تعداد اجزا را کاهش داده و مساحت آن را کاهش دهید تخته مدار از طریق ادغام RF بی سیم

در دستگاه های بی سیم امروزی ، بیش از نیمی از قطعات روی برد دستگاه RF آنالوگ هستند. بنابراین ، یک روش م toثر برای کاهش سطح برد و مصرف برق ، انجام یکپارچه سازی RF در مقیاس بزرگتر و توسعه به سمت تراشه سطح سیستم است. این مقاله وضعیت توسعه یکپارچگی RF را معرفی می کند و برخی اقدامات متقابل و راه حل را برای برخی از این مشکلات ارائه می دهد.

چند سال پیش بازار تلفن های همراه تحت سلطه تلفن های تک باند و دو باند تک حالت بود و فناوری مورد استفاده تنها ؟؟؟ روی هم یک یا دو باند سلولی نگه دارید ؟؟؟ روش مدولاسیون یکسان ، طرح دسترسی چند کانالی و پروتکل در باند فرکانس نگهدارنده اتخاذ شده است. در مقابل ، طراحی نسل جدید تلفن های همراه امروزه بسیار پیچیده تر است و می تواند چند بانده و چند حالته را ارائه دهد ؟؟؟ دارای شبکه شخصی بلوتوث ، موقعیت یابی GPS و سایر توابع است و عملکردهای دریافت UWB و تلویزیون شروع به نمایش کرده است. علاوه بر این ، برنامه هایی مانند بازی ، تصویر ، صدا و تصویر در تلفن های همراه بسیار رایج شده است.

تلفن بی سیم در حال تبدیل شدن به یک دستگاه پیچیده به نام مرکز سرگرمی شخصی دستی است. روند توسعه آن همچنان چالش های بیشتری را برای طراحان به همراه دارد. اگرچه در مقایسه با تلفن های همراه با عملکرد صوتی ، نسل جدید تلفن های همراه در پردازش ارتباطات ، پردازش برنامه ها ، تعداد رابط های RF و ظرفیت حافظه یکپارچه افزایش چشمگیری داشته است ، اما کاربران همچنان انتظار دارند که حجم تلفن های موبایل کوچکتر ، شکل ساده و کم باشد. قیمت و صفحه نمایش رنگی بزرگ ، می تواند زمان آماده به کار و مکالمه مشابه تلفن های صوتی سنتی را ارائه دهد. حفظ اندازه کلی و مصرف برق موجود ، اما افزایش عملکرد بصورت تصاعدی ، در حالی که هزینه سیستم را بدون تغییر حفظ می کند ، همه اینها مشکلات زیادی را برای طراحان سیستم ایجاد می کند.

بدیهی است که این مشکل شامل تمام قسمت های طراحی کل سیستم و همچنین تامین کنندگان تمام محتوای ارتباطی و سرگرمی بی سیم است. یکی از زمینه هایی که به طور ویژه در کاهش سطح برد و مصرف برق م effectiveثر است ، بخش RF طراحی سیستم بی سیم است. این امر به این دلیل است که در تلفن همراه معمولی امروزی ، بیش از نیمی از قطعات روی برد اجزای RF آنالوگ هستند ، که مجموعاً 30-40٪ از کل سطح برد را تشکیل می دهند ، مانند سیستم های RF بلوتوث مانند GPS و WLAN نیز تا حد زیادی نیازهای فضا را افزایش دهید

راه حل این است که ادغام RF در مقیاس بزرگتر انجام شود و در نهایت به یک تراشه سطح یکپارچه سیستم تبدیل شود. برخی از طراحان مبدل های آنالوگ به دیجیتال را به آنتن می دهند تا کل فضای برد مدار مورد نیاز برای عملکردهای RF را کاهش دهد. هنگامی که فناوری یکپارچه سازی نیمه هادی می تواند عملکردهای بیشتری را در یک دستگاه واحد ادغام کند ، بر این اساس تعداد دستگاه های گسسته و فضای برد مدار برای استفاده از این دستگاه ها کاهش می یابد. با حرکت صنعت به سمت یکپارچه سازی تراشه در سطح سیستم ، طراحان همچنان به یافتن فناوری های جدید برای رفع تناقض بین پیچیدگی RF بالاتر و عمر بیشتر باتری در دستگاه های بی سیم کوچک ادامه می دهند.

وضعیت توسعه یکپارچگی RF

توسعه مهم ادغام RF حدود دو سال پیش ظاهر شد. در آن زمان ، توسعه فناوری RF و مودم بیس باند دیجیتالی امکان جایگزینی دستگاه های RF superheterodyne را با گیرنده های تبدیل مستقیم پایین در تلفن های همراه بی سیم فراهم کرد. دستگاههای RF Superheterodyne از میکسرهای چند مرحله ای ، فیلترها و نوسان سازهای کنترل ولتاژ چندگانه (VCO) استفاده می کنند ، که سالهاست به خوبی مورد استفاده قرار گرفته اند ، اما ادغام دستگاههای RF تبدیل فرکانس مستقیم می تواند تعداد کل اجزای RF GSM را تا حد زیادی کاهش دهد. در اواخر دهه 1990 ، یک زیر سیستم RF superheterodyne تک باند معمولی شامل PA ، سوئیچ آنتن ، LDO ، RF سیگنال کوچک و vctcxo بود که به حدود 200 دستگاه مجزا نیاز داشت. امروزه ، ما می توانیم یک سیستم تبدیل فرکانس مستقیم با عملکرد چهار باند ، که فیلتر حلقه VCO ، VCXO و PLL را ادغام می کند ، طراحی کنیم ، اما تعداد اجزای آن کمتر از 50 است. شکل 1: فرستنده گیرنده GSM چهار باند با یکپارچگی بالا.

به عنوان مثال ، فرستنده گیرنده trf6151 (شکل 1) از Texas Instruments برای GSM شامل تنظیم کننده ولتاژ روی تراشه ، کانال VCO و VCO ، کنترل قدرت PA ، تشخیص لبه فیلتر حلقه حلقه PLL ، کنترل گام به گام افزایش LNA و VCXO است.

برای طراحان ، یکپارچه سازی پیشرفته به غلبه بر برخی مشکلات عمده در RF بی سیم کمک می کند ، از جمله اساسی ترین آنها منبع تغذیه DC و تنظیم فرستنده گیرنده است. در طول تماس ، ولتاژ باتری با تغییر دما و زمان تغییر می کند. علاوه بر این ، اتصال نویز از منبع تغذیه TX VCO و Rx VCO نیز بر عملکرد کل سیستم تأثیر می گذارد. بنابراین ، طراحان با مشکل نحوه حل کننده تنظیم کننده برد مدار RF و اکثر اجزای غیرفعال مرتبط روبرو هستند. ادغام این دستگاه ها در گیرنده RF به این معنی است که تنها جزء خارجی مورد نیاز یک خازن جدا کننده ساده است که مستقیماً به منبع تغذیه متصل است ، که نه تنها طراحی را ساده می کند ، بلکه باعث صرفه جویی در فضای برد مدار نیز می شود.

چالش دیگر طراحان RF محدوده تنظیم VCO و زمان قفل شدن است. در تمام طرح های آنالوگ VCO. از آنجا که اغلب لازم است زمان قفل و محدوده تنظیم را متعادل کنیم ، فیلتر حلقه معمولاً در خارج از تراشه قرار می گیرد. گاهی اوقات ، این را می توان در کنترل نرم افزاری محدوده تنظیم VCO حل کرد. با این حال ، این روش منابع مورد نیاز برای توسعه کلی تلفن را مطرح می کند. هنگامی که عملکرد تنظیم دیجیتال در VCO گنجانده شده است و می تواند خود کالیبراسیون را ارائه دهد ، می توان محدوده تنظیم گسترده ای را بدست آورد و عنصر فیلتر حلقه را می توان در تراشه قرار داد. بدیهی است که این طرح می تواند مهندسان طراحی را قادر سازد تا کار خود را ساده کنند.

به منظور دستیابی به کنترل توان فرستنده مورد نیاز سیستم GSM ، تولید کنندگان PA به طور کلی این عملکرد را در ماژول تقویت کننده قدرت (PAM) قرار می دهند. کنترل کننده قدرت معمولاً از هزاران دروازه CMOS دیجیتال تشکیل شده است که در یک تراشه مستقل در PAM ساخته شده اند. این عنصر هزینه PAM را 0.30 ~ 0.40 دلار آمریکا افزایش می دهد. ادغام این عملکرد در دستگاه های RF به تولید کنندگان GaAs PAM این امکان را می دهد که مدارهای CMOS دیجیتال را خریداری نکنند و آنها را در PAM نصب نکنند. برای تولید کننده ای که ماهانه هزاران محصول تولید می کند ، حذف این جزء اضافی هزینه آنها را تا حد زیادی کاهش می دهد.

حوزه دیگری که در آن ادغام پیشرفته می تواند صرفه جویی قابل توجهی را به همراه داشته باشد VCXO است. در گذشته ، ماژول های گران قیمت vctcxo خریداری شده و در دستگاه های RF به عنوان اجزای مجزا طراحی شده بودند. بنابراین ، ترکیب اجزای مشترک ماژول های vctcxo در دستگاه های RF می تواند هزینه ها و مشکلات مربوط به طراحی را کاهش دهد. با استفاده از trf6151 ، فقط یک کریستال کم هزینه و varactor برای تکمیل عملکرد vctcxo مورد نیاز است.

علیرغم این ادغام و ساده سازی طراحی ، مهندسان طراحی RF هنوز با انتخاب های دشواری روبرو هستند که یکی از آنها حساسیت ورودی و مصرف برق Rx است. به خوبی شناخته شده است که هرچه جریان بیشتر در طراحی تقویت کننده کم سر و صدا (LNA) استفاده شود ، خصوصیات کلی نویز کمتر است. مهندس طراح باید بودجه کل قدرت گیرنده و الزامات سطح حساسیت گیرنده را تعیین کند. با این حال ، با کاهش قدرت ، سر و صدا کاهش نمی یابد. در واقع برعکس است. بنابراین ، اگرچه می تواند با مشخصات استاندارد GSM مطابقت داشته باشد ، اما طراحان اغلب باید از خود بپرسند که آیا برای دستیابی به سطح حساسیت مشخص ، ارزش پرداخت هزینه مصرف برق را دارد یا خیر. این س alsoال همچنین توضیح می دهد که چرا لازم است مهندسان طراحی و تولیدکنندگان IC در کل فرایند طراحی همکاری نزدیک داشته باشند. بازخورد مهندسان طراحی می تواند تولیدکنندگان IC را راهنمایی کند تا در توسعه محصولات RF آینده ، به صنعت بی سیم خدمات بهتری ارائه دهند.

توسعه به سمت SOC

کاهش هزینه ، قدرت و پیچیدگی سیستم های بی سیم برای برآوردن موفقیت آمیز الزامات یکپارچه سازی سیستم بسیار مهم است. با این حال ، توسعه راه حل های یکپارچه سازی بالا برای تلفن های همراه نیاز به صنعت نیمه هادی برای غلبه بر موانع پیچیده فنی دارد. برخی از این موانع به ندرت مورد توجه طراحان قرار می گیرد ، زیرا بسیاری از آنها نمی خواهند بدانند دستگاه های SOC چگونه ساخته می شوند ، تا زمانی که بتواند عملکرد مورد نیاز را ارائه دهد. بنابراین ، لازم است که از برخی فناوری های فرآیندی که توانایی و در دسترس بودن دستگاه های مورد استفاده در یکپارچه سازی تلفن همراه را تحت تأثیر قرار می دهد ، درک سریع داشته باشیم.

چندین طرح امکان پذیر برای ادغام سیستم الکترونیکی RF تلفن همراه وجود دارد. در مرحله اول ، یک معماری RF سنتی را می توان در یک فرآیند نسبتاً ساده دوقطبی یا BiCMOS با استفاده از فناوری سنتی پیاده سازی کرد. تراشه RF نهایی را می توان با توابع منطقی دیجیتال تلفن همراه با استفاده از فناوری بسته بندی چند تراشه (فناوری بسته بندی در سطح سیستم) مونتاژ کرد. اگرچه این فناوری دارای مزایای زیادی است ، مانند استفاده از روش های طراحی RF آشنا و فرایندها و فناوری های بالغ ، اما به دلیل هزینه و عملکرد بالای دستگاه های آزمایشی ، تجاری سازی آن دشوار است.

علاوه بر این ، ادغام سیستم الکترونیکی تلفن همراه را می توان با روش ویفر پیشرفته BiCMOS (SiGe) بدست آورد. با این حال ، از آنجا که پردازش دستگاههای SiGe HBT نیاز به فرآیند لیتوگرافی اضافی دارد ، تراشه نهایی نیاز به هزینه اضافی دارد. در عین حال ، از آنجا که فناوری SiGe BiCMOS نمی تواند از پیشرفته ترین فرایند لیتوگرافی استفاده کند ، فرآیند BiCMOS معمولاً از فرایند پیشرفته CMOS دیجیتال عقب می ماند. اینها فشار زیادی را برای افزایش ویژگی های تلفن همراه و کاهش هزینه ها به همراه خواهد داشت. با یک استراتژی ساده فرآیند ویفر حل نمی شود ، زیرا این فناوری نمی تواند منطق سیستم یا قطعه دیجیتالی را در کمترین قیمت ممکن در هر زمان نگه دارد. بنابراین ، ادغام یکپارچه بخش RF عملکرد باند سیستم در BiCMOS (یا SiGe) انتخاب خوبی نیست.

راه حل نهایی که می توان در نظر گرفت ، ادغام RF در CMOS است که با چالش های قابل توجهی نیز روبرو است. اگرچه چندین طرح RF سلولی CMOS وجود دارد ، این طرح ها عمدتا بر اساس توابع آنالوگ است. پیاده سازی میکسرها ، فیلترها و تقویت کننده های آنالوگ با فناوری CMOS دشوار است و مصرف برق به طور کلی بیشتر از طرح SiGe BiCMOS است. با توسعه فناوری فرآیند ، سطح امتیاز CMOS پایین و پایین تر می رود ، که طراحی آنالوگ را دشوارتر می کند. در مراحل اولیه توسعه فرآیندهای جدید ، مدل سازی دستگاه و بلوغ فرآیند به طور کلی نمی تواند الزامات مدل سازی پارامترهای با دقت بالا مورد نیاز برای طراحی ماژول آنالوگ را برآورده کند. با این حال ، معماری دیجیتال CMOS RF که اخیراً توسعه یافته است ، یکپارچگی CMOS یکپارچه را جذاب تر می کند.

این راه حل ها همچنین صنعت نیمه هادی را هدایت می کنند زیرا تولیدکنندگان به دنبال راه حل های ارزان قیمت تراشه RF هستند. اگرچه هر طرح ادغام دارای مشکلاتی است ، اما واقعاً شگفت آور است که ادغام اجزای RF می تواند به چنین سطح بالایی برسد. غلبه بر این مشکلات یک گام بزرگ در طراحی تلفن های همراه بی سیم برداشته و جهت یکپارچگی بیشتر را در آینده نزدیک تعیین می کند.

نتیجه گیری این مقاله

مشکلات زیادی در ادغام RF وجود دارد. هر دستگاه RF تلفن همراه مدرن با الزامات دقیق عملکرد روبرو است. نیاز حساسیت حدود 106 دسی بل (106 دسی بل کمتر از 1 مگاوات) یا بیشتر است و سطح مربوطه تنها چند میکرو ولت است. علاوه بر این ، گزینش پذیری ، یعنی توانایی رد کانال مفید به باند فرکانسی مجاور (که معمولاً به عنوان انسداد نامیده می شود) ، باید به ترتیب 60dB باشد. علاوه بر این ، نوسان ساز سیستم لازم است که تحت نویز فاز بسیار کم کار کند تا از ورود انسداد تاشو به باند گیرنده جلوگیری کند. ادغام RF به دلیل فرکانس بسیار بالا و نیازهای عملکرد بسیار سخت بسیار دشوار است.

پردازش استاندارد چند فرکانسی یک چالش واقعی را برای کل فرکانس SOC به ارمغان می آورد. امید است که تحریک ایجاد شده در انتقال سیگنال باند را کاهش دهد. محتوای یکپارچه سازی RF دیجیتال بسیار بیشتر از قرار دادن اجزای RF متعدد در یک تراشه است. معماری جدیدی برای به اشتراک گذاری سخت افزار مورد نیاز است.

برای طراحان سیستم ، دستگاه های نیمه هادی ساده ، بسیار یکپارچه و مقرون به صرفه می توانند پیچیدگی طراحی را تا حد زیادی کاهش دهند. در عین حال ، آنها می توانند ویژگی های دستگاه های بی سیم را غنی کرده و اندازه سیستم ، عمر باتری و هزینه را بدون تغییر نگه دارند. دستگاههای RF بسیار یکپارچه جدید همچنین می توانند برخی از اختلافات در طراحی بی سیم را برطرف کرده و در وقت ارزشمند مهندسان صرفه جویی کنند.