東芝公司（Toshiba Corporation） （TOKYO:6502）今天宣布，該公司針對低功耗無線系統開發了極低功耗 2.4 GHz 壓控振盪器（VCO），例如低功耗藍牙（BLE）。低於電晶體閾值電壓的低電壓作業透過將 class-D 壓控振盪器功能與電源電壓動態控制技術相結合的方式來實現。相較於傳統的壓控振盪器，該壓控振盪器的功耗僅為其五分之一至十分之一。東芝在 2014 年 9 月 24 日於義大利威尼斯舉行的歐洲固態電路年會（ESSCIRC）上展示了該壓控振盪器。

最近，無線通訊的應用已擴大至體育運動、健身、醫療照護、手錶等領域。由於這些應用通常使用低電量電池進行長期作業，例如鈕扣型電池和能量採集器，因此極低功耗無線積體電路（IC）成為必要。這推動了對低功耗無線 IC 和獨立結構元件的研究。

在這些結構元件中，降低壓控振盪器功耗尤其富有挑戰性，因為卓越的雜訊性能往往取決於高功耗。研究人員已對用於降低壓控振盪器雜訊和功耗的多項技術進行了研究，主要致力於降低電流消耗。然而，對於極低功耗而言，有必要減少電壓域。

東芝已採用先進的 CMOS 技術來開發 class-D 壓控振盪器，這項技術使用電晶體作為開關（而不像傳統壓控振盪器將其作為跨導器）。雖然 class-D 壓控振盪器能夠以低電源電壓獲得卓越的雜訊性能，但電源電壓也必須盡可能低以便實現於極低功耗。

極低功耗的壓控振盪器是採用動態電源電壓控制技術來開發的，這項控制技術使用低壓差（LDO）電路作為動態電源電壓控制器。在壓控振盪器啟動時，電源電壓增壓，以確保快速、穩定地啟動。在啟動後的穩態中，電源電壓被控制在閾值電壓之下，從而甚至在低於電晶體閾值電壓的電源電壓下保持振盪，因為 class-D 壓控振盪器的一個特徵是振盪幅度大約是電源電壓的三倍。極低電壓作業帶來的結果是壓控振盪器的功耗降低。

測試晶片是採用高閾值電壓下的 28nm CMOS 技術製造而成。雖然高閾值電壓可降低睡眠模式下的洩漏電流，但它會增加傳統 class-D 壓控振盪器的功耗，因為這需要較高的電源電壓。然而，由於擬議的壓控振盪器可在低於閾值電壓的電壓下振盪，低功耗振盪甚至可以在高閾值電壓下進行。僅 171uW 的極低功耗及低功耗無線系統所需的相位雜訊性能均可得到實現。

動態電源電壓控制可以解決睡眠模式下的洩漏電流與活動模式下的主動功率之間的權衡問題。此外，當這種低電壓壓控振盪器與直流/直流（DC/DC）轉換器和能量採集器等能量來源配合使用時，可實現更高效率的無線系統。

這種壓控振盪器可利用先進的 CMOS 技術以極低功耗作業。展望未來，東芝下一步將推動整體無線系統和壓控振盪器結構元件的功耗降低，旨在未來三年內使極低功耗無線 IC 成為現實。

（圖片來源：TOSHIBA）