Lleihau nifer y cydrannau a lleihau arwynebedd bwrdd cylched trwy integreiddio RF diwifr

Yn y dyfeisiau diwifr heddiw, mae mwy na hanner y cydrannau ar y bwrdd cylched yn ddyfeisiau RF analog. Felly, ffordd effeithiol o leihau ardal y bwrdd cylched a’r defnydd o bŵer yw cyflawni mwy o integreiddio RF ar raddfa fawr a datblygu tuag at sglodion lefel system. Mae’r papur hwn yn cyflwyno statws datblygu integreiddio RF, ac yn cyflwyno rhai gwrthfesurau ac atebion i rai o’r problemau hyn.

Ychydig flynyddoedd yn ôl, roedd y farchnad ffôn symudol yn cael ei dominyddu gan ffonau un modd band sengl a band deuol, a dim ond ??? oedd y dechnoleg a ddefnyddiwyd ??? Dal un neu ddau fand cellog i gyd ??? Mabwysiadir yr un dull modiwleiddio, cynllun mynediad aml-sianel a phrotocol yn y band amledd daliad. Mewn cyferbyniad, mae dyluniad cenhedlaeth newydd heddiw o ffonau symudol yn llawer mwy cymhleth a gall ddarparu aml-fand ac aml-fodd ??? Mae ganddo rwydwaith ardal bersonol Bluetooth, lleoli GPS a swyddogaethau eraill, ac mae swyddogaethau derbyn PCB a theledu wedi dechrau ymddangos. Yn ogystal, mae cymwysiadau fel gemau, delweddau, sain a fideo wedi dod yn gyffredin iawn mewn ffonau symudol.

Mae ffôn diwifr yn dod yn ddyfais gymhleth o’r enw canolfan adloniant personol llaw. Mae ei duedd ddatblygu yn parhau i ddod â mwy o heriau i ddylunwyr. Er eu bod yn cael eu cymharu â ffonau symudol sydd â swyddogaeth llais yn unig, mae’r genhedlaeth newydd o ffonau symudol wedi cynyddu’n sylweddol mewn prosesu cyfathrebu, prosesu cymwysiadau, nifer y rhyngwynebau RF a gallu cof integredig, mae defnyddwyr yn dal i ddisgwyl bod gan ffonau symudol gyfaint llai, siâp symlach, isel pris ac arddangosfa lliw mawr, Gall ddarparu amser wrth gefn a siarad tebyg i ffonau llais traddodiadol. Gan gynnal y maint cyffredinol presennol a’r defnydd pŵer, ond gwneud i’r swyddogaeth gynyddu’n esbonyddol, wrth gynnal cost gyffredinol y system yn ddigyfnewid, mae’r rhain i gyd yn peri llawer o broblemau i ddylunwyr y system.

Yn amlwg, mae’r broblem yn cynnwys pob rhan o ddyluniad y system gyfan, yn ogystal â chyflenwyr yr holl gynnwys cyfathrebu ac adloniant diwifr. Un maes sy’n arbennig o effeithiol wrth leihau arwynebedd bwrdd a defnydd pŵer yw’r rhan RF o ddylunio system ddi-wifr. Mae hyn oherwydd yn y ffôn symudol nodweddiadol heddiw, mae mwy na hanner y cydrannau ar y bwrdd yn gydrannau RF analog, sydd gyda’i gilydd yn cyfrif am 30-40% o holl ardal y bwrdd, fel systemau RF Bluetooth fel GPS a WLAN hefyd yn fawr. cynyddu’r gofynion ar gyfer lle.

Yr ateb yw cyflawni mwy o integreiddio RF ar raddfa fawr ac yn olaf datblygu i fod yn sglodyn lefel system cwbl integredig. Mae rhai dylunwyr yn rhoi trawsnewidyddion analog-i-ddigidol yn yr antena i leihau cyfanswm y gofod bwrdd cylched sy’n ofynnol ar gyfer swyddogaethau RF. Pan all technoleg integreiddio lled-ddargludyddion integreiddio mwy o swyddogaethau mewn un ddyfais, bydd nifer y dyfeisiau arwahanol a’r gofod bwrdd cylched a ddefnyddir i ddarparu ar gyfer y dyfeisiau hyn yn cael ei leihau yn unol â hynny. Wrth i’r diwydiant symud tuag at integreiddio sglodion ar lefel system, bydd dylunwyr yn parhau i ddod o hyd i dechnolegau newydd i gwrdd â’r gwrthddywediad rhwng cymhlethdod RF uwch a bywyd batri hirach mewn dyfeisiau diwifr bach.

Statws datblygu integreiddio RF

Ymddangosodd datblygiad pwysig o integreiddio RF tua dwy flynedd yn ôl. Bryd hynny, roedd datblygu technoleg RF a modem baseband digidol yn ei gwneud hi’n bosibl disodli dyfeisiau RF superheterodyne gyda derbynyddion trosi uniongyrchol i lawr mewn ffonau symudol diwifr. Mae dyfeisiau RF Superheterodyne yn defnyddio cymysgwyr multistage, hidlwyr ac oscillatwyr dan reolaeth foltedd lluosog (VCOs), sydd wedi’u defnyddio’n dda ers blynyddoedd lawer, ond gall integreiddio dyfeisiau RF trosi amledd uniongyrchol leihau cyfanswm nifer y cydrannau GSM RF yn fawr. Ar ddiwedd y 1990au, roedd is-system RF band superheterodyne nodweddiadol yn cynnwys PA, switsh antena, LDO, signal bach RF a vctcxo, a oedd angen tua 200 o ddyfeisiau arwahanol; Heddiw, gallwn ddylunio system trosi amledd uniongyrchol gyda swyddogaeth pedwar band, sy’n integreiddio hidlydd dolen VCO, VCXO a PLL, ond mae nifer ei gydrannau yn llai na 50. Ffigur 1: transceiver GSM pedwar band ag integreiddio uchel.

Er enghraifft, mae’r transceiver trf6151 (Ffigur 1) o Texas Instruments ar gyfer GSM yn cynnwys rheolydd foltedd ar-sglodion, sianel VCO a VCO, rheolaeth pŵer PA, canfod atalydd ymyl hidlydd dolen PLL, rheolaeth LNA ennill cam wrth gam a VCXO.

Ar gyfer dylunwyr, mae integreiddio datblygedig yn helpu i oresgyn rhai problemau mawr mewn RF diwifr, a’r un mwyaf sylfaenol yw cyflenwad pŵer DC a rheoleiddio’r transceiver. Yn ystod galwad, bydd foltedd y batri yn newid gyda’r newid mewn tymheredd ac amser. Yn ogystal, bydd y cyplydd sŵn o gyflenwad pŵer TX VCO a Rx VCO hefyd yn effeithio ar berfformiad y system gyfan. Felly, mae dylunwyr yn wynebu’r broblem o sut i ddatrys rheolydd bwrdd cylched RF a’r cydrannau goddefol mwyaf cysylltiedig. Mae integreiddio’r dyfeisiau hyn i’r transceiver RF yn golygu mai’r unig gydran allanol sy’n ofynnol yw cynhwysydd datgysylltu syml, sydd wedi’i gysylltu’n uniongyrchol â’r cyflenwad pŵer, sydd nid yn unig yn symleiddio’r dyluniad, ond hefyd yn arbed gofod y bwrdd cylched.

Her arall i ddylunwyr RF yw ystod tiwnio VCO ac amser cloi. Ym mhob dyluniad VCO analog. Oherwydd ei bod yn aml yn angenrheidiol cydbwyso’r amser cloi a’r ystod tiwnio, mae’r hidlydd dolen fel arfer yn cael ei osod y tu allan i’r sglodyn. Weithiau, gellir datrys hyn wrth reoli meddalwedd ystod tiwnio VCO. Fodd bynnag, mae’r dull hwn yn cyflwyno gofynion adnoddau ychwanegol ar gyfer datblygu ffôn yn gyffredinol. Pan fydd y swyddogaeth tiwnio digidol wedi’i chynnwys yn y VCO ac yn gallu darparu hunan-raddnodi, gellir cael ystod tiwnio estynedig, a gellir gosod yr elfen hidlo dolen yn y sglodyn. Yn amlwg, gall y cynllun hwn alluogi peirianwyr dylunio i symleiddio eu gwaith.

Er mwyn cael y rheolaeth pŵer trosglwyddydd sy’n ofynnol gan y system GSM, mae gweithgynhyrchwyr PA yn gyffredinol yn cynnwys y swyddogaeth hon yn y modiwl mwyhadur pŵer (PAM). Mae’r rheolydd pŵer fel arfer yn cynnwys hyd at filoedd o gatiau CMOS digidol, sy’n cael eu gwneud mewn sglodyn annibynnol yn PAM. Bydd yr elfen hon yn cynyddu cost PAM o US $ 0.30 ~ 0.40. Bydd integreiddio’r swyddogaeth hon i ddyfeisiau RF yn galluogi gweithgynhyrchwyr PAM GaAs i beidio â phrynu cylchedau CMOS digidol a’u gosod yn PAM. Ar gyfer OEM sy’n cynhyrchu miloedd o gynhyrchion bob mis, bydd dileu’r gydran segur hon yn lleihau eu cost yn fawr.

Maes arall lle gall integreiddio datblygedig arwain at arbedion sylweddol yw VCXO. Yn y gorffennol, prynwyd a dyluniwyd modiwlau vctcxo drud mewn dyfeisiau RF fel cydrannau arwahanol. Felly, gall ymgorffori cydrannau cyffredin modiwlau vctcxo mewn dyfeisiau RF leihau costau a phroblemau dylunio cysylltiedig. Gan ddefnyddio trf6151, dim ond grisial a varactor cost isel sy’n ofynnol i gwblhau swyddogaeth vctcxo.

Er gwaethaf y symleiddio integreiddio a dylunio hyn, mae peirianwyr dylunio RF yn dal i wynebu dewisiadau anodd, ac un ohonynt yw sensitifrwydd mewnbwn a defnydd pŵer Rx. Mae’n hysbys mai’r mwyaf yw’r cerrynt a ddefnyddir wrth ddylunio mwyhadur sŵn isel (LNA), yr isaf yw’r nodweddion sŵn cyffredinol. Rhaid i’r peiriannydd dylunio bennu cyfanswm cyllideb pŵer y derbynnydd a gofynion lefel sensitifrwydd y derbynnydd. Fodd bynnag, nid yw’r sŵn yn lleihau gyda gostyngiad mewn pŵer. Mewn gwirionedd, i’r gwrthwyneb. Felly, er y gall fodloni manyleb safonol GSM, yn aml mae’n rhaid i ddylunwyr ofyn i’w hunain a yw’n werth talu’r pris wrth ddefnyddio pŵer i gyrraedd lefel sensitifrwydd benodol. Mae’r cwestiwn hwn hefyd yn esbonio pam ei bod yn angenrheidiol i beirianwyr dylunio a gweithgynhyrchwyr IC gydweithredu’n agos yn yr holl broses ddylunio. Gall yr adborth gan beirianwyr dylunio arwain gweithgynhyrchwyr IC i wasanaethu’r diwydiant diwifr yn well wrth ddatblygu cynhyrchion RF yn y dyfodol.

Datblygu tuag at SOC

Mae lleihau cost, pŵer a chymhlethdod systemau diwifr yn bwysig iawn er mwyn cwrdd â gofynion integreiddio’r system yn llwyddiannus. Fodd bynnag, mae datblygu datrysiadau integreiddio uchel ar gyfer ffonau symudol yn ei gwneud yn ofynnol i’r diwydiant lled-ddargludyddion oresgyn rhwystrau technegol cymhleth. Anaml y mae dylunwyr yn poeni rhai o’r rhwystrau hyn, oherwydd nid yw llawer ohonynt eisiau gwybod sut mae dyfeisiau SOC yn cael eu gwneud, Cyn belled â’i fod yn gallu darparu’r perfformiad gofynnol. Felly, mae angen cael dealltwriaeth gyflym o rai technolegau proses, a fydd yn effeithio ar allu ac argaeledd dyfeisiau a ddefnyddir wrth integreiddio ffonau symudol.

Mae yna sawl cynllun dichonadwy ar gyfer integreiddio system electronig RF ffôn symudol. Yn gyntaf, gellir gweithredu pensaernïaeth RF draddodiadol mewn proses bipolar neu BiCMOS gymharol syml gan ddefnyddio technoleg draddodiadol. Gellir cydosod y sglodyn RF terfynol â swyddogaethau rhesymeg ddigidol ffôn symudol gan ddefnyddio technoleg pecynnu aml-sglodion (technoleg pecynnu ar lefel system). Er bod gan y dechnoleg hon lawer o fanteision, megis defnyddio dulliau dylunio RF cyfarwydd a phrosesau a thechnolegau aeddfed, mae’n anodd masnacheiddio oherwydd cost uchel a chynnyrch dyfeisiau prawf.

Yn ogystal, gellir integreiddio system electronig ffôn symudol hefyd trwy broses wafer BiCMOS (SiGe) ddatblygedig. Fodd bynnag, oherwydd bod angen proses lithograffeg ychwanegol ar gyfer prosesu dyfeisiau SiGe HBT, bydd angen cost ychwanegol ar y sglodyn terfynol. Ar yr un pryd, oherwydd na all technoleg SiGe BiCMOS ddefnyddio’r broses lithograffeg fwyaf datblygedig, mae proses BiCMOS fel arfer ar ei hôl hi o’r broses CMOS ddigidol ddatblygedig. Bydd y rhain yn dod â phwysau mawr i gynyddu nodweddion ffonau symudol a lleihau costau. Ni ellir ei datrys gyda strategaeth broses wafer syml, oherwydd ni all y dechnoleg hon gadw rhesymeg y system na’r rhan ddigidol am y pris isaf posibl bob amser. Felly, nid yw integreiddio monolithig swyddogaeth RF band band sylfaen yn BiCMOS (neu SiGe) yn ddewis da.

Yr ateb olaf y gellir ei ystyried yw integreiddio RF yn CMOS, sydd hefyd yn wynebu heriau sylweddol. Er bod sawl dyluniad RF cellog CMOS, mae’r dyluniadau hyn yn seiliedig i raddau helaeth ar swyddogaethau analog. Mae’n anodd gweithredu cymysgwyr analog, hidlwyr a chwyddseinyddion gyda thechnoleg CMOS, ac mae’r defnydd pŵer yn gyffredinol yn fwy na chynllun SiGe BiCMOS. Gyda datblygiad technoleg broses, mae lefel gradd CMOS yn mynd yn is ac yn is, sy’n gwneud dylunio analog yn anoddach. Yn y cyfnod cynnar o ddatblygu prosesau newydd, yn gyffredinol ni all modelu dyfeisiau ac aeddfedrwydd prosesau fodloni gofynion modelu paramedr manwl uchel sy’n ofynnol ar gyfer dylunio modiwl analog. Fodd bynnag, mae pensaernïaeth ddigidol CMOS RF a ddatblygwyd yn ddiweddar yn gwneud integreiddio CMOS monolithig yn fwy deniadol.

Mae’r atebion hyn hefyd yn gyrru’r diwydiant lled-ddargludyddion wrth i weithgynhyrchwyr geisio datrysiadau sglodion lefel system RF cost isel. Er bod pob cynllun integreiddio yn cael anawsterau, mae’n wir syndod y gall integreiddio cydrannau RF gyrraedd lefel mor uchel. Bydd goresgyn yr anawsterau hyn yn cymryd cam mawr ymlaen wrth ddylunio ffonau symudol diwifr ac yn gosod y cyfeiriad ar gyfer mwy o integreiddio yn y dyfodol agos.

Casgliad y papur hwn

Mae yna lawer o anawsterau o hyd o ran integreiddio RF. Mae pob dyfais RF o ffôn symudol modern yn wynebu gofynion perfformiad llym. Mae’r gofyniad sensitifrwydd tua – 106dbm (106db o dan 1 MW) neu’n uwch, a dim ond ychydig o ficro-foltiau yw’r lefel gyfatebol; Yn ogystal, dylai detholusrwydd, hynny yw, gallu gwrthod y sianel ddefnyddiol i’r band amledd cyfagos (y cyfeirir ato’n gyffredin fel blocio) fod tua 60dB; Yn ogystal, mae’n ofynnol i oscillator y system weithredu o dan sŵn cyfnod isel iawn i atal plygu blocio egni rhag mynd i mewn i’r band derbyn. Mae integreiddio RF yn anodd iawn oherwydd yr amledd uchel iawn a’r gofynion perfformiad heriol iawn.

Mae prosesu safon aml-amledd yn dod â her wirioneddol i’r amledd SOC cyfan. Y gobaith yw lleihau’r cyffro a gynhyrchir wrth drosglwyddo signal band. Mae cynnwys integreiddio RF digidol yn llawer mwy na rhoi cydrannau RF lluosog mewn un sglodyn. Mae angen pensaernïaeth newydd o rannu caledwedd.

Ar gyfer dylunwyr systemau, gall y dyfeisiau lled-ddargludyddion syml, integredig a chost-effeithiol cyfredol leihau cymhlethdod y dyluniad yn fawr. Ar yr un pryd, gallant gyfoethogi nodweddion dyfeisiau diwifr a chadw maint y system, bywyd batri a chost yn ddigyfnewid. Gall y dyfeisiau RF integredig iawn newydd hefyd ddileu rhai anghydfodau mewn dylunio diwifr ac arbed amser gwerthfawr peirianwyr.