Радиочип для подключения приборов к интернету

В этом году на выставке Consumer Electronics Show в Лас-Вегасе главной темой была идея, что всё в окружающей человека среде, от кухонных приборов до промышленного оборудования, может быть оснащено датчиками и процессорами, которые могут обмениваться данными и помогать в выполнении и координации задач.

Однако, для реализации данного проекта потребуются мощные передатчики, способные транслировать сигнал на десятки метров, но при этом энергоэффективны, или даже получающие энергию от тепла или механических колебаний.

"Ключевой задачей является разработка микросхем с очень низким энергопотреблением в режиме ожидания, потому что большинство из этих устройств большую часть времени находятся в холостом режиме, ожидая какого-то события, чтобы установить связь", объясняют профессора в области электротехники Массачусетского инженерно-технологического института. "Когда прибор включен, вы хотите его использовать как можно более эффективно, и когда он выключен, вы хотите свести энергозатраты к минимуму."

Ученые представят новый передатчик, который уменьшает в выключенном состоянии утечки энергии в 100 раз. В то же время, он обеспечивает достаточную мощность для передачи Bluetooth, или для 802.15.4 протокола беспроводной связи, даже на больше расстояния. Хитрость заключается в том, что заимствуются методы, используемые для уменьшения мощности утечки в цифровых схемах. Основной элемент цифровой микросхемы это транзистор, в котором два электрических контакта соединены полупроводникового материалом, таким как кремний. В своих исходном состоянии, полупроводники не являются особенно хорошими проводниками сигнала. Но в транзисторе, полупроводник имеет второй вывод, который проходит перпендикулярно к металлическим выводам. Отправка положительного заряд через этот провод - известный как затвор - обращает электроны к нему. Концентрация электронов создает мост, через который ток может пересечь расстояние между выводами.

В то же время полупроводники, являясь не очень хорошими проводниками, не являются и идеальными изоляторами. Даже когда заряд не прикладывается к затвору, часть тока протекает по-прежнему через транзистор. С течением времени, это может сильно сократить продолжительность жизни батареи устройства, которое проводит большую часть своего времени в режиме ожидания.

Для уменьшения утечки в режиме ожидания передатчика применяется отрицательный заряд к затвору, отводя электроны от выводов, что делает транзистор гораздо лучшим изолятором. Конечно, эта стратегия работает, только если генерации отрицательного заряда потребляет меньше энергии, чем сама энергия утечки. В тестах, проведенных на чипе прототипа, изготовленного с помощью исследовательской программы Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, исследователи обнаружили, что такая схема потребляет всего 20 мВт энегрии, чтобы сохранить 10000 мВт энергии утечки.

Для эффективного создания отрицательного заряда, исследователи использовали схему из небольшой цепи конденсаторов и переключателей. Когда система с чипом подвергается напряжению, накапливается заряд в одном из конденсаторов. Один из переключателей соединяет положительный вывод конденсатора с землей, и ток через другой вывод. Этот процесс повторяется снова и снова. Единственный реальный расход энергии происходит при работе переключателя, который срабатывает около 15 раз в секунду.

Чтобы передатчик служил более эффективно в активном режиме, исследователи использовали методы, которые уже давно не были секретом. Обычно, частота передачи является функцией его напряжения передатчика. Однако, исследователи разбили проблему генерации электромагнитного сигнала на дискретные шаги, лишь некоторые из которых требуют более высоких напряжений. Для этих шагов, схема использует конденсаторы и катушки индуктивности, чтобы увеличить напряжение на местном уровне. Это снижает общее напряжение в цепи, в то же время позволяя повышать частоту передачи.

Конечно, эффективность автономной работы зависит от того, как часто передатчик находится в рабочем состоянии. Но если, например, он включается раз в час или около того, схема может снизить энергопотребление в 100 раз.

< к списку новостей