东芝开发出极低功耗2.4 GHz压控振荡器

东芝开发出极低功耗2.4 GHz压控振荡器

　　东芝公司面向低功耗无线系统开发了极低功耗2.4 GHz压控振荡器(VCO)，例如低功耗蓝牙(BLE)。低于晶体管阈值电压的低电压运行通过将class-D压控振荡器功能与电源电压动态控制技术相结合的方式来实现。相比传统的压控振荡器，该压控振荡器的功耗仅为其五分之一至十分之一。东芝在2014年9月24日于意大利威尼斯举行的欧洲固态电路年会(ESSCIRC)上展示了该压控振荡器。

　　最近，无线通信的应用已扩大至体育运动、健身、医疗保健、手表等领域。由于这些应用通常使用低电量电池进行长期运行，例如硬币型电池和能量采集器，因此极低功耗无线集成电路(IC)成为必要。这推动了对低功耗无线IC和独立结构组件的研究。

　　在这些结构组件中，降低压控振荡器功耗尤其富有挑战性，因为卓越的噪声性能往往取决于高功耗。研究人员已对用于降低压控振荡器噪声和功耗的多项技术进行了研究，主要致力于降低电流消耗。然而，对于极低功耗而言，有必要减少电压域。

　　东芝已采用先进的CMOS技术来开发class-D压控振荡器，这项技术使用晶体管作为开关(而不像传统压控振荡器将其作为跨导器)。虽然class-D压控振荡器能够以低电源电压获得卓越的噪声性能，但电源电压也必须尽可能低以便实现于极低功耗。

　　极低功耗的压控振荡器是采用动态电源电压控制技术来开发的，这项控制技术使用低压差(LDO)电路作为动态电源电压控制器。在压控振荡器启动时，电源电压增压，以确保快速、稳定地启动。在启动后的稳态中，电源电压被控制在阈值电压之下，从而甚至在低于晶体管阈值电压的电源电压下保持振荡，因为class-D压控振荡器的一个特征是振荡幅度大约是电源电压的三倍。极低电压运行带来的结果是压控振荡器的功耗降低。

　　测试芯片是采用高阈值电压下的28nm CMOS技术制造而成。虽然高阈值电压可降低睡眠模式下的泄漏电流，但它会增加传统class-D压控振荡器的功耗，因为这需要较高的电源电压。然而，由于拟议的压控振荡器可在低于阈值电压的电压下振荡，低功耗振荡甚至可以在高阈值电压下进行。仅171uW的极低功耗及低功耗无线系统所需的相位噪声性能均可得到实现。

　　动态电源电压控制可以解决睡眠模式下的泄漏电流与活动模式下的有功功耗之间的权衡问题。此外，当这种低电压压控振荡器与直流/直流(DC/DC)转换器和能量采集器等能量源配合使用时，可实现更高效的无线系统。

　　这种压控振荡器可利用先进的CMOS技术以极低功耗运行。展望未来，东芝下一步将推进整体无线系统和压控振荡器结构组件的功耗降低，旨在未来三年内使极低功耗无线IC成为现实。

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