IoT-Geräte müssen nicht nur kompakt, kostengünstig und energieeffizient sein, sondern auch unabhängig von ihrer Implementierungsform flexible Bluetooth-LE-Kompatibilität bieten. Renesas hat zwei neue Technologien entwickelt, um diese Anforderungen zu erfüllen: 1) eine Impedanzanpassungsschaltung, die einen breiten Impedanzbereich abdeckt und es dem IC ermöglicht, verschiedene Antennen- und Platinenimpedanzen ohne externe Anpassungsschaltung anzupassen; 2) eine Signalkorrekturtechnologie für lokal generierte Referenzsignale, die mithilfe einer kleinen Schaltung Inkonsistenzen in Schaltungselementen und Schwankungen der Umgebungsbedingungen selbstständig korrigiert, ohne dass eine Kalibrierung erforderlich ist.

Renesas hat die Leistungsfähigkeit dieser Technologien in einem Prototyp eines Bluetooth-LE-HF-Transceivers nachgewiesen, der in 22-nm-CMOS-Technologie gefertigt wurde. Dank dieser neuen Technologien konnte Renesas die Schaltungsfläche inklusive Stromversorgung auf 0,84 mm² reduzieren – die weltweit kleinste für ein Gerät dieser Art. Dies wurde durch eine modifizierte Empfängerarchitektur mit reduzierter Induktivität und Verbesserungen wie einem stromsparenden Basisbandverstärker mit geringem Platzbedarf und einem hocheffizienten Class-D-Verstärker erreicht. Die Schaltung bietet eine erstklassige Energieeffizienz mit einem Stromverbrauch von nur 3,6 mW beim Empfangen und 4,1 mW beim Senden. Diese Fortschritte ermöglichen eine Reduzierung der Platinengröße, der Kosten und des Stromverbrauchs sowie eine Vereinfachung des Platinendesigns.

Die Vorteile neuer HF-Transceiver-Technologien sind:

1. Anpassungsschaltungstechnologie, die einen breiten Impedanzbereich abdeckt (On-Chip-Antennenimpedanztuner, AIT)
Die von Renesas auf der ISSCC 2015 vorgestellte Technologie für integrierte Impedanzanpassungsschaltungen ermöglichte die Entwicklung kompakter und kostengünstiger Bluetooth-LE-Produkte, die keine externen Induktivitäten oder Kondensatoren zum Umschalten zwischen Sende- und Empfangsmodus oder zur Impedanzanpassung benötigten. Abhängig vom Antennentyp oder den Anforderungen des Platinendesigns erreichte die Impedanz jedoch nicht zwangsläufig 50 Ω, sodass weiterhin eine externe Anpassungsschaltung erforderlich war. Darüber hinaus konnten bei Verwendung der vorherigen Technologie und dem Hinzufügen einer Anpassungsschaltung mit Impedanzumschaltfunktion weiterhin Probleme im Zusammenhang mit erhöhtem Signalverlust und einem unzureichenden Anpassungsbereich auftreten.

Um diese Probleme zu lösen, hat Renesas eine neuartige Technologie zur variablen Impedanzanpassung entwickelt, die aus zwei Induktivitäten und vier variablen Kondensatoren besteht. Die sender- und empfängerseitigen Induktivitäten der Anpassungsschaltung sind konzentrisch angeordnet. Ihre gegenseitige Induktion wird genutzt, um Signalverluste zu reduzieren und die effektive parasitäre Kapazität zu minimieren. Dadurch wird der variable Impedanzbereich erweitert und die Schaltungsfläche deutlich verringert. Ein maximales Stehwellenverhältnis (VSWR) von 6,8, das Fehlanpassungen der Impedanz anzeigt, wurde bei einem variablen Impedanzbereich von ca. 25 bis 300 Ω bestätigt.


2. Referenzsignal-Selbstkorrekturschaltungstechnologie, die die Notwendigkeit einer Kalibrierungsschaltung überflüssig macht (IQ-Phasen-Selbstkorrektur, SIQC)
Der HF-Transceiver erzeugt intern ein Referenzsignal (ein lokal generiertes Signal) mit annähernd der gleichen Frequenz wie die über die Antenne empfangenen Funksignale. Dieses Signal dient zur Umwandlung der Gigahertz-Funksignale in niederfrequente Basisbandsignale. Die Genauigkeit des Referenzsignals kann durch Faktoren wie Inkonsistenzen in den Schaltungskomponenten oder Schwankungen der Temperatur oder der Versorgungsspannung beeinträchtigt werden. Früher wurde zur präzisen Erzeugung des Referenzsignals eine Technologie zur Phasen- und Amplitudenkompensation mithilfe einer Kalibrierschaltung eingesetzt. Dies erwies sich jedoch als problematisch, da die Integration einer solchen Kalibrierschaltung eine größere Chipfläche, einen höheren Stromverbrauch und höhere Testkosten erforderte.

Renesas löste diese Probleme durch die Entwicklung einer neuen Phasenkorrekturschaltung, die Referenzsignale aus vier verschiedenen Phasen zur gegenseitigen Korrektur nutzt und so Phasendifferenzen ausgleicht. Diese Selbstkorrekturschaltung ist deutlich kleiner und benötigt nur etwa ein Zwölftel der Größe einer herkömmlichen Kalibrierungsschaltung. Das für die Empfangsleistung entscheidende Spiegelfrequenzunterdrückungsverhältnis liegt im Durchschnitt bei 39 dB und erfüllt damit den Bluetooth-Standard mit deutlichem Spielraum.