Vähennä komponenttien määrää ja pienennä pinta -alaa piirilevy langattoman RF -integroinnin kautta

Nykypäivän langattomissa laitteissa yli puolet piirilevyn komponenteista ovat analogisia RF -laitteita. Siksi tehokas tapa vähentää piirilevyn pinta-alaa ja virrankulutusta on toteuttaa laajempi RF-integraatio ja kehittää kohti järjestelmätason sirua. Tässä artikkelissa esitellään RF -integraation kehitystila ja esitetään joitakin vastatoimia ja ratkaisuja joihinkin näistä ongelmista.

Muutama vuosi sitten matkapuhelinmarkkinoita hallitsivat yksitaajuiset ja kaksitaajuuksiset yksimuotoiset puhelimet, ja käytetty tekniikka oli vain ??? Pidä yksi tai kaksi solukkokaistaa kaikkialla ??? Sama modulointimenetelmä, monikanavainen pääsymenetelmä ja protokolla hyväksytään pitotaajuuskaistalla. Sitä vastoin nykypäivän uuden sukupolven matkapuhelinten muotoilu on paljon monimutkaisempaa ja voi tarjota monikaistaista ja monitilaa ??? Siinä on henkilökohtainen Bluetooth -verkko, GPS -paikannus ja muut toiminnot, ja UWB- ja TV -vastaanottotoiminnot ovat alkaneet näkyä. Lisäksi sovellukset, kuten pelit, kuvat, ääni ja video, ovat yleistyneet matkapuhelimissa.

Langattomasta puhelimesta on tulossa monimutkainen laite, jota kutsutaan käsikäyttöiseksi henkilökohtaiseksi viihdekeskukseksi. Sen kehityskehitys tuo yhä enemmän haasteita suunnittelijoille. Vaikka verrattuna matkapuhelimiin, joissa on vain äänitoiminto, uuden sukupolven matkapuhelimet ovat lisääntyneet merkittävästi viestinnän käsittelyssä, sovellusten käsittelyssä, RF -rajapintojen määrässä ja integroidussa muistikapasiteetissa, käyttäjät odottavat edelleen matkapuhelimien pienemmän äänenvoimakkuuden, virtaviivaisen muodon, alhaisen hinta ja suuri värinäyttö, se voi tarjota valmius- ja puheaikaa, joka on samanlainen kuin perinteiset äänipuhelimet. Säilyttämällä nykyinen kokonaiskoko ja virrankulutus, mutta lisäämällä toimintoa eksponentiaalisesti ja pitämällä järjestelmän kokonaiskustannukset ennallaan, kaikki nämä aiheuttavat paljon ongelmia järjestelmän suunnittelijoille.

Ongelma koskee tietysti koko järjestelmän suunnittelun kaikkia osia sekä kaiken langattoman viestinnän ja viihdesisällön toimittajia. Yksi alue, joka on erityisen tehokas kortin pinta -alan ja virrankulutuksen vähentämisessä, on langattoman järjestelmän suunnittelun RF -osa. Tämä johtuu siitä, että nykypäivän tyypillisessä matkapuhelimessa yli puolet piirilevyn komponenteista ovat analogisia RF-komponentteja, jotka yhdessä muodostavat 30-40% koko levyn alueesta, kuten Bluetooth-RF-järjestelmät, kuten GPS ja WLAN lisätä tilan tarvetta.

Ratkaisu on toteuttaa laajempi RF-integraatio ja lopulta kehittyä täysin integroiduksi järjestelmätason siruksi. Jotkut suunnittelijat asettavat analogia-digitaalimuuntimia antenniin RF-toimintojen tarvitseman piirikorttitilan pienentämiseksi. Kun puolijohdintegraatiotekniikka voi integroida enemmän toimintoja yhteen laitteeseen, erillisten laitteiden määrä ja näiden laitteiden sijoittamiseen käytettävä piirilevytila ​​vähenevät vastaavasti. Kun teollisuus siirtyy järjestelmätason sirujen integrointiin, suunnittelijat löytävät jatkossakin uusia tekniikoita vastaamaan suuremman RF -monimutkaisuuden ja pienten langattomien laitteiden akun käyttöiän ristiriitaa.

RF -integraation kehitystila

RF -integraation tärkeä kehitys tapahtui noin kaksi vuotta sitten. Tuolloin RF -tekniikan ja digitaalisen kantataajuusmodeemin kehittäminen mahdollisti superheterodyne RF -laitteiden korvaamisen langattomien matkapuhelimien suorilla alasmuunnosvastaanottimilla. Superheterodyne RF -laitteet käyttävät monivaiheisia sekoittimia, suodattimia ja monijänniteohjattuja oskillaattoreita (VCO), joita on käytetty hyvin monta vuotta, mutta suoran taajuudenmuunnoksen RF -laitteiden integrointi voi vähentää merkittävästi GSM RF -komponenttien kokonaismäärää. 1990 -luvun lopulla tyypillinen yksikaistainen superheterodyne RF -alijärjestelmä sisälsi PA: n, antennikytkimen, LDO: n, pienen signaalin RF ja vctcxo, jotka vaativat noin 200 erillistä laitetta; Nykyään voimme suunnitella nelitaajuustoiminnolla varustetun suoran taajuudenmuunnosjärjestelmän, joka yhdistää VCO-, VCXO- ja PLL -silmukkasuodattimen, mutta sen komponenttien määrä on alle 50. Kuva 1: nelikaistainen GSM -lähetin -vastaanotin, jossa on korkea integrointi.

Esimerkiksi Texas Instruments for GSM -laitteen lähetin-vastaanotin trf6151 (kuva 1) sisältää sirulla olevan jännitteen säätimen, VCO- ja VCO-kanavan, PA-tehonsäädön, PLL-silmukkasuodattimen reunanestolaitteen, LNA-vahvistuksen vaiheittaisen ohjauksen ja VCXO: n.

Suunnittelijoille edistynyt integrointi auttaa ratkaisemaan joitain langattoman radiotaajuuden suuria ongelmia, joista perustavin on DC -virtalähde ja lähetin -vastaanottimen säätö. Puhelun aikana akun jännite muuttuu lämpötilan ja ajan muuttuessa. Lisäksi TX VCO- ja Rx VCO -virtalähteiden kohinakytkentä vaikuttaa myös koko järjestelmän suorituskykyyn. Siksi suunnittelijat kohtaavat ongelman siitä, miten ratkaistaan ​​RF -piirilevyn säädin ja useimmat siihen liittyvät passiiviset komponentit. Näiden laitteiden integroiminen RF -lähetinvastaanottimeen tarkoittaa, että ainoa tarvittava ulkoinen komponentti on yksinkertainen irrotettava kondensaattori, joka on kytketty suoraan virtalähteeseen, mikä yksinkertaistaa suunnittelua ja säästää myös piirilevyn tilaa.

Toinen haaste RF -suunnittelijoille on VCO -viritysalue ja lukitusaika. Kaikissa analogisissa VCO -malleissa. Koska on usein tarpeen tasapainottaa lukitusaika ja viritysalue, silmukkasuodatin sijoitetaan yleensä sirun ulkopuolelle. Joskus tämä voidaan ratkaista VCO -viritysalueen ohjelmisto -ohjauksella. Tämä menetelmä asettaa kuitenkin lisäresurssivaatimuksia puhelimen yleiseen kehittämiseen. Kun digitaalinen viritystoiminto sisältyy VCO: han ja se voi tarjota itsekalibroinnin, voidaan saada laajennettu viritysalue ja silmukkasuodatinelementti voidaan sijoittaa siruun. On selvää, että tämän järjestelmän avulla suunnittelijat voivat yksinkertaistaa työnsä.

Saadakseen GSM -järjestelmän edellyttämän lähettimen tehonsäädön PA -valmistajat sisällyttävät tämän toiminnon yleensä tehovahvistinmoduuliin (PAM). Tehonsäädin koostuu yleensä jopa tuhansista digitaalisista CMOS -porteista, jotka on valmistettu itsenäisessä PAM -sirussa. Tämä elementti nostaa PAM -kustannuksia 0.30–0.40 dollaria. Kun tämä toiminto integroidaan RF -laitteisiin, GaAs PAM -valmistajat eivät voi ostaa digitaalisia CMOS -piirejä ja asentaa niitä PAM -laitteeseen. Jos OEM valmistaa tuhansia tuotteita joka kuukausi, tämän tarpeettoman komponentin poistaminen alentaa huomattavasti niiden kustannuksia.

Toinen alue, jolla kehittynyt integraatio voi tuoda merkittäviä säästöjä, on VCXO. Aiemmin kalliita vctcxo -moduuleja ostettiin ja suunniteltiin RF -laitteissa erillisinä komponentteina. Siksi vctcxo -moduulien tavallisten komponenttien sisällyttäminen RF -laitteisiin voi vähentää kustannuksia ja niihin liittyviä suunnitteluongelmia. Trf6151: n avulla vain halpoja kristalleja ja varaktoreita tarvitaan vctcxon toiminnon suorittamiseen.

Näistä integraatioista ja suunnittelun yksinkertaistamisesta huolimatta RF -suunnittelijat kohtaavat edelleen vaikeita valintoja, joista yksi on tuloherkkyys ja Rx -virrankulutus. Tiedetään hyvin, että mitä suurempaa virtaa käytetään matalan melun vahvistimen (LNA) suunnittelussa, sitä pienemmät ovat kohinan kokonaisominaisuudet. Suunnittelijan on määritettävä vastaanottimen kokonaistehobudjetti ja vastaanottimen herkkyystasovaatimukset. Melu ei kuitenkaan vähene tehon pienentyessä. Itse asiassa asia on päinvastoin. Vaikka suunnittelija voi täyttää GSM -standardin vaatimukset, suunnittelijoiden on usein kysyttävä itseltään, kannattaako maksaa hinta virrankulutuksesta tietyn herkkyystason saavuttamiseksi. Tämä kysymys selittää myös, miksi suunnitteluinsinöörien ja IC -valmistajien on tehtävä tiivistä yhteistyötä koko suunnitteluprosessissa. Suunnitteluinsinöörien palaute voi ohjata IC -valmistajia palvelemaan paremmin langatonta teollisuutta tulevia RF -tuotteita kehitettäessä.

Kehitys kohti SOC: ta

Langattomien järjestelmien kustannusten, tehon ja monimutkaisuuden vähentäminen on erittäin tärkeää järjestelmäintegraation vaatimusten täyttämiseksi. Kuitenkin korkean integraation ratkaisujen kehittäminen matkapuhelimiin edellyttää puolijohdeteollisuutta voittamaan monimutkaiset tekniset esteet. Jotkut näistä esteistä ovat harvoin suunnittelijoiden huolenaiheita, koska monet heistä eivät halua tietää, miten SOC -laitteet valmistetaan, kunhan se voi tarjota vaaditun suorituskyvyn. Siksi on välttämätöntä ymmärtää nopeasti joitain prosessitekniikoita, jotka vaikuttavat matkapuhelinten integrointiin käytettävien laitteiden ominaisuuksiin ja saatavuuteen.

Matkapuhelimen RF -elektroniikkajärjestelmän integrointiin on useita toteutettavissa olevia menetelmiä. Ensinnäkin perinteinen RF -arkkitehtuuri voidaan toteuttaa suhteellisen yksinkertaisessa bipolaarisessa tai BiCMOS -prosessissa perinteistä tekniikkaa käyttäen. Lopullinen RF -siru voidaan koota matkapuhelimen digitaalisilla logiikkatoiminnoilla käyttämällä monisirupakkaustekniikkaa (järjestelmätason pakkaustekniikka). Vaikka tällä tekniikalla on monia etuja, kuten tuttujen RF -suunnittelumenetelmien ja kypsien prosessien ja tekniikoiden käyttö, sitä on vaikea kaupallistaa testilaitteiden korkeiden kustannusten ja tuoton vuoksi.

Lisäksi matkapuhelimen elektronisen järjestelmän integrointi voidaan saavuttaa myös kehittyneellä BiCMOS (SiGe) -kiekkomenetelmällä. Kuitenkin, koska SiGe HBT -laitteiden käsittely vaatii litografiaprosessia, lopullinen siru vaatii lisäkustannuksia. Samaan aikaan, koska SiGe BiCMOS -tekniikka ei voi käyttää edistyneintä litografiaprosessia, BiCMOS -prosessi on yleensä jäljessä edistyneestä digitaalisesta CMOS -prosessista. Ne aiheuttavat suurta painetta parantaa matkapuhelinten ominaisuuksia ja alentaa kustannuksia. Sitä ei voida ratkaista yksinkertaisella kiekkojen prosessistrategialla, koska tämä tekniikka ei voi pitää järjestelmän logiikkaa tai digitaalista osaa aina alhaisimpaan mahdolliseen hintaan. Siksi järjestelmän kantataajuustoiminnon RF -osan monoliittinen integrointi BiCMOSiin (tai SiGe) ei ole hyvä valinta.

Lopullinen ratkaisu, jota voidaan harkita, on RF -integrointi CMOS -järjestelmään, joka kohtaa myös suuria haasteita. Vaikka on olemassa useita CMOS -solukkoradiomalleja, nämä mallit perustuvat suurelta osin analogisiin toimintoihin. On vaikea toteuttaa analogisia sekoittimia, suodattimia ja vahvistimia CMOS -tekniikalla, ja virrankulutus on yleensä suurempi kuin SiGe BiCMOS -kaavio. Prosessitekniikan kehittyessä CMOS -mitoitustaso laskee ja laskee, mikä tekee analogisesta suunnittelusta vaikeampaa. Uusien prosessien kehittämisen alkuvaiheessa laitemallinnus ja prosessin kypsyys eivät yleensä täytä analogisten moduulien suunnittelussa vaadittavia korkean tarkkuuden parametrien mallintamisen vaatimuksia. Kuitenkin hiljattain kehitetty digitaalinen CMOS RF -arkkitehtuuri tekee monoliittisesta CMOS -integroinnista houkuttelevamman.

Nämä ratkaisut ohjaavat myös puolijohdeteollisuutta, kun valmistajat etsivät edullisia RF-järjestelmän tason siruratkaisuja. Vaikka jokaisella integraatiojärjestelmällä on vaikeuksia, on todella yllättävää, että RF -komponenttien integrointi voi saavuttaa näin korkean tason. Näiden vaikeuksien voittaminen ottaa suuren askeleen eteenpäin langattomien matkapuhelimien suunnittelussa ja asettaa suunnan laajemmalle integraatiolle lähitulevaisuudessa.

Tämän paperin johtopäätös

RF -integraatiossa on edelleen monia vaikeuksia. Jokaisella nykyaikaisen matkapuhelimen RF -laitteella on tiukat suorituskykyvaatimukset. Herkkyysvaatimus on noin – 106 dBm (106 dB alle 1 MW) tai suurempi, ja vastaava taso on vain muutama mikrovoltti; Lisäksi valikoivuuden eli hyödyllisen kanavan hylkäämiskyvyn viereiselle taajuuskaistalle (yleisesti kutsutaan estoksi) tulisi olla luokkaa 60dB; Lisäksi järjestelmän oskillaattorin on toimittava hyvin alhaisen vaihekohinan alla, jotta estetään taittuvan estoenergian pääsy vastaanottokaistalle. RF -integrointi on erittäin vaikeaa erittäin korkeiden taajuuksien ja erittäin vaativien suorituskykyvaatimusten vuoksi.

Monitaajuusstandardin käsittely tuo todellisen haasteen koko SOC -taajuudelle. Sen toivotaan vähentävän kaistan signaalilähetyksen tuottamaa viritystä. Digitaalisen RF -integraation sisältö on paljon enemmän kuin useiden RF -komponenttien yhdistäminen yhteen siruun. Laitteiston jakamisen uutta arkkitehtuuria tarvitaan.

Järjestelmän suunnittelijoille nykyiset yksinkertaiset, erittäin integroidut ja kustannustehokkaat puolijohdelaitteet voivat merkittävästi vähentää suunnittelun monimutkaisuutta. Samalla ne voivat rikastuttaa langattomien laitteiden ominaisuuksia ja pitää järjestelmän koon, akun keston ja kustannukset ennallaan. Uudet erittäin integroidut RF -laitteet voivat myös poistaa joitakin kiistoja langattomasta suunnittelusta ja säästää insinöörien arvokasta aikaa.