Komponentlərin sayını azaldın və sahəsini azaldın devre simsiz RF inteqrasiyası vasitəsilə

İndiki simsiz cihazlarda, devre kartındakı komponentlərin yarısından çoxu analog RF cihazlarıdır. Buna görə də, devre kartı sahəsini və enerji istehlakını azaltmağın təsirli bir yolu daha geniş miqyaslı RF inteqrasiyası aparmaq və sistem səviyyəli çipə doğru inkişaf etməkdir. Bu məqalə RF inteqrasiyasının inkişaf vəziyyətini təqdim edir və bu problemlərin bəzilərinə qarşı bir sıra tədbirlər və həll yolları təqdim edir.

Bir neçə il əvvəl, cib telefonu bazarında tək bantlı və cüt bantlı tək rejimli telefonlar üstünlük təşkil edirdi və istifadə olunan texnologiya yalnız ??? Cəmi bir və ya iki hüceyrəli bant tutun ??? Eyni modulyasiya üsulu, çoxkanallı giriş sxemi və protokol tutma tezlik bandında qəbul edilir. Bunun əksinə olaraq, bugünkü yeni nəsil cib telefonlarının dizaynı daha mürəkkəbdir və çox bantlı və çox modlu ola bilir ??? Bluetooth şəxsi sahə şəbəkəsinə, GPS yerləşdirmə və digər funksiyalara malikdir və UWB və TV qəbul funksiyaları görünməyə başladı. Bundan əlavə, oyun, şəkil, audio və video kimi tətbiqlər cib telefonlarında çox yaygın hala gəldi.

Simsiz telefon, əl şəxsi əyləncə mərkəzi adlanan kompleks bir cihaz halına gəlir. İnkişaf tendensiyası dizaynerlərə daha çox problem gətirməyə davam edir. Yalnız səs funksiyası olan cib telefonları ilə müqayisədə, yeni nəsil cib telefonları ünsiyyətin işlənməsi, tətbiqlərin işlənməsi, RF interfeyslərinin sayı və inteqrasiya edilmiş yaddaş tutumunda əhəmiyyətli dərəcədə artmış olsa da, istifadəçilər hələ də cib telefonlarının daha kiçik həcmli, nizamlı bir forma və aşağı olmasını gözləyirlər. qiymət və böyük rəngli ekran, ənənəvi səsli telefonlara bənzər gözləmə və danışma vaxtı təmin edə bilər. Mövcud ümumi ölçüləri və enerji istehlakını qoruyub saxlamaqla birlikdə, sistemin ümumi dəyərini dəyişməz saxlayaraq funksiyanı eksponent olaraq artırmaq, bütün bunlar sistem dizaynerləri üçün bir çox problem yaradır.

Aydındır ki, problem bütün sistem dizaynının bütün hissələrini, eləcə də bütün simsiz rabitə və əyləncə məzmununu təmin edənləri əhatə edir. Lövhə sahəsini və enerji istehlakını azaltmaqda xüsusilə təsirli olan bir sahə, simsiz sistem dizaynının RF hissəsidir. Bunun səbəbi, bugünkü tipik cib telefonunda, lövhədəki komponentlərin yarıdan çoxu, GPS və WLAN kimi Bluetooth RF sistemləri kimi bütün lövhənin 30-40% -ni təşkil edən analog RF komponentləridir. yer tələblərini artırmaq.

Çözüm daha geniş miqyaslı RF inteqrasiyasını həyata keçirmək və nəhayət tam inteqrasiya edilmiş sistem səviyyəli bir çip halına gətirməkdir. Bəzi dizaynerlər, RF funksiyaları üçün lazım olan ümumi devre kartını azaltmaq üçün antenə rəqəmsal çeviriciləri yerləşdirirlər. Yarımkeçirici inteqrasiya texnologiyası tək bir cihazda daha çox funksiyanı birləşdirə bildikdə, diskret cihazların sayı və bu cihazları yerləşdirmək üçün istifadə olunan elektron lövhə boşluğu müvafiq olaraq azalacaq. Sənaye sistem səviyyəli çip inteqrasiyasına doğru irəlilədikcə dizaynerlər, kiçik simsiz cihazlarda daha yüksək RF mürəkkəbliyi və daha uzun batareya ömrü arasındakı ziddiyyəti aradan qaldırmaq üçün yeni texnologiyalar tapmağa davam edəcəklər.

RF inteqrasiyasının inkişaf vəziyyəti

RF inteqrasiyasının əhəmiyyətli bir inkişafı təxminən iki il əvvəl ortaya çıxdı. O dövrdə RF texnologiyasının və rəqəmsal bazalı bant modeminin inkişafı, superheterodin RF cihazlarını simsiz cib telefonlarında birbaşa aşağı çevrilmə alıcıları ilə əvəz etməyə imkan verdi. Superheterodyne RF cihazları uzun illərdir yaxşı istifadə olunan çox mərhələli mikserlər, filtrlər və çoxlu gərginlikli idarə olunan osilatorlardan (VCO) istifadə edir, lakin birbaşa tezlik çevirən RF cihazlarının inteqrasiyası GSM RF komponentlərinin ümumi sayını xeyli azalda bilər. 1990 -cı illərin sonlarında tipik tək bantlı superheterodin RF alt sisteminə PA, anten açarı, LDO, kiçik siqnal RF və vctcxo daxil olmaqla təxminən 200 diskret cihaz tələb olunur; Bu gün VCO, VCXO və PLL loop filtrini birləşdirən, lakin komponentlərinin sayı 50 -dən az olan dörd bantlı funksiyaya malik birbaşa tezlik çevrilmə sistemi dizayn edə bilərik. Şəkil 1: yüksək inteqrasiyalı dörd bantlı GSM ötürücü.

Məsələn, Texas Instruments-in GSM üçün trf6151 ötürücü (Şəkil 1) çip üzərindəki gərginlik tənzimləyicisi, VCO və VCO kanalı, PA gücünün idarə edilməsi, PLL döngə süzgəcinin kənar blokerlərinin aşkarlanması, LNA qazancının addım-addım nəzarəti və VCXO daxildir.

Dizaynerlər üçün qabaqcıl inteqrasiya simsiz RF -də bəzi əsas problemləri aradan qaldırmağa kömək edir, bunların arasında ən əsas problem DC enerji təchizatı və qəbuledicinin tənzimlənməsi. Zəng zamanı batareyanın gərginliyi temperatur və vaxt dəyişikliyi ilə dəyişəcək. Bundan əlavə, TX VCO və Rx VCO enerji təchizatından gələn səs -küy birləşməsi də bütün sistemin işinə təsir edəcək. Buna görə də, dizaynerlər RF dövrə lövhəsi tənzimləyicisini və ən çox əlaqəli passiv komponentləri necə həll etmək problemi ilə üzləşirlər. Bu cihazların RF qəbuledicisinə inteqrasiyası, tələb olunan yeganə xarici komponentin, sadəcə dizaynı asanlaşdıran deyil, həm də elektron lövhədə yer saxlayan enerji təchizatı ilə birbaşa əlaqəli olan sadə bir ayırıcı kondansatör olmasıdır.

RF dizaynerləri üçün başqa bir problem VCO tənzimləmə aralığı və kilidləmə vaxtıdır. Bütün analoq VCO dizaynlarında. Kilidləmə vaxtını və tənzimləmə aralığını balanslaşdırmaq çox vaxt lazım olduğundan, döngə filtri çipin xaricində yerləşdirilir. Bəzən bu, VCO tənzimləmə aralığının proqram nəzarətində həll edilə bilər. Bununla birlikdə, bu üsul telefonun ümumi inkişafı üçün əlavə qaynaq tələblərini irəli sürür. Rəqəmsal tənzimləmə funksiyası VCO -ya daxil edildikdə və özünü kalibrləmə təmin edə bildikdə, genişlənmiş tənzimləmə diapazonu əldə edilə bilər və loop filtr elementi çipə yerləşdirilə bilər. Aydındır ki, bu sxem dizayn mühəndislərinə işlərini asanlaşdırmağa imkan verə bilər.

GSM sisteminin tələb etdiyi ötürücü güc nəzarətini əldə etmək üçün PA istehsalçıları ümumiyyətlə bu funksiyanı güc gücləndirici moduluna (PAM) daxil edirlər. Güc nəzarətçisi ümumiyyətlə PAM -da müstəqil bir çipdə hazırlanan minlərlə rəqəmsal CMOS qapısından ibarətdir. Bu element PAM -ın dəyərini 0.30 ~ 0.40 ABŞ dolları artıracaq. Bu funksiyanı RF cihazlarına inteqrasiya etmək GaAs PAM istehsalçılarına rəqəmsal CMOS sxemlərini almamağa və PAM -a quraşdırmağa imkan verəcəkdir. Hər ay minlərlə məhsul istehsal edən bir OEM üçün bu lazımsız komponentin çıxarılması onların qiymətini xeyli azaldacaq.

İnkişaf etmiş inteqrasiyanın əhəmiyyətli qənaət gətirə biləcəyi başqa bir sahə VCXO -dur. Keçmişdə, bahalı vctcxo modulları RF cihazlarında diskret komponentlər kimi alınmış və dizayn edilmişdir. Buna görə də, vctcxo modullarının ümumi komponentlərini RF cihazlarına daxil etmək xərcləri və əlaqədar dizayn problemlərini azalda bilər. Trf6151 istifadə edərək, vctcxo funksiyasını yerinə yetirmək üçün yalnız aşağı qiymətli bir kristal və varaktor tələb olunur.

Bu inteqrasiyaya və dizaynın sadələşdirilməsinə baxmayaraq, RF dizayn mühəndisləri hələ də çətin seçimlərlə üzləşirlər, bunlardan biri giriş həssaslığı və Rx enerji istehlakıdır. Məlumdur ki, aşağı səs -küy gücləndiricisinin (LNA) dizaynında istifadə olunan cərəyan nə qədər böyükdürsə, ümumi səs -küy xüsusiyyətləri o qədər aşağı olur. Dizayn mühəndisi, alıcının ümumi enerji büdcəsini və alıcının həssaslıq səviyyəsi tələblərini təyin etməlidir. Ancaq güc azaldıqca səs -küy azalmır. Əslində isə əksinədir. Buna görə də, GSM standart spesifikasiyasına cavab verə bilsə də, dizaynerlər tez -tez müəyyən bir həssaslıq səviyyəsinə çatmaq üçün enerji istehlakında qiymət ödəməyə dəyər olub olmadığını soruşmalıdırlar. Bu sual, dizayn mühəndislərinin və IC istehsalçılarının bütün dizayn prosesində yaxından əməkdaşlıq etməsinin nə üçün lazım olduğunu da izah edir. Dizayn mühəndislərinin rəyləri, IC istehsalçılarını gələcək RF məhsulları inkişaf etdirərkən simsiz sənayeyə daha yaxşı xidmət göstərməyə istiqamətləndirə bilər.

SOC -a doğru inkişaf edir

Simsiz sistemlərin dəyərinin, gücünün və mürəkkəbliyinin azaldılması sistem inteqrasiyasının tələblərinə uğurla cavab vermək üçün çox vacibdir. Bununla birlikdə, cib telefonları üçün yüksək inteqrasiya həllərinin inkişafı, yarımkeçirici sənayesinin mürəkkəb texniki maneələri aşmasını tələb edir. Bu maneələrdən bəziləri dizaynerlər tərəfindən nadir hallarda narahat olur, çünki bir çoxları tələb olunan performansı təmin edə bildiyi müddətcə SOC cihazlarının necə hazırlandığını bilmək istəmirlər. Buna görə də, cib telefonu inteqrasiyasında istifadə olunan cihazların qabiliyyətinə və mövcudluğuna təsir edəcək bəzi proses texnologiyaları haqqında tez bir anlayışa sahib olmaq lazımdır.

Cib telefonu RF elektron sisteminin inteqrasiyası üçün bir neçə mümkün sxem var. Birincisi, ənənəvi RF arxitekturası ənənəvi texnologiyadan istifadə edərək nisbətən sadə bipolar və ya BiCMOS prosesində həyata keçirilə bilər. Son RF çipi, çox çipli qablaşdırma texnologiyasından (sistem səviyyəli qablaşdırma texnologiyası) istifadə edərək cib telefonu rəqəmsal məntiq funksiyaları ilə yığıla bilər. Bu texnologiyanın tanış RF dizayn metodlarından və yetkin proseslərdən və texnologiyalardan istifadə etmək kimi bir çox üstünlükləri olsa da, test cihazlarının yüksək qiyməti və məhsuldarlığı səbəbiylə kommersiyalaşdırmaq çətindir.

Əlavə olaraq, cib telefonu elektron sisteminin inteqrasiyasını qabaqcıl BiCMOS (SiGe) gofret prosesi ilə də əldə etmək olar. Lakin SiGe HBT cihazlarının işlənməsi əlavə litoqrafiya prosesini tələb etdiyi üçün son çip əlavə xərc tələb edəcək. Eyni zamanda, SiGe BiCMOS texnologiyası ən qabaqcıl litoqrafiya prosesindən istifadə edə bilmədiyi üçün BiCMOS prosesi ümumiyyətlə inkişaf etmiş rəqəmsal CMOS prosesindən geri qalır. Bunlar cib telefonlarının xüsusiyyətlərini artırmaq və xərcləri azaltmaq üçün böyük bir təzyiq gətirəcək. Sadə bir gofret proses strategiyası ilə həll edilə bilməz, çünki bu texnologiya sistem məntiqini və ya rəqəmsal hissəni hər zaman mümkün olan ən aşağı qiymətdə saxlaya bilməz. Buna görə də, BiCMOS (və ya SiGe) sistem əsas bant funksiyası RF hissəsinin monolitik inteqrasiyası yaxşı seçim deyil.

Nəzərə alınacaq son həll, CMOS -da RF inteqrasiyasıdır ki, bu da ciddi problemlərlə üzləşir. Bir neçə CMOS mobil RF dizaynı olmasına baxmayaraq, bu dizaynlar əsasən analoq funksiyalara əsaslanır. CMOS texnologiyası ilə analoq mikserləri, filtrləri və gücləndiriciləri tətbiq etmək çətindir və enerji istehlakı ümumiyyətlə SiGe BiCMOS sxemindən daha çoxdur. Proses texnologiyasının inkişafı ilə CMOS -un qiymətləndirmə səviyyəsi getdikcə aşağı düşür və bu da analoji dizaynı çətinləşdirir. Yeni proseslərin inkişafının ilkin mərhələsində cihaz modelləşdirilməsi və proses yetkinliyi ümumiyyətlə analoq modul dizaynı üçün tələb olunan yüksək dəqiqlikli parametr modelləşdirmə tələblərinə cavab verə bilməz. Ancaq son zamanlarda inkişaf etdirilən rəqəmsal CMOS RF arxitekturası monolitik CMOS inteqrasiyasını daha cəlbedici edir.

İstehsalçılar aşağı keyfiyyətli RF sistem səviyyəli çip həlləri axtardıqları üçün bu həllər də yarımkeçiricilər sənayesini idarə edir. Hər bir inteqrasiya sxemində çətinliklər olsa da, RF komponent inteqrasiyasının belə yüksək səviyyəyə çata bilməsi təəccüblüdür. Bu çətinliklərin aradan qaldırılması simsiz cib telefonlarının dizaynında irəliyə doğru böyük bir addım atacaq və yaxın gələcəkdə daha böyük inteqrasiyaya istiqamət verəcəkdir.

Bu yazının nəticəsi

RF inteqrasiyasında hələ çox çətinliklər var. Müasir cib telefonunun hər RF cihazı ciddi performans tələbləri ilə üzləşir. Həssaslıq tələbi təxminən – 106dbm (106 MW -dan aşağı 1db) və ya daha yüksəkdir və müvafiq səviyyə yalnız bir neçə mikrovoltdur; Əlavə olaraq, seçicilik, yəni faydalı kanalın bitişik tezlik diapazonuna (ümumiyyətlə bloklama deyilir) imtina qabiliyyəti 60dB qaydasında olmalıdır; Bundan əlavə, sistem osilatorunun qatlanan bloklama enerjisinin qəbul edən banda girməsinin qarşısını almaq üçün çox aşağı fazalı səs -küy altında işləməsi tələb olunur. Çox yüksək tezlik və son dərəcə tələbkar performans tələbləri səbəbindən RF inteqrasiyası çox çətindir.

Çox tezlik standartının işlənməsi bütün SOC tezliyinə real problem yaradır. Bant siqnalının ötürülməsində yaranan həyəcanı azaldacağına ümid edilir. Rəqəmsal RF inteqrasiyasının məzmunu birdən çox RF komponentini bir çipə yerləşdirməkdən daha çoxdur. Yeni bir hardware paylaşım arxitekturasına ehtiyac var.

Sistem dizaynerləri üçün mövcud sadə, yüksək inteqrasiya olunmuş və qənaətcil yarımkeçirici qurğular dizaynın mürəkkəbliyini xeyli azalda bilər. Eyni zamanda simsiz cihazların xüsusiyyətlərini zənginləşdirə və sistemin ölçüsünü, batareyanın ömrünü və dəyərini dəyişməz saxlaya bilərlər. Yeni yüksək inteqrasiya edilmiş RF cihazları, simsiz dizayndakı bəzi mübahisələri də aradan qaldıra və mühəndislərin dəyərli vaxtına qənaət edə bilər.