Smanjite broj komponenti i smanjite površinu pločica putem bežične RF integracije

U današnjim bežičnim uređajima više od polovice komponenti na ploči su analogni RF uređaji. Stoga je učinkovit način da se smanji površina ploča i potrošnja energije provede opsežnija RF integracija i razvije prema čipu na sistemskom nivou. Ovaj rad predstavlja razvojni status RF integracije i nudi neke protumjere i rješenja za neke od ovih problema.

Prije nekoliko godina tržištem mobilnih telefona dominirali su jednopojasni i dvopojasni jednomodni telefoni, a korištena je tehnologija samo ??? Držite jedan ili dva ćelijska pojasa u svemu ??? Ista metoda modulacije, višekanalna shema pristupa i protokol usvojeni su u frekvencijskom opsegu zadržavanja. Nasuprot tome, dizajn današnje nove generacije mobilnih telefona mnogo je složeniji i može pružiti višepojasni i višenamjenski način rada ??? Ima Bluetooth ličnu mrežu, GPS pozicioniranje i druge funkcije, a počele su se pojavljivati ​​i UWB i TV prijemne funkcije. Osim toga, aplikacije poput igara, slika, zvuka i videa postale su vrlo česte na mobilnim telefonima.

Bežični telefon postaje složeni uređaj koji se naziva ručni lični zabavni centar. Njegov razvojni trend nastavlja donositi nove izazove dizajnerima. Iako su u usporedbi s mobilnim telefonima sa samo glasovnom funkcijom, nova generacija mobilnih telefona značajno porasla u komunikaciji, obradi aplikacija, broju RF sučelja i integriranom memorijskom kapacitetu, korisnici i dalje očekuju da će mobilni telefoni imati manji volumen, pojednostavljen oblik, nizak cijenu i veliki prikaz u boji, može pružiti vrijeme pripravnosti i vrijeme razgovora slično tradicionalnim govornim telefonima. Održavanje postojeće ukupne veličine i potrošnje energije, ali povećanje funkcije eksponencijalno, uz održavanje ukupnih troškova sistema nepromijenjenim, sve to dizajnerima sistema predstavlja veliki problem.

Očigledno, problem uključuje sve dijelove dizajna cijelog sistema, kao i dobavljače svih bežičnih komunikacijskih i zabavnih sadržaja. Jedno područje koje je posebno efikasno u smanjenju površine ploče i potrošnje energije je RF dio dizajna bežičnog sistema. To je zato što je u današnjem tipičnom mobilnom telefonu više od polovice komponenti na ploči analogne RF komponente, koje zajedno čine 30-40% cijele površine ploče, poput Bluetooth RF sistema poput GPS-a i WLAN-a. povećati zahteve za prostorom.

Rješenje je provesti opsežniju RF integraciju i konačno se razviti u potpuno integrirani sistemski čip. Neki dizajneri stavljaju analogno-digitalne pretvarače u antenu kako bi smanjili ukupni prostor na ploči koji je potreban za RF funkcije. Kada tehnologija poluvodičke integracije može integrirati više funkcija u jedan uređaj, broj diskretnih uređaja i prostor na ploči koji se koriste za smještaj ovih uređaja bit će shodno tome smanjeni. Kako se industrija bude približavala integraciji čipova na sistemskom nivou, dizajneri će nastaviti pronalaziti nove tehnologije kako bi odgovorili na kontradikciju između veće složenosti RF i dužeg trajanja baterije u malim bežičnim uređajima.

Status razvoja RF integracije

Važan razvoj RF integracije pojavio se prije otprilike dvije godine. U to vrijeme, razvoj RF tehnologije i digitalnog modema osnovnog opsega omogućio je zamjenu superheterodinskih RF uređaja sa prijemnicima s direktnom konverzijom u bežičnim mobilnim telefonima. Superheterodinski RF uređaji koriste višestepene miksere, filtere i višenaponske kontrolirane oscilatore (VCO), koji se dobro koriste već dugi niz godina, ali integracija RF uređaja s izravnom frekvencijskom konverzijom može uvelike smanjiti ukupan broj GSM RF komponenti. Krajem 1990 -ih, tipični jednosistemski superheterodinski RF podsistem uključivao je PA, antenski prekidač, LDO, RF sa malim signalom i vctcxo, za koje je bilo potrebno oko 200 diskretnih uređaja; Danas možemo dizajnirati sistem direktne konverzije frekvencije sa četvoropojasnom funkcijom, koji integriše VCO, VCXO i PLL filter petlje, ali je njegov broj komponenti manji od 50. Slika 1: četvoropojasni GSM primopredajnik sa visokom integracijom.

Na primjer, primopredajnik trf6151 (slika 1) kompanije Texas Instruments za GSM uključuje regulator napona na čipu, VCO i VCO kanal, kontrolu snage PA, blokadu ivice blokatora filtera petlje PLL, kontrolu LNA pojačanja korak po korak i VCXO.

Za dizajnere, napredna integracija pomaže u prevladavanju nekih velikih problema u bežičnom RF -u, među kojima je najosnovniji DC napajanje i regulacija primopredajnika. Tokom poziva, napon baterije će se mijenjati s promjenom temperature i vremena. Osim toga, sprečavanje buke iz izvora napajanja TX VCO i Rx VCO također će utjecati na performanse cijelog sistema. Stoga se dizajneri suočavaju s problemom kako riješiti regulator RF ploča i većinu srodnih pasivnih komponenti. Integriranje ovih uređaja u RF primopredajnik znači da je jedina potrebna vanjska komponenta jednostavan kondenzator za odvajanje, koji je direktno povezan s izvorom napajanja, što ne samo da pojednostavljuje dizajn, već i štedi prostor na ploči.

Još jedan izazov za RF dizajnere je raspon podešavanja VCO -a i vrijeme zaključavanja. U svim analognim VCO izvedbama. Budući da je često potrebno uravnotežiti vrijeme zaključavanja i raspon podešavanja, filter petlje se obično postavlja izvan čipa. Ponekad se to može riješiti softverskom kontrolom raspona podešavanja VCO. Međutim, ova metoda postavlja dodatne zahtjeve za resursima za cjelokupni razvoj telefona. Kada je funkcija digitalnog ugađanja uključena u VCO i može omogućiti samokalibraciju, može se postići prošireni raspon ugađanja, a element petlje u petlji može se postaviti u čip. Očigledno, ova shema može omogućiti inženjerima dizajna da pojednostave svoj rad.

Da bi dobili kontrolu snage predajnika koju zahtijeva GSM sistem, proizvođači PA općenito uključuju ovu funkciju u modul pojačala snage (PAM). Kontroler snage obično se sastoji od do hiljada digitalnih CMOS kapija, koje su izrađene u nezavisnom čipu u PAM -u. Ovaj element će povećati cijenu PAM -a za 0.30 ~ 0.40 USD. Integriranje ove funkcije u RF uređaje omogućit će proizvođačima GaAs PAM -a da ne kupuju digitalna CMOS kola i instaliraju ih u PAM. Za OEM -a koji proizvodi tisuće proizvoda svakog mjeseca, uklanjanje ove suvišne komponente uvelike će smanjiti njihove troškove.

Još jedno područje u kojem napredna integracija može donijeti značajne uštede je VCXO. Ranije su skupi vctcxo moduli kupovani i dizajnirani u RF uređajima kao diskretne komponente. Stoga uključivanje zajedničkih komponenti vctcxo modula u RF uređaje može smanjiti troškove i s tim povezane probleme u dizajnu. Koristeći trf6151, samo su jeftini kristal i varaktor potrebni za dovršetak funkcije vctcxo.

Uprkos ovoj integraciji i pojednostavljenju dizajna, inženjeri RF dizajna i dalje se suočavaju s teškim izborima, od kojih je jedan osjetljivost na ulazu i Rx potrošnja energije. Dobro je poznato da što je veća struja korištena u dizajnu pojačala s niskim šumom (LNA), niže su ukupne karakteristike šuma. Inženjer dizajna mora odrediti ukupni proračun snage prijemnika i zahtjeve nivoa osjetljivosti prijemnika. Međutim, buka se ne smanjuje sa smanjenjem snage. Zapravo, upravo je suprotno. Stoga se, iako može zadovoljiti specifikaciju GSM standarda, dizajneri često moraju zapitati isplati li se platiti cijenu potrošnje energije kako bi se postigao određeni nivo osjetljivosti. Ovo pitanje također objašnjava zašto je potrebno da inženjeri dizajna i proizvođači IC blisko sarađuju u cijelom procesu projektiranja. Povratne informacije inženjera dizajna mogu uputiti proizvođače IC -a da bolje služe bežičnoj industriji pri razvoju budućih RF proizvoda.

Razvoj prema SOC -u

Smanjenje troškova, snage i složenosti bežičnih sistema vrlo je važno za uspješno ispunjavanje zahtjeva sistemske integracije. Međutim, razvoj rješenja visoke integracije za mobilne telefone zahtijeva od industrije poluvodiča da prevlada složene tehničke prepreke. Neke od ovih prepreka dizajneri rijetko zabrinjavaju, jer mnogi od njih ne žele znati kako se SOC uređaji izrađuju, sve dok mogu pružiti potrebne performanse. Stoga je potrebno brzo razumijevanje nekih procesnih tehnologija, koje će utjecati na mogućnosti i dostupnost uređaja koji se koriste u integraciji mobilnih telefona.

Postoji nekoliko mogućih shema za integraciju RF elektronskog sistema mobilnih telefona. Prvo, tradicionalna RF arhitektura može se implementirati u relativno jednostavan bipolarni ili BiCMOS proces koristeći tradicionalnu tehnologiju. Završni RF čip može se sastaviti s digitalnim logičkim funkcijama mobilnih telefona pomoću tehnologije pakiranja s više čipova (tehnologija pakiranja na razini sustava). Iako ova tehnologija ima mnoge prednosti, kao što je korištenje poznatih metoda RF projektiranja i zrelih procesa i tehnologija, teško ju je komercijalizirati zbog visokih troškova i prinosa testnih uređaja.

Osim toga, integracija elektroničkog sistema mobilnih telefona može se postići i naprednim postupkom BiCMOS -a (SiGe). Međutim, budući da obrada SiGe HBT uređaja zahtijeva dodatni proces litografije, konačni čip zahtijeva dodatne troškove. U isto vrijeme, budući da SiGe BiCMOS tehnologija ne može koristiti najnapredniji proces litografije, BiCMOS proces obično zaostaje za naprednim digitalnim CMOS procesom. To će dovesti do velikog pritiska za povećanje karakteristika mobilnih telefona i smanjenje troškova. To se ne može riješiti jednostavnom strategijom obrade pločica, jer ova tehnologija ne može u svakom trenutku održati sistemsku logiku ili digitalni dio na najnižoj mogućoj cijeni. Stoga monolitna integracija sistemskog radiofrekvencijskog dijela osnovnog pojasa u BiCMOS -u (ili SiGe) nije dobar izbor.

Konačno rješenje koje se može uzeti u obzir je RF integracija u CMOS, koja se također suočava sa značajnim izazovima. Iako postoji nekoliko CMOS staničnih RF dizajna, oni se u velikoj mjeri temelje na analognim funkcijama. Teško je implementirati analogne miksere, filtere i pojačala s CMOS tehnologijom, a potrošnja energije općenito je veća od SiGe BiCMOS sheme. Razvojem procesne tehnologije, razina CMOS -a je sve niža i niža, što otežava analogni dizajn. U ranoj fazi razvoja novih procesa, modeliranje uređaja i zrelost procesa općenito ne mogu zadovoljiti zahtjeve visokopreciznog modeliranja parametara potrebnih za dizajn analognih modula. Međutim, nedavno razvijena digitalna CMOS RF arhitektura čini monolitnu CMOS integraciju atraktivnijom.

Ova rješenja također pokreću industriju poluvodiča jer proizvođači traže jeftina čip rješenja na nivou RF sistema. Iako svaka integracijska shema ima poteškoća, zaista je iznenađujuće da integracija RF komponenti može doseći tako visok nivo. Prevazilaženje ovih poteškoća učinit će veliki korak naprijed u dizajnu bežičnih mobilnih telefona i postaviti smjer za veću integraciju u bliskoj budućnosti.

Zaključak ovog rada

Još uvijek postoje mnoge poteškoće u RF integraciji. Svaki RF uređaj modernog mobilnog telefona suočava se sa strogim zahtjevima performansi. Zahtev za osetljivost je oko – 106dbm (106db ispod 1 MW) ili veći, a odgovarajući nivo je samo nekoliko mikrovolti; Osim toga, selektivnost, odnosno sposobnost odbacivanja korisnog kanala u susjedni frekvencijski pojas (obično se naziva blokiranje), trebala bi biti reda veličine 60 dB; Osim toga, od sistemskog oscilatora se traži da radi pod vrlo niskim faznim šumom kako bi spriječio da energija blokiranja preklapanja uđe u prijemni pojas. RF integracija je vrlo teška zbog vrlo visokih frekvencija i izuzetno zahtjevnih performansi.

Obrada višefrekventnog standarda donosi pravi izazov cijeloj frekvenciji SOC -a. Nadamo se da će smanjiti pobudu koju generira prijenos frekvencijskog signala. Sadržaj digitalne RF integracije mnogo je više od stavljanja više RF komponenti u jedan čip. Potrebna je nova arhitektura dijeljenja hardvera.

Za dizajnere sistema, trenutni jednostavni, visoko integrirani i isplativi poluvodički uređaji mogu uvelike smanjiti složenost dizajna. Istovremeno, oni mogu obogatiti karakteristike bežičnih uređaja i zadržati veličinu sistema, trajanje baterije i cijenu nepromijenjenim. Novi visoko integrirani RF uređaji mogu također ukloniti neke sporove u dizajnu bežične mreže i uštedjeti dragocjeno vrijeme inženjera.