Reduïu el nombre de components i reduïu l’àrea targeta de circuits mitjançant la integració sense fils de RF

En els dispositius sense fils actuals, més de la meitat dels components de la placa de circuit són dispositius analògics de RF. Per tant, una manera eficaç de reduir l’àrea de la placa de circuits i el consum d’energia és dur a terme una integració de RF a gran escala i desenvolupar-se cap al xip a nivell de sistema. Aquest article presenta l’estat de desenvolupament de la integració de RF i proposa algunes mesures i solucions a alguns d’aquests problemes.

Fa uns anys, el mercat dels telèfons mòbils estava dominat per telèfons monomodals de banda única i de doble banda, i la tecnologia utilitzada només era ??? Teniu una o dues bandes cel·lulars en total ??? El mateix mètode de modulació, esquema d’accés multicanal i protocol s’adopten a la banda de freqüències de retenció. En canvi, el disseny de la nova generació de telèfons mòbils actuals és molt més complex i pot proporcionar multibanda i multimode ??? Té una xarxa d’àrea personal Bluetooth, posicionament GPS i altres funcions, i han començat a aparèixer funcions de recepció de TV i UWB. A més, aplicacions com ara jocs, imatges, àudio i vídeo s’han convertit en molt habituals als telèfons mòbils.

El telèfon sense fils s’està convertint en un dispositiu complex anomenat centre d’entreteniment personal de mà. La seva tendència de desenvolupament continua comportant més reptes per als dissenyadors. Tot i que en comparació amb els telèfons mòbils amb només funció de veu, la nova generació de telèfons mòbils ha augmentat significativament en el processament de comunicacions, el processament d’aplicacions, el nombre d’interfícies de RF i la capacitat de memòria integrada, els usuaris encara esperen que els telèfons mòbils tinguin un volum més reduït, una forma racionalitzada, baixa preu i pantalla en color gran, pot proporcionar un temps d’espera i conversa similar als telèfons de veu tradicionals. Mantenir la mida global actual i el consum d’energia, però fent que la funció augmenti exponencialment, tot mantenint inalterats els costos generals del sistema, tot això posa molts problemes als dissenyadors del sistema.

Viouslybviament, el problema implica totes les parts del disseny del sistema sencer, així com els proveïdors de tot contingut de comunicació i entreteniment sense fils. Una àrea que és particularment eficaç per reduir l’àrea de la placa i el consum d’energia és la part de RF del disseny del sistema sense fils. Això es deu al fet que en el telèfon mòbil típic actual, més de la meitat dels components de la placa són components RF analògics, que junts representen el 30-40% de tota la superfície de la placa, com ara els sistemes de RF Bluetooth com el GPS i la WLAN. augmentar els requisits d’espai.

La solució és dur a terme una integració de RF a gran escala i, finalment, convertir-se en un xip de nivell de sistema completament integrat. Alguns dissenyadors posen convertidors analògics a digitals a l’antena per reduir l’espai total de la placa de circuit necessari per a les funcions de RF. Quan la tecnologia d’integració de semiconductors pugui integrar més funcions en un sol dispositiu, es reduirà el nombre de dispositius discrets i l’espai de la placa de circuit utilitzat per allotjar aquests dispositius. A mesura que la indústria avança cap a la integració de xips a nivell de sistema, els dissenyadors continuaran trobant noves tecnologies per fer front a la contradicció entre una major complexitat de RF i una major durada de la bateria en petits dispositius sense fils.

Estat de desenvolupament de la integració de RF

Un important desenvolupament de la integració de RF va aparèixer fa uns dos anys. En aquell moment, el desenvolupament de la tecnologia de radiofreqüència i el mòdem de banda base digital van permetre substituir els dispositius de RF superheterodins per receptors de conversió directa directa en telèfons mòbils sense fils. Els dispositius RF superheterodins utilitzen mescladors de diverses etapes, filtres i oscil·ladors controlats per voltatge múltiple (VCO), que s’han utilitzat durant molts anys, però la integració de dispositius RF de conversió directa de freqüència pot reduir considerablement el nombre total de components RF GSM. A finals de la dècada de 1990, un subsistema de RF superheterodí d’una banda típic incloïa PA, commutador d’antena, LDO, RF de senyal petit i vctcxo, que requeria uns 200 dispositius discrets; Avui en dia podem dissenyar un sistema de conversió de freqüència directa amb funció de quatre bandes, que integra el filtre de bucle VCO, VCXO i PLL, però el seu nombre de components és inferior a 50. Figura 1: transceptor GSM de quatre bandes amb alta integració.

Per exemple, el transceptor trf6151 (Figura 1) de Texas Instruments per a GSM inclou regulador de voltatge en xip, canal VCO i VCO, control de potència PA, detecció de bloquejador de vora de filtre de bucle PLL, control pas a pas de guany LNA i VCXO.

Per als dissenyadors, la integració avançada ajuda a superar alguns problemes importants en RF sense fils, entre els quals el més bàsic és la font d’alimentació de CC i la regulació del transceptor. Durant una trucada, la tensió de la bateria canviarà amb el canvi de temperatura i temps. A més, l’acoblament de soroll de la font d’alimentació TX VCO i Rx VCO també afectarà el rendiment de tot el sistema. Per tant, els dissenyadors s’enfronten al problema de com resoldre el regulador de la placa de circuit de RF i la majoria dels components passius relacionats. La integració d’aquests dispositius al transceptor de RF significa que l’únic component extern necessari és un condensador de desacoblament simple, que es connecta directament a la font d’alimentació, cosa que no només simplifica el disseny, sinó que també estalvia espai a la placa de circuit.

Un altre desafiament per als dissenyadors de RF és el rang d’ajust VCO i el temps de bloqueig. En tots els dissenys analògics de VCO. Com que sovint és necessari equilibrar el temps de bloqueig i el rang d’ajust, el filtre de bucle se sol col·locar fora del xip. De vegades, això es pot resoldre mitjançant el control de programari del rang de sintonització de VCO. No obstant això, aquest mètode proposa requisits de recursos addicionals per al desenvolupament general del telèfon. Quan la funció d’afinació digital s’inclou al VCO i pot proporcionar un autocalibratge, es pot obtenir un ampli rang d’afinació i es pot col·locar l’element filtrant de bucle al xip. Schemebviament, aquest esquema pot permetre als enginyers de disseny simplificar el seu treball.

Per obtenir el control de potència del transmissor requerit pel sistema GSM, els fabricants de PA solen incloure aquesta funció al mòdul amplificador de potència (PAM). El controlador de potència sol estar compost per fins a milers de portes digitals CMOS, que es fabriquen en un xip independent en PAM. Aquest element augmentarà el cost de PAM entre 0.30 i 0.40 dòlars EUA. La integració d’aquesta funció en dispositius de RF permetrà als fabricants de GaAs PAM no comprar circuits CMOS digitals i instal·lar-los a PAM. Per a un fabricant d’OEM que produeixi milers de productes cada mes, l’eliminació d’aquest component redundant reduirà considerablement el seu cost.

Un altre àmbit on la integració avançada pot suposar un estalvi considerable és VCXO. En el passat, es compraven mòduls vctcxo costosos i es dissenyaven en dispositius de RF com a components discrets. Per tant, incorporar components comuns dels mòduls vctcxo als dispositius de RF pot reduir els costos i els problemes de disseny relacionats. Utilitzant trf6151, només es necessita un cristall i un varactor de baix cost per completar la funció de vctcxo.

Tot i aquesta integració i simplificació del disseny, els enginyers de disseny de RF encara s’enfronten a decisions difícils, una de les quals és la sensibilitat d’entrada i el consum d’energia Rx. És ben sabut que, com més gran és el corrent utilitzat en el disseny de l’amplificador de baix soroll (LNA), més baixes són les característiques generals del soroll. L’enginyer de disseny ha de determinar el pressupost total de potència del receptor i els requisits de nivell de sensibilitat del receptor. No obstant això, el soroll no disminueix amb la reducció de potència. De fet, és el contrari. Per tant, tot i que pot complir les especificacions estàndard GSM, els dissenyadors sovint s’han de preguntar si val la pena pagar el preu del consum d’energia per assolir un cert nivell de sensibilitat. Aquesta pregunta també explica per què és necessari que els enginyers de disseny i els fabricants de circuits integrats cooperin estretament en tot el procés de disseny. Els comentaris dels enginyers de disseny poden guiar els fabricants d’IC per servir millor la indústria sense fils quan desenvolupin futurs productes de RF.

Desenvolupament cap al SOC

Reduir el cost, la potència i la complexitat dels sistemes sense fils és molt important per complir amb èxit els requisits d’integració del sistema. No obstant això, el desenvolupament de solucions d’alta integració per a telèfons mòbils requereix que la indústria dels semiconductors superi complexos obstacles tècnics. Alguns d’aquests obstacles poques vegades els preocupen els dissenyadors, perquè molts d’ells no volen saber com es fabriquen els dispositius SOC, sempre que puguin proporcionar el rendiment requerit. Per tant, és necessari tenir una comprensió ràpida d’algunes tecnologies de processos, que afectaran la capacitat i la disponibilitat dels dispositius utilitzats en la integració de telèfons mòbils.

Hi ha diversos esquemes factibles per a la integració del sistema electrònic de RF de telefonia mòbil. En primer lloc, una arquitectura de RF tradicional es pot implementar en un procés bipolar o BiCMOS relativament senzill mitjançant la tecnologia tradicional. El xip RF final es pot muntar amb funcions lògiques digitals de telèfons mòbils mitjançant tecnologia d’embalatge de múltiples xips (tecnologia d’embalatge a nivell de sistema). Tot i que aquesta tecnologia té molts avantatges, com ara l’ús de mètodes de disseny de RF coneguts i processos i tecnologies madures, és difícil comercialitzar-lo a causa de l’alt cost i rendiment dels dispositius de prova.

A més, la integració del sistema electrònic de telefonia mòbil també es pot obtenir mitjançant un procés avançat d’hòsties BiCMOS (SiGe). No obstant això, com que el processament de dispositius SiGe HBT requereix un procés de litografia addicional, el xip final requerirà un cost addicional. Al mateix temps, com que la tecnologia SiGe BiCMOS no pot utilitzar el procés de litografia més avançat, el procés BiCMOS sol quedar-se enrere del procés CMOS digital avançat. Aquests comportaran una gran pressió per augmentar les característiques dels telèfons mòbils i reduir els costos. No es pot resoldre amb una simple estratègia de procés d’hòsties, perquè aquesta tecnologia no pot mantenir la lògica del sistema o la part digital al preu més baix possible en tot moment. Per tant, la integració monolítica de la part de RF de la funció de banda base del sistema a BiCMOS (o SiGe) no és una bona opció.

La solució final que es pot considerar és la integració de RF en CMOS, que també afronta reptes considerables. Tot i que hi ha diversos dissenys de RF cel·lular CMOS, aquests dissenys es basen en gran part en funcions analògiques. És difícil implementar mescladors, filtres i amplificadors analògics amb tecnologia CMOS, i el consum d’energia és generalment superior a l’esquema SiGe BiCMOS. Amb el desenvolupament de la tecnologia de processos, el nivell nominal CMOS és cada vegada més baix, cosa que dificulta el disseny analògic. En la fase inicial del desenvolupament de nous processos, el modelatge de dispositius i la maduresa del procés generalment no poden satisfer els requisits de modelatge de paràmetres d’alta precisió requerits per al disseny de mòduls analògics. No obstant això, l’arquitectura digital CMOS RF recentment desenvolupada fa que la integració CMOS monolítica sigui més atractiva.

Aquestes solucions també impulsen la indústria dels semiconductors, ja que els fabricants busquen solucions de xips a nivell de sistema de RF de baix cost. Tot i que cada esquema d’integració té dificultats, és sorprenent que la integració de components de RF pugui assolir un nivell tan alt. Superar aquestes dificultats farà un gran pas endavant en el disseny de telèfons mòbils sense fils i establirà la direcció d’una major integració en un futur proper.

Conclusió d’aquest document

Encara hi ha moltes dificultats en la integració de RF. Tots els dispositius de RF del telèfon mòbil modern s’enfronten a requisits de rendiment estrictes. El requisit de sensibilitat és d’aproximadament -106dbm (106db per sota d’1 MW) o superior, i el nivell corresponent és només d’uns quants microvolts; A més, la selectivitat, és a dir, la capacitat de rebuig del canal útil a la banda de freqüència adjacent (normalment anomenada bloqueig), hauria de ser de l’ordre de 60 dB; A més, cal que l’oscil·lador del sistema funcioni sota un soroll de fase molt baix per evitar que l’energia de bloqueig del plegament entri a la banda receptora. La integració de RF és molt difícil a causa de la freqüència molt alta i els requisits de rendiment extremadament exigents.

El processament de l’estàndard de múltiples freqüències suposa un veritable repte per a tota la freqüència SOC. S’espera reduir l’excitació generada per la transmissió del senyal de banda. El contingut de la integració digital de RF és molt més que posar diversos components de RF en un sol xip. Es necessita una nova arquitectura per compartir maquinari.

Per als dissenyadors de sistemes, els dispositius semiconductors simples, altament integrats i rendibles actuals poden reduir considerablement la complexitat del disseny. Al mateix temps, poden enriquir les característiques dels dispositius sense fils i mantenir la mida del sistema, la durada de la bateria i el cost sense canvis. Els nous dispositius de RF altament integrats també poden eliminar algunes disputes en el disseny sense fils i estalviar el valuós temps dels enginyers.