Паменшыць колькасць кампанентаў і паменшыць плошчу мантажная плата праз бесправадную інтэграцыю РФ

У сучасных бесправадных прыладах больш за палову кампанентаў на плаце складаюць аналагавыя ВЧ -прылады. Такім чынам, эфектыўны спосаб паменшыць плошчу друкаванай платы і спажыванне электраэнергіі-гэта больш маштабная інтэграцыя ВЧ і развіццё ў бок чыпа сістэмнага ўзроўню. У гэтым дакуменце ўводзіцца стан развіцця інтэграцыі РФ і прапануюцца некаторыя меры процідзеяння і вырашэнне некаторых з гэтых праблем.

Некалькі гадоў таму на рынку сотавых тэлефонаў дамінавалі аднапалосныя і двухдыяпазонныя аднамодавыя тэлефоны, а выкарыстоўваная тэхналогія была толькі ??? Трымаць адну ці дзве сотавыя паласы ўсяго ??? Той жа спосаб мадуляцыі, схема шматканальнага доступу і пратакол прыняты ў дыяпазоне ўтрымання. Наадварот, дызайн сучаснага пакалення сотавых тэлефонаў нашмат больш складаны і можа забяспечваць мульты-дыяпазон і мульты-рэжым ??? Ён мае персанальную сетку Bluetooth, пазіцыянаванне GPS і іншыя функцыі, а таксама пачалі з’яўляцца функцыі прыёму UWB і тэлевізара. Акрамя таго, такія прыкладання, як гульні, малюнкі, аўдыё і відэа сталі вельмі распаўсюджанымі ў мабільных тэлефонах.

Бесправадны тэлефон становіцца складанай прыладай, званай ручным асабістым забаўляльным цэнтрам. Яго тэндэнцыя развіцця працягвае прыносіць дызайнерам усё больш праблем. Нягледзячы на ​​тое, што ў параўнанні з мабільнымі тэлефонамі толькі з галасавой функцыяй, новае пакаленне мабільных тэлефонаў значна павялічылася ў апрацоўцы сувязі, апрацоўцы прыкладанняў, колькасці ВЧ -інтэрфейсаў і ўбудаванай памяці, карыстальнікі па -ранейшаму чакаюць, што мабільныя тэлефоны будуць мець меншы аб’ём, абцякальную форму, нізкі цана і вялікі каляровы дысплей, ён можа забяспечваць час чакання і размовы, падобнае да традыцыйных галасавых тэлефонаў. Захаванне існуючых агульных памераў і энергаспажывання, але прымушаючы функцыю павялічвацца ў геаметрычнай прагрэсіі, захоўваючы пры гэтым агульны кошт сістэмы нязменным, усё гэта стварае шмат праблем для распрацоўшчыкаў сістэмы.

Відавочна, што праблема звязана з усімі часткамі праекта ўсёй сістэмы, а таксама з пастаўшчыкамі ўсёй бесправадной сувязі і забаўляльнага кантэнту. Адна з абласцей, якая асабліва эфектыўная ў зніжэнні плошчы платы і энергаспажывання, – гэта ВЧ -частка праектавання бесправадной сістэмы. Гэта тлумачыцца тым, што ў сучасным мабільным тэлефоне больш за палову кампанентаў на плаце складаюць аналагавыя ВЧ-кампаненты, якія разам складаюць 30-40% усёй плошчы дошкі, напрыклад, такія RF-сістэмы Bluetooth, як GPS і WLAN. павялічыць патрабаванні да прасторы.

Рашэнне заключаецца ў правядзенні больш маштабнай інтэграцыі РФ і, нарэшце, ператварэнні ў цалкам інтэграваны чып сістэмнага ўзроўню. Некаторыя дызайнеры ўстаўляюць аналагава-лічбавыя пераўтваральнікі ў антэну, каб паменшыць агульную плошчу платы, неабходную для функцый ВЧ. Калі тэхналогія інтэграцыі паўправаднікоў можа інтэграваць больш функцый у адно прылада, колькасць дыскрэтных прылад і прастора друкаванай платы, якія выкарыстоўваюцца для размяшчэння гэтых прылад, адпаведна зменшацца. Па меры прасоўвання галіны да інтэграцыі чыпаў на сістэмным узроўні дызайнеры будуць працягваць знаходзіць новыя тэхналогіі, каб вырашыць супярэчнасць паміж больш высокай складанасцю РЧ і больш доўгім тэрмінам службы батарэі ў невялікіх бесправадных прыладах.

Стан развіцця інтэграцыі РФ

Важнае развіццё інтэграцыі РФ з’явілася каля двух гадоў таму. У той час развіццё ВЧ -тэхналогій і лічбавага мадэма паласы дыяпазону дазволіла замяніць супергетеродинные РЧ -прылады на прыёмнікі з прамым пераўтварэннем у бесправадных мабільных тэлефонах. У супергетеродинных ВЧ -прыладах выкарыстоўваюцца шматступенныя змяшальнікі, фільтры і некалькі асцылятараў з кіраваннем напругай (VCO), якія добра выкарыстоўваюцца на працягу многіх гадоў, але інтэграцыя ВЧ -прылад з прамым пераўтварэннем частоты можа значна знізіць агульную колькасць RF -кампанентаў GSM. У канцы 1990 -х тыповая аднасістэмная падсістэма супергетародынаў ВЧ ўключала ПА, антэнны перамыкач, ЛДА, ВЧ -малы сігнал і vctcxo, якія патрабуюць каля 200 дыскрэтных прылад; Сёння мы можам распрацаваць сістэму прамога пераўтварэння частоты з чатырохпалоснай функцыяй, якая аб’ядноўвае цыклічны фільтр VCO, VCXO і PLL, але яе колькасць кампанентаў менш за 50. Малюнак 1: чатырохпалосны GSM -прыёмаперадатчык з высокай інтэграцыяй.

Напрыклад, прыёмаперадатчык trf6151 (малюнак 1) кампаніі Texas Instruments для GSM уключае ў сябе ўбудаваны рэгулятар напружання, канал VCO і VCO, кіраванне магутнасцю ПА, выяўленне блакіроўшчыка краёў фільтра PLL, паэтапнае кіраванне ўзмацненнем LNA і VCXO.

Для дызайнераў пашыраная інтэграцыя дапамагае пераадолець некаторыя сур’ёзныя праблемы ў бесправадной радыёчастотнай сувязі, сярод якіх самая асноўная з іх – гэта харчаванне пастаяннага току і рэгуляванне прыёмаперадатчыка. Падчас размовы напружанне батарэі будзе змяняцца са зменай тэмпературы і часу. Акрамя таго, сувязь шуму ад блока харчавання TX VCO і Rx VCO таксама паўплывае на прадукцыйнасць усёй сістэмы. Таму перад дызайнерамі паўстае праблема, як вырашыць рэгулятар ВЧ -платы і большасць звязаных з ёй пасіўных кампанентаў. Інтэграцыя гэтых прылад у ВЧ -прыёмаперадатчык азначае, што адзіным неабходным знешнім кампанентам з’яўляецца просты развязальны кандэнсатар, які падключаецца непасрэдна да крыніцы харчавання, што не толькі спрашчае канструкцыю, але і эканоміць месца на друкаванай плаце.

Яшчэ адной праблемай для дызайнераў ВЧ з’яўляецца дыяпазон налады VCO і час блакавання. Ва ўсіх аналагавых канструкцыях VCO. Паколькі часта неабходна збалансаваць час блакавання і дыяпазон налады, цыклічны фільтр звычайна размяшчаецца па -за чыпам. Часам гэта можна вырашыць з дапамогай праграмнага кіравання дыяпазону налады VCO. Аднак гэты метад вылучае дадатковыя патрабаванні да рэсурсаў для агульнага развіцця тэлефона. Калі функцыя лічбавай налады ўключана ў VCO і можа забяспечваць самакаліброўку, можна атрымаць пашыраны дыяпазон налады, а элемент цыклічнага фільтра можна змясціць у чып. Відавочна, што гэтая схема можа дазволіць інжынерам -канструктарам спрасціць сваю працу.

Для таго, каб атрымаць кіраванне магутнасцю перадатчыка, неабходнае сістэме GSM, вытворцы ПЗ звычайна ўключаюць гэтую функцыю ў модуль узмацняльніка магутнасці (PAM). Кантролер магутнасці звычайна складаецца з да тысячы лічбавых засаўкі CMOS, якія зроблены ў незалежным чыпе ў PAM. Гэты элемент павялічыць кошт PAM на 0.30 ~ 0.40 даляра ЗША. Інтэграцыя гэтай функцыі ў RF -прылады дазволіць вытворцам GaAs PAM не набываць лічбавыя схемы CMOS і ўсталёўваць іх у PAM. Для OEM, які вырабляе тысячы прадуктаў кожны месяц, выдаленне гэтага залішняга кампанента значна знізіць іх кошт.

Яшчэ адна вобласць, у якой пашыраная інтэграцыя можа прынесці істотную эканомію, – гэта VCXO. У мінулым дарагія модулі vctcxo былі набыты і распрацаваны ў ВЧ -прыладах у якасці дыскрэтных кампанентаў. Такім чынам, уключэнне агульных кампанентаў модуляў vctcxo у ВЧ -прылады можа знізіць выдаткі і звязаныя з імі праблемы праектавання. Выкарыстоўваючы trf6151, для выканання функцыі vctcxo неабходны толькі недарагі крышталь і варактар.

Нягледзячы на ​​гэтую інтэграцыю і спрашчэнне праектавання, інжынеры -канструктары па -ранейшаму сутыкаюцца з цяжкім выбарам, адзін з якіх – уваходная адчувальнасць і спажываная магутнасць. Агульнавядома, што чым большы ток выкарыстоўваецца пры распрацоўцы ўзмацняльніка з нізкім узроўнем шуму (LNA), тым ніжэй агульныя шумавыя характарыстыкі. Інжынер -канструктар павінен вызначыць агульны бюджэт магутнасці прымача і патрабаванні да ўзроўню адчувальнасці прымача. Аднак пры зніжэнні магутнасці шум не памяншаецца. На самай справе ўсё наадварот. Такім чынам, нягледзячы на ​​тое, што ён можа адпавядаць стандарту GSM, дызайнеры часта павінны задаваць сабе пытанне, ці варта плаціць за спажыванне электраэнергіі, каб дасягнуць пэўнага ўзроўню адчувальнасці. Гэтае пытанне таксама тлумачыць, чаму неабходна, каб інжынеры -канструктары і вытворцы ІС цесна супрацоўнічалі ва ўсім працэсе праектавання. Зваротная сувязь ад інжынераў -канструктараў можа дапамагчы вытворцам ІС лепш абслугоўваць бесправадную прамысловасць пры распрацоўцы будучых RF -прадуктаў.

Развіваецца ў бок SOC

Зніжэнне кошту, магутнасці і складанасці бесправадных сістэм вельмі важна для паспяховага выканання патрабаванняў сістэмнай інтэграцыі. Аднак развіццё высокіх інтэграцыйных рашэнняў для мабільных тэлефонаў патрабуе ад прамысловасці паўправаднікоў пераадолення складаных тэхнічных перашкод. Некаторыя з гэтых перашкод рэдка хвалююцца дызайнерамі, таму што многія з іх не хочуць ведаць, як вырабляюцца прылады SOC, пакуль гэта можа забяспечыць неабходную прадукцыйнасць. Такім чынам, неабходна мець хуткае разуменне некаторых тэхналогій працэсаў, якія паўплываюць на магчымасці і даступнасць прылад, якія выкарыстоўваюцца ў інтэграцыі сотавых тэлефонаў.

Існуе некалькі магчымых схем інтэграцыі электроннай сістэмы мабільнага тэлефона. Па -першае, традыцыйная ВЧ -архітэктура можа быць рэалізавана ў адносна простым біпалярным або BiCMOS -працэсе з выкарыстаннем традыцыйных тэхналогій. Канчатковы ВЧ -чып можна сабраць з лічбавымі логічнымі функцыямі мабільнага тэлефона з выкарыстаннем тэхналогіі ўпакоўкі з многімі чыпамі (тэхналогія ўпакоўкі на ўзроўні сістэмы). Нягледзячы на ​​тое, што гэтая тэхналогія мае мноства пераваг, такіх як выкарыстанне звыклых метадаў праектавання ВЧ і сталых працэсаў і тэхналогій, яе цяжка камерцыялізаваць з -за высокай кошту і ўраджайнасці тэставых прылад.

Акрамя таго, інтэграцыя электроннай сістэмы мабільнага тэлефона таксама можа быць дасягнута з дапамогай пашыранага працэсу пласцін BiCMOS (SiGe). Аднак паколькі апрацоўка прылад SiGe HBT патрабуе дадатковага працэсу літаграфіі, канчатковы чып запатрабуе дадатковых выдаткаў. У той жа час, паколькі тэхналогія SiGe BiCMOS не можа выкарыстоўваць самы сучасны працэс літаграфіі, працэс BiCMOS звычайна адстае ад перадавога лічбавага працэсу CMOS. Гэта будзе аказваць вялікі ціск на павышэнне характарыстык мабільных тэлефонаў і зніжэнне выдаткаў. Гэта не можа быць вырашана з дапамогай простай стратэгіі апрацоўкі пласцін, таму што гэтая тэхналогія не можа падтрымліваць сістэмную логіку або лічбавую частку па самай нізкай цане. Такім чынам, маналітная інтэграцыя функцыі радыёчастотнай паласы сістэмы ў BiCMOS (або SiGe) не з’яўляецца добрым выбарам.

Канчатковае рашэнне, якое можна разгледзець, – гэта інтэграцыя РФ у CMOS, якая таксама сутыкаецца са значнымі праблемамі. Нягледзячы на ​​тое, што існуе некалькі канструкцый сотавай радыёсувязі CMOS, гэтыя канструкцыі ў значнай ступені заснаваны на аналагавых функцыях. Цяжка рэалізаваць аналагавыя мікшары, фільтры і ўзмацняльнікі з тэхналогіяй CMOS, і энергаспажыванне звычайна больш, чым схема SiGe BiCMOS. З развіццём тэхналогіі працэсаў, рэйтынгавы ўзровень CMOS становіцца ўсё ніжэй і ніжэй, што робіць аналагавы дызайн больш цяжкім. На ранняй стадыі распрацоўкі новых працэсаў мадэляванне прылад і сталасць працэсаў звычайна не могуць адпавядаць патрабаванням высокадакладнага мадэлявання параметраў, неабходных для праектавання аналагавых модуляў. Аднак нядаўна распрацаваная лічбавая архітэктура CMOS RF робіць маналітную інтэграцыю CMOS больш прывабнай.

Гэтыя рашэнні таксама стымулююць паўправадніковую прамысловасць, паколькі вытворцы імкнуцца да недарагіх чып-рашэнняў на ўзроўні ВЧ-сістэмы. Хоць кожная схема інтэграцыі мае цяжкасці, сапраўды дзіўна, што інтэграцыя ВЧ -кампанентаў можа дасягнуць такога высокага ўзроўню. Пераадоленне гэтых цяжкасцей зробіць вялікі крок наперад у распрацоўцы бесправадных мабільных тэлефонаў і задасць кірунак для большай інтэграцыі ў найбліжэйшай будучыні.

Заключэнне гэтага дакумента

У інтэграцыі РФ яшчэ шмат цяжкасцей. Кожнае ВЧ -прылада сучаснага мабільнага тэлефона сутыкаецца з жорсткімі патрабаваннямі да прадукцыйнасці. Патрабаванне да адчувальнасці складае прыкладна – 106 дБм (106 дБ ніжэй 1 МВт) або вышэй, а адпаведны ўзровень складае ўсяго некалькі мікравольт; Акрамя таго, селектыўнасць, гэта значыць здольнасць адхіляць карысны канал да суседняй паласы частот (звычайна яе называюць блакіроўкай), павінна складаць парадку 60 дБ; Акрамя таго, сістэмны асцылятар павінен працаваць пры вельмі нізкім фазавым шуме, каб прадухіліць трапленне блакавальнай энергіі ў прыёмную паласу. Радыёчастотная інтэграцыя вельмі цяжкая з -за вельмі высокіх частот і надзвычай высокіх патрабаванняў да прадукцыйнасці.

Апрацоўка мультычастотнага стандарту выклікае сапраўдную праблему для ўсёй частаты SOC. Спадзяецца паменшыць узбуджэнне, якое ствараецца пры перадачы паласовага сігналу. Змест інтэграцыі лічбавай ВЧ – гэта значна больш, чым змяшчэнне некалькіх ВЧ -кампанентаў у адзін чып. Неабходная новая архітэктура апаратнага абмену.

Для дызайнераў сістэм сучасныя простыя, высока інтэграваныя і эканамічна эфектыўныя паўправадніковыя прылады могуць значна паменшыць складанасць праектавання. У той жа час яны могуць узбагаціць характарыстыкі бесправадных прылад і не змяняць памер сістэмы, час аўтаномнай працы і кошт. Новыя высока інтэграваныя радыёчастотныя прылады таксама могуць ліквідаваць некаторыя спрэчкі ў бесправадным дызайне і зэканоміць каштоўны час інжынераў.