Amplificador de baja potencia para receptor despertador de 433 MHz

Estoy diseñando un circuito receptor de activación de baja potencia (WuRx) que se usará para activar un Arduino y su transceptor de 433 MHz, los cuales consumen demasiada corriente (decenas de miliamperios) para seguir funcionando en cada nodo remoto. El objetivo es desarrollar un receptor/detector de activación de baja potencia que active Arduino (o cualquier MCU durmiente) cuando la señal de activación de RF esté presente. La señal de activación de RF será una serie de breves pulsos OOK del transmisor.

Necesito amplificar la señal UHF desde su nivel de antena de diez microvoltios, hasta al menos un nivel de 100 milivoltios a 1 voltio para detectar la envolvente de RF a través de un rectificador de diodo simple, que luego disparará un comparador que indica "RF presente" durante OOK ( tecla de encendido y apagado). Estos pulsos luego se contarán utilizando algunos flips/flops o un contador dentro de una ventana de tiempo determinada para detectar una señal de activación válida.

He realizado una extensa investigación sobre estos receptores despertadores y el estado de la técnica. La conversión tradicional de RF a IF da como resultado demasiada corriente de reposo debido a la corriente LO. Esto me ha llevado a concluir que un amplificador de RF de baja potencia alimentado por un filtro de paso de banda de cerámica puede resolver este problema.

Dado que se trata simplemente de un detector de activación de RF, la linealidad durante la amplificación es mucho menos importante que la corriente de reposo muy baja cuando no hay RF presente. Estos sensores esclavos de estilo IoT generalmente permanecen inactivos el 99,999 % del tiempo y solo necesitan despertarse durante unas pocas decenas de milisegundos cada vez que el maestro los sondea.

El flujo se verá así:

Antena -> Filtro de paso de banda -> Amplificador de RF -> Detector de envolvente OOK -> Interrupción de activación para Arduino -> Activación del transceptor -> Datos Rx -> Procesar datos Rx -> Volver a dormir

Mi problema es cómo minimizar el drenaje de corriente del amplificador inactivo (idealmente a un nivel de nanoamperios) pero amplificar suficientemente la señal de microvoltios una vez que está presente y sale del filtro de paso de banda. El consumo total de corriente del amplificador cuando la señal de RF está presente puede ser de unos pocos miliamperios. Estoy pensando que varias etapas de amplificación de 15 dB a 20 dB en serie para producir un aumento de señal de 10,000 a 100,000x deberían ser suficientes; por ejemplo 10 uV a 100mV - 1V.

Estoy buscando transistores LNA como el BFP720, un BJT de germanio y silicio de bajo ruido, pero estoy dispuesto a considerar todas las opciones de bajo costo. El bajo costo y el tamaño reducido también son factores, pero el bajo consumo de corriente en reposo con la energía de la batería de 3V es fundamental.

Probé amplificadores de clase C con circuitos resonantes, pero las simulaciones están fallando (usando el simulador SystemVision) debido a que las señales de entrada de nivel bajo (milivoltios) son demasiado pequeñas para permitir que el transistor conduzca. ¿Qué tipo de amplificador puedo usar que tenga una corriente de polarización de reposo muy baja y pueda amplificar esta pequeña señal UHF?

Si puedo resolver esto, ayudará a muchas personas que luchan por resolver este tipo de problema de activación de bajo consumo.

Gracias de antemano por la orientación.

No creo que encuentres uno. Pero para los receptores simples (relativamente) de baja potencia, puede echar un vistazo a los circuitos súper regenerativos.
Incluso si hace que esto funcione, me preocuparía que las activaciones falsas activaran el procesador con frecuencia y costaran energía. Peor aún, muchas súper regeneraciones disponibles para aplicaciones de datos cambian de un riel a otro en ausencia de una señal real y asumen que el software en una MCU alimentada por la red está buscando significado.
Entonces, ¿no te importa despertarte de cualquier señal que comparta este BW?
Planeo requerir una serie de pulsos de activación y desactivación para activar la MCU. Se deben ignorar otras señales, ruidos, etc. si no coinciden con el patrón de activación requerido. Una vez que puedo decodificar la señal OOK, puedo usar un patrón de activación único creado por el transmisor OOK.
@rbraddy y ¿qué va a decodificar la secuencia? Tradicionalmente, ese es el trabajo de la MCU, por lo que es de esperar que tenga una resolución de sueño / activación muy fina. Desafortunadamente, las regeneraciones a menudo alternan con bastante frecuencia en ausencia de señal: casi necesitaría algo como un temporizador de hardware que genera una interrupción de activación solo cuando no obtiene una transición antes de desbordarse.
Abordaré la decodificación una vez que tenga una solución de amplificador de baja potencia. Hay muchas maneras de hacer este reconocimiento de patrones.

Respuestas (4)

Esta es otra "no es una respuesta" :) No tengo suficiente experiencia para sugerir un circuito.

Hay cientos de amplificadores operacionales de suministro único de muy baja potencia (hasta 300 nA). ¿Has considerado estos en lugar de transistores?

Además, el mismo amplificador operacional puede convertirse en parte del filtro de paso de banda activo, lo que reduce la cantidad de componentes y también el posible consumo de energía.

ACTUALIZAR

En cuanto a la decodificación de direcciones, aquí hay una idea de un protocolo que debería ser fácil de implementar con componentes lógicos simples:

  • El transmisor codifica la dirección de destino de la siguiente manera:
    1. Los ID de nodo se seleccionan de un subconjunto de números naturales con menos "1" consecutivos que la longitud de "activación" elegida. Digamos que el disparador tiene una longitud de 4 bits.
    2. Se transmite "0", seguido de la ID del nodo, usando pulsos de dos longitudes diferentes. Digamos pulso largo para "1" y corto para "0".
    3. Se transmite "0", seguido del "disparador" como grupo de "1", por ejemplo, "01111"
    4. Tenga en cuenta que la frecuencia de transmisión es constante, por lo que los pulsos más cortos son seguidos por pausas más largas y vv
  • El receptor está conectado a un multivibrador monoestable activado por el flanco ascendente de una señal. El multivibrador genera pulsos que son más largos que "0" y más cortos que "1".
  • El flanco descendente del multivibrador se usa como reloj para el registro de desplazamiento, mientras que la salida del receptor se usa como entrada de datos.
    1. El resultado final es que el registro de desplazamiento contiene el ID de nodo, 0 y el disparador.
    2. En ningún momento el registro tiene 4 "1" consecutivos hasta que se recibe el paquete completo.
  • Los bits de activación de un registro están conectados a la puerta AND. Los bits de dirección se comparan con el interruptor DIP de selección de dirección con puertas XNOR (o XOR, no importa) y las salidas se alimentan a la misma puerta AND. La salida de la puerta es una señal de activación.

Este enfoque tiene la ventaja de una longitud de paquete fija y no necesita un reloj síncrono. La dirección de 8 bits se puede implementar con tan solo 3 o 4 circuitos integrados. A continuación se muestra un diagrama simplificado.

ingrese la descripción de la imagen aquí

La salida se puede utilizar como despertador o para controlar el interruptor de alimentación. Con el interruptor de encendido, la MCU estará funcionando hasta que envíe una dirección diferente. Con la activación, puede agregar "tiempo de espera" a la lógica de MCU, luego activar varias de ellas y transmitirlas a todas simultáneamente.

Ah, y todas las señales se pueden invertir, por supuesto. Por ejemplo, la presencia de una portadora de RF se puede usar para encender la lógica de decodificación y luego los pulsos de apagado transmitirán la dirección.

ACTUALIZAR 2

Estaba en el proceso de escribir algunos pensamientos adicionales cuando vi ese enlace en los comentarios. De hecho, una lectura muy interesante, por sí mismo y algunas referencias también. Ha ayudado a que esos pensamientos se cristalicen en estos puntos clave de diseño:

  • Para esta aplicación, el diseño de la etapa de RF es tan importante como la selección de los componentes de baja potencia. Deben utilizarse todos los trucos conocidos para maximizar la ganancia de la antena. Por ejemplo, la antena direccional aumenta la recepción desde el nodo maestro y, al mismo tiempo, reduce significativamente la interferencia, lo que minimiza las falsas alarmas.

  • Administración de energía por etapas. Esto significa dividir el procesamiento de la señal en varios pasos según los requisitos de potencia, de modo que la potencia de la siguiente etapa solo se aplique cuando la señal cumpla con los criterios de la etapa anterior. No estoy particularmente impresionado por el uso del comparador y la interfaz SPI en el artículo. Ambos requieren energía demasiado pronto en la cadena de procesamiento. Así como utilizan el preámbulo para generar la activación del procesador, la presencia de la portadora de RF durante un período determinado puede utilizarse como criterio para encender el comparador. La salida del comparador y el detector de preámbulo se puede utilizar para activar la lógica de decodificación de direcciones, etc.

  • Señal RF integrada. El doblador de voltaje es bueno, pero ¿por qué detenerse ahí? Podría ser posible usar múltiples diodos o MOSFET para construir una bomba de carga con suficiente potencia para satisfacer sus requisitos de distancia. La idea básica aquí es que sacrificar la tasa de datos al aumentar la duración del pulso permite que la etapa de RF acumule voltaje a niveles útiles. Esto también significa que es preferible la modulación OOK invertida (es decir, usar pausas como pulsos de datos). Además, por más bajo que pueda ser el consumo de energía de la MCU, la detección de direcciones con chips lógicos aún podría ser más eficiente y se puede hacer más rápido (las MCU generalmente requieren cientos de ciclos para despertarse del sueño profundo).

Gran punto. No miré detenidamente los amplificadores operacionales porque asumí que no manejarían las frecuencias UHF, pero tiene sentido mirarlos con más cuidado.
Ah, ya veo. Bueno, hay amplificadores operacionales con GBWP de hasta 18 GHz, pero entonces verás algo así como 0,9 mA. Por otro lado, puede elegir intencionalmente Op Amp con GBWP más bajo para establecer el lado de paso bajo del filtro de paso de banda.
Estoy viendo lo mismo. El drenaje de corriente UHF GBWP Op Amps está mucho más allá de lo que necesito, que son unos pocos microamperios de corriente inactiva sin RF presente.
Bueno, borra eso entonces. En lugar de suerte con OpAmps, he agregado algunos pensamientos sobre la decodificación de direcciones :)
Estamos entrando en el estadio de béisbol aquí. Esta discusión sobre los amplificadores operacionales y la decodificación de direcciones me llevó a un artículo de 2011 en el que este problema se resolvió sin una etapa amplificadora de RF utilizando diodos Schottky en una configuración de detector duplicador de voltaje. elucidare.co.uk/assignments/project_WUR/05992833.pdf
En este caso, un filtro SAW proporcionó el filtrado de paso de banda de 433 MHz, seguido por el detector de diodo duplicador de voltaje, que controla un comparador. Luego, el comparador convierte la señal de RF detectada en una serie de pulsos, que luego se traducen a SPI para su validación. Usando el registro de desplazamiento de Maples o una cola de almacenamiento similar, hay una manera de poner en cola la firma recibida a través de SPI para que sea validada por una MCU PIC12LF1822 de baja potencia, luego active la MCU principal y encienda el transceptor de potencia completa. Según este documento, pudieron detectar señales de -51 dBm. Todavía puedo necesitar un amplificador de RF para -87 dBm
En los amplificadores operacionales de nanopotencia, el GBWP más alto que pude encontrar en esos niveles de potencia es de 100 kHz. Está bastante claro que la nanopotencia y UHF no van de la mano, al menos no normalmente.
Según algunos cálculos rápidos, parece que el duplicador de voltaje que puede detectar señales de -51 dBm funcionará hasta 60 metros a los niveles de potencia ISM de 433 MHz máximos permitidos. Quería admitir 100 metros, pero puedo vivir con un rango de 60 metros (o aumentar la ganancia de la antena o la potencia de transmisión). Así que esto parece factible sin el amplificador UHF de micropotencia, que no parece factible hoy en día. Si a alguien se le ocurre una opción de preamplificador UHF de baja potencia, me encantaría saberlo. Ese era el objetivo principal cuando comencé esta publicación, pero ha sido muy útil. Gracias a todos.
Gracias por compartir ese enlace. Muchas referencias interesantes allí. He agregado algunos comentarios a la respuesta.
De acuerdo con todos los comentarios de Maple Update 2. ¡La antena direccional en el transmisor con suficiente ganancia puede eliminar por completo la necesidad de la etapa amplificadora de RF! La bomba de carga puede aumentar aún más la sensibilidad, junto con el "código morse" como señalización (pulsos/espacios más largos) y la administración de energía por etapas puede potencialmente reducir aún más el consumo de energía, junto con lógica discreta en lugar de MCU. Creo que esto realmente resuelve mi problema original muy bien, por lo que ya no necesito el (aparentemente) técnicamente inviable amplificador de potencia de bajo reposo.
Desafortunadamente, no tengo suficientes puntos de reputación para marcar este elemento como resuelto al votar por la respuesta de Maple. ¿Quizás alguien pueda ayudarme con esto?
Lamento secuestrar tu respuesta @Maple, pero ¿puedes decirme qué software usaste para dibujar ese hermoso diagrama de bloques?
jajaja Microsoft Office Word 2007 :D
¡Ups! Esperaba algo un poco más diseñado específicamente. Pero parece que puedes hacerlo bastante bien si tienes el tiempo y la habilidad.

Resolví este problema para un producto comercial en el que trabajé usando un transceptor CC1101, aunque también funcionarían otros dispositivos similares. El dispositivo funcionaba con batería y necesitaba una vida útil de más de 5 años con una sola celda.

El dispositivo receptor encendería su transceptor en modo RX cada 2 segundos, esperaría un momento y luego lo apagaría. El CC1101 tiene una función incorporada para hacer esto, pero Arduino también podría hacerlo manualmente.

El tiempo de activación del transceptor se mantiene lo más bajo posible, IIRC fue de unos 20 ms. El tiempo suficiente para que el oscilador se estabilice y se reciba una señal de activación.

El transmisor enviaría una señal de activación de 2,5 segundos que consta de 0x55 bytes. La razón para elegir 0x55 es que está alternando 1 y 0 en binario, y con RF necesita equilibrar los números de unos y ceros para la mayoría de los esquemas de transmisión. Esto estaba usando el modo FSK predeterminado del CC1101, si mal no recuerdo.

Se garantiza que la ráfaga de 2,5 segundos se superpondrá a la comprobación periódica de 2 segundos de las señales de activación. Una vez despertado, el receptor espera los comandos y luego vuelve a dormir.

No puedo recordar las cifras exactas del consumo de energía, pero con ese esquema funcionando las 24 horas del día, la duración de la batería superaba los 5 años con una celda de 4000 mAh, y eso incluía todo el resto del trabajo que el dispositivo tenía que hacer periódicamente. Creo que el lado de la radio representó alrededor de un tercio del presupuesto total de energía.

Esta no es una respuesta a su problema con el receptor despertador, pero ¿ha pensado en hacerlo al revés?

Estaba hablando de un nodo maestro, así que supongo que tiene una topología en estrella con un nodo maestro sin requisitos de alimentación y varios nodos esclavos con requisitos de alimentación estrictos.

¿Qué tal si, en lugar de sondear a los esclavos con el maestro, despierta periódicamente a los esclavos con un temporizador de baja potencia que se ejecuta en la MCU y transmite los datos al maestro, que siempre está escuchando?

ventajas:

  • No es necesario un receptor despertador
  • consumo de energía en reposo en el rango de microvatios
  • sin despertares falsos

Desventajas:

  • No se pueden sondear los nodos esclavos fuera de su horario de transmisión regular
Sí, el problema con esto es la latencia de la oportunidad de insertar un mensaje no solicitado en una ventana de recepción después de una transmisión temporizada por nodo. Sin embargo, es posible que pueda bajar a un segundo o menos. Con una buena sincronización de reloj, puede hacer que las transmisiones del nodo sean menos frecuentes que las ventanas de recepción, o solo hacerlas (o algún tipo de búsqueda temporal de ventanas de recepción) si no se recibe un latido esperado en una ventana ocasional. Sin embargo, cuando el sistema ha perdido la sincronización, la latencia puede ser extrema ya que primero se debe detectar la pérdida de sincronización y luego se debe volver a sincronizar.
El sondeo consume demasiada energía. A cada nodo solo se le ordenará que cambie unas pocas veces por hora, y luego quizás no cambie durante una semana o dos. El sondeo empapará la batería en cada nodo de forma masiva. El maestro transmite a todos los nodos simultáneamente, lo que reduce aún más la potencia.
Tiene razón, pero supongo que todo depende de sus requisitos de latencia. Si su circuito consume 20 mA durante 20 ms cada 20 segundos, eso equivale a un consumo de energía promedio para sondeo de solo 20 uA.
Sí, la latencia no debe ser superior a un par de segundos cuando el usuario interactúa con el sistema.

Después de seguir investigando, descubrí lo que parece ser la respuesta a la pregunta original: qué tipo de amplificador tiene una corriente de polarización de reposo baja que puede amplificar una pequeña señal UHF. La respuesta resulta no ser obvia y surgió de la investigación de etiquetas RFID:

Amplificadores de reflexión de tunelización cuántica.

De acuerdo con esta disertación de Georgia Tech, los amplificadores de reflexión de efecto túnel que usan un sesgo de reposo bajo en el rango de 20 uW son capaces de amplificar señales de microondas desde el nivel de -85 dBm con un ancho de banda de modulación de hasta 7 MHz, extendiendo el rango de la etiqueta RFID hasta 1,2 km.

https://smartech.gatech.edu/bitstream/handle/1853/58228/AMATO-DISSERTATION-2017.pdf#page49

El mayor desafío parece ser cómo crear la polarización de nivel de mV precisa requerida a partir de un suministro de batería de 3 V y mantenerla en todo el rango de temperatura requerido. La polarización es de 60 mV a 340 uA, entonces, ¿algún medio eficiente para reducir 3V a 60 mV - convertidor de CC-CC reductor?

En cualquier caso, esto parece prometedor. Si funcionó tan bien a 5,8 GHz para RFID debería estar bien a 433 MHz.

¿Ha mirado dispositivos MMIC, como BGA6130 ? 4 uA suena prometedor
Sí. En la superficie parece prometedor pero el 4uA está en modo de apagado, la operación normal usa de 40 a 70 mA. El consumo de energía de MMIC hasta el rango de 4 mA está disponible, pero aún no hay nada con baja corriente de reposo sin señal de entrada y sensibilidad por debajo de -50 dBm. Todo lo que he encontrado quiere -21 dBm o más nivel de señal de entrada. Gracias por continuar la cacería conmigo.
Lo que podría funcionar sería tener un "predetector" que pueda determinar que hay una señal débil presente en la banda de paso (atravesó el filtro de paso de banda en el front-end), en el lodo a -80 dBM más o menos, luego use esa predetección para habilitar un amplificador de baja potencia como el MAX2634. De esta manera, solo amplificamos cuando hay alguien llamando. Esto aumentaría los costos de detección y despertar, pero aumenta la sensibilidad. Esa es una forma de aprovechar la sugerencia de @maple.
Tengo suficiente para comenzar a crear prototipos para investigar y validar varias ideas y posibles opciones. Gracias por toda la ayuda.
¡Buena suerte! Y publique los resultados cuando haya terminado, por favor. Muy curioso como queda.
Lo haré una vez que tenga respuestas.
Amplificador de baja potencia para receptor despertador de 433 MHz
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