Snižte počet součástí a zmenšete plochu deska prostřednictvím bezdrátové RF integrace

V dnešních bezdrátových zařízeních jsou více než polovina komponent na desce s obvody analogová RF zařízení. Účinným způsobem, jak snížit plochu plošných spojů a spotřebu energie, je tedy provádět rozsáhlejší integraci RF a vyvíjet se směrem k čipu na úrovni systému. Tento článek představuje stav vývoje RF integrace a navrhuje některá protiopatření a řešení některých z těchto problémů.

Před několika lety na trhu mobilních telefonů dominovaly jednopásmové a dvoupásmové telefony s jedním režimem a použitá technologie byla pouze ??? Držet jedno nebo dvě mobilní pásma dohromady ??? Stejná metoda modulace, vícekanálové přístupové schéma a protokol jsou přijaty v udržovacím frekvenčním pásmu. Naproti tomu design dnešní nové generace mobilních telefonů je mnohem složitější a může poskytovat vícepásmové a vícerežimové ??? Má osobní síť Bluetooth, určování polohy GPS a další funkce a začaly se objevovat funkce přijímání ZČU a TV. V mobilních telefonech se navíc velmi rozšířily aplikace jako hry, obrázky, audio a video.

Bezdrátový telefon se stává komplexním zařízením nazývaným ruční osobní zábavní centrum. Jeho vývojový trend stále přináší designérům další výzvy. Přestože ve srovnání s mobilními telefony s pouze hlasovou funkcí se nová generace mobilních telefonů výrazně zvýšila v oblasti zpracování komunikace, zpracování aplikací, počtu RF rozhraní a kapacity integrované paměti, uživatelé stále očekávají, že mobilní telefony budou mít menší objem, efektivnější tvar, nižší cena a velký barevný displej, může poskytnout pohotovostní režim a dobu hovoru podobnou tradičním hlasovým telefonům. Zachování stávající celkové velikosti a spotřeby energie, ale aby funkce rostla exponenciálně, při zachování celkových nákladů na systém beze změny, to vše představuje pro návrháře systému mnoho problémů.

Problém očividně zahrnuje všechny části návrhu celého systému a také dodavatele veškerého bezdrátového komunikačního a zábavního obsahu. Jednou oblastí, která je zvláště účinná při snižování plochy desky a spotřeby energie, je RF část návrhu bezdrátového systému. Důvodem je, že v dnešním typickém mobilním telefonu jsou více než polovina komponent na desce analogové RF komponenty, které dohromady tvoří 30-40% celé plochy desky, například Bluetooth RF systémy jako GPS a WLAN také výrazně zvýšit požadavky na prostor.

Řešením je provést rozsáhlejší integraci RF a nakonec se vyvinout v plně integrovaný čip na úrovni systému. Někteří návrháři vložili do antény analogově-digitální převodníky, aby se zmenšil celkový prostor na desce potřebný pro RF funkce. Když technologie integrace polovodičů může integrovat více funkcí do jednoho zařízení, počet diskrétních zařízení a prostor na desce plošných spojů použitý k umístění těchto zařízení se odpovídajícím způsobem sníží. Jak se průmysl pohybuje směrem k integraci čipů na úrovni systému, budou designéři i nadále hledat nové technologie, které by splňovaly rozpor mezi vyšší složitostí RF a delší životností baterie v malých bezdrátových zařízeních.

Stav vývoje RF integrace

Před dvěma lety se objevil důležitý vývoj RF integrace. V té době vývoj RF technologie a digitálního modemu v základním pásmu umožnil nahradit superheterodynové RF zařízení přijímači s přímou konverzí dolů v bezdrátových mobilních telefonech. Superheterodynová RF zařízení používají vícestupňové mixéry, filtry a více napěťově řízené oscilátory (VCO), které se dobře používají již mnoho let, ale integrace RF zařízení s přímou frekvenční konverzí může výrazně snížit celkový počet RF RF komponentů. Na konci devadesátých let typický jednopásmový superheterodynový RF subsystém zahrnoval PA, anténní přepínač, LDO, malý signál RF a vctcxo, vyžadující asi 1990 diskrétních zařízení; Dnes můžeme navrhnout systém přímé frekvenční konverze se čtyřpásmovou funkcí, který integruje smyčkový filtr VCO, VCXO a PLL, ale jeho počet komponent je menší než 200. Obrázek 50: čtyřpásmový GSM transceiver s vysokou integrací.

Například transceiver trf6151 trf1 (obrázek XNUMX) společnosti Texas Instruments pro GSM obsahuje regulátor napětí na čipu, kanál VCO a VCO, řízení výkonu PA, detekci hran blokovače smyčky PLL, krokové ovládání zisku LNA a VCXO.

Pokročilá integrace konstruktérům pomáhá překonat některé hlavní problémy bezdrátového RF, mezi které patří nejzákladnější napájení DC a regulace vysílače. Během hovoru se napětí baterie mění se změnou teploty a času. Kromě toho hluková vazba z napájecího zdroje TX VCO a Rx VCO ovlivní také výkon celého systému. Proto se konstruktéři potýkají s problémem, jak vyřešit regulátor desky plošných spojů RF a většinu souvisejících pasivních komponent. Integrace těchto zařízení do RF vysílače znamená, že jedinou požadovanou externí komponentou je jednoduchý odpojovací kondenzátor, který je přímo připojen k napájecímu zdroji, což nejen zjednodušuje konstrukci, ale také šetří místo na desce s obvody.

Další výzvou pro návrháře RF je rozsah ladění VCO a doba blokování. Ve všech analogových provedeních VCO. Protože je často nutné vyvážit dobu blokování a rozsah ladění, je smyčkový filtr obvykle umístěn mimo čip. Někdy to lze vyřešit softwarovým řízením rozsahu ladění VCO. Tato metoda však předkládá další požadavky na zdroje pro celkový vývoj telefonu. Když je funkce digitálního ladění zahrnuta do VCO a může poskytovat vlastní kalibraci, lze získat rozšířený rozsah ladění a filtrační prvek smyčky lze umístit do čipu. Toto schéma samozřejmě umožňuje konstruktérům zjednodušit práci.

Aby se dosáhlo řízení výkonu vysílače požadovaného systémem GSM, výrobci PA obecně tuto funkci zařazují do modulu výkonového zesilovače (PAM). Regulátor výkonu se obvykle skládá až z tisíců digitálních bran CMOS, které jsou vyrobeny v nezávislém čipu v PAM. Tento prvek zvýší náklady na PAM o 0.30 až 0.40 USD. Integrace této funkce do RF zařízení umožní výrobcům GaAs PAM nekupovat digitální obvody CMOS a instalovat je do PAM. Pokud výrobce OEM vyrábí tisíce produktů každý měsíc, odstranění této nadbytečné součásti výrazně sníží jejich náklady.

Další oblastí, kde pokročilá integrace může přinést značné úspory, je VCXO. V minulosti byly zakoupeny drahé moduly vctcxo a navrženy v RF zařízeních jako diskrétní součásti. Začlenění běžných komponent modulů vctcxo do RF zařízení proto může snížit náklady a související problémy s návrhem. Pomocí trf6151 jsou k dokončení funkce vctcxo zapotřebí pouze levné krystaly a varactor.

Navzdory této integraci a zjednodušení návrhu čelí návrháři RF stále obtížným rozhodnutím, z nichž jednou je vstupní citlivost a spotřeba energie Rx. Je dobře známo, že čím větší je proud použitý v konstrukci zesilovače s nízkým šumem (LNA), tím nižší jsou celkové charakteristiky šumu. Konstruktér musí určit celkový rozpočet výkonu přijímače a požadavky na úroveň citlivosti přijímače. Snížením výkonu se však hluk nesnižuje. Ve skutečnosti je to naopak. Přestože se může designér setkat se specifikací standardu GSM, musí si často položit otázku, zda stojí za to zaplatit cenu za spotřebu energie, aby dosáhl určité úrovně citlivosti. Tato otázka také vysvětluje, proč je nutné, aby konstruktéři a výrobci integrovaných obvodů úzce spolupracovali na celém procesu návrhu. Zpětná vazba od konstruktérů může vést výrobce IC k lepšímu využití bezdrátového průmyslu při vývoji budoucích RF produktů.

Rozvoj směrem k SOC

Snížení nákladů, výkonu a složitosti bezdrátových systémů je velmi důležité pro úspěšné splnění požadavků systémové integrace. Vývoj vysoce integrovaných řešení pro mobilní telefony však vyžaduje, aby polovodičový průmysl překonal složité technické překážky. Některé z těchto překážek se návrháři zřídka týkají, protože mnoho z nich nechce vědět, jak jsou zařízení SOC vyráběna, pokud může poskytnout požadovaný výkon. Proto je nutné rychle porozumět některým technologickým technologiím, které ovlivní schopnost a dostupnost zařízení používaných při integraci mobilních telefonů.

Existuje několik proveditelných schémat pro integraci RF elektronického systému mobilního telefonu. Za prvé, tradiční RF architekturu lze implementovat v relativně jednoduchém bipolárním nebo BiCMOS procesu pomocí tradiční technologie. Konečný RF čip může být sestaven s digitálními logickými funkcemi mobilního telefonu pomocí technologie balení více čipů (technologie balení na úrovni systému). Přestože tato technologie má mnoho výhod, jako je použití známých metod návrhu RF a vyspělé procesy a technologie, je obtížné ji komercializovat kvůli vysokým nákladům a výtěžku testovacích zařízení.

Integraci elektronického systému mobilního telefonu lze navíc získat také pokročilým procesem oplatky BiCMOS (SiGe). Protože však zpracování zařízení SiGe HBT vyžaduje další litografický proces, bude konečný čip vyžadovat dodatečné náklady. Vzhledem k tomu, že technologie SiGe BiCMOS nemůže používat nejpokročilejší litografický proces, proces BiCMOS obvykle zaostává za pokročilým digitálním procesem CMOS. Ty přinesou velký tlak na zvýšení vlastností mobilních telefonů a snížení nákladů. Nelze to vyřešit jednoduchou strategií procesu oplatky, protože tato technologie nemůže udržovat systémovou logiku nebo digitální část vždy na nejnižší možné ceně. Monolitická integrace RF části funkce základního pásma systému v BiCMOS (nebo SiGe) proto není dobrou volbou.

Konečným řešením, které lze zvážit, je RF integrace do CMOS, která také čelí značným výzvám. Ačkoli existuje několik návrhů CMOS celulárních RF, tyto návrhy jsou z velké části založeny na analogových funkcích. Je obtížné implementovat analogové směšovače, filtry a zesilovače pomocí technologie CMOS a spotřeba energie je obecně vyšší než u schématu SiGe BiCMOS. S vývojem procesní technologie se úroveň hodnocení CMOS snižuje a snižuje, což ztěžuje analogový design. V rané fázi vývoje nových procesů modelování zařízení a procesní vyspělost obecně nemohou splňovat požadavky na vysoce přesné modelování parametrů požadované pro návrh analogových modulů. Nedávno vyvinutá digitální architektura CMOS RF však činí monolitickou integraci CMOS atraktivnější.

Tato řešení také pohání polovodičový průmysl, protože výrobci hledají nízkonákladová čipová řešení na úrovni RF systému. Ačkoli každé integrační schéma má potíže, je skutečně překvapivé, že integrace RF komponent může dosáhnout tak vysoké úrovně. Překonání těchto obtíží udělá velký krok vpřed při navrhování bezdrátových mobilních telefonů a stanoví směr pro větší integraci v blízké budoucnosti.

Závěr tohoto příspěvku

Při integraci RF je stále mnoho obtíží. Každé RF zařízení moderního mobilního telefonu čelí přísným požadavkům na výkon. Požadavek citlivosti je přibližně – 106 dBm (106 dB pod 1 MW) nebo vyšší a odpovídající úroveň je pouze několik mikrovoltů; Selektivita, tj. Schopnost odmítnutí užitečného kanálu do sousedního frekvenčního pásma (běžně označované jako blokování), by navíc měla být v řádu 60 dB; Kromě toho je systémový oscilátor povinen pracovat při velmi nízkém fázovém šumu, aby se zabránilo vstupu energie skládacího blokování do přijímacího pásma. RF integrace je velmi obtížná kvůli velmi vysoké frekvenci a extrémně náročným požadavkům na výkon.

Zpracování vícefrekvenčního standardu přináší skutečnou výzvu pro celou frekvenci SOC. Doufáme, že se sníží buzení generované přenosem signálu v pásmu. Obsah digitální RF integrace je mnohem více než pouhé vložení více RF komponentů do jednoho čipu. Je zapotřebí nová architektura sdílení hardwaru.

Pro návrháře systémů mohou současná jednoduchá, vysoce integrovaná a nákladově efektivní polovodičová zařízení výrazně snížit složitost návrhu. Současně mohou obohatit vlastnosti bezdrátových zařízení a zachovat beze změny velikost systému, životnost baterie a náklady. Nová vysoce integrovaná RF zařízení mohou také eliminovat některé spory v bezdrátovém designu a šetřit drahocenný čas techniků.