Oszillator für IoT-Funksensorknoten Effizienter Schnellstart

Funksensorknoten müssen nur hie und da wenige Daten senden. Um Energie zu sparen, schalten sie danach alle nicht benötigten Teile ab. Zum Einschwingen aber braucht der Quarzoszillator viel Zeit und Energie. Beides lässt sich um ein Vielfaches reduzieren.

Benjamin Busze, Ming Ding, Yao-Hong Liu, Chuang Lu, Peng Zhang, Yan Zhang, Christian Bachmann und Kathleen Philips, alle Wissenschaftler am Holst Centre des imec.

Funksensorknoten (Wireless Sensor Nodes, WSN) in IoT-Anwendungen (zum Beispiel mit Bluetooth Low Energy, BLE) beruhen darauf, dass der Funktransceiver immer nur für sehr kurze Zeit sendet, um die Energieaufnahme des Systems zu reduzieren [1]. Deswegen muss er schnell anlaufen können. Ein Quarzoszillator (XO) erzeugt einen stabilen Referenztakt für die PLL, um eine Trägerfrequenz zu synthetisieren und um Takte für alle anderen Teile des Transceiver-SoCs (zum Beispiel A/D-Wandler, digitaler Basisbandprozessor) ab-zuleiten. Aufgrund des hohen Gütefaktors des Quarzkristalls ist dessen typische Einschwingzeit tS mit einigen Millisekunden relativ lang. Dies erhöht den Energieaufwand für einen Transceiver mit kleinem Tastverhältnis und kurzen Paketen (zum Beispiel 128 μs bei BLE) um bis zu 30 %. Es ist also notwendig, die Einschwingzeit des Quarzoszillators zu reduzieren, gleichzeitig muss jedoch auch die dafür benötigte Energie sinken (Bild 1).

Frühere Arbeiten stellten verschiedene Techniken vor, um die Einschwingzeit des Quarzoszillators zu reduzieren [2-4]. Dieser Wert hängt nicht nur von dessen Gütefaktor und Schwingfrequenz ab, sondern auch von seinem negativen Widerstand RN und dessen internem Rauschen [3-4]. Bild 2 zeigt das vereinfachte Modell eines Quarzoszillators mit Lm, Cm, Rm und Cp, der Bewegungsinduktivität, Bewegungskondensator sowie Bewegungswiderstand, zusammen mit dem parallelen parasitären Kondensator, dazu auch einen Vergleich verschiedener Reduktionstechniken der Einschwingzeit. Eine zunehmende Steilheit gm (Transkonduktanz) des Verstärkers durch Bereitstellen eines höheren Bias-Stroms wurde weitgehend angepasst um RN zu erhöhen, wodurch die Einschwingzeit tS sinkt [4]. In [2] und [3] erhöhen die Oszillatoren ihr internes Rauschen um tS zu reduzieren, indem sie entweder einen Einzelton [2] oder ein Dithersignal [3] injizieren. Allerdings benötigen beide Ansätze daher einen getrennten RC-Oszillator und dessen Frequenz ist sorgfältig in einem bestimmten Bereich zu kalibrieren. In [4] wird die erfolgreiche Reduzierung der Einschwingzeit um 92 % mit zwei Techniken dargestellt: »Chirp Injection« (CI) und Erhöhung der Steilheit gm. Nutzt man Chirp-Injection allein, verbessert sich tS lediglich um den Faktor 2,3.

Alle erwähnten Ansätze benötigen mehr Energie entweder für den Quarzoszillator oder den Einspeise-Oszillator (Injection Oscillator). Zwar sinkt die Einschwingzeit tS deutlich, die benötigte Startenergie jedoch nicht. Damit sind alle diese Ansätze unattraktiv für Low-Power/Low-Duty-Cycle-Anwendungen, wie sie beim IoT üblich sind. 

Um einerseits die Einschwingzeit zu reduzieren, andererseits mit einem minimalen Startenergie auszukommen, ist es attraktiver, den Lastkondensator CL zu reduzieren. Das folgt aus zwei Überlegungen (Bild 2): Erstens lässt sich RN mit –gm/(2ω ∙ CL)² annähern [5], wobei ω die Kreisfrequenz der Schwingung ist (2π ∙ f). Es ist ersichtlich, dass RN linear proportional zu gm ist (rot gepunktete Linie in der mittleren Grafik von Bild 2), aber quadratisch zu 1/CL (blaue Linie), sodass es effizienter ist, CL zu reduzieren, um beim Einschwingen höhere Beträge für RN zu erhalten. Zweitens ist die minimal erforderliche gm proportional zu Rm ∙ (2ω ∙ CL)² (rechte Grafik in Bild 2) [5]. Dies zeigt an, dass durch ein kleineres CL die benötigte Leistung während des Einschwingens sinkt.