Vähendage komponentide arvu ja vähendage pindala trükkplaadi juhtmevaba RF -integratsiooni kaudu

Tänapäeva traadita seadmetes on üle poole trükkplaadil olevatest komponentidest analoog -RF -seadmed. Seetõttu on tõhus viis trükkplaadi pindala ja energiatarbimise vähendamiseks suuremahulise raadiosagedusintegratsiooni teostamine ja süsteemitaseme kiibi poole liikumine. Käesolevas dokumendis tutvustatakse raadiosageduslike integratsioonide arengustaatust ning esitatakse mõnedele nendele probleemidele mõned vastumeetmed ja lahendused.

Mõni aasta tagasi domineerisid mobiiltelefonide turul ühe riba ja kahe sagedusalaga ühemoodilised telefonid ning kasutatud tehnoloogia oli ainult ??? Kas hoida ühte või kahte mobiilsidevõrku ??? Sama modulatsioonimeetod, mitmekanaliline juurdepääsuskeem ja protokoll on kasutusel hoidmise sagedusribas. Seevastu tänapäeva uue põlvkonna mobiiltelefonide disain on palju keerulisem ja võib pakkuda mitme riba ja mitmerežiimi ??? Sellel on Bluetooth isiklik võrk, GPS -i positsioneerimine ja muud funktsioonid ning ilmuma on hakanud UWB ja teleri vastuvõtmise funktsioonid. Lisaks on mobiiltelefonides väga levinud sellised rakendused nagu mängud, pildid, heli ja video.

Traadita telefon on muutumas keeruliseks seadmeks, mida nimetatakse pihuarvutite isiklikuks meelelahutuskeskuseks. Selle arengusuund toob disaineritele jätkuvalt rohkem väljakutseid. Kuigi võrreldes ainult häälfunktsiooniga mobiiltelefonidega on uue põlvkonna mobiiltelefonid märkimisväärselt suurenenud side töötlemisel, rakenduste töötlemisel, raadiosagedusliideste arvul ja integreeritud mälumahul, eeldavad kasutajad endiselt mobiiltelefonide väiksemat helitugevust, voolujoonelist kuju, madalat taset hind ja suur värviekraan, see võib pakkuda ooterežiimi ja kõneaega, mis on sarnane traditsiooniliste kõnetelefonidega. Säilitades olemasoleva üldise suuruse ja energiatarbimise, kuid suurendades funktsiooni eksponentsiaalselt, säilitades samal ajal süsteemi üldkulud muutumatuna, tekitavad kõik need süsteemidisaineritele palju probleeme.

Ilmselgelt puudutab probleem kogu süsteemi disaini kõiki osi, aga ka kogu traadita side ja meelelahutussisu tarnijaid. Üks valdkond, mis on eriti efektiivne plaadi pindala ja energiatarbimise vähendamisel, on raadiosagedusjuhtme osa projekteerimisel. Seda seetõttu, et tänapäeva tüüpilise mobiiltelefoni puhul on enam kui pooled plaadil olevatest komponentidest analoog-raadiosageduslikud komponendid, mis moodustavad kokku 30–40% kogu plaadi pindalast, näiteks Bluetooth-raadiosüsteemid, nagu GPS ja WLAN. suurendada ruumi nõudmisi.

Lahenduseks on suuremahulise raadiosagedusintegratsiooni teostamine ja lõpuks täielikult integreeritud süsteemitaseme kiibiks kujunemine. Mõned disainerid panid antennile analoog-digitaalmuundurid, et vähendada RF-funktsioonide jaoks vajalikku trükkplaadi koguruumi. Kui pooljuhtide integreerimise tehnoloogia suudab ühte seadmesse integreerida rohkem funktsioone, väheneb vastavalt ka diskreetsete seadmete arv ja nende seadmete mahutamiseks kasutatav trükkplaadi ruum. Kui tööstus liigub süsteemitasandi kiipide integreerimise poole, leiavad disainerid jätkuvalt uusi tehnoloogiaid, et lahendada vastuolu kõrgema raadiosagedusliku keerukuse ja väikeste juhtmeta seadmete aku kestvuse vahel.

RF integratsiooni arengustaatus

RF -integratsiooni oluline areng ilmus umbes kaks aastat tagasi. Sel ajal võimaldas raadiosagedustehnoloogia ja digitaalse põhiribamodemi arendamine asendada superheterodüün -raadiosideseadmed traadita mobiiltelefonide otsese allapoole muundamise vastuvõtjatega. Superheterodüüni raadiosideseadmetes kasutatakse mitmeastmelisi miksereid, filtreid ja mitme pingega juhitavaid ostsillaatoreid (VCO), mida on juba aastaid hästi kasutatud, kuid otsese sagedusmuundamise RF -seadmete integreerimine võib oluliselt vähendada GSM -i RF -komponentide koguarvu. 1990. aastate lõpus hõlmas tüüpiline ühe ribaga superheterodüüni raadiosagedussüsteemi alamsüsteem PA, antennilülitit, LDO -d, väikest signaali RF ja vctcxo, mis nõudsid umbes 200 eraldiseisvat seadet; Täna saame kavandada nelja sagedusfunktsiooniga otsese sagedusmuundussüsteemi, mis ühendab VCO, VCXO ja PLL silmusfiltri, kuid selle komponentide arv on väiksem kui 50. Joonis 1: nelja integraaliga GSM transiiver.

Näiteks Texas Instruments GSM-i transiiver trf6151 (joonis 1) sisaldab kiibil olevat pingeregulaatorit, VCO- ja VCO-kanalit, PA-võimsuse juhtimist, PLL-silmusfiltri serva blokeerijat, LNA võimenduse järkjärgulist juhtimist ja VCXO-d.

Disainerite jaoks aitab täiustatud integratsioon lahendada mõningaid juhtmevaba raadiosagedusalaga seotud suuri probleeme, millest kõige elementaarsem on alalisvoolu toide ja transiiveri reguleerimine. Kõne ajal muutub aku pinge temperatuuri ja aja muutumisega. Lisaks mõjutab TX VCO ja Rx VCO toiteallika müraühendus ka kogu süsteemi jõudlust. Seetõttu seisavad disainerid silmitsi probleemiga, kuidas lahendada RF -trükkplaadi regulaator ja enamik sellega seotud passiivseid komponente. Nende seadmete integreerimine raadiosaatja -vastuvõtjasse tähendab, et ainus nõutav väline komponent on lihtne lahtiühendav kondensaator, mis on otse toiteallikaga ühendatud, mis mitte ainult ei lihtsusta disaini, vaid säästab ka trükkplaadi ruumi.

Teine väljakutse RF -disaineritele on VCO häälestusulatus ja lukustusaeg. Kõigis analoog -VCO -konstruktsioonides. Kuna sageli on vaja tasakaalustada lukustusaeg ja häälestamisvahemik, asetatakse silmusfilter tavaliselt kiibist väljapoole. Mõnikord saab seda lahendada VCO häälestusvahemiku tarkvara juhtimisel. Kuid see meetod esitab täiendavaid ressursinõudeid telefoni üldiseks arendamiseks. Kui digitaalne häälestusfunktsioon on VCO -sse kaasatud ja see võib isekalibreerida, on võimalik saada laiendatud häälestusvahemik ja silmusefiltri element kiibile paigutada. Ilmselt võimaldab see skeem projekteerimisinseneridel oma tööd lihtsustada.

GSM -süsteemi nõutava saatja võimsuse juhtimise saamiseks lisavad PA -tootjad selle funktsiooni tavaliselt võimsusvõimendusmoodulisse (PAM). Toitekontroller koosneb tavaliselt kuni tuhandetest digitaalsetest CMOS -väravatest, mis on valmistatud PAM -i sõltumatus kiibis. See element suurendab PAM -i maksumust 0.30–0.40 USA dollari võrra. Selle funktsiooni integreerimine RF -seadmetesse võimaldab GaA -de PAM -i tootjatel mitte osta digitaalseid CMOS -ahelaid ja neid PAM -i installida. OEM -i jaoks, kes toodab iga kuu tuhandeid tooteid, vähendab selle üleliigse komponendi eemaldamine oluliselt nende kulusid.

Teine valdkond, kus täiustatud integratsioon võib märkimisväärselt kokku hoida, on VCXO. Varem osteti kallist vctcxo moodulit ja projekteeriti raadiosideseadmetes diskreetsete komponentidena. Seetõttu võib vctcxo moodulite ühiste komponentide lisamine raadiosagedusseadmetesse vähendada kulusid ja sellega seotud projekteerimisprobleeme. Kasutades trf6151, on vctcxo funktsiooni täitmiseks vaja ainult odavaid kristalle ja varaktoreid.

Vaatamata sellisele integreerimisele ja disaini lihtsustamisele seisavad raadiosagedusdisaini insenerid endiselt silmitsi keeruliste valikutega, millest üks on sisenditundlikkus ja Rx energiatarve. On hästi teada, et mida suuremat voolu kasutatakse madala müratasemega võimendi (LNA) projekteerimisel, seda madalamad on üldised müraomadused. Projekteerimisinsener peab määrama vastuvõtja koguvõimsuse eelarve ja vastuvõtja tundlikkuse taseme nõuded. Kuid müra ei vähene võimsuse vähenemisega. Tegelikult on see vastupidi. Seega, kuigi see võib vastata GSM -standardi spetsifikatsioonile, peavad disainerid sageli endalt küsima, kas teatud tundlikkuse taseme saavutamiseks tasub energiatarbimise hinda maksta. See küsimus selgitab ka seda, miks on vaja projekteerimisinseneridel ja IC -tootjatel teha kogu projekteerimisprotsessis tihedat koostööd. Disainiinseneride tagasiside võib suunata IC -tootjaid tulevaste RF -toodete väljatöötamisel paremini juhtmeta tööstust teenindama.

Arendatakse SOC suunas

Traadita süsteemide kulude, võimsuse ja keerukuse vähendamine on süsteemi integreerimise nõuete edukaks täitmiseks väga oluline. Mobiiltelefonide kõrge integratsiooniga lahenduste väljatöötamine nõuab aga pooljuhtide tööstusest keeruliste tehniliste takistuste ületamist. Mõnda neist takistustest tunnevad disainerid harva muret, sest paljud neist ei taha teada, kuidas SOC -seadmeid valmistatakse, kui see suudab nõutud jõudlust pakkuda. Seetõttu on vaja kiiresti mõista mõningaid protsessitehnoloogiaid, mis mõjutavad mobiiltelefonide integreerimisel kasutatavate seadmete võimalusi ja kättesaadavust.

Mobiiltelefonide raadiosagedusliku elektroonilise süsteemi integreerimiseks on mitmeid teostatavaid skeeme. Esiteks saab traditsioonilist RF -arhitektuuri rakendada suhteliselt lihtsas bipolaarses või BiCMOS -protsessis, kasutades traditsioonilist tehnoloogiat. Lõpliku raadiosagedusliku kiibi saab kokku panna mobiiltelefoni digitaalsete loogikafunktsioonidega, kasutades mitme kiibiga pakenditehnoloogiat (süsteemitaseme pakenditehnoloogia). Kuigi sellel tehnoloogial on palju eeliseid, näiteks tuttavate raadiosagedusdisaini meetodite ning küpsete protsesside ja tehnoloogiate kasutamine, on seda raske müüa, kuna testimisseadmed on kallid ja tootlikud.

Lisaks saab mobiiltelefoni elektroonilise süsteemi integreerida ka täiustatud BiCMOS (SiGe) vahvliprotsessiga. Kuid kuna SiGe HBT seadmete töötlemine nõuab täiendavat litograafiaprotsessi, nõuab lõplik kiip lisakulu. Samal ajal, kuna SiGe BiCMOS tehnoloogia ei saa kasutada kõige arenenumat litograafiaprotsessi, jääb BiCMOS protsess tavaliselt arenenud digitaalse CMOS -i protsessist maha. Need avaldavad suurt survet mobiiltelefonide omaduste suurendamiseks ja kulude vähendamiseks. Seda ei saa lahendada lihtsa vahvelprotsessistrateegiaga, sest see tehnoloogia ei suuda hoida süsteemi loogikat ega digitaalset osa alati madalaima võimaliku hinnaga. Seetõttu ei ole süsteemi põhiriba funktsiooni RF osa monoliitne integreerimine BiCMOS -i (või SiGe) hea valik.

Lõplik lahendus, mida võib kaaluda, on raadiosagedusintegratsioon CMOS -is, mis seisab samuti silmitsi märkimisväärsete väljakutsetega. Kuigi on olemas mitu CMOS -i raadiosagedusdisaini, põhinevad need kujundused suures osas analoogfunktsioonidel. CMOS -tehnoloogiaga on raske rakendada analoogmiksereid, filtreid ja võimendeid ning energiatarve on üldiselt suurem kui SiGe BiCMOS skeem. Protsessitehnoloogia arenguga muutub CMOS -i nimiväärtus üha madalamaks, mis muudab analoogdisaini keerulisemaks. Uute protsesside väljatöötamise varases staadiumis ei suuda seadme modelleerimine ja protsessi küpsus üldiselt vastata analoogmooduli projekteerimiseks vajalike ülitäpse parameetrite modelleerimise nõuetele. Kuid hiljuti välja töötatud digitaalne CMOS RF -arhitektuur muudab monoliitse CMOS -i integreerimise atraktiivsemaks.

Need lahendused juhivad ka pooljuhtide tööstust, kuna tootjad otsivad odavaid RF-taseme kiibilahendusi. Kuigi igal integratsiooniskeemil on raskusi, on tõepoolest üllatav, et raadiosageduslike komponentide integreerimine võib jõuda nii kõrgele tasemele. Nende raskuste ületamine teeb traadita mobiiltelefonide kujundamisel suure sammu edasi ja määrab suuna suuremale integratsioonile lähitulevikus.

Selle töö järeldus

RF -integratsioonis on endiselt palju raskusi. Iga kaasaegse mobiiltelefoni RF -seade seisab rangete jõudlusnõuete ees. Tundlikkusnõue on umbes – 106 dBm (106 dB alla 1 MW) või kõrgem ja vastav tase on vaid mõni mikrovolt; Lisaks peaks selektiivsus, see tähendab kasuliku kanali tagasilükkamisvõime külgnevale sagedusalale (mida tavaliselt nimetatakse blokeerimiseks), olema suurusjärgus 60 dB; Lisaks peab süsteemi ostsillaator töötama väga madala faasimüra all, et vältida kokkuklapitava blokeeriva energia sisenemist vastuvõtvasse riba. Raadiosageduse integreerimine on väga kõrge sageduse ja äärmiselt nõudlike jõudlusnõuete tõttu väga keeruline.

Mitme sagedusega standardi töötlemine toob tõelise väljakutse kogu SOC sagedusele. Loodetakse vähendada ribasignaali edastamisel tekkivat erutust. Digitaalse raadiosagedusliku integratsiooni sisu on palju enamat kui mitme raadiosageduskomponendi ühte kiipi paigutamine. Vaja on uut riistvara jagamise arhitektuuri.

Süsteemide disainerite jaoks võivad praegused lihtsad, väga integreeritud ja kulutõhusad pooljuhtseadmed oluliselt vähendada disaini keerukust. Samal ajal võivad need rikastada traadita seadmete omadusi ning hoida muutumatuna süsteemi suurust, aku kasutusaega ja maksumust. Uued kõrgelt integreeritud raadiosideseadmed võivad kõrvaldada ka mõned vaidlused juhtmevaba disaini osas ja säästa inseneride väärtuslikku aega.