تقليل عدد المكونات وتقليل مساحة لوحة دائرة كهربائية من خلال تكامل RF اللاسلكي

في الأجهزة اللاسلكية اليوم ، أكثر من نصف المكونات الموجودة على لوحة الدائرة عبارة عن أجهزة تردد لاسلكي تناظرية. لذلك ، فإن الطريقة الفعالة لتقليل مساحة لوحة الدائرة واستهلاك الطاقة هي إجراء تكامل RF على نطاق واسع والتطور نحو شريحة مستوى النظام. تقدم هذه الورقة حالة تطوير تكامل الترددات الراديوية ، وتطرح بعض الإجراءات المضادة والحلول لبعض هذه المشاكل.

قبل بضع سنوات ، كان سوق الهواتف الخلوية يهيمن عليه نطاق واحد وهواتف أحادية النطاق مزدوجة النطاق ، وكانت التكنولوجيا المستخدمة فقط ؟؟؟ عقد واحد أو اثنين من العصابات الخلوية في كل شيء ؟؟؟ تم اعتماد نفس طريقة التشكيل ومخطط الوصول متعدد القنوات والبروتوكول في نطاق تردد التعليق. في المقابل ، فإن تصميم الجيل الجديد من الهواتف الخلوية اليوم أكثر تعقيدًا ويمكن أن يوفر نطاقات متعددة وأنماط متعددة ؟؟؟ يحتوي على شبكة Bluetooth الشخصية ، وتحديد المواقع GPS ووظائف أخرى ، وقد بدأت وظائف استقبال UWB والتلفزيون في الظهور. بالإضافة إلى ذلك ، أصبحت التطبيقات مثل الألعاب والصور والصوت والفيديو شائعة جدًا في الهواتف المحمولة.

أصبح الهاتف اللاسلكي جهازًا معقدًا يسمى مركز الترفيه الشخصي المحمول. يستمر اتجاه التطوير في جلب المزيد من التحديات للمصممين. على الرغم من مقارنتها بالهواتف المحمولة ذات الوظيفة الصوتية فقط ، فقد زاد الجيل الجديد من الهواتف المحمولة بشكل كبير في معالجة الاتصالات ومعالجة التطبيقات وعدد واجهات التردد اللاسلكي وسعة الذاكرة المدمجة ، لا يزال المستخدمون يتوقعون أن يكون حجم الهواتف المحمولة أصغر حجمًا وشكلًا انسيابيًا ومنخفضًا. السعر وشاشة ملونة كبيرة ، يمكن أن توفر وقت الاستعداد والتحدث على غرار الهواتف الصوتية التقليدية. إن الحفاظ على الحجم الإجمالي الحالي واستهلاك الطاقة ، مع جعل الوظيفة تزيد أضعافًا مضاعفة ، مع الحفاظ على التكلفة الإجمالية للنظام دون تغيير ، كل ذلك يطرح الكثير من المشاكل لمصممي النظام.

من الواضح أن المشكلة تشمل جميع أجزاء تصميم النظام بالكامل ، بالإضافة إلى موردي جميع الاتصالات اللاسلكية والمحتوى الترفيهي. أحد المجالات الفعالة بشكل خاص في تقليل مساحة اللوحة واستهلاك الطاقة هو جزء التردد اللاسلكي من تصميم النظام اللاسلكي. هذا لأنه في الهاتف المحمول النموذجي اليوم ، أكثر من نصف المكونات الموجودة على اللوحة عبارة عن مكونات تردد لاسلكي تناظرية ، والتي تمثل معًا 30-40 ٪ من مساحة اللوحة بأكملها ، مثل أنظمة Bluetooth RF مثل GPS و WLAN. زيادة متطلبات الفضاء.

الحل هو إجراء تكامل RF على نطاق واسع وتطويره أخيرًا إلى شريحة مستوى نظام متكامل تمامًا. يضع بعض المصممين المحولات التناظرية إلى الرقمية في الهوائي لتقليل إجمالي مساحة لوحة الدائرة المطلوبة لوظائف التردد اللاسلكي. عندما تتمكن تقنية تكامل أشباه الموصلات من دمج المزيد من الوظائف في جهاز واحد ، سيتم تقليل عدد الأجهزة المنفصلة ومساحة لوحة الدائرة المستخدمة لاستيعاب هذه الأجهزة وفقًا لذلك. مع تحرك الصناعة نحو تكامل شرائح مستوى النظام ، سيستمر المصممون في إيجاد تقنيات جديدة لمواجهة التناقض بين التعقيد العالي للتردد اللاسلكي وعمر البطارية الأطول في الأجهزة اللاسلكية الصغيرة.

حالة تطوير تكامل الترددات اللاسلكية

ظهر تطور مهم في تكامل الترددات اللاسلكية منذ حوالي عامين. في ذلك الوقت ، أتاح تطوير تقنية الترددات الراديوية ومودم النطاق الأساسي الرقمي استبدال أجهزة التردد الراديوي الفائقة بأجهزة استقبال تحويل مباشرة في الهواتف المحمولة اللاسلكية. تستخدم أجهزة الترددات اللاسلكية الفائقة الخلاطات متعددة المراحل والمرشحات والمذبذبات المتعددة التي يتم التحكم فيها بالجهد (VCOs) ، والتي تم استخدامها جيدًا لسنوات عديدة ، ولكن دمج أجهزة RF لتحويل التردد المباشر يمكن أن يقلل بشكل كبير من العدد الإجمالي لمكونات GSM RF. في أواخر التسعينيات ، كان النظام الفرعي للترددات الراديوية الفائقة أحادي النطاق يشتمل على PA ، ومفتاح الهوائي ، و LDO ، و RF إشارة صغيرة و vctcxo ، مما يتطلب حوالي 1990 جهاز منفصل ؛ اليوم ، يمكننا تصميم نظام تحويل تردد مباشر بوظيفة أربعة نطاقات ، والذي يدمج مرشح حلقة VCO و VCXO و PLL ، لكن عدد مكوناته أقل من 200. الشكل 50: جهاز إرسال واستقبال GSM رباعي النطاقات مع تكامل عالٍ.

على سبيل المثال ، يتضمن جهاز الإرسال والاستقبال trf6151 (الشكل 1) من Texas Instruments لنظام GSM منظم الجهد على الرقاقة ، وقناة VCO و VCO ، والتحكم في الطاقة PA ، واكتشاف مانع حافة مرشح حلقة PLL ، واكتساب LNA للتحكم خطوة بخطوة و VCXO.

بالنسبة للمصممين ، يساعد التكامل المتقدم في التغلب على بعض المشكلات الرئيسية في التردد اللاسلكي اللاسلكي ، من بينها المشكلة الأساسية في مصدر طاقة التيار المستمر وتنظيم جهاز الإرسال والاستقبال. أثناء المكالمة ، يتغير جهد البطارية مع تغير درجة الحرارة والوقت. بالإضافة إلى ذلك ، سيؤثر اقتران الضوضاء من مزود الطاقة TX VCO و Rx VCO أيضًا على أداء النظام بأكمله. لذلك ، يواجه المصممون مشكلة كيفية حل منظم لوحة دوائر التردد الراديوي ومعظم المكونات السلبية ذات الصلة. يعني دمج هذه الأجهزة في جهاز الإرسال والاستقبال RF أن المكون الخارجي الوحيد المطلوب هو مكثف بسيط للفصل ، وهو متصل مباشرة بمصدر الطاقة ، والذي لا يبسط التصميم فحسب ، بل يوفر أيضًا مساحة لوحة الدائرة.

التحدي الآخر لمصممي الترددات اللاسلكية هو نطاق ضبط VCO وقفل الوقت. في جميع تصاميم VCO التناظرية. نظرًا لأنه غالبًا ما يكون من الضروري تحقيق التوازن بين وقت القفل ونطاق الضبط ، فعادة ما يتم وضع مرشح الحلقة خارج الشريحة. في بعض الأحيان ، يمكن حل هذا في برنامج التحكم في نطاق ضبط VCO. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة تطرح متطلبات موارد إضافية للتطوير الشامل للهاتف. عندما يتم تضمين وظيفة الضبط الرقمي في VCO ويمكن أن توفر معايرة ذاتية ، يمكن الحصول على نطاق ضبط ممتد ، ويمكن وضع عنصر مرشح الحلقة في الشريحة. من الواضح أن هذا المخطط يمكن أن يمكّن مهندسي التصميم من تبسيط عملهم.

من أجل الحصول على التحكم في طاقة المرسل الذي يتطلبه نظام GSM ، يقوم مصنعو PA عمومًا بتضمين هذه الوظيفة في وحدة مضخم الطاقة (PAM). تتكون وحدة التحكم في الطاقة عادةً من ما يصل إلى آلاف بوابات CMOS الرقمية ، والتي يتم تصنيعها في شريحة مستقلة في PAM. سيؤدي هذا العنصر إلى زيادة تكلفة PAM بمقدار 0.30 دولار أمريكي ~ 0.40. سيؤدي دمج هذه الوظيفة في أجهزة التردد اللاسلكي إلى تمكين مصنعي GaAs PAM من شراء دوائر CMOS الرقمية وتثبيتها في PAM. بالنسبة إلى إحدى الشركات المصنّعة للمعدات الأصلية التي تنتج آلاف المنتجات شهريًا ، فإن إزالة هذا المكون الزائد سيقلل بشكل كبير من تكلفتها.

هناك مجال آخر يمكن أن يحقق فيه التكامل المتقدم وفورات كبيرة وهو VCXO. في الماضي ، تم شراء وحدات vctcxo باهظة الثمن وتصميمها في أجهزة RF كمكونات منفصلة. لذلك ، يمكن أن يؤدي دمج المكونات الشائعة لوحدات vctcxo في أجهزة التردد اللاسلكي إلى تقليل التكاليف ومشاكل التصميم ذات الصلة. باستخدام trf6151 ، لا يلزم سوى بلورة منخفضة التكلفة و varactor لإكمال وظيفة vctcxo.

على الرغم من هذا التكامل وتبسيط التصميم ، لا يزال مهندسو تصميم RF يواجهون خيارات صعبة ، أحدها حساسية الإدخال واستهلاك الطاقة Rx. من المعروف أنه كلما زاد التيار المستخدم في تصميم مضخم منخفض الضوضاء (LNA) ، انخفضت خصائص الضوضاء الإجمالية. يجب على مهندس التصميم تحديد ميزانية الطاقة الإجمالية لجهاز الاستقبال ومتطلبات مستوى الحساسية للمستقبل. ومع ذلك ، فإن الضوضاء لا تقل مع انخفاض الطاقة. في واقع الأمر هو عكس ذلك. لذلك ، على الرغم من أنه يمكن أن يفي بمواصفات GSM القياسية ، يجب على المصممين في كثير من الأحيان أن يسألوا أنفسهم ما إذا كان الأمر يستحق دفع الثمن في استهلاك الطاقة لتحقيق مستوى معين من الحساسية. يشرح هذا السؤال أيضًا سبب ضرورة تعاون مهندسي التصميم ومصنعي IC بشكل وثيق في عملية التصميم بأكملها. يمكن للتعليقات الواردة من مهندسي التصميم أن توجه مصنعي الدوائر المتكاملة لتقديم خدمة أفضل للصناعة اللاسلكية عند تطوير منتجات الترددات اللاسلكية المستقبلية.

تطوير نحو SOC

يعد تقليل تكلفة الأنظمة اللاسلكية وقوتها وتعقيدها أمرًا مهمًا للغاية لتلبية متطلبات تكامل النظام بنجاح. ومع ذلك ، فإن تطوير حلول تكامل عالية للهواتف المحمولة يتطلب من صناعة أشباه الموصلات التغلب على العقبات التقنية المعقدة. بعض هذه العوائق نادرًا ما يهتم بها المصممون ، لأن الكثير منهم لا يريدون معرفة كيفية تصنيع أجهزة SOC ، طالما أنها توفر الأداء المطلوب. لذلك ، من الضروري أن يكون لديك فهم سريع لبعض تقنيات العمليات ، والتي ستؤثر على قدرة وتوافر الأجهزة المستخدمة في تكامل الهاتف الخلوي.

هناك العديد من المخططات الممكنة لدمج النظام الإلكتروني RF للهاتف المحمول. أولاً ، يمكن تنفيذ بنية RF التقليدية في عملية ثنائية القطب أو BiCMOS بسيطة نسبيًا باستخدام التكنولوجيا التقليدية. يمكن تجميع شريحة RF النهائية بوظائف المنطق الرقمي للهاتف المحمول باستخدام تقنية التغليف متعددة الرقاقات (تقنية التغليف على مستوى النظام). على الرغم من أن هذه التقنية لها العديد من المزايا ، مثل استخدام أساليب تصميم RF المألوفة والعمليات والتقنيات الناضجة ، إلا أنه من الصعب تسويقها نظرًا لارتفاع تكلفة وعائد أجهزة الاختبار.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا الحصول على تكامل النظام الإلكتروني للهاتف المحمول من خلال عملية رقاقة BiCMOS (SiGe) المتقدمة. ومع ذلك ، نظرًا لأن معالجة أجهزة SiGe HBT تتطلب عملية طباعة حجرية إضافية ، فإن الشريحة النهائية ستتطلب تكلفة إضافية. في الوقت نفسه ، نظرًا لأن تقنية SiGe BiCMOS لا يمكنها استخدام عملية الطباعة الحجرية الأكثر تقدمًا ، فإن عملية BiCMOS عادةً ما تتخلف عن عملية CMOS الرقمية المتقدمة. سيؤدي ذلك إلى ضغوط كبيرة لزيادة خصائص الهواتف المحمولة وتقليل التكاليف. لا يمكن حلها باستراتيجية عملية بسيطة ، لأن هذه التقنية لا يمكنها الحفاظ على منطق النظام أو الجزء الرقمي بأقل سعر ممكن في جميع الأوقات. لذلك ، فإن التكامل الأحادي لوظيفة النطاق الأساسي للنظام جزء التردد اللاسلكي في BiCMOS (أو SiGe) ليس اختيارًا جيدًا.

الحل النهائي الذي يمكن اعتباره هو تكامل الترددات الراديوية في CMOS ، والذي يواجه أيضًا تحديات كبيرة. على الرغم من وجود العديد من تصميمات الترددات اللاسلكية الخلوية CMOS ، إلا أن هذه التصميمات تعتمد إلى حد كبير على الوظائف التناظرية. من الصعب تنفيذ الخلاطات التناظرية والمرشحات ومكبرات الصوت باستخدام تقنية CMOS ، كما أن استهلاك الطاقة أكبر بشكل عام من مخطط SiGe BiCMOS. مع تطور تقنية المعالجة ، يصبح المستوى المقنن لـ CMOS أقل فأقل ، مما يجعل التصميم التناظري أكثر صعوبة. في المرحلة المبكرة من تطوير العمليات الجديدة ، لا يمكن لنمذجة الجهاز ونضج العملية عمومًا تلبية متطلبات نمذجة المعلمات عالية الدقة المطلوبة لتصميم الوحدة التناظرية. ومع ذلك ، فإن بنية CMOS RF الرقمية التي تم تطويرها مؤخرًا تجعل تكامل CMOS الأحادي أكثر جاذبية.

تعمل هذه الحلول أيضًا على دفع صناعة أشباه الموصلات حيث يسعى المصنعون إلى حلول شرائح مستوى نظام التردد اللاسلكي منخفضة التكلفة. على الرغم من وجود صعوبات في كل مخطط تكامل ، إلا أنه من المدهش حقًا أن يصل تكامل مكون التردد اللاسلكي إلى هذا المستوى المرتفع. التغلب على هذه الصعوبات سيأخذ خطوة كبيرة إلى الأمام في تصميم الهواتف المحمولة اللاسلكية ويحدّد الاتجاه نحو تكامل أكبر في المستقبل القريب.

اختتام هذه الورقة

لا تزال هناك العديد من الصعوبات في تكامل RF. يواجه كل جهاز RF للهاتف المحمول الحديث متطلبات أداء صارمة. تكون متطلبات الحساسية حوالي – 106 ديسيبل (106 ديسيبل أقل من 1 ميغاواط) أو أعلى ، والمستوى المقابل هو بضعة ميكرولتات فقط ؛ بالإضافة إلى ذلك ، ينبغي أن تكون الانتقائية ، أي قدرة الرفض للقناة المفيدة في نطاق التردد المجاور (يشار إليه عادةً بالحجب) ، في حدود 60 ديسيبل ؛ بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يعمل مذبذب النظام في ظل ضوضاء منخفضة للغاية لمنع طاقة حجب الطي من دخول نطاق الاستقبال. يعد تكامل التردد اللاسلكي أمرًا صعبًا للغاية بسبب التردد العالي للغاية ومتطلبات الأداء الصعبة للغاية.

تجلب معالجة معيار التردد المتعدد تحديًا حقيقيًا لتردد SOC بأكمله. من المأمول تقليل الإثارة الناتجة عن نقل إشارة النطاق. يعد محتوى تكامل الترددات اللاسلكية الرقمية أكثر بكثير من مجرد وضع مكونات متعددة للترددات الراديوية في شريحة واحدة. هناك حاجة إلى بنية جديدة لمشاركة الأجهزة.

بالنسبة لمصممي النظام ، يمكن لأجهزة أشباه الموصلات الحالية البسيطة والمتكاملة للغاية والفعالة من حيث التكلفة أن تقلل إلى حد كبير من تعقيد التصميم. في الوقت نفسه ، يمكنهم إثراء خصائص الأجهزة اللاسلكية والحفاظ على حجم النظام وعمر البطارية والتكلفة دون تغيير. يمكن لأجهزة RF الجديدة المتكاملة للغاية أيضًا القضاء على بعض الخلافات في التصميم اللاسلكي وتوفير الوقت الثمين للمهندسين.