Reduzieren Sie die Anzahl der Komponenten und reduzieren Sie die Fläche von Platine durch drahtlose HF-Integration

In heutigen drahtlosen Geräten sind mehr als die Hälfte der Komponenten auf der Platine analoge HF-Geräte. Daher besteht ein effektiver Weg zum Reduzieren der Leiterplattenfläche und des Stromverbrauchs darin, eine stärkere HF-Integration durchzuführen und sich in Richtung eines Chips auf Systemebene zu entwickeln. Dieses Papier stellt den Entwicklungsstand der HF-Integration vor und stellt einige Gegenmaßnahmen und Lösungen für einige dieser Probleme vor.

Vor einigen Jahren wurde der Mobiltelefonmarkt von Single-Band- und Dual-Band-Single-Mode-Telefonen dominiert, und die verwendete Technologie war nur??? Halten Sie ein oder zwei Mobilfunkbänder insgesamt??? Dasselbe Modulationsverfahren, Mehrkanal-Zugriffsschema und Protokoll werden im Haltefrequenzband verwendet. Im Gegensatz dazu ist das Design der heutigen neuen Generation von Mobiltelefonen viel komplexer und kann Multiband- und Multimode bieten??? Es verfügt über ein persönliches Bluetooth-Netzwerk, GPS-Positionierung und andere Funktionen, und UWB- und TV-Empfangsfunktionen sind bereits erschienen. Darüber hinaus sind Anwendungen wie Spiele, Bilder, Audio und Video in Mobiltelefonen weit verbreitet.

Drahtlose Telefone werden zu einem komplexen Gerät, das als Handheld Personal Entertainment Center bezeichnet wird. Sein Entwicklungstrend stellt Designer weiterhin vor neue Herausforderungen. Obwohl die neue Generation von Mobiltelefonen im Vergleich zu Mobiltelefonen mit reiner Sprachfunktion in der Kommunikationsverarbeitung, der Anwendungsverarbeitung, der Anzahl der HF-Schnittstellen und der integrierten Speicherkapazität deutlich zugenommen hat, erwarten Benutzer von Mobiltelefonen immer noch ein geringeres Volumen, eine schlanke Form, niedrige Preis und großes Farbdisplay, es kann Standby- und Gesprächszeit ähnlich wie bei herkömmlichen Sprachtelefonen bieten. Die Beibehaltung der bestehenden Gesamtgröße und des Energieverbrauchs, aber eine exponentielle Zunahme der Funktion, während die Gesamtsystemkosten unverändert gehalten werden, stellt die Systemdesigner all dies vor viele Probleme.

Offensichtlich betrifft das Problem alle Teile des gesamten Systemdesigns sowie die Lieferanten aller drahtlosen Kommunikations- und Unterhaltungsinhalte. Ein Bereich, der bei der Reduzierung der Leiterplattenfläche und des Stromverbrauchs besonders effektiv ist, ist der HF-Teil des drahtlosen Systemdesigns. Dies liegt daran, dass in heutigen typischen Mobiltelefonen mehr als die Hälfte der Komponenten auf der Platine analoge HF-Komponenten sind, die zusammen 30-40% der gesamten Platinenfläche ausmachen, wie beispielsweise Bluetooth HF-Systeme wie GPS und WLAN werden ebenfalls stark den Platzbedarf erhöhen.

Die Lösung besteht darin, eine umfassendere HF-Integration durchzuführen und sich schließlich zu einem vollständig integrierten Chip auf Systemebene zu entwickeln. Einige Designer setzen Analog-Digital-Umsetzer in die Antenne ein, um den für HF-Funktionen erforderlichen Gesamtplatz auf der Leiterplatte zu reduzieren. Wenn die Halbleiterintegrationstechnologie mehr Funktionen in einem einzigen Gerät integrieren kann, werden die Anzahl der diskreten Geräte und der Platz auf der Leiterplatte, der zur Unterbringung dieser Geräte verwendet wird, entsprechend reduziert. Da sich die Industrie in Richtung Chipintegration auf Systemebene bewegt, werden Entwickler weiterhin neue Technologien finden, um den Widerspruch zwischen höherer HF-Komplexität und längerer Batterielebensdauer in kleinen drahtlosen Geräten zu überwinden.

Entwicklungsstand der HF-Integration

Eine wichtige Entwicklung der HF-Integration ist vor etwa zwei Jahren erschienen. Damals ermöglichte es die Entwicklung der HF-Technologie und des digitalen Basisbandmodems, superheterodyne HF-Geräte in drahtlosen Mobiltelefonen durch Empfänger mit direkter Abwärtskonvertierung zu ersetzen. Superheterodyne-HF-Geräte verwenden mehrstufige Mischer, Filter und mehrere spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs), die seit vielen Jahren gut verwendet werden, aber die Integration von HF-Geräten mit direkter Frequenzumsetzung kann die Gesamtzahl der GSM-HF-Komponenten stark reduzieren. In den späten 1990er Jahren umfasste ein typisches Einband-Superheterodyn-HF-Subsystem PA, Antennenschalter, LDO, Kleinsignal-HF und vctcxo, was etwa 200 diskrete Geräte erforderte; Heute können wir ein direktes Frequenzumsetzungssystem mit Vierbandfunktion entwickeln, das VCO, VCXO und PLL-Schleifenfilter integriert, aber die Anzahl der Komponenten beträgt weniger als 50. Abbildung 1: Vierband-GSM-Transceiver mit hoher Integration.

Zum Beispiel umfasst der Transceiver trf6151 (Abbildung 1) von Texas Instruments für GSM einen On-Chip-Spannungsregler, VCO- und VCO-Kanal, PA-Leistungssteuerung, PLL-Schleifenfilter-Flankenblocker-Erkennung, LNA-Verstärkungsregelung und VCXO.

Für Designer hilft die fortschrittliche Integration, einige wichtige Probleme bei drahtloser HF zu überwinden, von denen das grundlegendste die Gleichstromversorgung und die Regelung des Transceivers ist. Während eines Anrufs ändert sich die Batteriespannung mit der Temperatur- und Zeitänderung. Darüber hinaus beeinflusst die Rauschkopplung von der TX-VCO- und der Rx-VCO-Stromversorgung die Leistung des gesamten Systems. Daher stehen Designer vor dem Problem, den HF-Leiterplattenregler und die meisten verwandten passiven Komponenten zu lösen. Durch die Integration dieser Geräte in den HF-Transceiver wird als externes Bauteil lediglich ein einfacher Entkopplungskondensator benötigt, der direkt an die Stromversorgung angeschlossen wird, was nicht nur das Design vereinfacht, sondern auch Platz auf der Platine spart.

Eine weitere Herausforderung für HF-Designer ist der VCO-Abstimmbereich und die Sperrzeit. In allen analogen VCO-Designs. Da es oft notwendig ist, die Locking-Zeit und den Abstimmbereich abzugleichen, wird das Loop-Filter normalerweise außerhalb des Chips platziert. Manchmal kann dies in der Softwaresteuerung des VCO-Abstimmbereichs gelöst werden. Dieses Verfahren stellt jedoch zusätzliche Ressourcenanforderungen für die Gesamtentwicklung des Telefons. Wenn die digitale Abstimmfunktion im VCO enthalten ist und eine Selbstkalibrierung ermöglicht, kann ein erweiterter Abstimmbereich erreicht werden und das Schleifenfilterelement kann im Chip platziert werden. Offensichtlich kann dieses Schema Konstrukteuren in die Lage versetzen, ihre Arbeit zu vereinfachen.

Um die vom GSM-System geforderte Sendeleistungssteuerung zu erhalten, bauen PA-Hersteller diese Funktion in der Regel in das Leistungsverstärkermodul (PAM) ein. Der Leistungsregler besteht normalerweise aus bis zu Tausenden von digitalen CMOS-Gates, die in einem unabhängigen Chip in PAM hergestellt werden. Dieses Element erhöht die PAM-Kosten um 0.30 USD ~ 0.40 USD. Die Integration dieser Funktion in HF-Geräte wird es Herstellern von GaAs-PAM ermöglichen, keine digitalen CMOS-Schaltungen zu kaufen und sie in PAM zu installieren. Für einen OEM, der jeden Monat Tausende von Produkten herstellt, wird das Entfernen dieser redundanten Komponente seine Kosten erheblich senken.

Ein weiterer Bereich, in dem eine erweiterte Integration erhebliche Einsparungen bringen kann, ist VCXO. In der Vergangenheit wurden teure vctcxo-Module gekauft und als diskrete Komponenten in HF-Geräten entwickelt. Daher können durch die Integration gemeinsamer Komponenten von vctcxo-Modulen in HF-Geräte Kosten und damit verbundene Designprobleme reduziert werden. Bei Verwendung von trf6151 sind nur ein kostengünstiger Kristall und ein Varaktor erforderlich, um die Funktion von vctcxo zu vervollständigen.

Trotz dieser Integrations- und Designvereinfachung stehen HF-Designingenieure immer noch vor schwierigen Entscheidungen, darunter Eingangsempfindlichkeit und Rx-Leistungsaufnahme. Es ist bekannt, dass die Gesamtrauscheigenschaften umso geringer sind, je größer der Strom ist, der bei der Konstruktion eines rauscharmen Verstärkers (LNA) verwendet wird. Der Konstrukteur muss das Gesamtleistungsbudget des Empfängers und die Anforderungen an den Empfindlichkeitspegel des Empfängers bestimmen. Das Rauschen nimmt jedoch mit der Verringerung der Leistung nicht ab. Tatsächlich ist es das Gegenteil. Obwohl es die GSM-Standardspezifikation erfüllen kann, müssen sich Entwickler daher oft fragen, ob es sich lohnt, den Preis für den Stromverbrauch zu zahlen, um ein bestimmtes Empfindlichkeitsniveau zu erreichen. Diese Frage erklärt auch, warum Konstrukteure und IC-Hersteller im gesamten Designprozess eng zusammenarbeiten müssen. Das Feedback von Entwicklungsingenieuren kann IC-Herstellern helfen, die drahtlose Industrie bei der Entwicklung zukünftiger HF-Produkte besser zu unterstützen.

Entwicklung in Richtung SOC

Die Reduzierung von Kosten, Leistung und Komplexität von drahtlosen Systemen ist sehr wichtig, um die Anforderungen der Systemintegration erfolgreich zu erfüllen. Die Entwicklung hochintegrierter Lösungen für Mobiltelefone erfordert jedoch von der Halbleiterindustrie die Überwindung komplexer technischer Hürden. Einige dieser Hindernisse werden von Designern selten berücksichtigt, da viele von ihnen nicht wissen möchten, wie SOC-Bauelemente hergestellt werden, solange sie die erforderliche Leistung bieten. Daher ist ein schnelles Verständnis einiger Prozesstechnologien erforderlich, die sich auf die Leistungsfähigkeit und Verfügbarkeit von Geräten auswirken, die bei der Mobiltelefonintegration verwendet werden.

There are several feasible schemes for the integration of mobile phone RF electronic system. Firstly, a traditional RF architecture can be implemented in a relatively simple bipolar or BiCMOS process using traditional technology. The final RF chip can be assembled with mobile phone digital logic functions using multi chip packaging technology (system level packaging technology). Although this technology has many advantages, such as using familiar RF design methods and mature processes and technologies, it is difficult to commercialize due to the high cost and yield of test devices.

Darüber hinaus kann die Integration des elektronischen Systems von Mobiltelefonen auch durch einen fortschrittlichen BiCMOS (SiGe)-Waferprozess erreicht werden. Da die Verarbeitung von SiGe-HBT-Bauelementen jedoch einen zusätzlichen Lithographieprozess erfordert, wird der endgültige Chip zusätzliche Kosten verursachen. Da die SiGe-BiCMOS-Technologie nicht den fortschrittlichsten Lithographieprozess verwenden kann, hinkt der BiCMOS-Prozess normalerweise dem fortschrittlichen digitalen CMOS-Prozess hinterher. Diese werden großen Druck ausüben, die Eigenschaften von Mobiltelefonen zu verbessern und Kosten zu senken. Es kann nicht mit einer einfachen Waferprozessstrategie gelöst werden, da diese Technologie die Systemlogik oder den digitalen Teil nicht immer zum niedrigstmöglichen Preis halten kann. Daher ist die monolithische Integration des HF-Teils mit Systembasisbandfunktion in BiCMOS (oder SiGe) keine gute Wahl.

Als letzte Lösung kommt die HF-Integration in CMOS in Betracht, die ebenfalls vor erheblichen Herausforderungen steht. Obwohl es mehrere zellulare CMOS-HF-Designs gibt, basieren diese Designs größtenteils auf analogen Funktionen. Es ist schwierig, analoge Mischer, Filter und Verstärker mit CMOS-Technologie zu implementieren, und der Stromverbrauch ist im Allgemeinen höher als beim SiGe-BiCMOS-Schema. Mit der Entwicklung der Prozesstechnologie wird das CMOS-Nennniveau immer niedriger, was das analoge Design erschwert. In der frühen Phase der Entwicklung neuer Prozesse können die Gerätemodellierung und die Prozessreife im Allgemeinen die Anforderungen einer hochpräzisen Parametermodellierung, die für das Design analoger Module erforderlich sind, nicht erfüllen. Die kürzlich entwickelte digitale CMOS-RF-Architektur macht jedoch die monolithische CMOS-Integration attraktiver.

Diese Lösungen treiben auch die Halbleiterindustrie voran, da Hersteller nach kostengünstigen HF-Chiplösungen auf Systemebene suchen. Obwohl jedes Integrationsschema Schwierigkeiten hat, ist es in der Tat überraschend, dass die HF-Komponentenintegration ein so hohes Niveau erreichen kann. Die Überwindung dieser Schwierigkeiten wird einen großen Schritt vorwärts im Design von drahtlosen Mobiltelefonen machen und die Richtung für eine stärkere Integration in naher Zukunft vorgeben.

Fazit dieser Arbeit

Es gibt noch viele Schwierigkeiten bei der HF-Integration. Jedes HF-Gerät moderner Mobiltelefone ist mit strengen Leistungsanforderungen konfrontiert. Die Empfindlichkeitsanforderung beträgt etwa – 106 dBm (106 dB unter 1 MW) oder höher, und der entsprechende Wert beträgt nur wenige Mikrovolt; Außerdem sollte die Selektivität, d. h. die Sperrfähigkeit des Nutzkanals zum benachbarten Frequenzband (allgemein als Sperrung bezeichnet) in der Größenordnung von 60 dB liegen; Außerdem muss der Systemoszillator unter sehr geringem Phasenrauschen arbeiten, um zu verhindern, dass Faltungsblockierungsenergie in das Empfangsband eintritt. Die HF-Integration ist aufgrund der sehr hohen Frequenz und der extrem anspruchsvollen Leistungsanforderungen sehr schwierig.

Die Verarbeitung von Mehrfrequenzstandards stellt eine echte Herausforderung für die gesamte SOC-Frequenz dar. Es wird gehofft, die durch die In-Band-Signalübertragung erzeugte Anregung zu reduzieren. Der Inhalt der digitalen HF-Integration ist viel mehr als die Unterbringung mehrerer HF-Komponenten in einem Chip. Eine neue Architektur des Hardware-Sharings ist erforderlich.

Für Systemdesigner können die derzeitigen einfachen, hochintegrierten und kostengünstigen Halbleiterbauelemente die Designkomplexität stark reduzieren. Gleichzeitig können sie die Eigenschaften von drahtlosen Geräten bereichern und die Systemgröße, Batterielebensdauer und Kosten unverändert lassen. Die neuen hochintegrierten HF-Geräte können auch einige Streitigkeiten im drahtlosen Design beseitigen und den Ingenieuren wertvolle Zeit sparen.