Strom sparen durch Sub-Threshold-Design

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Neudesign der Analog-Schaltkreise

Ein NVM dient zum Speichern von Parametern, die in ein Register geladen werden, das Sub-Threshold-Transistoren verwendet. Da dieser Speicher beim Einschalten des Bausteins betrieben wird, kann der NVM und der zugehörige Datenübertragungsschaltkreis in Standard-Super-Threshold-Technologie implementiert werden, die dann nach Ende des NVM-Einsatzes abgeschaltet wird. Damit wählt Ambiq Micro Sub-Threshold-Transistoren nur für die Zellen aus, für die eine Stromeinsparung auch Sinn macht.

Bestehende Super-Threshold-Digitalzellen in Sub-Threshold-Technologie umzuwandeln war relativ einfach. Analog-Schaltkreise erforderten jedoch ein Neudesign. Die daraus resultierenden Schaltkreise weichen erheblich von den Super-Threshold-Versionen ab und ein hoher Entwicklungsaufwand war erforderlich, um das Design nach korrekter Funktion und Leistungsfähigkeit entsprechend der Spezifikationen zu verifizieren.

Das Ergebnis dieser intensiven Forschung, Tests und Entwicklungsaktivitäten führte zur SPOT-Plattform (Sub-Threshold Power Optimized Technology). Normalerweise erfordern solche radikalen Performance-Verbesserungen kundenspezifische Prozesse mit besonderen Prozesstechniken, aber mit SPOT lag der Schwerpunkt auf einer Designbibliothek, die gut mit bekannten Prozessen harmoniert. SPOT nutzt Prozesstechniken mit kleinen Geometrien, die bei einem großflächigen Einsatz zu weiteren Energieeinsparungen führen.

Die Testherausforderungen wurden mit einem 2-Säulen-Konzept in Angriff genommen. Zum einen wurden kundenspezifische Probe-Karten entwickelt, um Messungen zu unterstützen, die der Tester nicht selbst durchführen kann. Zum anderen wurden On-Chip-Testschaltkreise integriert, um die verbleibenden Testanforderungen zu erfüllen. Der Ablauf für die Charakterisierung wurde ebenfalls geändert: durch gründlichere und detaillierte Messungen unter wesentlich mehr Bedingungen als beim herkömmlichen Super-Threshold-Design. Dies erhöht das Vertrauen in das Design und die Robustheit des fertigen Produkts. Hinzu kommt, dass Ambiqs Sub-Threshold-Schaltkreise die gleichen Zuverlässigkeitstests durchlaufen wie Standard-Halbleiterbausteine. Mehrere Lose werden über längere Zeit extremen Bedingungen ausgesetzt, und weitere Standardtests wie z.B. ESD-Tests (elektrostatische Entladung) wurden durchgeführt.

Apollo-MCU definiert 'Low Power' neu

Einzigartig ist, dass Apollo MCUs sowohl im Aktiv- als auch im Sleep-Modus den Stromverbrauch optimieren. Sie verbrauchen nur 30 µA/MHz bei der Befehlsausführung aus dem Flash und bieten im Sleep-Modus einen durchschnittlichen Stromverbrauch von nur 100 nA. Der extrem niedrige Stromverbrauch beeinträchtigt dabei nicht die Leistungsfähigkeit. Der ARM Cortex-M4F Core bietet mit seiner Präzisionsfließkommaeinheit die Rechenleistung, die für Anwendungen im Internet der Dinge (IoT) erforderlich ist. Hier steigt der Rechenaufwand aufgrund von immer mehr Sensoren, Audioquellen und Automatisierungstechnik.

Die Apollo MCUs arbeiten mit bis zu 24 MHz Taktfrequenz. Sie bieten bis zu 512 kB Flash und 64 kB RAM zur Aufnahme von Funk- und Sensorfunktionen, zusätzlich zum Anwendungscode. Die Kommunikation mit Sensoren, Funkeinrichtungen, anderer Peripherie und einem optionalen Host-Prozessor erfolgt über I²C/SPI-Ports und einen UART. Ebenfalls integriert sind ein 10-Bit, 13-Kanal, 1 MS/s ADC und ein Temperatursensor mit ±2 °C Genauigkeit. Zwei kompakte Gehäuse stehen zur Auswahl: ein 64-Pin BGA (4,5 mm x 4,5 mm) mit 50 GPIOs und ein kleines 42-Pin CSP (2,4 mm x 2,77 mm) mit 27 GPIOs.

* * Mike Salas ist Vice President Marketing bei Ambiq Micro.

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