Murriztu osagai kopurua eta murriztu circuit board haririk gabeko RF integrazioaren bidez

Gaur egungo hari gabeko gailuetan, zirkuitu-plakako osagaien erdia baino gehiago RF gailu analogikoak dira. Hori dela eta, zirkuitu-plakaren eremua eta energia-kontsumoa murrizteko modu eraginkorra eskala handiko RF integrazio gehiago egitea eta sistema mailako txipera garatzea da. Artikulu honek RF integrazioaren garapenaren egoera aurkezten du, eta arazo horietako batzuei kontra neurri eta irtenbide batzuk eskaintzen dizkie.

Duela urte batzuk, telefono mugikorren merkatuan banda bakarreko eta banda bikoitzeko modu bakarreko telefonoak ziren nagusi, eta erabilitako teknologia ??? Eutsi guztiei banda zelular bat edo bi ??? Modulazio metodo bera, kanal anitzeko sarbide eskema eta protokoloa hartzen dira eusteko maiztasun bandan. Aitzitik, gaur egungo telefono mugikorren belaunaldi berriaren diseinua askoz konplexuagoa da eta banda anitzekoa eta modu anitzekoa eman dezake ??? Bluetooth eremu pertsonaleko sarea, GPS posizionamendua eta bestelako funtzioak ditu, eta UWB eta telebista jasotzeko funtzioak agertzen hasi dira. Gainera, jokoak, irudiak, audioa eta bideoa bezalako aplikazioak oso ohikoak bihurtu dira telefono mugikorretan.

Haririk gabeko telefonoa eskuko entretenimendu zentro pertsonal izeneko gailu konplexu bilakatzen ari da. Garapen joerak diseinatzaileei erronka gehiago ekartzen jarraitzen du. Ahots funtzioa soilik duten telefono mugikorrekin alderatuta, telefono mugikorren belaunaldi berriak nabarmen handitu dira komunikazioen prozesamenduan, aplikazioen prozesamenduan, RF interfaze kopurua eta memoria integratuko edukiera. prezioa eta kolore handiko pantaila Dauden tamaina orokorra eta energia kontsumoa mantenduz, baina funtzioa modu esponentzialean handituz, sistemaren kostu orokorra aldatu gabe mantenduz, horiek guztiak arazo ugari sortzen dizkiete sistemen diseinatzaileei.

Jakina, arazoa sistema osoaren diseinuaren zati guztiak ditu, baita haririk gabeko komunikazio eta entretenimendu eduki guztien hornitzaileena ere. Taulen eremua eta energia kontsumoa murrizteko bereziki eraginkorra den eremua hari gabeko sistemen diseinuko RF zatia da. Hori gertatzen da gaur egungo telefono mugikorrean, arbeleko osagaien erdia baino gehiago RF osagai analogikoak dira, batera taula osoko azaleraren% 30-40 hartzen baitute, hala nola, GPS eta WLAN bezalako Bluetooth RF sistemak espazioaren baldintzak handitu.

Irtenbidea eskala handiko RF integrazio gehiago burutzea da eta, azkenean, guztiz integratutako sistema mailako txipa bihurtu. Diseinatzaile batzuek bihurgailu analogiko-digitalak jartzen dituzte antenan, RF funtzioetarako behar den zirkuitu plakaren espazioa murrizteko. Erdieroaleen integrazio teknologiak funtzio gehiago gailu bakarrean integratu ditzakeenean, gailu diskretuen kopurua eta gailu horiek sartzeko erabiltzen den zirkuitu plakaren espazioa murriztu egingo dira. Industria sistema mailako txipen integraziora doala, diseinatzaileek teknologia berriak aurkitzen jarraituko dute hari gabeko gailu txikietan RF konplexutasun handiagoaren eta bateriaren iraupen luzearen arteko kontraesana asetzeko.

RF integrazioaren garapenaren egoera

RF integrazioaren garapen garrantzitsua duela bi urte inguru agertu zen. Garai hartan, RF teknologiaren eta base banda digitaleko modemaren garapenak ahalbidetu zuen RF gailu superheterodinoak zuzeneko bihurtze hargailuekin haririk gabeko telefono mugikorretan ordezkatzea. RF gailu superheterodinoek etapa anitzeko nahastaileak, iragazkiak eta tentsio anitzeko kontrolatutako osziladoreek (VCO) erabiltzen dituzte, urte asko daramatzate ondo erabiltzen, baina maiztasun zuzeneko bihurketa RF gailuen integrazioak asko murriztu dezake GSM RF osagaien kopurua. 1990eko hamarkadaren amaieran, banda bakarreko RF superheterodinoko azpisistema tipiko batek PA, antena-etengailua, LDO, seinale txikiko RF eta vctcxo biltzen zituen, 200 gailu diskretu inguru behar zituena; Gaur egun, maiztasun zuzeneko bihurketa sistema diseinatu dezakegu lau bandako funtzioarekin, VCO, VCXO eta PLL begizta iragazkia integratzen dituena, baina osagai kopurua 50 baino txikiagoa da.

Adibidez, Texas Instruments-en GSFrako trf6151 (1. irudia) transzeptagailuak txipeko tentsio erregulatzailea, VCO eta VCO kanala, PA potentziaren kontrola, PLL begizta iragazkiaren ertzak blokeatzen dituen detekzioa, LNA irabazia kontrol urratsez urrats eta VCXO ditu.

Diseinatzaileentzat, integrazio aurreratuak haririk gabeko RF arazo garrantzitsuak gainditzen laguntzen du, eta horien artean oinarrizkoena da DC korronte hornidura eta errezetagailuaren erregulazioa. Dei batean zehar, bateriaren tentsioa aldatu egingo da tenperatura eta denbora aldatzean. Gainera, TX VCO eta Rx VCO elikatze iturriaren zarata akoplamenduak ere sistema osoaren errendimenduan eragina izango du. Hori dela eta, diseinatzaileek RF zirkuitu plaka erregulatzailea eta erlazionatutako osagai pasibo gehienak nola konpondu arazoa dute. Gailu horiek RF transmisore-hartzailean integratzeak esan nahi duen kanpoko osagai bakarra deskonektatzeko kondentsadore sinplea dela, zuzenean hornidura elektrikoarekin konektatuta dagoena, diseinua sinplifikatzeaz gain, zirkuitu-plakaren lekua aurrezten duena.

RF diseinatzaileen beste erronka bat VCO sintonia eta blokeatze denbora da. VCO diseinu analogiko guztietan. Blokeo denbora eta sintonizazio tartea orekatu behar izaten direnez, begizta iragazkia txipetik kanpo kokatu ohi da. Batzuetan, hori konpon daiteke VCO sintonizazio barrutiaren software kontrolean. Hala ere, metodo honek telefonoaren garapen orokorrerako baliabideen eskakizun osagarriak proposatzen ditu. Sintonizazio digitalaren funtzioa VCOn sartzen denean eta autokalibrazioa eman dezakeenean, sintonizazio tarte zabala lor daiteke eta begizta iragazkiaren elementua txipean jar daiteke. Bistan denez, eskema horri esker, diseinatzaileek beren lana erraztu dezakete.

GSM sistemak eskatzen duen igorlearen potentziaren kontrola lortzeko, PA fabrikatzaileek normalean funtzio hau potentzia anplifikadorearen moduluan (PAM) sartzen dute. Potentzia kontrolatzailea gehienez milaka CMOS ate digitalek osatzen dute, PAMeko txipa independente batean eginda. Elementu honek PAMaren kostua 0.30 $ ~ 0.40 US $ igoko du. Funtzio hau RF gailuetan integratzeak GaAs PAM fabrikatzaileek CMOS zirkuitu digitalak ez erosteko eta PAM instalatzeko aukera emango du. Hilero milaka produktu ekoizten dituen OEMentzat, osagai erredundantea kentzeak asko murriztuko du haien kostua.

Integrazio aurreratuak aurrezpen handiak ekar ditzakeen beste arlo bat VCXO da. Iraganean, vctcxo modulu garestiak erosi eta diseinatu ziren RF gailuetan osagai diskretu gisa. Hori dela eta, vctcxo moduluen osagai arruntak RF gailuetan sartzeak kostuak eta lotutako diseinu arazoak murriztu ditzake. Trf6151 erabiliz, kostu baxuko kristala eta varactor bat baino ez dira behar vctcxoren funtzioa osatzeko.

Integrazio eta diseinu sinplifikazio horiek gorabehera, RF diseinuen ingeniariek aukera zailak dituzte oraindik, horietako bat sarrera sentikortasuna eta Rx energia kontsumoa dira. Jakina da zarata baxuko anplifikadorearen (LNA) diseinuan erabilitako korrontea zenbat eta handiagoa izan, orduan eta zarata-ezaugarri orokorrak txikiagoak direla. Diseinatzaile ingeniariak hartzailearen potentzia aurrekontua eta hargailuaren sentsibilitate maila eskakizunak zehaztu behar ditu. Hala ere, zarata ez da gutxitzen potentzia murriztean. Izan ere, kontrakoa da. Hori dela eta, GSM estandarreko zehaztapenak bete ditzakeen arren, diseinatzaileek askotan galdetu behar diete ea sentsibilitate maila jakin bat lortzeko kontsumoko prezioa ordaintzea merezi duen. Galdera honek azaltzen du zergatik den beharrezkoa diseinu ingeniariek eta CI fabrikatzaileek diseinu prozesu osoan estuki elkarlanean aritzea. Diseinu ingeniarien iritziak IC fabrikatzaileak gidatu ditzake haririk gabeko industria hobeto zerbitzatzeko etorkizuneko RF produktuak garatzerakoan.

SOC aldera garatzen

Haririk gabeko sistemen kostua, potentzia eta konplexutasuna murriztea oso garrantzitsua da sistemen integrazioaren eskakizunak arrakastaz betetzeko. Hala ere, telefono mugikorretarako integrazio handiko soluzioak garatzeak erdieroaleen industriak oztopo tekniko konplexuak gainditu behar ditu. Oztopo horietako batzuk oso gutxitan kezkatzen dituzte diseinatzaileek, horietako askok ez dutelako SOC gailuak nola egiten diren jakin nahi, betiere behar diren errendimenduak eskain ditzake. Hori dela eta, beharrezkoa da prozesu teknologia batzuk azkar ulertzea, eta horrek eragina izango du telefono mugikorraren integrazioan erabiltzen diren gailuen gaitasunean eta erabilgarritasunean.

Telefono mugikorreko RF sistema elektronikoa integratzeko hainbat eskema bideragarri daude. Lehenik eta behin, ohiko RF arkitektura bipolar edo BiCMOS prozesu nahiko sinple batean ezar daiteke teknologia tradizionala erabiliz. Azken RF txipa telefono mugikorren funtzio logiko digitalekin muntatu daiteke txip anitzeko ontzien teknologia erabiliz (sistema mailako ontziratze teknologia). Teknologia honek abantaila ugari baditu ere, hala nola RF ezagunak diseinatzeko metodoak eta prozesu eta teknologia helduak erabiltzea, zaila da merkaturatzea proba gailuen kostu eta errendimendu handiaren ondorioz.

Gainera, telefono mugikorreko sistema elektronikoaren integrazioa BiCMOS (SiGe) wafer prozesu aurreratuaren bidez ere lor daiteke. Hala ere, SiGe HBT gailuak prozesatzeko litografia prozesu osagarria behar denez, azken txipak kostu gehigarria beharko du. Aldi berean, SiGe BiCMOS teknologiak ezin baitu litografia-prozesurik aurreratuena erabili, BiCMOS prozesua CMOS prozesu digital aurreratuaren atzean geratzen da normalean. Horrek presio handia ekarriko du telefono mugikorren ezaugarriak handitzeko eta kostuak murrizteko. Ezin da konpondu wafer prozesuaren estrategia soil batekin, teknologia honek ezin baitu sistemaren logika edo zati digitala uneoro ahalik eta prezio baxuenean mantendu. Beraz, BiCMOS (edo SiGe) sistemako base band funtzioaren RF zatiaren integrazio monolitikoa ez da aukera ona.

Kontuan har daitekeen azken irtenbidea CMOS-en RF integrazioa da, eta horrek ere erronka handiak ditu. Hainbat CMOS RF zelularreko diseinuak badaude ere, diseinu horiek funtzio analogikoetan oinarritzen dira neurri handi batean. Zaila da nahasgailu analogikoak, iragazkiak eta anplifikadoreak CMOS teknologiarekin ezartzea, eta energia kontsumoa SiGe BiCMOS eskema baino handiagoa da, oro har. Prozesuen teknologiaren garapenarekin batera, CMOS kalifikatutako maila gero eta baxuagoa da, eta horrek zailtzen du diseinu analogikoa. Prozesu berriak garatzeko lehen fasean, gailuen modelizazioak eta prozesuen heldutasunak, orokorrean, ezin dituzte modulu analogikoen diseinurako zehaztasun handiko parametroen modelizazioaren baldintzak bete. Hala ere, berriki garatu den CMOS RF arkitektura digitalak CMOS integrazio monolitikoa erakargarriagoa egiten du.

Soluzio horiek erdieroaleen industria ere bultzatzen dute, fabrikatzaileek kostu baxuko RF sistema mailako txip soluzioak bilatzen baitituzte. Integrazio-eskema bakoitzak zailtasunak dituen arren, harritzekoa da RF osagaien integrazioak hain maila altuera iristea. Zailtasun horiek gainditzeak aurrera pauso handia emango du haririk gabeko telefono mugikorren diseinuan eta etorkizun hurbilean integrazio handiagoaren norabidea ezarriko du.

Idazki honen ondorioa

Oraindik zailtasun asko daude RF integrazioan. Telefono mugikor modernoaren RF gailu guztiek errendimendu eskakizun zorrotzak dituzte. Sentsibilitate-eskakizuna – 106 dbm (106 MW azpitik 1 db) edo handiagoa da, eta dagokion maila mikrobolt batzuk besterik ez da; Horrez gain, selektibitateak, hau da, ondoko maiztasun bandarako kanal erabilgarriak errefusatzeko gaitasuna (normalean blokeoa deitzen dena), 60dB-ko ordena izan behar du; Gainera, sistemaren osziladoreak fase-zarata oso txikian funtzionatu behar du tolestura blokeatzen duen energia hartzailearen bandan sartzea ekiditeko. RF integrazioa oso zaila da maiztasun oso altua eta errendimendu eskakizun zorrotzak direlako.

Maiztasun anitzeko estandarra prozesatzeak benetako erronka dakar SOC maiztasun osoarentzat. Bandaren seinaleen transmisioan sortzen den kitzikapena murriztea espero da. RF digitalen integrazioaren edukia RF hainbat osagai txip batean jartzea baino askoz ere gehiago da. Hardware partekatzeko arkitektura berria behar da.

Sistema diseinatzaileentzat, gaur egungo gailu erdieroale sinpleek, oso integratuek eta errentagarritasunek diseinuaren konplexutasuna asko murriztu dezakete. Aldi berean, hari gabeko gailuen ezaugarriak aberastu ditzakete eta sistemaren tamaina, bateriaren iraupena eta kostua aldatu gabe mantendu ditzakete. Oso integratutako RF gailu berriek haririk gabeko diseinuan gatazka batzuk ezabatu eta ingeniarien denbora baliotsua aurreztu dezakete.