Μειώστε τον αριθμό των εξαρτημάτων και μειώστε την περιοχή των κυκλώματος μέσω ασύρματης ενσωμάτωσης RF

Στις σημερινές ασύρματες συσκευές, περισσότερα από τα μισά εξαρτήματα στην πλακέτα κυκλώματος είναι αναλογικές συσκευές RF. Επομένως, ένας αποτελεσματικός τρόπος για να μειωθεί η περιοχή της πλακέτας κυκλώματος και η κατανάλωση ενέργειας είναι να πραγματοποιηθεί μεγαλύτερη ενσωμάτωση RF και να αναπτυχθεί προς το τσιπ επιπέδου συστήματος. Αυτό το έγγραφο εισάγει την κατάσταση ανάπτυξης της ενσωμάτωσης RF και προτείνει κάποια αντίμετρα και λύσεις σε ορισμένα από αυτά τα προβλήματα.

Πριν από μερικά χρόνια, στην αγορά των κινητών τηλεφώνων κυριαρχούσαν τηλέφωνα μονής ζώνης και διπλής ζώνης, και η τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε ήταν μόνο ;;; Κρατήστε μια ή δύο κυτταρικές ζώνες συνολικά ;;; Η ίδια μέθοδος διαμόρφωσης, το σύστημα πρόσβασης πολλαπλών καναλιών και το πρωτόκολλο υιοθετούνται στη ζώνη συχνοτήτων συγκράτησης. Αντίθετα, ο σχεδιασμός της σημερινής νέας γενιάς κινητών τηλεφώνων είναι πολύ πιο περίπλοκος και μπορεί να προσφέρει πολλαπλές ζώνες και πολλαπλές λειτουργίες ;;; Διαθέτει προσωπικό δίκτυο Bluetooth, εντοπισμό GPS και άλλες λειτουργίες, ενώ έχουν αρχίσει να εμφανίζονται λειτουργίες λήψης UWB και τηλεόρασης. Επιπλέον, εφαρμογές όπως παιχνίδια, εικόνες, ήχος και βίντεο έχουν γίνει πολύ συνηθισμένες στα κινητά τηλέφωνα.

Το ασύρματο τηλέφωνο γίνεται μια πολύπλοκη συσκευή που ονομάζεται φορητό προσωπικό κέντρο ψυχαγωγίας. Η εξέλιξή του συνεχίζει να προκαλεί περισσότερες προκλήσεις στους σχεδιαστές. Αν και σε σύγκριση με τα κινητά τηλέφωνα με μόνο φωνητική λειτουργία, η νέα γενιά κινητών τηλεφώνων έχει αυξηθεί σημαντικά στην επεξεργασία επικοινωνίας, την επεξεργασία εφαρμογών, τον αριθμό των διεπαφών RF και την ενσωματωμένη χωρητικότητα μνήμης, οι χρήστες εξακολουθούν να αναμένουν ότι τα κινητά τηλέφωνα θα έχουν μικρότερη ένταση, απλοποιημένο σχήμα, χαμηλό τιμή και μεγάλη έγχρωμη οθόνη, μπορεί να παρέχει χρόνο αναμονής και ομιλίας παρόμοιο με τα παραδοσιακά τηλέφωνα φωνής. Διατηρώντας το υπάρχον συνολικό μέγεθος και κατανάλωση ενέργειας, αλλά κάνοντας τη λειτουργία να αυξάνεται εκθετικά, διατηρώντας παράλληλα το συνολικό κόστος του συστήματος αμετάβλητο, όλα αυτά δημιουργούν πολλά προβλήματα στους σχεδιαστές του συστήματος.

Προφανώς, το πρόβλημα αφορά όλα τα μέρη του σχεδιασμού ολόκληρου του συστήματος, καθώς και τους προμηθευτές όλου του ασύρματου περιεχομένου επικοινωνίας και ψυχαγωγίας. Ένας τομέας που είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικός στη μείωση της επιφάνειας του σκάφους και της κατανάλωσης ενέργειας είναι το τμήμα RF του σχεδιασμού ασύρματου συστήματος. Αυτό συμβαίνει επειδή στο σημερινό τυπικό κινητό τηλέφωνο, περισσότερα από τα μισά εξαρτήματα στον πίνακα είναι αναλογικά στοιχεία RF, τα οποία μαζί αντιπροσωπεύουν το 30-40% του συνόλου της περιοχής του σκάφους, όπως τα συστήματα ραδιοσυχνοτήτων Bluetooth, όπως το GPS και το WLAN. αυξήσει τις απαιτήσεις για χώρο.

Η λύση είναι να πραγματοποιηθεί ολοκλήρωση RF μεγάλης κλίμακας και τελικά να εξελιχθεί σε ένα πλήρως ολοκληρωμένο τσιπ επιπέδου συστήματος. Μερικοί σχεδιαστές έβαλαν μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό στην κεραία για να μειώσουν το συνολικό χώρο της πλακέτας κυκλώματος που απαιτείται για τις λειτουργίες RF. Όταν η τεχνολογία ενσωμάτωσης ημιαγωγών μπορεί να ενσωματώσει περισσότερες λειτουργίες σε μία μόνο συσκευή, ο αριθμός των διακριτών συσκευών και ο χώρος της πλακέτας κυκλώματος που χρησιμοποιούνται για τη φιλοξενία αυτών των συσκευών θα μειωθούν αναλόγως. Καθώς η βιομηχανία κινείται προς την ολοκλήρωση τσιπ επιπέδου συστήματος, οι σχεδιαστές θα συνεχίσουν να βρίσκουν νέες τεχνολογίες για να αντιμετωπίσουν την αντίφαση μεταξύ υψηλότερης πολυπλοκότητας RF και μεγαλύτερης διάρκειας ζωής μπαταρίας σε μικρές ασύρματες συσκευές.

Ανάπτυξη της ενσωμάτωσης RF

Μια σημαντική εξέλιξη της ενσωμάτωσης RF εμφανίστηκε πριν από περίπου δύο χρόνια. Εκείνη την εποχή, η ανάπτυξη της τεχνολογίας RF και του ψηφιακού μόντεμ βασικής ζώνης κατέστησε δυνατή την αντικατάσταση των συσκευών RF superheterodyne με δέκτες μετατροπής απευθείας προς τα κάτω σε ασύρματα κινητά τηλέφωνα. Οι συσκευές RF Superheterodyne χρησιμοποιούν ανάμεικτες πολλαπλών σταδίων, φίλτρα και ταλαντωτές πολλαπλών ελεγχόμενων τάσεων (VCO), οι οποίοι έχουν χρησιμοποιηθεί καλά για πολλά χρόνια, αλλά η ενσωμάτωση συσκευών RF άμεσης μετατροπής συχνότητας μπορεί να μειώσει σημαντικά τον συνολικό αριθμό εξαρτημάτων RF GSM. Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, ένα τυπικό υποσύστημα RF superheterodyne μονής ζώνης περιελάμβανε PA, διακόπτη κεραίας, LDO, μικρό σήμα RF και vctcxo, απαιτώντας περίπου 200 διακριτές συσκευές. Σήμερα, μπορούμε να σχεδιάσουμε ένα σύστημα μετατροπής άμεσης συχνότητας με λειτουργία τεσσάρων ζωνών, το οποίο ενσωματώνει φίλτρο βρόχου VCO, VCXO και PLL, αλλά ο αριθμός των εξαρτημάτων του είναι μικρότερος από 50. Εικόνα 1: πομποδέκτης GSM τεσσάρων ζωνών με υψηλή ενσωμάτωση.

Για παράδειγμα, ο πομποδέκτης trf6151 (Σχήμα 1) της Texas Instruments για GSM περιλαμβάνει ρυθμιστή τάσης εντός τσιπ, κανάλι VCO και VCO, έλεγχο ισχύος PA, ανίχνευση αποκλεισμού άκρου φίλτρου βρόχου PLL, έλεγχο βήμα προς βήμα κέρδους LNA και VCXO.

Για τους σχεδιαστές, η προηγμένη ενσωμάτωση βοηθά να ξεπεραστούν ορισμένα σημαντικά προβλήματα στον ασύρματο RF, μεταξύ των οποίων το πιο βασικό είναι η παροχή ρεύματος DC και η ρύθμιση του πομποδέκτη. Κατά τη διάρκεια μιας κλήσης, η τάση της μπαταρίας θα αλλάξει με την αλλαγή θερμοκρασίας και χρόνου. Επιπλέον, η ζεύξη θορύβου από την τροφοδοσία TX VCO και Rx VCO θα επηρεάσει επίσης την απόδοση ολόκληρου του συστήματος. Επομένως, οι σχεδιαστές αντιμετωπίζουν το πρόβλημα του τρόπου επίλυσης του ρυθμιστή πλακέτας κυκλώματος RF και των περισσότερων σχετικών παθητικών εξαρτημάτων. Η ενσωμάτωση αυτών των συσκευών στον πομποδέκτη RF σημαίνει ότι το μόνο εξωτερικό στοιχείο που απαιτείται είναι ένας απλός πυκνωτής αποσύνδεσης, ο οποίος συνδέεται άμεσα με την τροφοδοσία, ο οποίος όχι μόνο απλοποιεί τον σχεδιασμό, αλλά εξοικονομεί επίσης χώρο στην πλακέτα κυκλώματος.

Μια άλλη πρόκληση για τους σχεδιαστές RF είναι το εύρος συντονισμού VCO και ο χρόνος κλειδώματος. Σε όλα τα αναλογικά σχέδια VCO. Επειδή είναι συχνά απαραίτητο να εξισορροπηθεί ο χρόνος κλειδώματος και το εύρος συντονισμού, το φίλτρο βρόχου τοποθετείται συνήθως έξω από το τσιπ. Μερικές φορές, αυτό μπορεί να λυθεί με τον έλεγχο λογισμικού της περιοχής συντονισμού VCO. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος θέτει πρόσθετες απαιτήσεις πόρων για τη συνολική ανάπτυξη του τηλεφώνου. Όταν η λειτουργία ψηφιακού συντονισμού περιλαμβάνεται στο VCO και μπορεί να παρέχει αυτόματη βαθμονόμηση, μπορεί να επιτευχθεί εκτεταμένο εύρος συντονισμού και το στοιχείο φίλτρου βρόχου να τοποθετηθεί στο τσιπ. Προφανώς, αυτό το σχέδιο μπορεί να επιτρέψει στους μηχανικούς σχεδιασμού να απλοποιήσουν το έργο τους.

Προκειμένου να επιτευχθεί ο έλεγχος ισχύος του πομπού που απαιτείται από το σύστημα GSM, οι κατασκευαστές PA συνήθως συμπεριλαμβάνουν αυτήν τη λειτουργία στη μονάδα ενισχυτή ισχύος (PAM). Ο ελεγκτής ισχύος αποτελείται συνήθως από έως και χιλιάδες ψηφιακές πύλες CMOS, οι οποίες κατασκευάζονται σε ανεξάρτητο τσιπ σε PAM. Αυτό το στοιχείο θα αυξήσει το κόστος του PAM κατά 0.30 US $ 0.40. Η ενσωμάτωση αυτής της λειτουργίας σε συσκευές RF θα επιτρέψει στους κατασκευαστές GaAs PAM να μην αγοράζουν ψηφιακά κυκλώματα CMOS και να τα εγκαθιστούν σε PAM. Για έναν ΚΑΕ που παράγει χιλιάδες προϊόντα κάθε μήνα, η αφαίρεση αυτού του περιττού εξαρτήματος θα μειώσει σημαντικά το κόστος τους.

Ένας άλλος τομέας στον οποίο η προηγμένη ενσωμάτωση μπορεί να αποφέρει ουσιαστική εξοικονόμηση είναι το VCXO. Στο παρελθόν, αγοράστηκαν και σχεδιάστηκαν ακριβές μονάδες vctcxo σε συσκευές RF ως διακριτά εξαρτήματα. Επομένως, η ενσωμάτωση κοινών εξαρτημάτων των μονάδων vctcxo σε συσκευές RF μπορεί να μειώσει το κόστος και τα σχετικά προβλήματα σχεδιασμού. Χρησιμοποιώντας το trf6151, απαιτούνται μόνο κρύσταλλο χαμηλού κόστους και varactor για να ολοκληρωθεί η λειτουργία του vctcxo.

Παρά την ολοκλήρωση και την απλοποίηση του σχεδιασμού, οι μηχανικοί σχεδιασμού RF αντιμετωπίζουν ακόμα δύσκολες επιλογές, μία από τις οποίες είναι η ευαισθησία εισόδου και η κατανάλωση ισχύος Rx. Είναι γνωστό ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που χρησιμοποιείται στο σχεδιασμό ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA), τόσο χαμηλότερα είναι τα συνολικά χαρακτηριστικά θορύβου. Ο μηχανικός σχεδιασμού πρέπει να καθορίσει τον συνολικό προϋπολογισμό ισχύος του δέκτη και τις απαιτήσεις επιπέδου ευαισθησίας του δέκτη. Ωστόσο, ο θόρυβος δεν μειώνεται με τη μείωση της ισχύος. Στην πραγματικότητα, είναι το αντίθετο. Επομένως, παρόλο που μπορεί να πληροί τις τυπικές προδιαγραφές GSM, οι σχεδιαστές πρέπει συχνά να αναρωτιούνται αν αξίζει να πληρώσουν το τίμημα στην κατανάλωση ενέργειας για να επιτύχουν ένα συγκεκριμένο επίπεδο ευαισθησίας. Αυτή η ερώτηση εξηγεί επίσης γιατί είναι απαραίτητο οι μηχανικοί σχεδιασμού και οι κατασκευαστές IC να συνεργάζονται στενά σε όλη τη διαδικασία σχεδιασμού. Η ανατροφοδότηση από τους μηχανικούς σχεδιασμού μπορεί να καθοδηγήσει τους κατασκευαστές IC να εξυπηρετήσουν καλύτερα την ασύρματη βιομηχανία κατά την ανάπτυξη μελλοντικών προϊόντων RF.

Αναπτύσσεται προς το SOC

Η μείωση του κόστους, της ισχύος και της πολυπλοκότητας των ασύρματων συστημάτων είναι πολύ σημαντική για την επιτυχή ικανοποίηση των απαιτήσεων ενσωμάτωσης του συστήματος. Ωστόσο, η ανάπτυξη λύσεων υψηλής ενσωμάτωσης για κινητά τηλέφωνα απαιτεί τη βιομηχανία ημιαγωγών να ξεπεράσει σύνθετα τεχνικά εμπόδια. Ορισμένα από αυτά τα εμπόδια σπάνια αφορούν τους σχεδιαστές, επειδή πολλά από αυτά δεν θέλουν να γνωρίζουν πώς κατασκευάζονται οι συσκευές SOC, αρκεί να μπορεί να προσφέρει την απαιτούμενη απόδοση. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να έχουμε μια γρήγορη κατανόηση ορισμένων τεχνολογιών διεργασίας, οι οποίες θα επηρεάσουν την ικανότητα και τη διαθεσιμότητα των συσκευών που χρησιμοποιούνται στην ενσωμάτωση κινητών τηλεφώνων.

Υπάρχουν πολλά εφικτά προγράμματα για την ενσωμάτωση του ηλεκτρονικού συστήματος κινητής τηλεφωνίας RF. Πρώτον, μια παραδοσιακή αρχιτεκτονική RF μπορεί να εφαρμοστεί σε μια σχετικά απλή διαδικασία διπολικής ή BiCMOS χρησιμοποιώντας παραδοσιακή τεχνολογία. Το τελικό τσιπ RF μπορεί να συναρμολογηθεί με ψηφιακές λογικές λειτουργίες κινητού τηλεφώνου χρησιμοποιώντας τεχνολογία συσκευασίας πολλαπλών τσιπ (τεχνολογία συσκευασίας σε επίπεδο συστήματος). Αν και αυτή η τεχνολογία έχει πολλά πλεονεκτήματα, όπως η χρήση γνωστών μεθόδων σχεδιασμού RF και ώριμων διαδικασιών και τεχνολογιών, είναι δύσκολο να εμπορευματοποιηθεί λόγω του υψηλού κόστους και της απόδοσης των συσκευών δοκιμής.

Επιπλέον, η ενσωμάτωση του ηλεκτρονικού συστήματος κινητής τηλεφωνίας μπορεί επίσης να επιτευχθεί με προηγμένη διαδικασία γκοφρέτας BiCMOS (SiGe). Ωστόσο, επειδή η επεξεργασία των συσκευών SiGe HBT απαιτεί επιπλέον διαδικασία λιθογραφίας, το τελικό τσιπ θα απαιτήσει επιπλέον κόστος. Ταυτόχρονα, επειδή η τεχνολογία SiGe BiCMOS δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει την πιο προηγμένη διαδικασία λιθογραφίας, η διαδικασία BiCMOS συνήθως υστερεί πίσω από την προηγμένη ψηφιακή διαδικασία CMOS. Αυτά θα επιφέρουν μεγάλη πίεση για την αύξηση των χαρακτηριστικών των κινητών τηλεφώνων και τη μείωση του κόστους. Δεν μπορεί να λυθεί με μια απλή στρατηγική διαδικασίας γκοφρέτας, επειδή αυτή η τεχνολογία δεν μπορεί να διατηρήσει τη λογική του συστήματος ή το ψηφιακό μέρος στη χαμηλότερη δυνατή τιμή ανά πάσα στιγμή. Επομένως, η μονολιθική ενσωμάτωση του τμήματος RF της βασικής ζώνης συστήματος στο BiCMOS (ή SiGe) δεν είναι καλή επιλογή.

Η τελική λύση που μπορεί να εξεταστεί είναι η ενσωμάτωση RF στο CMOS, η οποία αντιμετωπίζει επίσης σημαντικές προκλήσεις. Αν και υπάρχουν αρκετά σχέδια κυψελοειδούς RF CMOS, αυτά τα σχέδια βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε αναλογικές λειτουργίες. Είναι δύσκολο να εφαρμοστούν αναλογικοί αναμικτήρες, φίλτρα και ενισχυτές με τεχνολογία CMOS και η κατανάλωση ενέργειας είναι γενικά μεγαλύτερη από το σχέδιο SiGe BiCMOS. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας διεργασιών, το ονομαστικό επίπεδο CMOS γίνεται όλο και χαμηλότερο, γεγονός που καθιστά τον αναλογικό σχεδιασμό πιο δύσκολο. Στο αρχικό στάδιο ανάπτυξης νέων διαδικασιών, η μοντελοποίηση συσκευών και η ωριμότητα της διαδικασίας γενικά δεν μπορούν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις της μοντελοποίησης παραμέτρων υψηλής ακρίβειας που απαιτούνται για το σχεδιασμό αναλογικών μονάδων. Ωστόσο, η πρόσφατα αναπτυγμένη ψηφιακή αρχιτεκτονική CMOS RF καθιστά τη μονολιθική ενσωμάτωση CMOS πιο ελκυστική.

Αυτές οι λύσεις οδηγούν επίσης τη βιομηχανία ημιαγωγών καθώς οι κατασκευαστές αναζητούν λύσεις τσιπ χαμηλού κόστους συστήματος RF. Παρόλο που κάθε σχήμα ενσωμάτωσης έχει δυσκολίες, είναι πράγματι εκπληκτικό το γεγονός ότι η ενσωμάτωση εξαρτημάτων RF μπορεί να φτάσει σε τόσο υψηλό επίπεδο. Η υπέρβαση αυτών των δυσκολιών θα κάνει ένα μεγάλο βήμα μπροστά στο σχεδιασμό ασύρματων κινητών τηλεφώνων και θα θέσει την κατεύθυνση για μεγαλύτερη ενσωμάτωση στο εγγύς μέλλον.

Συμπέρασμα της παρούσας εργασίας

Υπάρχουν ακόμη πολλές δυσκολίες στην ενσωμάτωση RF. Κάθε συσκευή RF του σύγχρονου κινητού τηλεφώνου αντιμετωπίζει αυστηρές απαιτήσεις απόδοσης. Η απαίτηση ευαισθησίας είναι περίπου – 106dbm (106db κάτω από 1 MW) ή υψηλότερη, και το αντίστοιχο επίπεδο είναι μόνο μερικά μικροβολάκια. Επιπλέον, η επιλεκτικότητα, δηλαδή η ικανότητα απόρριψης του χρήσιμου καναλιού στην παρακείμενη ζώνη συχνοτήτων (που συνήθως αναφέρεται ως αποκλεισμός), θα πρέπει να είναι της τάξης των 60dB. Επιπλέον, ο ταλαντωτής συστήματος απαιτείται να λειτουργεί υπό πολύ χαμηλό θόρυβο φάσης για να αποτρέψει την αναδίπλωση της μπλοκαρίσματος από την είσοδο στη ζώνη λήψης. Η ενσωμάτωση RF είναι πολύ δύσκολη λόγω των πολύ υψηλών συχνοτήτων και των εξαιρετικά απαιτητικών απαιτήσεων απόδοσης.

Η επεξεργασία προτύπων πολλαπλών συχνοτήτων φέρνει μια πραγματική πρόκληση σε ολόκληρη τη συχνότητα SOC. Ελπίζεται να μειωθεί η διέγερση που δημιουργείται από τη μετάδοση σήματος ζώνης. Το περιεχόμενο της ψηφιακής ενσωμάτωσης RF είναι πολύ περισσότερο από την τοποθέτηση πολλαπλών στοιχείων RF σε ένα τσιπ. Απαιτείται μια νέα αρχιτεκτονική κοινής χρήσης υλικού.

Για τους σχεδιαστές συστημάτων, οι τρέχουσες απλές, εξαιρετικά ολοκληρωμένες και οικονομικά αποδοτικές συσκευές ημιαγωγών μπορούν να μειώσουν σημαντικά την πολυπλοκότητα του σχεδιασμού. Ταυτόχρονα, μπορούν να εμπλουτίσουν τα χαρακτηριστικά των ασύρματων συσκευών και να διατηρήσουν αμετάβλητα το μέγεθος του συστήματος, τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και το κόστος. Οι νέες εξαιρετικά ενσωματωμένες συσκευές RF μπορούν επίσης να εξαλείψουν ορισμένες διαφορές στον ασύρματο σχεδιασμό και να εξοικονομήσουν πολύτιμο χρόνο από τους μηχανικούς.