Reducer antallet af komponenter og reducer arealet af kredsløbsplade gennem trådløs RF -integration

I dagens trådløse enheder er mere end halvdelen af ​​komponenterne på printkortet analoge RF -enheder. Derfor er en effektiv måde at reducere kredsløbskortets område og strømforbrug ved at udføre mere storstilet RF-integration og udvikle sig mod chip på systemniveau. Dette papir introducerer udviklingsstatus for RF -integration og fremsætter nogle modforanstaltninger og løsninger på nogle af disse problemer.

For et par år siden var mobiltelefonmarkedet domineret af single-band og dual-band single-mode telefoner, og den anvendte teknologi var kun ??? Holde et eller to mobilbånd i alt ??? Den samme moduleringsmetode, multi-channel adgangskema og protokol vedtages i holdefrekvensbåndet. I modsætning hertil er designet af nutidens nye generation af mobiltelefoner meget mere komplekst og kan levere multi-band og multi-mode ??? Det har et personligt Bluetooth -netværk, GPS -positionering og andre funktioner, og UWB- og tv -modtagelsesfunktioner er begyndt at dukke op. Derudover er applikationer som spil, billeder, lyd og video blevet meget almindelige i mobiltelefoner.

Trådløs telefon er ved at blive en kompleks enhed kaldet håndholdt personligt underholdningscenter. Dens udviklingstendens fortsætter med at bringe designere flere udfordringer. Selvom den nye generation af mobiltelefoner sammenlignet med mobiltelefoner med kun stemmefunktion er steget betydeligt inden for kommunikationsbehandling, applikationsbehandling, antallet af RF -grænseflader og integreret hukommelseskapacitet, forventer brugerne stadig, at mobiltelefoner har mindre volumen, strømlinet form, lav pris og stort farvedisplay, Det kan give standby og taletid svarende til traditionelle telefoner. Vedligeholdelse af den eksisterende overordnede størrelse og strømforbrug, men at få funktionen til at stige eksponentielt, samtidig med at den samlede systemomkostning opretholdes uændret, udgør alle disse mange problemer for systemdesignerne.

Det er klart, at problemet involverer alle dele af hele systemdesignet samt leverandører af alt trådløst kommunikations- og underholdningsindhold. Et område, der er særligt effektivt til at reducere pladeareal og strømforbrug, er RF -delen af ​​det trådløse systemdesign. Dette skyldes, at i dagens typiske mobiltelefon er mere end halvdelen af ​​komponenterne på tavlen analoge RF-komponenter, der tilsammen tegner sig for 30-40% af hele kortets område, såsom Bluetooth RF-systemer som GPS og WLAN også vil i høj grad øge kravene til plads.

Løsningen er at udføre mere omfattende RF-integration og endelig udvikle sig til en fuldt integreret chip på systemniveau. Nogle designere sætter analog-til-digital-omformere ind i antennen for at reducere det samlede printkort, der kræves til RF-funktioner. Når halvlederintegrationsteknologi kan integrere flere funktioner i en enkelt enhed, reduceres antallet af diskrete enheder og kredsløbsområdet, der bruges til at rumme disse enheder, i overensstemmelse hermed. Når industrien bevæger sig mod chipintegration på systemniveau, vil designere fortsat finde nye teknologier for at imødegå modsætningen mellem højere RF -kompleksitet og længere batterilevetid i små trådløse enheder.

Udviklingsstatus for RF -integration

En vigtig udvikling inden for RF -integration dukkede op for cirka to år siden. På det tidspunkt gjorde udviklingen af ​​RF -teknologi og digitalt basebandsmodem det muligt at udskifte superheterodyne RF -enheder med direkte ned -konverteringsmodtagere i trådløse mobiltelefoner. Superheterodyne RF -enheder bruger multistage -mixere, filtre og flere spændingsstyrede oscillatorer (VCO’er), som har været godt brugt i mange år, men integrationen af ​​direkte frekvensomformning RF -enheder kan i høj grad reducere det samlede antal GSM RF -komponenter. I slutningen af ​​1990’erne inkluderede et typisk enkeltbånds superheterodyne RF -undersystem PA, antennekontakt, LDO, lille signal RF og vctcxo, der kræver omkring 200 diskrete enheder; I dag kan vi designe et direkte frekvensomformningssystem med fire bånds funktion, som integrerer VCO, VCXO og PLL loop filter, men dets antal komponenter er mindre end 50. Figur 1: fire bånd GSM transceiver med høj integration.

For eksempel inkluderer transceiveren trf6151 (figur 1) fra Texas Instruments for GSM on-chip spændingsregulator, VCO- og VCO-kanal, PA-strømstyring, PLL-loopfilterkantdetektering, LNA-forstærkning trinvis kontrol og VCXO.

For designere hjælper avanceret integration med at overvinde nogle store problemer inden for trådløs RF, blandt hvilke den mest basale er DC -strømforsyningen og regulering af transceiveren. Under et opkald ændres batterispændingen med ændringen af ​​temperatur og tid. Derudover vil støjkoblingen fra TX VCO og Rx VCO strømforsyning også påvirke hele systemets ydeevne. Derfor står designere over for problemet med, hvordan man løser RF -printkortregulatoren og de fleste relaterede passive komponenter. Integrering af disse enheder i RF -transceiveren betyder, at den eneste eksterne komponent, der kræves, er en simpel afkoblingskondensator, som er direkte forbundet til strømforsyningen, hvilket ikke kun forenkler designet, men også sparer plads på printkortet.

En anden udfordring for RF -designere er VCO -tuninginterval og låsetid. I alle analoge VCO -designs. Fordi det ofte er nødvendigt at afbalancere låsetiden og indstillingsområdet, placeres sløjfe -filteret normalt uden for chippen. Nogle gange kan dette løses i softwarekontrollen af ​​VCO -tuningsområdet. Denne metode stiller imidlertid yderligere ressourcekrav til den overordnede udvikling af telefon. Når den digitale tuningsfunktion er inkluderet i VCO og kan levere selvkalibrering, kan der opnås et udvidet tuninginterval, og loopfilterelementet kan placeres i chippen. Denne ordning kan naturligvis gøre designingeniører i stand til at forenkle deres arbejde.

For at opnå transmitterens effektstyring, der kræves af GSM -systemet, inkluderer PA -producenter generelt denne funktion i effektforstærkermodulet (PAM). Strømkontrollen består normalt af op til tusinder af digitale CMOS -porte, som er fremstillet i en uafhængig chip i PAM. Dette element øger omkostningerne ved PAM med 0.30 ~ 0.40 $. Integrering af denne funktion i RF -enheder gør det muligt for GaAs PAM -producenter ikke at købe digitale CMOS -kredsløb og installere dem i PAM. For en OEM, der producerer tusindvis af produkter hver måned, vil fjernelse af denne overflødige komponent i høj grad reducere deres omkostninger.

Et andet område, hvor avanceret integration kan medføre betydelige besparelser, er VCXO. Tidligere blev dyre vctcxo -moduler købt og designet i RF -enheder som diskrete komponenter. Derfor kan inkorporering af fælles komponenter i vctcxo -moduler i RF -enheder reducere omkostninger og relaterede designproblemer. Ved brug af trf6151 kræves kun en billig krystal og varactor for at fuldføre vctcxos funktion.

På trods af denne integration og designforenkling står RF -designingeniører stadig over for vanskelige valg, hvoraf det ene er inputfølsomhed og Rx -strømforbrug. Det er velkendt, at jo større strøm der bruges til design af lav støjforstærker (LNA), jo lavere er de samlede støjkarakteristika. Designingeniøren skal bestemme modtagerens samlede strømbudget og kravene til følsomhedsniveau for modtageren. Støjen falder imidlertid ikke med reduktionen af ​​strøm. Faktisk er det modsat. Selvom det kan opfylde GSM -standardspecifikationen, må designere derfor ofte spørge sig selv, om det er værd at betale prisen i strømforbrug for at opnå et vist følsomhedsniveau. Dette spørgsmål forklarer også, hvorfor det er nødvendigt for designingeniører og IC -producenter at samarbejde tæt i hele designprocessen. Feedback fra designingeniører kan guide IC -producenter til bedre at betjene den trådløse industri, når de udvikler fremtidige RF -produkter.

Udvikling mod SOC

Det er meget vigtigt at reducere omkostningerne, strømmen og kompleksiteten af ​​trådløse systemer for at kunne opfylde kravene til systemintegration. Imidlertid kræver udviklingen af ​​højintegrationsløsninger til mobiltelefoner halvlederindustrien at overvinde komplekse tekniske forhindringer. Nogle af disse forhindringer er sjældent bekymrede for designere, fordi mange af dem ikke ønsker at vide, hvordan SOC -enheder fremstilles, så længe det kan levere den nødvendige ydelse. Derfor er det nødvendigt at have en hurtig forståelse af nogle procesteknologier, som vil påvirke kapaciteten og tilgængeligheden af ​​enheder, der bruges til mobiltelefonintegration.

Der er flere mulige ordninger for integration af mobiltelefonens RF -elektroniske system. For det første kan en traditionel RF -arkitektur implementeres i en relativt enkel bipolar eller BiCMOS -proces ved hjælp af traditionel teknologi. Den sidste RF -chip kan samles med mobiltelefonens digitale logiske funktioner ved hjælp af multi -chip -emballage -teknologi (emballage -teknologi på systemniveau). Selvom denne teknologi har mange fordele, såsom brug af velkendte RF -designmetoder og modne processer og teknologier, er det svært at kommercialisere på grund af de høje omkostninger og udbytte af testudstyr.

Derudover kan integrationen af ​​mobiltelefonens elektroniske system også opnås ved avanceret BiCMOS (SiGe) wafer -proces. Fordi behandlingen af ​​SiGe HBT -enheder kræver yderligere litografiproces, kræver den sidste chip imidlertid en ekstra omkostning. På samme tid, fordi SiGe BiCMOS -teknologien ikke kan bruge den mest avancerede litografiproces, halter BiCMOS -processen normalt bag den avancerede digitale CMOS -proces. Disse vil medføre stort pres for at øge mobiltelefonernes egenskaber og reducere omkostningerne. Det kan ikke løses med en simpel wafer -processtrategi, fordi denne teknologi ikke til enhver tid kan holde systemlogikken eller den digitale del til den lavest mulige pris. Derfor er monolitisk integration af systembasebandsfunktions RF -del i BiCMOS (eller SiGe) ikke et godt valg.

Den endelige løsning, der kan overvejes, er RF -integration i CMOS, som også står over for betydelige udfordringer. Selvom der er flere CMOS cellulære RF -designs, er disse designs stort set baseret på analoge funktioner. Det er svært at implementere analoge blandere, filtre og forstærkere med CMOS -teknologi, og strømforbruget er generelt større end SiGe BiCMOS -ordningen. Med udviklingen af ​​procesteknologi bliver CMOS -niveauet lavere og lavere, hvilket gør analogt design vanskeligere. I den tidlige fase af udviklingen af ​​nye processer kan enhedsmodellering og procesmodenhed generelt ikke opfylde kravene til højpræcisionsparametermodellering, der kræves til analog moduldesign. Den nyligt udviklede digitale CMOS RF -arkitektur gør den monolitiske CMOS -integration imidlertid mere attraktiv.

Disse løsninger driver også halvlederindustrien, da producenter søger billige RF-systemchipløsninger til lav pris. Selvom hver integrationsordning har vanskeligheder, er det faktisk overraskende, at integration af RF -komponenter kan nå et så højt niveau. At overvinde disse vanskeligheder vil tage et stort skridt fremad i designet af trådløse mobiltelefoner og sætte retning for større integration i den nærmeste fremtid.

Afslutning på dette papir

Der er stadig mange vanskeligheder ved RF -integration. Hver RF -enhed i moderne mobiltelefoner står over for strenge krav til ydeevne. Følsomhedskravet er cirka – 106dbm (106db under 1 MW) eller højere, og det tilsvarende niveau er kun få mikrovolt; Desuden bør selektivitet, det vil sige afvisningsevnen for den nyttige kanal til det tilstødende frekvensbånd (almindeligvis omtalt som blokering), være i størrelsesordenen 60dB; Derudover skal systemoscillatoren fungere under meget lav fasestøj for at forhindre, at foldning blokerer energi i at komme ind i det modtagende bånd. RF -integration er meget vanskelig på grund af de meget høje frekvenser og ekstremt krævende ydelseskrav.

Behandling af multifrekvensstandard bringer en reel udfordring for hele SOC -frekvensen. Det håbes at reducere excitation genereret af i båndsignaltransmission. Indholdet i digital RF -integration er meget mere end at sætte flere RF -komponenter i en chip. En ny arkitektur for hardware -deling er nødvendig.

For systemdesignere kan de nuværende enkle, meget integrerede og omkostningseffektive halvlederanordninger reducere designkompleksiteten i høj grad. Samtidig kan de berige egenskaberne ved trådløse enheder og bevare systemstørrelsen, batterilevetiden og omkostningerne uændrede. De nye meget integrerede RF -enheder kan også eliminere nogle tvister i trådløst design og spare ingeniørers værdifulde tid.