Riduce u numeru di cumpunenti è riduce l’area di circuit board attraversu integrazione RF senza filu

In i dispositivi wireless di oggi, più di a metà di i cumpunenti nantu à u circuitu sò dispositivi RF analogichi. Dunque, un modu efficace per riduce l’area di u circuitu è ​​u cunsumu d’energia hè di realizà una integrazione RF più larga è sviluppà versu u chip di livellu di u sistema. Questu documentu introduce u statutu di sviluppu di l’integrazione RF, è presenta alcune contromisure è soluzioni per alcuni di questi prublemi.

Qualchì annu fà, u mercatu di i telefunini cellulari era duminatu da telefoni monomodali à banda singola è à doppia banda, è a tecnulugia aduprata era solu ??? Tenite una o duie bande di cellulare in tuttu ??? U listessu metudu di modulazione, schema d’accessu multicanale è protocolu sò aduttati in a banda di frequenza di tenuta. In cuntrastu, u cuncepimentu di a nova generazione d’oghje di telefunini cellulari hè assai più cumplessu è pò furnisce multi-band è multi-mode ??? Hà una rete di spaziu persunale Bluetooth, posizionamentu GPS è altre funzioni, è e funzioni di ricezione UWB è TV anu cuminciatu à cumparisce. Inoltre, l’applicazioni cum’è ghjochi, immagini, audio è video sò diventate assai cumuni in i telefuni cellulari.

U telefunu wireless diventa un dispositivu cumplessu chjamatu centru di divertimentu persunale di manu. A so tendenza di sviluppu cuntinueghja à purtà di più sfide à i cuncettori. Ancu se paragunatu cù i telefoni cellulari cù solu funzione vocale, a nova generazione di telefoni mobili hè aumentata significativamente in l’elaborazione di cumunicazione, l’elaborazione di l’applicazioni, u numeru di interfacce RF è capacità di memoria integrata, l’utenti aspettanu sempre chì i telefoni cellulari anu un volume più chjucu, una forma simplificata, bassa prezzu è grande visualizazione in culore, Pò furnisce un tempu di standby è di parlata simili à i telefuni vocali tradiziunali. Mantenendu a dimensione generale esistente è u cunsumu d’energia, ma fendu cresce a funzione di manera espunenziale, mantenendu u costu generale di u sistema senza cambià, tutti questi ponenu assai prublemi à i cuncettori di u sistema.

Ovviamente, u prublema implica tutte e parti di tuttu u cuncepimentu di u sistema, è ancu i fornitori di tutti i cuntenuti di cumunicazione wireless è di divertimentu. Una zona chì hè particularmente efficace in a riduzzione di l’area di u bordu è di u cunsumu d’energia hè a parte RF di u cuncepimentu di u sistema wireless. Hè perchè in u telefuninu tipicu d’oghje, più di a metà di i cumpunenti nantu à u bordu sò cumpunenti RF analogichi, chì inseme contanu u 30-40% di tutta l’area di u bordu, cum’è i sistemi RF Bluetooth cum’è GPS è WLAN seranu ancu assai aumentà i requisiti per u spaziu.

A soluzione hè di realizà più integrazione RF à grande scala è infine sviluppà in un chip di livellu di sistema cumpletamente integratu. Alcuni cuncettori mettenu convertitori analogicu-numericu in l’antenna per riduce u spaziu totale di u circuitu necessariu per e funzioni RF. Quandu a tecnulugia di integrazione di semiconduttori pò integrà più funzioni in un unicu dispositivu, u numeru di dispositivi discreti è u spaziu di u circuitu adupratu per accoglie questi dispositivi sarà riduttu in cunsiquenza. Quandu l’industria avanza versu l’integrazione di chip à livellu di u sistema, i cuncettori continueranu à truvà tecnulugie nove per scuntrà a cuntradizzione trà una cumplessità RF più alta è una vita più longa di a batteria in picculi dispositivi wireless.

Statu di sviluppu di l’integrazione RF

Un sviluppu impurtante di l’integrazione RF hè apparsu circa dui anni fà. À quellu tempu, u sviluppu di a tecnulugia RF è di u modem di banda digitale digitale hà permessu di rimpiazzà i dispositivi RF supereterodini cù ricevitori di cunversione diretta in telefuninu wireless. I dispositivi RF supereterodini utilizanu miscelatori multistage, filtri è oscillatori cuntrullati à tensione multipla (VCO), chì sò stati bè aduprati da parechji anni, ma l’integrazione di dispositivi RF di cunversione di frequenza diretta pò riduce assai u numeru totale di cumpunenti RF GSM. À a fine di l’anni 1990, un tipicu sottosistema RF superheterodinu à banda unica includia PA, interruttore d’antenna, LDO, picculu signale RF è vctcxo, chì necessitanu circa 200 dispositivi discreti; Oghje, pudemu cuncepisce un sistema di cunversione di frequenza diretta cù funzione à quattru bande, chì integra u filtru di ciclu VCO, VCXO è PLL, ma u so numeru di cumpunenti hè menu di 50. Figura 1: transceiver GSM à quattru bande cù alta integrazione.

Per esempiu, u ricetrasmettitore trf6151 (Figura 1) di Texas Instruments per GSM include regulatore di tensione on-chip, canali VCO è VCO, cuntrollu di potenza PA, rilevazione di blocker di bordu di filtru di ciclu PLL, guadagnu LNA cuntrollu step-by-step è VCXO.

Per i cuncettori, l’integrazione avanzata aiuta à superà alcuni prublemi maiò in RF wireless, frà i quali u più basicu hè l’alimentazione DC è a regulazione di u ricetrasmettitore. Durante una chjamata, a tensione di a batteria cambierà cù u cambiamentu di temperatura è di tempu. Inoltre, l’accoppiamentu di rumore da TX VCO è Rx VCO alimentazione influenzerà ancu e prestazioni di tuttu u sistema. Dunque, i cuncettori si trovanu di fronte à u prublema di cume risolve u regulatore di u circuitu RF è a maiò parte di i cumpunenti passivi cunnessi. Integrazione di sti dispositivi in ​​u ricetrasmittente RF significa chì l’unicu cumpunente esternu necessariu hè un simplice condensatore di disaccoppiu, chì hè direttamente cunnessu à l’alimentazione elettrica, chì non solu simplifica u cuncepimentu, ma risparmia ancu u spaziu di u circuitu.

Un’altra sfida per i cuncettori RF hè a gamma di sintonizazione VCO è u tempu di bloccu. In tutti i disegni VCO analogichi. Perchè hè spessu necessariu per equilibrà u tempu di bloccaggio è a gamma di sintonizazione, u filtru di ciclu hè generalmente piazzatu fora di u chip. A volte, questu pò esse risoltu in u cuntrollu di u software di a gamma di accordu VCO. Tuttavia, stu metudu prupone richieste di risorse addiziunali per u sviluppu generale di u telefunu. Quandu a funzione di sintonizazione digitale hè inclusa in u VCO è pò furnisce autocalibrazione, una gamma di sintonizazione estesa pò esse ottenuta, è l’elementu di filtru di ciclu pò esse piazzatu in u chip. Ovviamente, stu schema pò permette à l’ingegneri di cuncepimentu di simplificà u so travagliu.

Per uttene u cuntrollu di potenza di u trasmettitore richiestu da u sistema GSM, i pruduttori di PA includenu generalmente sta funzione in u modulu di amplificatore di potenza (PAM). U controller di potenza hè di solitu cumpostu da finu à migliaia di porte digitali CMOS, chì sò fatte in un chip indipendente in PAM. Questu elementu aumenterà u costu di PAM da US $ 0.30 ~ 0.40. L’integrazione di sta funzione in i dispositivi RF permetterà à i pruduttori GaAs PAM di micca cumprà circuiti digitali CMOS è installalli in PAM. Per un OEM chì produce migliaia di prudutti ogni mese, a rimozione di questu componente ridondante riduce assai u so costu.

Un’altra area induve l’integrazione avanzata pò purtà un risparmiu sustanziale hè VCXO. In u passatu, i moduli vctcxo costosi eranu acquistati è cuncepiti in dispositivi RF cume cumpunenti discreti. Dunque, l’incorporazione di cumpunenti cumuni di moduli vctcxo in dispositivi RF pò riduce i costi è i prublemi cunnessi di cuncepimentu. Aduprendu trf6151, solu un cristallu à pocu costu è varactor sò richiesti per compie a funzione di vctcxo.

Malgradu queste integrazione è simplificazione di cuncepimentu, l’ingegneri di cuncepimentu RF facenu sempre scelte difficiule, una di e quali hè a sensibilità à l’ingressu è u cunsumu d’energia Rx. Hè ben cunnisciutu chì più grande hè a corrente aduprata in a cuncezzione di un amplificatore à bassu rumore (LNA), più basse sò e caratteristiche di rumore generale. L’ingegneru di cuncepimentu deve determinà u bilanciu di potenza totale di u ricevitore è i requisiti di livellu di sensibilità di u ricevitore. Tuttavia, u rumu ùn diminuisce micca cù a riduzione di putenza. In fatti, hè u cuntrariu. Dunque, ancu se pò risponde à e specifiche standard GSM, i cuncettori devenu spessu dumandassi se vale a pena di pagà u prezzu in cunsumu d’energia per ghjunghje à un certu livellu di sensibilità. Sta dumanda spiega ancu perchè hè necessariu per l’ingegneri di cuncepimentu è i produttori di IC di cooperà strettamente in tuttu u prucessu di cuncepimentu. I feedback di l’ingegneri di cuncepimentu ponu guidà i pruduttori IC per serve megliu l’industria senza fili quandu sviluppanu futuri prudutti RF.

Sviluppà versu SOC

Riduce i costi, a putenza è a cumplessità di i sistemi senza fili hè assai impurtante per soddisfà cù successu i requisiti di l’integrazione di u sistema. Tuttavia, u sviluppu di soluzioni di alta integrazione per i telefoni cellulari richiede à l’industria di i semiconduttori di superà ostaculi tecnichi cumplessi. Alcuni di sti ostaculi sò raramente cuncernati da i cuncettori, perchè parechji di elli ùn volenu micca sapè cumu sò fatti i dispositivi SOC, Finchè pò furnisce e prestazioni richieste. Dunque, hè necessariu avè una rapida comprensione di alcune tecnologie di prucessu, chì influenzeranu a capacità è a dispunibilità di dispositivi aduprati in l’integrazione di u telefuninu.

Ci hè parechji schemi fattibili per l’integrazione di u sistema elettronicu RF di telefuninu mobile. Prima, una architettura RF tradiziunale pò esse implementata in un prucessu relativamente simplice bipolare o BiCMOS aduprendu a tecnulugia tradiziunale. U chip RF finale pò esse assemblatu cù funzioni logiche digitali di telefuninu mobile aduprendu a tecnulugia di imballu multi chip (tecnulugia di imballu à livellu di sistema). Benchì sta tecnulugia abbia parechji vantaghji, cume l’usu di metudi di cuncepimentu RF cunosciuti è di processi è tecnologie maturi, hè difficiule di cummercializà per via di u costu elevatu è di u rendimentu di i dispositivi di prova.

Inoltre, l’integrazione di u sistema elettronicu di telefuninu mobile pò ancu esse ottenuta da un prucessu avanzatu di cialde BiCMOS (SiGe). Tuttavia, perchè l’elaborazione di dispositivi SiGe HBT richiede un prucessu di litografia addizionale, u chip finale richiederà un costu addizionale. In listessu tempu, perchè a tecnulugia SiGe BiCMOS ùn pò micca aduprà u prucessu di litografia più avanzatu, u prucessu BiCMOS di solitu hè in ritardu da u prucessu CMOS digitale avanzatu. Queste purteranu una grande pressione per aumentà e caratteristiche di i telefuni cellulari è riduce i costi. Ùn pò micca esse risoltu cù una strategia simplice di prucessu di cialde, perchè sta tecnulugia ùn pò micca tene a logica di u sistema o a parte digitale à u prezzu u più bassu in ogni momentu. Dunque, l’integrazione monolitica di a funzione baseband di u sistema parte RF in BiCMOS (o SiGe) ùn hè micca una bona scelta.

A soluzione finale chì pò esse cunsiderata hè l’integrazione RF in CMOS, chì face ancu sfide considerevoli. Ancu s’ellu ci sò parechji disegni RF cellulari CMOS, questi disegni sò largamente basati nantu à funzioni analogiche. Hè difficiule di mette in opera mischjeri, filtri è amplificatori analogichi cù a tecnulugia CMOS, è u cunsumu d’energia hè generalmente più grande di u schema SiGe BiCMOS. Cù u sviluppu di a tecnulugia di prucessu, u livellu classificatu CMOS diventa sempre più bassu, ciò chì rende u cuncepimentu analogicu più difficiule. In u stadiu iniziale di u sviluppu di novi prucessi, a mudellazione di i dispositivi è a maturità di i processi generalmente ùn ponu micca soddisfà i requisiti di mudellazione di parametri di alta precisione richiesti per a cuncezzione di moduli analogichi. Tuttavia, l’architettura digitale CMOS RF sviluppata recentemente rende più attraente l’integrazione CMOS monolitica.

Queste soluzioni guidanu ancu l’industria di i semiconduttori postu chì i pruduttori cercanu soluzioni di chip à livellu di sistema RF à prezzu. Ancu se ogni schema d’integrazione hà difficultà, hè veramente surpresu chì l’integrazione di cumpunenti RF possi ghjunghje à un livellu cusì altu. A superazione di ste difficultà farà un grande passu in avanti in a cuncezzione di telefoni cellulari senza fili è stabilisce a direzzione per una integrazione più grande in un futuru vicinu.

Cunclusione di sta carta

Ci hè sempre parechje difficultà in l’integrazione RF. Ogni dispositivu RF di u telefuninu mudernu mudernu hè di fronte à esigenze strette di prestazione. U requisitu di sensibilità hè di circa – 106dbm (106db sottu à 1 MW) o superiore, è u livellu currispundente hè solu pochi microvolt; Inoltre, a selettività, vale à dì, a capacità di rigettu di u canali utili à a banda di frequenza adiacente (cumunemente chjamata bluccamentu), duveria esse in l’ordine di 60dB; Inoltre, l’oscillatore di u sistema hè necessariu per operà sottu à un rumore di fase assai bassu per impedisce l’energia di bloccaggio di u piegamentu chì entra in a banda di ricezione. L’integrazione RF hè assai difficiule per via di a frequenza assai alta è di esigenze di prestazione estremamente esigenti.

L’elaborazione di u standard multi-frequenza porta una vera sfida à tutta a frequenza SOC. Si spera di riduce l’eccitazione generata da a trasmissione di u segnale di banda. U cuntenutu di l’integrazione digitale RF hè assai più cà mette parechji cumpunenti RF in un chip. Hè necessaria una nova architettura di spartera hardware.

Per i cuncepitori di sistemi, l’attuali dispositivi semiconduttori semplici, altamente integrati è efficienti ponu riduce assai a cumplessità di cuncepimentu. In listessu tempu, ponu arricchisce e caratteristiche di i dispositivi wireless è mantene a dimensione di u sistema, a durata di a batteria è u costu senza cambià. I novi dispositivi RF altamente integrati ponu ancu eliminà alcune dispute in cuncepimentu wireless è risparmià u preziosu tempu di l’ingegneri.