Réduisez le nombre de composants et réduisez la surface de carte de circuit imprimé grâce à l’intégration RF sans fil

Dans les appareils sans fil d’aujourd’hui, plus de la moitié des composants du circuit imprimé sont des appareils RF analogiques. Par conséquent, un moyen efficace de réduire la surface de la carte de circuit imprimé et la consommation d’énergie consiste à effectuer une intégration RF à plus grande échelle et à évoluer vers une puce au niveau du système. Cet article présente l’état de développement de l’intégration RF et propose des contre-mesures et des solutions à certains de ces problèmes.

Il y a quelques années, le marché de la téléphonie cellulaire était dominé par les téléphones monomodes monobande et bibande, et la technologie utilisée était seulement ??? Tenir une ou deux bandes cellulaires en tout ??? La même méthode de modulation, le même schéma d’accès multicanal et le même protocole sont adoptés dans la bande de fréquences de maintien. En revanche, la conception de la nouvelle génération de téléphones cellulaires d’aujourd’hui est beaucoup plus complexe et peut fournir plusieurs bandes et plusieurs modes ??? Il dispose d’un réseau personnel Bluetooth, d’un positionnement GPS et d’autres fonctions, et des fonctions de réception UWB et TV ont commencé à apparaître. De plus, les applications telles que les jeux, les images, l’audio et la vidéo sont devenues très courantes dans les téléphones mobiles.

Le téléphone sans fil devient un appareil complexe appelé centre de divertissement personnel portable. Sa tendance de développement continue d’apporter plus de défis aux concepteurs. Bien que comparée aux téléphones mobiles dotés uniquement d’une fonction vocale, la nouvelle génération de téléphones mobiles a considérablement augmenté en termes de traitement des communications, de traitement des applications, du nombre d’interfaces RF et de la capacité de mémoire intégrée, les utilisateurs s’attendent toujours à ce que les téléphones mobiles aient un volume plus petit, une forme rationalisée, une faible prix et grand écran couleur, il peut fournir un temps de veille et de conversation similaire aux téléphones vocaux traditionnels. Maintenir la taille globale existante et la consommation d’énergie, mais faire augmenter la fonction de manière exponentielle, tout en maintenant le coût global du système inchangé, tout cela pose de nombreux problèmes aux concepteurs du système.

De toute évidence, le problème implique toutes les parties de la conception du système dans son ensemble, ainsi que les fournisseurs de tous les contenus de communication et de divertissement sans fil. Un domaine particulièrement efficace pour réduire la surface de la carte et la consommation d’énergie est la partie RF de la conception du système sans fil. En effet, dans le téléphone mobile typique d’aujourd’hui, plus de la moitié des composants de la carte sont des composants RF analogiques, qui représentent ensemble 30 à 40 % de la surface totale de la carte, tels que les systèmes RF Bluetooth tels que le GPS et le WLAN. augmenter les besoins en espace.

La solution consiste à effectuer une intégration RF à plus grande échelle et enfin à développer une puce au niveau du système entièrement intégrée. Certains concepteurs installent des convertisseurs analogique-numérique dans l’antenne pour réduire l’espace total sur la carte de circuit imprimé requis pour les fonctions RF. Lorsque la technologie d’intégration des semi-conducteurs peut intégrer plus de fonctions dans un seul appareil, le nombre de dispositifs discrets et l’espace de carte de circuit utilisé pour accueillir ces dispositifs seront réduits en conséquence. Au fur et à mesure que l’industrie évolue vers l’intégration des puces au niveau du système, les concepteurs continueront de trouver de nouvelles technologies pour répondre à la contradiction entre une complexité RF plus élevée et une durée de vie de la batterie plus longue dans les petits appareils sans fil.

État de développement de l’intégration RF

Un développement important de l’intégration RF est apparu il y a environ deux ans. À cette époque, le développement de la technologie RF et du modem numérique en bande de base a permis de remplacer les appareils RF superhétérodynes par des récepteurs à conversion directe dans les téléphones mobiles sans fil. Les appareils RF superhétérodynes utilisent des mélangeurs multi-étages, des filtres et plusieurs oscillateurs contrôlés en tension (VCO), qui sont bien utilisés depuis de nombreuses années, mais l’intégration de dispositifs RF à conversion directe de fréquence peut réduire considérablement le nombre total de composants RF GSM. À la fin des années 1990, un sous-système RF superhétérodyne à bande unique typique comprenait un PA, un commutateur d’antenne, un LDO, un RF à petit signal et un vctcxo, nécessitant environ 200 dispositifs discrets ; Aujourd’hui, nous pouvons concevoir un système de conversion de fréquence directe avec fonction quatre bandes, qui intègre VCO, VCXO et filtre de boucle PLL, mais son nombre de composants est inférieur à 50. Figure 1 : émetteur-récepteur GSM quatre bandes à haute intégration.

Par exemple, l’émetteur-récepteur trf6151 (Figure 1) de Texas Instruments pour GSM comprend un régulateur de tension sur puce, un canal VCO et VCO, un contrôle de puissance PA, une détection de bloqueur de bord de filtre de boucle PLL, un contrôle pas à pas du gain LNA et VCXO.

Pour les concepteurs, l’intégration avancée permet de surmonter certains problèmes majeurs des RF sans fil, parmi lesquels le plus fondamental est l’alimentation en courant continu et la régulation de l’émetteur-récepteur. Pendant un appel, la tension de la batterie changera avec le changement de température et de temps. De plus, le couplage de bruit de l’alimentation TX VCO et Rx VCO affectera également les performances de l’ensemble du système. Par conséquent, les concepteurs sont confrontés au problème de la résolution du régulateur de carte de circuit RF et de la plupart des composants passifs associés. L’intégration de ces dispositifs dans l’émetteur-récepteur RF signifie que le seul composant externe requis est un simple condensateur de découplage, qui est directement connecté à l’alimentation, ce qui non seulement simplifie la conception, mais économise également de l’espace sur la carte de circuit imprimé.

Un autre défi pour les concepteurs RF est la plage de réglage du VCO et le temps de verrouillage. Dans toutes les conceptions de VCO analogiques. Parce qu’il est souvent nécessaire d’équilibrer le temps de verrouillage et la plage d’accord, le filtre de boucle est généralement placé à l’extérieur de la puce. Parfois, cela peut être résolu dans le contrôle logiciel de la plage de réglage du VCO. Cependant, cette méthode met en avant des besoins en ressources supplémentaires pour le développement global du téléphone. Lorsque la fonction de réglage numérique est incluse dans le VCO et peut fournir un auto-étalonnage, une plage de réglage étendue peut être obtenue et l’élément de filtre de boucle peut être placé dans la puce. Évidemment, ce schéma peut permettre aux ingénieurs concepteurs de simplifier leur travail.

Afin d’obtenir le contrôle de puissance d’émission requis par le système GSM, les fabricants de sonorisation intègrent généralement cette fonction dans le module amplificateur de puissance (PAM). Le contrôleur de puissance est généralement composé de milliers de portes CMOS numériques, qui sont constituées d’une puce indépendante dans PAM. Cet élément augmentera le coût du PAM de 0.30 à 0.40 $ US. L’intégration de cette fonction dans les dispositifs RF permettra aux fabricants de PAM GaAs de ne pas acheter de circuits CMOS numériques et de les installer dans PAM. Pour un OEM produisant des milliers de produits chaque mois, la suppression de ce composant redondant réduira considérablement leur coût.

VCXO est un autre domaine où l’intégration avancée peut apporter des économies substantielles. Dans le passé, des modules vctcxo coûteux étaient achetés et conçus dans des appareils RF en tant que composants discrets. Par conséquent, l’incorporation de composants communs de modules vctcxo dans des dispositifs RF peut réduire les coûts et les problèmes de conception associés. En utilisant trf6151, seuls un cristal et un varactor à faible coût sont nécessaires pour compléter la fonction de vctcxo.

Malgré ces intégrations et simplifications de conception, les ingénieurs de conception RF sont toujours confrontés à des choix difficiles, dont la sensibilité d’entrée et la consommation d’énergie Rx. Il est bien connu que plus le courant utilisé dans la conception d’un amplificateur à faible bruit (LNA) est important, plus les caractéristiques de bruit globales sont faibles. L’ingénieur de conception doit déterminer le budget de puissance total du récepteur et les exigences de niveau de sensibilité du récepteur. Cependant, le bruit ne diminue pas avec la réduction de la puissance. En fait, c’est le contraire. Par conséquent, bien qu’il puisse répondre aux spécifications de la norme GSM, les concepteurs doivent souvent se demander s’il vaut la peine de payer le prix de la consommation d’énergie pour atteindre un certain niveau de sensibilité. Cette question explique également pourquoi il est nécessaire que les ingénieurs de conception et les fabricants de circuits intégrés coopèrent étroitement dans l’ensemble du processus de conception. Les commentaires des ingénieurs de conception peuvent aider les fabricants de circuits intégrés à mieux servir l’industrie du sans fil lors du développement de futurs produits RF.

Évoluer vers le SOC

La réduction du coût, de la puissance et de la complexité des systèmes sans fil est très importante pour répondre avec succès aux exigences de l’intégration du système. Cependant, le développement de solutions à haute intégration pour les téléphones mobiles oblige l’industrie des semi-conducteurs à surmonter des obstacles techniques complexes. Certains de ces obstacles sont rarement concernés par les concepteurs, car nombre d’entre eux ne veulent pas savoir comment sont fabriqués les dispositifs SOC, pour autant qu’ils puissent fournir les performances requises. Par conséquent, il est nécessaire d’avoir une compréhension rapide de certaines technologies de processus, qui affecteront la capacité et la disponibilité des appareils utilisés dans l’intégration des téléphones cellulaires.

Il existe plusieurs schémas possibles pour l’intégration d’un système électronique RF de téléphone mobile. Premièrement, une architecture RF traditionnelle peut être implémentée dans un processus bipolaire ou BiCMOS relativement simple en utilisant la technologie traditionnelle. La puce RF finale peut être assemblée avec des fonctions logiques numériques de téléphone portable à l’aide de la technologie d’emballage à puces multiples (technologie d’emballage au niveau du système). Bien que cette technologie présente de nombreux avantages, tels que l’utilisation de méthodes de conception RF familières et de processus et technologies matures, elle est difficile à commercialiser en raison du coût et du rendement élevés des dispositifs de test.

En outre, l’intégration du système électronique de téléphonie mobile peut également être obtenue par un processus avancé de plaquette BiCMOS (SiGe). Cependant, étant donné que le traitement des dispositifs SiGe HBT nécessite un processus de lithographie supplémentaire, la puce finale nécessitera un coût supplémentaire. Dans le même temps, étant donné que la technologie SiGe BiCMOS ne peut pas utiliser le processus de lithographie le plus avancé, le processus BiCMOS est généralement en retard par rapport au processus CMOS numérique avancé. Celles-ci exerceront une forte pression pour augmenter les caractéristiques des téléphones mobiles et réduire les coûts. Il ne peut pas être résolu avec une simple stratégie de processus de wafer, car cette technologie ne peut pas maintenir la logique du système ou la partie numérique au prix le plus bas possible à tout moment. Par conséquent, l’intégration monolithique de la partie RF de la fonction de bande de base du système dans BiCMOS (ou SiGe) n’est pas un bon choix.

La solution finale qui peut être envisagée est l’intégration RF dans le CMOS, qui fait également face à des défis considérables. Bien qu’il existe plusieurs conceptions RF cellulaires CMOS, ces conceptions sont largement basées sur des fonctions analogiques. Il est difficile de mettre en œuvre des mélangeurs, filtres et amplificateurs analogiques avec la technologie CMOS, et la consommation électrique est généralement supérieure au schéma SiGe BiCMOS. Avec le développement de la technologie des procédés, le niveau CMOS est de plus en plus bas, ce qui rend la conception analogique plus difficile. Au stade initial du développement de nouveaux processus, la modélisation des dispositifs et la maturité des processus ne peuvent généralement pas répondre aux exigences de la modélisation des paramètres de haute précision requises pour la conception de modules analogiques. Cependant, l’architecture RF CMOS numérique récemment développée rend l’intégration CMOS monolithique plus attrayante.

Ces solutions stimulent également l’industrie des semi-conducteurs, car les fabricants recherchent des solutions de puces au niveau du système RF à faible coût. Bien que chaque schéma d’intégration présente des difficultés, il est en effet surprenant que l’intégration de composants RF puisse atteindre un niveau aussi élevé. Surmonter ces difficultés fera un grand pas en avant dans la conception des téléphones mobiles sans fil et ouvrira la voie à une plus grande intégration dans un avenir proche.

Conclusion de cet article

Il existe encore de nombreuses difficultés dans l’intégration RF. Chaque appareil RF d’un téléphone mobile moderne est confronté à des exigences de performances strictes. L’exigence de sensibilité est d’environ – 106 dbm (106 db en dessous de 1 MW) ou plus, et le niveau correspondant n’est que de quelques microvolts ; De plus, la sélectivité, c’est-à-dire la capacité de réjection du canal utile vers la bande de fréquence adjacente (communément appelée blocage), doit être de l’ordre de 60dB ; De plus, l’oscillateur du système doit fonctionner avec un bruit de phase très faible pour empêcher l’énergie de blocage de repliement d’entrer dans la bande de réception. L’intégration RF est très difficile en raison des très hautes fréquences et des exigences de performances extrêmement élevées.

Le traitement de l’étalon multifréquence apporte un réel défi à l’ensemble de la fréquence SOC. On espère réduire l’excitation générée par la transmission de signaux dans la bande. Le contenu de l’intégration RF numérique est bien plus que de mettre plusieurs composants RF dans une seule puce. Une nouvelle architecture de partage de matériel est nécessaire.

Pour les concepteurs de systèmes, les dispositifs semi-conducteurs actuels simples, hautement intégrés et économiques peuvent réduire considérablement la complexité de la conception. Dans le même temps, ils peuvent enrichir les caractéristiques des appareils sans fil et maintenir la taille du système, la durée de vie de la batterie et le coût inchangés. Les nouveaux dispositifs RF hautement intégrés peuvent également éliminer certains conflits dans la conception sans fil et faire gagner un temps précieux aux ingénieurs.