Намалете броя на компонентите и намалете площта на платка чрез безжична RF интеграция

В днешните безжични устройства повече от половината компоненти на платката са аналогови RF устройства. Следователно, ефективен начин за намаляване на площта на печатната платка и консумацията на енергия е да се извърши по-мащабна RF интеграция и да се развие към чип на системно ниво. Тази статия представя състоянието на развитие на интеграцията на радиочестоти и предлага някои контрамери и решения на някои от тези проблеми.

Преди няколко години пазарът на клетъчни телефони беше доминиран от еднолентови и двулентови едномодови телефони, а използваната технология беше само ??? Задръжте една или две клетъчни ленти във всички ??? Същият метод на модулация, многоканална схема за достъп и протокол са приети в честотната лента на задържане. За разлика от това, дизайнът на днешното ново поколение клетъчни телефони е много по-сложен и може да осигури многолентов и мултимодов режим ??? Той има лична мрежа за Bluetooth, GPS позициониране и други функции, а функциите за приемане на UWB и телевизор започнаха да се появяват. Освен това приложения като игри, изображения, аудио и видео станаха много често срещани в мобилните телефони.

Безжичният телефон се превръща в сложно устройство, наречено преносим личен развлекателен център. Тенденцията му на развитие продължава да носи нови предизвикателства пред дизайнерите. Въпреки че в сравнение с мобилните телефони само с гласова функция, новото поколение мобилни телефони са се увеличили значително при обработката на комуникации, обработката на приложения, броя на RF интерфейсите и интегрирания капацитет на паметта, потребителите все още очакват мобилните телефони да имат по -малък обем, опростена форма, ниска цена и голям цветен дисплей, Той може да осигури време в режим на готовност и разговор, подобно на традиционните гласови телефони. Поддържането на съществуващия общ размер и консумация на енергия, но увеличаването на функцията експоненциално, като същевременно се запазват общите системни разходи непроменени, всичко това създава много проблеми на системните дизайнери.

Очевидно проблемът включва всички части от целия дизайн на системата, както и доставчиците на цялото безжично комуникационно и развлекателно съдържание. Една област, която е особено ефективна за намаляване на площта на платката и консумацията на енергия, е RF частта от дизайна на безжичната система. Това е така, защото в днешния типичен мобилен телефон повече от половината от компонентите на платката са аналогови RF компоненти, които заедно представляват 30-40% от цялата площ на платката, като например Bluetooth RF системи като GPS и WLAN също увеличаване на изискванията за пространство.

Решението е да се извърши по-мащабна RF интеграция и накрая да се превърне в напълно интегриран чип на системно ниво. Някои дизайнери поставят аналогово-цифрови преобразуватели в антената, за да намалят общото пространство на платката, необходимо за RF функции. Когато технологията за полупроводникова интеграция може да интегрира повече функции в едно устройство, броят на отделните устройства и пространството на платката, използвани за настаняване на тези устройства, ще бъдат съответно намалени. С напредването на индустрията към интеграция на чипове на системно ниво, дизайнерите ще продължат да намират нови технологии, за да посрещнат противоречието между по -високата радиочестотна сложност и по -дългия живот на батерията в малки безжични устройства.

Състояние на развитие на интеграцията на RF

Важно развитие на RF интеграцията се появи преди около две години. По това време развитието на радиочестотната технология и цифровия модем на основната лента направи възможно замяната на суперхетеродинни радиочестотни устройства с приемници с директно понижаване на конверсията в безжичните мобилни телефони. Суперхетеродинните радиочестотни устройства използват многостепенни смесители, филтри и множество осцилатори, управлявани с напрежение (VCO), които се използват добре в продължение на много години, но интеграцията на RF устройства с директно преобразуване на честота може значително да намали общия брой на GSM RF компонентите. В края на 1990 -те години типична еднолентова суперхетеродинна RF подсистема включваше PA, превключвател на антената, LDO, малък сигнал RF и vctcxo, изискващи около 200 дискретни устройства; Днес можем да проектираме система за директно преобразуване на честотата с четирилентова функция, която интегрира VCO, VCXO и PLL филтър, но броят на компонентите му е по -малък от 50. Фигура 1: четирилентов GSM трансивер с висока интеграция.

Например, трансивърът trf6151 (Фигура 1) на Texas Instruments за GSM включва регулатор на напрежението на чипа, VCO и VCO канал, PA контрол на мощността, PLL контур за блокиране на ръба на филтъра, LNA усилване стъпка по стъпка и VCXO.

За дизайнерите усъвършенстваната интеграция помага да се преодолеят някои основни проблеми в безжичната RF, сред които най -основният е захранването с постоянен ток и регулирането на трансивъра. По време на разговор напрежението на батерията ще се променя с промяната на температурата и времето. В допълнение, свързването на шума от захранването TX VCO и Rx VCO също ще повлияе на работата на цялата система. Следователно, дизайнерите са изправени пред проблема как да решат регулатора на RF платка и повечето свързани пасивни компоненти. Интегрирането на тези устройства в радиочестотния трансивер означава, че единственият необходим външен компонент е обикновен кондензатор за отделяне, който е директно свързан към захранването, което не само опростява дизайна, но и спестява място на платката.

Друго предизвикателство за RF дизайнерите е диапазонът на настройка на VCO и времето за заключване. Във всички аналогови VCO дизайни. Тъй като често е необходимо да се балансира времето за заключване и обхвата на настройка, цикълният филтър обикновено се поставя извън чипа. Понякога това може да бъде решено в софтуерното управление на диапазона за настройка на VCO. Този метод обаче поставя допълнителни изисквания за ресурси за цялостното развитие на телефона. Когато функцията за цифрова настройка е включена във VCO и може да осигури самостоятелно калибриране, може да се получи разширен диапазон на настройка и филтърният елемент на контура може да бъде поставен в чипа. Очевидно тази схема може да позволи на инженерите -дизайнери да опростят работата си.

За да получат контрол на мощността на предавателя, изискван от GSM системата, производителите на PA обикновено включват тази функция в модула на усилвателя на мощността (PAM). Контролерът на захранването обикновено се състои от до хиляди цифрови CMOS порта, които са направени в независим чип в PAM. Този елемент ще увеличи цената на PAM с 0.30 ~ 0.40 щ.д. Интегрирането на тази функция в RF устройства ще позволи на производителите на GaAs PAM да не купуват цифрови CMOS схеми и да ги инсталират в PAM. За OEM производител на хиляди продукти всеки месец премахването на този излишен компонент значително ще намали разходите им.

Друга област, където разширената интеграция може да донесе значителни икономии, е VCXO. В миналото скъпите модули vctcxo бяха закупувани и проектирани в RF устройства като отделни компоненти. Следователно, включването на общи компоненти на модули vctcxo в RF устройства може да намали разходите и свързаните с тях проблеми при проектирането. Използвайки trf6151, са необходими само евтин кристал и варактор, за да се изпълни функцията на vctcxo.

Въпреки тази интеграция и опростяване на дизайна, инженерите по RF проектиране все още са изправени пред труден избор, един от които е чувствителността на входа и консумацията на Rx мощност. Добре известно е, че колкото по -голям е токът, използван при проектирането на усилвател с нисък шум (LNA), толкова по -ниски са общите шумови характеристики. Проектантът трябва да определи общия бюджет на мощността на приемника и изискванията за ниво на чувствителност на приемника. Шумът обаче не намалява с намаляването на мощността. Всъщност е точно обратното. Ето защо, въпреки че може да отговаря на спецификацията на стандарта GSM, дизайнерите често трябва да се питат дали си струва да се плати цената в консумацията на енергия, за да се постигне определено ниво на чувствителност. Този въпрос обяснява и защо е необходимо инженерите -дизайнери и производителите на интегрални схеми да си сътрудничат тясно в целия процес на проектиране. Обратната връзка от инженерите по проектиране може да насочи производителите на ИС към по -добро обслужване на безжичната индустрия при разработването на бъдещи RF продукти.

Развитие към SOC

Намаляването на разходите, мощността и сложността на безжичните системи е много важно за успешното посрещане на изискванията на системната интеграция. Въпреки това, разработването на решения за висока интеграция за мобилни телефони изисква индустрията на полупроводниците да преодолява сложни технически пречки. Някои от тези пречки рядко се притесняват от дизайнерите, тъй като много от тях не искат да знаят как се правят SOC устройствата, стига да може да осигури необходимата производителност. Следователно е необходимо бързо да се разберат някои технологични процеси, които ще повлияят на възможностите и наличността на устройства, използвани при интеграцията на мобилен телефон.

Има няколко възможни схеми за интегриране на електронна система за мобилни телефони RF. Първо, традиционна RF архитектура може да бъде внедрена в сравнително прост биполярен или BiCMOS процес, използвайки традиционна технология. Крайният RF чип може да бъде сглобен с цифрови логически функции на мобилни телефони, използвайки технология за пакетиране с много чипове (технология за пакетиране на системно ниво). Въпреки че тази технология има много предимства, като например използването на познати методи за RF проектиране и зрели процеси и технологии, е трудно да се комерсиализира поради високата цена и доходността на тестовите устройства.

В допълнение, интегрирането на електронна система за мобилни телефони може да бъде постигнато и чрез усъвършенстван процес на валиране BiCMOS (SiGe). Въпреки това, тъй като обработката на устройства SiGe HBT изисква допълнителен процес на литография, крайният чип ще изисква допълнителни разходи. В същото време, тъй като технологията SiGe BiCMOS не може да използва най -модерния процес на литография, процесът BiCMOS обикновено изостава от усъвършенствания цифров CMOS процес. Това ще окаже голям натиск за увеличаване на характеристиките на мобилните телефони и намаляване на разходите. Тя не може да бъде решена с проста стратегия за обработка на вафли, тъй като тази технология не може да поддържа системната логика или цифровата част на възможно най -ниската цена по всяко време. Следователно, монолитна интеграция на радиочестотната част на системата с основна лента в BiCMOS (или SiGe) не е добър избор.

Крайното решение, което може да се обмисли, е RF интеграцията в CMOS, която също е изправена пред значителни предизвикателства. Въпреки че има няколко CMOS клетъчни RF дизайна, тези дизайни се основават до голяма степен на аналогови функции. Трудно е да се внедрят аналогови миксери, филтри и усилватели с CMOS технология, а консумацията на енергия обикновено е по -голяма от SiGe BiCMOS схемата. С развитието на технологичните процеси, номиналното ниво на CMOS става все по -ниско, което прави аналоговия дизайн по -труден. В ранния етап на разработване на нови процеси, моделирането на устройствата и зрелостта на процеса обикновено не могат да отговорят на изискванията за високоточно моделиране на параметри, необходимо за проектиране на аналогови модули. Наскоро разработената цифрова CMOS RF архитектура прави монолитната CMOS интеграция по -привлекателна.

Тези решения също стимулират индустрията на полупроводниците, тъй като производителите търсят евтини решения за чипове на ниво RF система. Въпреки че всяка интеграционна схема има трудности, наистина е изненадващо, че интеграцията на RF компоненти може да достигне толкова високо ниво. Преодоляването на тези трудности ще направи голяма крачка напред в проектирането на безжични мобилни телефони и ще определи посоката за по -голяма интеграция в близко бъдеще.

Заключение на този документ

Все още има много трудности при интегрирането на RF. Всяко радиочестотно устройство на съвременния мобилен телефон е изправено пред строги изисквания за производителност. Изискването за чувствителност е около – 106dbm (106db под 1 MW) или по -високо, а съответното ниво е само няколко микроволта; В допълнение, селективността, тоест способността за отхвърляне на полезния канал към съседната честотна лента (обикновено наричана блокираща), трябва да бъде от порядъка на 60dB; В допълнение, системният осцилатор трябва да работи при много нисък фазов шум, за да предотврати навлизането на блокираща енергия на сгъване в приемната лента. RF интеграцията е много трудна поради много високите честоти и изключително взискателните изисквания за производителност.

Обработката на многочестотен стандарт носи истинско предизвикателство за цялата честота на SOC. Надява се да намали възбуждането, генерирано от предаването на лентов сигнал. Съдържанието на цифровата RF интеграция е много повече от поставянето на множество RF компоненти в един чип. Необходима е нова архитектура на споделяне на хардуер.

За системните дизайнери настоящите прости, високо интегрирани и рентабилни полупроводникови устройства могат значително да намалят сложността на проектирането. В същото време те могат да обогатят характеристиките на безжичните устройства и да запазят размера на системата, живота на батерията и разходите непроменени. Новите високо интегрирани радиочестотни устройства могат също така да премахнат някои спорове в безжичния дизайн и да спестят ценното време на инженерите.