Réduire la consommation d’énergie des appareils IOT
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Cet article présente une technique de réutilisation du courant d’entrée pour récepteur (current-reuse receiver, CRR) de radiofréquence en bande de base (RF-BB), qui permet de réduire la consommation d’énergie en partageant le courant entre un amplificateur de transconductance à faible bruit (low-noise transconductance amplifier, LNTA) et un amplificateur de transimpédance (transimpedance amplifier, TIA). Les auteurs ont publié plusieurs articles de revues et de conférences sur ce travail de recherche. Voici la liste des sujets abordés : amélioration du réseau d’adaptation d’entrée et de la technique de filtrage de sortie ; amélioration de l’architecture de réutilisation de courant par inductance active pour des largeurs de bande plus élevées ; nouvelle technique de stratégie d’horloge en architecture de réutilisation de courant pour réduire la consommation d’énergie dynamique et statique ; méthodologie de conception et perspective de réutilisation du courant RF-BB ; résultats de mesures d’une technique d’annulation à faible bruit et d’une inductance sur puce [1].
Petite économie, grandes retombées
L’internet des objets (IoT), de plus en plus omniprésent, améliore notre qualité de vie en créant un environnement intelligent où les objets offrent plusieurs fonctions sans fil comme : localisation et positionnement pour les services postaux; suivi des soldats pour mieux les protéger; systèmes antivol dans les voitures; domotique; suivi des patients par des experts; systèmes d’arrosage télécommandés en agriculture, et autres. On estime que le nombre de dispositifs IoT augmentera tellement d’ici 2030 qu’une petite baisse de la consommation énergétique de chaque dispositif aurait un effet considérable sur l’environnement grâce aux économies d’énergie, mais aussi grâce à une réduction du nombre de piles usées destinées à l’enfouissement.
Améliorer l’efficacité des émetteurs-récepteurs de radiofréquences
Un module IoT comprend un émetteur-récepteur RF sans fil et des circuits de bande de base pour analyser et enregistrer les données. L’émetteur-récepteur RF joue un rôle important dans la consommation électrique globale. Ce travail porte sur la réduction de la consommation d’énergie des émetteurs-récepteurs RF. Plusieurs approches sont à prendre en compte, comme le mélangeur en premier (mixer-first) et la réutilisation du courant. L’architecture mixer-first offre une très faible consommation d’énergie, mais limite la bande passante : elle ne convient pas à la large bande nécessaire à l’IoT, dont les protocoles sans fil et les bandes de fréquences sont très hétérogènes. Quant à l’architecture de réutilisation du courant, elle peut produire une large bande passante avec consommation d’énergie légèrement plus élevée, selon le procédé de fabrication du circuit intégré. Le récepteur RF à réutilisation de courant (CRR) proposé ici est réalisé en empilant un amplificateur de transimpédance (TIA) et un amplificateur de transconductance à faible bruit (LNTA), ce qui permet de partager la consommation d’énergie à partir d’une seule alimentation, comme le montre la figure 1.
Figure 1. Récepteur d’entrée classique (à gauche) et empilé (à droite).
Techniques proposées de conception de circuits
Les CRR, décrits dans plusieurs articles, présentent certains inconvénients comme l’adaptation à bande étroite de l’entrée, le bruit à haute-basse fréquence, l’effet de charge sur le signal RF dû aux condensateurs parasites, et l’utilisation d’un mélangeur actif qui limite la linéarité. La présente recherche propose des techniques et des méthodologies de conception pour surmonter ces problèmes. La figure 2 montre un schéma fonctionnel de (a) CRR convectif et transistors cascodes qui partagent le nœud d’entrée et de sortie du mélangeur passif, lequel est hautement capacitif et ne permet pas au circuit de fonctionner à haute RF; et (b) architecture de récepteur proposée avec technique d’annulation du bruit 1/f et d’inducteur actif. Dans l’architecture proposée, le transistor cascode est converti en circuit d’inducteur actif et à annulation de bruit 1/f pour isoler l’entrée du mélangeur du nœud de sortie et réduire le bruit à basse fréquence. Ainsi, la perte de signal RF est considérablement réduite. De plus, le circuit d’annulation de bruit 1/f entraîne une réduction de bruit à basse fréquence, permettant au récepteur de fonctionner à une fréquence intermédiaire plus basse et de consommer moins d’énergie.
Figure 2. (a) CRR convectif avec transistor cascode. (b) Architecture proposée avec inducteur actif et technique d’annulation de bruit en 1/f.
Complément d’information
[1] A. Abbasi, A.H. Moshrefi and F. Nabki, “A Wideband Low-Power RF-to-BB Current-Reuse Receiver using an Active Inductor and 1/f Noise-Cancellation for L-Band Applications,” IEEE Access, 2022.
