi giữa thu và truyền hoặc kết hợp trở kháng. Tuy nhiên, tùy thuộc vào loại ăng ten hoặc cân nhắc thiết kế bo mạch, trở kháng không nhất thiết phải đạt 50Ω và vẫn cần một mạch kết hợp bên ngoài. Ngoài ra, khi sử dụng công nghệ trước đó và thêm mạch phù hợp với chức năng thay đổi trở kháng, các vấn đề liên quan đến việc tăng mất tín hiệu và không thể đạt được phạm vi biến đổi đủ vẫn có thể phát sinh.

Để giải quyết những vấn đề này, Renesas đã phát triển một công nghệ mạch kết hợp trở kháng thay đổi mới bao gồm hai cuộn cảm và bốn tụ điện có thể thay đổi. Cuộn cảm phía máy phát và cuộn cảm phía máy thu được sử dụng trong mạch kết hợp được cấu hình theo cách sắp xếp đồng tâm và cảm ứng lẫn nhau của chúng được sử dụng để giảm suy hao tín hiệu và cắt điện dung ký sinh hiệu quả. Điều này vừa mở rộng phạm vi trở kháng thay đổi và thu hẹp đáng kể diện tích mạch. Tỷ lệ sóng dừng điện áp (VSWR), cho biết trở kháng không khớp, tương đương với tối đa 6,8 và phạm vi trở kháng thay đổi khoảng 25 đến 300 Ω đã được xác nhận

Công nghệ mạch tự điều chỉnh tín hiệu tham chiếu

Tín hiệu tham chiếu (tín hiệu được tạo cục bộ) có cùng tần số với tần số của tín hiệu vô tuyến không dây nhận được qua ăng-ten được tạo bên trong bởi bộ thu phát RF. Tín hiệu được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu không dây băng tần gigahertz sang tín hiệu băng tần cơ sở tần số thấp. Độ chính xác của tín hiệu tham chiếu có thể bị suy giảm bởi các yếu tố như sự không nhất quán trong các phần tử mạch hoặc sự thay đổi về nhiệt độ hoặc điện áp cung cấp. Trước đây, công nghệ bù lệch pha và biên độ bằng mạch hiệu chuẩn được sử dụng để tạo ra chính xác tín hiệu tham chiếu. Tuy nhiên, điều này dẫn đến các vấn đề, bởi vì việc tích hợp một mạch hiệu chuẩn như vậy yêu cầu diện tích chip lớn hơn, tiêu thụ điện năng cao hơn và chi phí thử nghiệm tăng lên.

Renesas đã giải quyết những vấn đề này bằng cách phát triển công nghệ mạch tự điều chỉnh pha IQ mới sử dụng tín hiệu tham chiếu của bốn pha khác nhau để hiệu chỉnh lẫn nhau bằng cách cho phép loại bỏ sự khác biệt về pha lẫn nhau. Mạch tự hiệu chỉnh này nhỏ hơn nhiều và có thể được thực hiện với kích thước xấp xỉ bằng một phần mười hai của mạch hiệu chuẩn thông thường. Tỷ lệ loại bỏ tín hiệu hình ảnh, rất quan trọng đối với hiệu suất tiếp nhận, trung bình là 39 dB, đáp ứng tiêu chuẩn Bluetooth với biên độ thoải mái để dự phòng.

Những công nghệ này có thể áp dụng cho các loại bộ thu phát RF khác nhau ngoài Bluetooth LE và Renesas hiện đang nghiên cứu các ứng dụng thực tế cho các công nghệ này.