Reducir el número de componentes y reducir el área de placa de circuito a través de la integración de RF inalámbrica

En los dispositivos inalámbricos actuales, más de la mitad de los componentes de la placa de circuito son dispositivos de RF analógicos. Por lo tanto, una forma efectiva de reducir el área de la placa de circuito y el consumo de energía es llevar a cabo una integración de RF a mayor escala y desarrollar un chip a nivel de sistema. Este documento presenta el estado de desarrollo de la integración de RF y presenta algunas contramedidas y soluciones a algunos de estos problemas.

Hace unos años, el mercado de la telefonía celular estaba dominado por teléfonos monomodo de banda única y banda dual, y la tecnología utilizada era sólo ??? ¿Tiene una o dos bandas celulares en total? El mismo método de modulación, esquema de acceso multicanal y protocolo se adoptan en la banda de frecuencia de retención. Por el contrario, el diseño de la nueva generación actual de teléfonos móviles es mucho más complejo y puede proporcionar multibanda y multimodo. Tiene red de área personal Bluetooth, posicionamiento GPS y otras funciones, y han comenzado a aparecer funciones de recepción de TV y UWB. Además, aplicaciones como juegos, imágenes, audio y video se han vuelto muy comunes en los teléfonos móviles.

El teléfono inalámbrico se está convirtiendo en un dispositivo complejo llamado centro de entretenimiento personal portátil. Su tendencia de desarrollo continúa presentando más desafíos a los diseñadores. Aunque en comparación con los teléfonos móviles con solo función de voz, la nueva generación de teléfonos móviles ha aumentado significativamente en el procesamiento de la comunicación, el procesamiento de aplicaciones, la cantidad de interfaces de RF y la capacidad de memoria integrada, los usuarios aún esperan que los teléfonos móviles tengan un volumen más pequeño, una forma optimizada, baja precio y pantalla a color de gran tamaño, puede proporcionar tiempo de espera y de conversación similar a los teléfonos de voz tradicionales. Mantener el tamaño general y el consumo de energía existentes, pero hacer que la función aumente exponencialmente, mientras se mantiene el costo general del sistema sin cambios, todo esto plantea muchos problemas a los diseñadores del sistema.

Obviamente, el problema involucra a todas las partes del diseño del sistema completo, así como a los proveedores de todo el contenido de entretenimiento y comunicación inalámbrica. Un área que es particularmente eficaz para reducir el área de la placa y el consumo de energía es la parte de RF del diseño del sistema inalámbrico. Esto se debe a que en el teléfono móvil típico de hoy en día, más de la mitad de los componentes de la placa son componentes de RF analógicos, que en conjunto representan el 30-40% de toda el área de la placa, como los sistemas de RF Bluetooth como GPS y WLAN también lo harán en gran medida. aumentar los requisitos de espacio.

La solución es llevar a cabo una integración de RF a mayor escala y finalmente desarrollar un chip de nivel de sistema totalmente integrado. Algunos diseñadores colocan convertidores de analógico a digital en la antena para reducir el espacio total de la placa de circuito requerido para las funciones de RF. Cuando la tecnología de integración de semiconductores puede integrar más funciones en un solo dispositivo, la cantidad de dispositivos discretos y el espacio de la placa de circuito utilizado para acomodar estos dispositivos se reducirá en consecuencia. A medida que la industria avanza hacia la integración de chips a nivel de sistema, los diseñadores continuarán encontrando nuevas tecnologías para hacer frente a la contradicción entre una mayor complejidad de RF y una mayor duración de la batería en pequeños dispositivos inalámbricos.

Estado de desarrollo de la integración de RF

Hace unos dos años apareció un desarrollo importante de la integración de RF. En ese momento, el desarrollo de la tecnología de RF y el módem de banda base digital hizo posible reemplazar los dispositivos de RF superheterodinos con receptores de conversión descendente directa en teléfonos móviles inalámbricos. Los dispositivos de RF superheterodinos utilizan mezcladores de varias etapas, filtros y osciladores controlados por voltaje múltiple (VCO), que se han utilizado bien durante muchos años, pero la integración de dispositivos de RF de conversión de frecuencia directa puede reducir en gran medida el número total de componentes de RF GSM. A finales de la década de 1990, un subsistema de RF superheterodino de banda única típico incluía PA, conmutador de antena, LDO, RF de pequeña señal y vctcxo, que requería unos 200 dispositivos discretos; Hoy en día, podemos diseñar un sistema de conversión de frecuencia directa con función de cuatro bandas, que integra filtro de lazo VCO, VCXO y PLL, pero su número de componentes es menor a 50. Figura 1: Transceptor GSM de cuatro bandas con alta integración.

Por ejemplo, el transceptor trf6151 (Figura 1) de Texas Instruments para GSM incluye regulador de voltaje en chip, canal VCO y VCO, control de potencia PA, detección de bloqueador de borde de filtro de bucle PLL, control paso a paso de ganancia LNA y VCXO.

Para los diseñadores, la integración avanzada ayuda a superar algunos problemas importantes en la RF inalámbrica, entre los cuales el más básico es la alimentación de CC y la regulación del transceptor. Durante una llamada, el voltaje de la batería cambiará con el cambio de temperatura y tiempo. Además, el acoplamiento de ruido de la fuente de alimentación TX VCO y Rx VCO también afectará el rendimiento de todo el sistema. Por lo tanto, los diseñadores se enfrentan al problema de cómo resolver el regulador de la placa de circuito de RF y la mayoría de los componentes pasivos relacionados. La integración de estos dispositivos en el transceptor de RF significa que el único componente externo requerido es un condensador de desacoplamiento simple, que se conecta directamente a la fuente de alimentación, lo que no solo simplifica el diseño, sino que también ahorra espacio en la placa de circuito.

Otro desafío para los diseñadores de RF es el rango de sintonización de VCO y el tiempo de bloqueo. En todos los diseños de VCO analógicos. Debido a que a menudo es necesario equilibrar el tiempo de bloqueo y el rango de sintonización, el filtro de bucle generalmente se coloca fuera del chip. A veces, esto se puede resolver en el control de software del rango de sintonización de VCO. Sin embargo, este método plantea requisitos de recursos adicionales para el desarrollo general del teléfono. Cuando la función de sintonización digital está incluida en el VCO y puede proporcionar autocalibración, se puede obtener un rango de sintonización extendido y el elemento de filtro de bucle se puede colocar en el chip. Obviamente, este esquema puede permitir a los ingenieros de diseño simplificar su trabajo.

Para obtener el control de potencia del transmisor requerido por el sistema GSM, los fabricantes de PA generalmente incluyen esta función en el módulo amplificador de potencia (PAM). El controlador de potencia suele estar compuesto por hasta miles de puertas CMOS digitales, que se fabrican en un chip independiente en PAM. Este elemento aumentará el costo de PAM en US $ 0.30 ~ 0.40. La integración de esta función en los dispositivos de RF permitirá a los fabricantes de GaAs PAM no comprar circuitos CMOS digitales e instalarlos en PAM. Para un OEM que produce miles de productos cada mes, eliminar este componente redundante reducirá en gran medida su costo.

Otra área en la que la integración avanzada puede generar ahorros sustanciales es VCXO. En el pasado, se compraban y diseñaban costosos módulos vctcxo en dispositivos de RF como componentes discretos. Por lo tanto, la incorporación de componentes comunes de módulos vctcxo en dispositivos de RF puede reducir los costos y los problemas de diseño relacionados. Con trf6151, solo se requieren un cristal y un varactor de bajo costo para completar la función de vctcxo.

A pesar de esta integración y simplificación del diseño, los ingenieros de diseño de RF aún enfrentan decisiones difíciles, una de las cuales es la sensibilidad de entrada y el consumo de energía Rx. Es bien sabido que cuanto mayor sea la corriente utilizada en el diseño del amplificador de bajo ruido (LNA), menores serán las características generales de ruido. El ingeniero de diseño debe determinar el balance de potencia total del receptor y los requisitos de nivel de sensibilidad del receptor. Sin embargo, el ruido no disminuye con la reducción de potencia. De hecho, es todo lo contrario. Por lo tanto, aunque puede cumplir con la especificación estándar GSM, los diseñadores a menudo deben preguntarse si vale la pena pagar el precio en consumo de energía para lograr un cierto nivel de sensibilidad. Esta pregunta también explica por qué es necesario que los ingenieros de diseño y los fabricantes de circuitos integrados cooperen estrechamente en todo el proceso de diseño. Los comentarios de los ingenieros de diseño pueden guiar a los fabricantes de circuitos integrados para brindar un mejor servicio a la industria inalámbrica al desarrollar futuros productos de RF.

Desarrollando hacia el SOC

Reducir el costo, la potencia y la complejidad de los sistemas inalámbricos es muy importante para cumplir con éxito los requisitos de integración de sistemas. Sin embargo, el desarrollo de soluciones de alta integración para teléfonos móviles requiere que la industria de los semiconductores supere obstáculos técnicos complejos. Algunos de estos obstáculos rara vez se preocupan por los diseñadores, porque muchos de ellos no quieren saber cómo se fabrican los dispositivos SOC, siempre que puedan proporcionar el rendimiento requerido. Por lo tanto, es necesario tener una comprensión rápida de algunas tecnologías de proceso, lo que afectará la capacidad y disponibilidad de los dispositivos utilizados en la integración de teléfonos celulares.

Existen varios esquemas factibles para la integración del sistema electrónico de RF de teléfonos móviles. En primer lugar, se puede implementar una arquitectura de RF tradicional en un proceso bipolar o BiCMOS relativamente simple utilizando tecnología tradicional. El chip RF final se puede ensamblar con funciones lógicas digitales de teléfonos móviles utilizando tecnología de empaquetado de múltiples chips (tecnología de empaquetado a nivel del sistema). Aunque esta tecnología tiene muchas ventajas, como el uso de métodos de diseño de RF familiares y procesos y tecnologías maduros, es difícil de comercializar debido al alto costo y rendimiento de los dispositivos de prueba.

Además, la integración del sistema electrónico del teléfono móvil también se puede obtener mediante el proceso avanzado de obleas BiCMOS (SiGe). Sin embargo, debido a que el procesamiento de dispositivos SiGe HBT requiere un proceso de litografía adicional, el chip final requerirá un costo adicional. Al mismo tiempo, debido a que la tecnología SiGe BiCMOS no puede utilizar el proceso de litografía más avanzado, el proceso BiCMOS generalmente va por detrás del proceso CMOS digital avanzado. Estos traerán una gran presión para aumentar las características de los teléfonos móviles y reducir los costos. No se puede resolver con una simple estrategia de proceso de oblea, porque esta tecnología no puede mantener la lógica del sistema o la parte digital al precio más bajo posible en todo momento. Por lo tanto, la integración monolítica de la parte RF de la función de banda base del sistema en BiCMOS (o SiGe) no es una buena opción.

La solución final que se puede considerar es la integración de RF en CMOS, que también enfrenta desafíos considerables. Aunque existen varios diseños de RF celular CMOS, estos diseños se basan en gran medida en funciones analógicas. Es difícil implementar mezcladores, filtros y amplificadores analógicos con tecnología CMOS, y el consumo de energía es generalmente mayor que el esquema SiGe BiCMOS. Con el desarrollo de la tecnología de procesos, el nivel nominal CMOS es cada vez más bajo, lo que dificulta el diseño analógico. En la etapa inicial del desarrollo de nuevos procesos, el modelado de dispositivos y la madurez del proceso generalmente no pueden cumplir con los requisitos del modelado de parámetros de alta precisión requeridos para el diseño de módulos analógicos. Sin embargo, la arquitectura de RF CMOS digital desarrollada recientemente hace que la integración CMOS monolítica sea más atractiva.

Estas soluciones también impulsan la industria de los semiconductores, ya que los fabricantes buscan soluciones de chip de nivel de sistema de RF de bajo costo. Aunque cada esquema de integración tiene dificultades, es realmente sorprendente que la integración de componentes de RF pueda alcanzar un nivel tan alto. Superar estas dificultades supondrá un gran paso adelante en el diseño de teléfonos móviles inalámbricos y marcará la dirección para una mayor integración en un futuro próximo.

Conclusión de este artículo

Todavía existen muchas dificultades en la integración de RF. Todos los dispositivos de RF de los teléfonos móviles modernos se enfrentan a estrictos requisitos de rendimiento. El requisito de sensibilidad es de aproximadamente -106dbm (106db por debajo de 1 MW) o más, y el nivel correspondiente es solo de unos pocos microvoltios; Además, la selectividad, es decir, la capacidad de rechazo del canal útil a la banda de frecuencia adyacente (comúnmente conocida como bloqueo), debe ser del orden de 60 dB; Además, se requiere que el oscilador del sistema funcione con un ruido de fase muy bajo para evitar que la energía de bloqueo de plegado entre en la banda de recepción. La integración de RF es muy difícil debido a la frecuencia muy alta y los requisitos de rendimiento extremadamente exigentes.

El procesamiento del estándar multifrecuencia representa un verdadero desafío para toda la frecuencia SOC. Se espera reducir la excitación generada por la transmisión de señales en banda. El contenido de la integración de RF digital es mucho más que poner varios componentes de RF en un chip. Se necesita una nueva arquitectura de uso compartido de hardware.

Para los diseñadores de sistemas, los dispositivos semiconductores actuales simples, altamente integrados y rentables pueden reducir en gran medida la complejidad del diseño. Al mismo tiempo, pueden enriquecer las características de los dispositivos inalámbricos y mantener inalterados el tamaño del sistema, la duración de la batería y el costo. Los nuevos dispositivos de RF altamente integrados también pueden eliminar algunas disputas en el diseño inalámbrico y ahorrar un tiempo valioso a los ingenieros.