Reduce o número de compoñentes e reduce a área de placa de circuíto a través da integración sen fíos de RF

Nos dispositivos inalámbricos actuais, máis da metade dos compoñentes da placa de circuíto son dispositivos RF analóxicos. Polo tanto, un xeito eficaz de reducir a área da placa de circuíto e o consumo de enerxía é levar a cabo unha integración de RF a maior escala e desenvolverse cara a un chip de nivel de sistema. Este artigo introduce o estado de desenvolvemento da integración de RF e presenta algunhas contramedidas e solucións a algúns destes problemas.

Hai uns anos, o mercado dos teléfonos móbiles estaba dominado por teléfonos monomodo de banda única e de dobre banda, e a tecnoloxía empregada só era de ??? Sostén unha ou dúas bandas celulares en total ??? O mesmo método de modulación, esquema de acceso multicanle e protocolo son adoptados na banda de frecuencia de espera. Pola contra, o deseño da nova xeración de teléfonos móbiles actuais é moito máis complexo e pode proporcionar multibanda e multimodo ??? Ten rede de área persoal Bluetooth, posicionamento GPS e outras funcións e comezaron a aparecer funcións de recepción de UWB e TV. Ademais, aplicacións como xogos, imaxes, audio e vídeo fixéronse moi comúns nos teléfonos móbiles.

O teléfono sen fíos estase a converter nun complexo dispositivo chamado centro de entretemento persoal portátil. A súa tendencia de desenvolvemento segue a traer máis retos aos deseñadores. Aínda que en comparación cos teléfonos móbiles con só función de voz, a nova xeración de teléfonos móbiles aumentou significativamente no procesamento de comunicacións, no procesamento de aplicacións, no número de interfaces RF e na capacidade de memoria integrada, os usuarios aínda esperan que os teléfonos móbiles teñan un volume menor, unha forma racionalizada, baixa prezo e gran pantalla en cor, pode proporcionar tempo de espera e conversación semellante aos teléfonos de voz tradicionais. Manter o tamaño global existente e o consumo de enerxía, pero facendo que a función aumente exponencialmente, mantendo o custo global do sistema inalterado, todo isto supón moitos problemas para os deseñadores do sistema.

Obviamente, o problema implica todas as partes de todo o deseño do sistema, así como os provedores de todo o contido de comunicación e entretemento sen fíos. Unha área especialmente eficaz para reducir a superficie da tarxeta e o consumo de enerxía é a parte de RF do deseño do sistema sen fíos. Isto ocorre porque no típico teléfono móbil de hoxe en día, máis da metade dos compoñentes da placa son compoñentes RF analóxicos, que xuntos representan o 30-40% de toda a superficie da placa, como os sistemas RF Bluetooth como GPS e WLAN tamén serán moi importantes aumentar os requisitos de espazo.

A solución é levar a cabo unha integración de RF a maior escala e finalmente converterse nun chip de nivel de sistema totalmente integrado. Algúns deseñadores colocan convertidores analóxico-dixital na antena para reducir o espazo total na placa de circuíto necesario para as funcións de RF. Cando a tecnoloxía de integración de semicondutores pode integrar máis funcións nun só dispositivo, o número de dispositivos discretos e o espazo da placa de circuíto utilizado para acomodar estes dispositivos reducirase en consecuencia. Mentres a industria avanza cara á integración de chip a nivel de sistema, os deseñadores seguirán atopando novas tecnoloxías para atender a contradición entre maior complexidade de RF e maior duración da batería en pequenos dispositivos sen fíos.

Estado de desenvolvemento da integración de RF

Un importante desenvolvemento da integración de RF apareceu hai aproximadamente dous anos. Nese momento, o desenvolvemento da tecnoloxía RF e do módem dixital de banda base permitiu substituír os dispositivos RF superheterodinos por receptores de conversión directa en teléfonos móbiles sen fíos. Os dispositivos RF superheterodinos usan mesturadores de varias etapas, filtros e osciladores controlados por tensión múltiple (VCO), que se utilizan ben durante moitos anos, pero a integración de dispositivos RF de conversión directa de frecuencia pode reducir moito o número total de compoñentes RF GSM. A finais dos anos 1990, un subsistema de RF superheterodino de banda única típico incluía PA, conmutador de antena, LDO, RF de pequeno sinal e vctcxo, que requirían uns 200 dispositivos discretos; Hoxe en día podemos deseñar un sistema de conversión de frecuencia directa con función de catro bandas, que integra un filtro de bucle VCO, VCXO e PLL, pero o seu número de compoñentes é inferior a 50. Figura 1: transceptor GSM de catro bandas con alta integración.

Por exemplo, o transceptor trf6151 (Figura 1) de Texas Instruments para GSM inclúe regulador de tensión no chip, canle VCO e VCO, control de potencia PA, detección de bloqueo de bordes de filtro de bucle PLL, control paso a paso de ganancia de LNA e VCXO.

Para os deseñadores, a integración avanzada axuda a superar algúns problemas importantes na RF sen fíos, entre os que o máis básico é a alimentación de corrente continua e a regulación do transceptor. Durante unha chamada, a tensión da batería cambiará co cambio de temperatura e hora. Ademais, o acoplamento de ruído da fonte de alimentación TX VCO e Rx VCO tamén afectará o rendemento de todo o sistema. Polo tanto, os deseñadores enfróntanse ao problema de como resolver o regulador da placa de circuíto RF e os compoñentes pasivos máis relacionados. A integración destes dispositivos no transceptor de RF significa que o único compoñente externo necesario é un simple condensador de desacoplamento, que está directamente conectado á fonte de alimentación, o que non só simplifica o deseño, senón que tamén aforra espazo na placa de circuíto.

Outro desafío para os deseñadores de RF é o rango de axuste VCO e o tempo de bloqueo. En todos os deseños analóxicos de VCO. Debido a que a miúdo é necesario equilibrar o tempo de bloqueo e o rango de afinación, o filtro de lazo adoita colocarse fóra do chip. Ás veces, isto pódese solucionar no control de software do rango de sintonización VCO. Non obstante, este método presenta requisitos de recursos adicionais para o desenvolvemento global do teléfono. Cando a función de sintonización dixital está incluída no VCO e pode proporcionar autocalibración, pódese obter un rango de sintonización amplo e o elemento de filtro de bucle pódese colocar no chip. Obviamente, este esquema pode permitir aos enxeñeiros de deseño simplificar o seu traballo.

Para obter o control de potencia do transmisor requirido polo sistema GSM, os fabricantes de PA xeralmente inclúen esta función no módulo amplificador de potencia (PAM). O controlador de potencia adoita estar composto por ata miles de portas CMOS dixitais, que se fabrican nun chip independente en PAM. Este elemento aumentará o custo de PAM entre 0.30 e 0.40 dólares. A integración desta función en dispositivos RF permitirá aos fabricantes de GaAs PAM non mercar circuítos dixitais CMOS e instalalos en PAM. Para un OEM que produce miles de produtos cada mes, eliminar este compoñente redundante reducirá considerablemente o seu custo.

Outra área onde a integración avanzada pode aforrar substancialmente é VCXO. No pasado, os módulos vctcxo caros compráronse e deseñáronse en dispositivos de RF como compoñentes discretos. Polo tanto, incorporar compoñentes comúns de módulos vctcxo en dispositivos de RF pode reducir custos e problemas de deseño relacionados. Usando trf6151, só son necesarios un cristal e un varactor de baixo custo para completar a función de vctcxo.

A pesar destas integracións e simplificación do deseño, os enxeñeiros de deseño de RF aínda enfrontan opcións difíciles, unha das cales é a sensibilidade á entrada e o consumo de enerxía Rx. Sábese que canto maior sexa a corrente utilizada no deseño do amplificador de baixo ruído (LNA), máis baixas serán as características de ruído. O enxeñeiro de deseño debe determinar o orzamento de potencia total do receptor e os requisitos de nivel de sensibilidade do receptor. Non obstante, o ruído non diminúe coa redución de potencia. De feito, é o contrario. Polo tanto, aínda que pode cumprir a especificación estándar GSM, os deseñadores a miúdo deben preguntarse se paga o prezo do consumo de enerxía para acadar un certo nivel de sensibilidade. Esta pregunta tamén explica por que é necesario que os enxeñeiros de deseño e os fabricantes de CI cooperen estreitamente en todo o proceso de deseño. Os comentarios dos enxeñeiros de deseño poden guiar aos fabricantes de IC para servir mellor á industria sen fíos cando desenvolvan futuros produtos de RF.

Desenvolvemento cara ao SOC

É moi importante reducir o custo, a potencia e a complexidade dos sistemas sen fíos para cumprir con éxito os requisitos de integración do sistema. Non obstante, o desenvolvemento de solucións de alta integración para teléfonos móbiles require que a industria de semicondutores supere complexos obstáculos técnicos. Algúns destes obstáculos raramente son preocupados polos deseñadores, porque moitos deles non queren saber como se fabrican os dispositivos SOC, sempre que poida proporcionar o rendemento requirido. Polo tanto, é necesario ter unha rápida comprensión dalgunhas tecnoloxías de proceso, que afectarán a capacidade e dispoñibilidade dos dispositivos empregados na integración do teléfono móbil.

Existen varios esquemas viables para a integración do sistema electrónico de RF do teléfono móbil. En primeiro lugar, unha arquitectura RF tradicional pódese implementar nun proceso bipolar ou BiCMOS relativamente sinxelo empregando tecnoloxía tradicional. O chip RF final pódese ensamblar con funcións lóxicas dixitais de teléfonos móbiles usando tecnoloxía de envasado de varios chip (tecnoloxía de envasado a nivel de sistema). Aínda que esta tecnoloxía ten moitas vantaxes, como o uso de métodos familiares de deseño de RF e procesos e tecnoloxías maduras, é difícil comercializar debido ao alto custo e rendemento dos dispositivos de proba.

Ademais, a integración do sistema electrónico de telefonía móbil tamén se pode obter mediante un proceso avanzado de obleas BiCMOS (SiGe). Non obstante, debido a que o procesamento de dispositivos SiGe HBT require un proceso de litografía adicional, o chip final requirirá un custo adicional. Ao mesmo tempo, debido a que a tecnoloxía SiGe BiCMOS non pode usar o proceso de litografía máis avanzado, o proceso BiCMOS adoita atrasarse no proceso CMOS dixital avanzado. Estes exercerán unha gran presión para aumentar as características dos teléfonos móbiles e reducir os custos. Non se pode solucionar cunha simple estratexia de proceso de obleas, porque esta tecnoloxía non pode manter a lóxica do sistema ou a parte dixital ao prezo máis baixo posible en todo momento. Polo tanto, a integración monolítica da función de banda base do sistema RF en BiCMOS (ou SiGe) non é unha boa opción.

A solución final que se pode considerar é a integración de RF en CMOS, que tamén afronta retos considerables. Aínda que hai varios deseños de RF móbiles CMOS, estes deseños baséanse en gran parte en funcións analóxicas. É difícil implementar mesturadores, filtros e amplificadores analóxicos con tecnoloxía CMOS e o consumo de enerxía é xeralmente maior que o esquema SiGe BiCMOS. Co desenvolvemento da tecnoloxía de procesos, o nivel clasificado de CMOS é cada vez máis baixo, o que dificulta o deseño analóxico. Na fase inicial do desenvolvemento de novos procesos, o modelado de dispositivos e a madurez do proceso xeralmente non poden cumprir os requisitos de modelado de parámetros de alta precisión requiridos para o deseño de módulos analóxicos. Non obstante, a arquitectura dixital CMOS RF recentemente desenvolvida fai que a integración CMOS monolítica sexa máis atractiva.

Estas solucións tamén impulsan a industria de semicondutores xa que os fabricantes buscan solucións de chip de nivel de sistema RF de baixo custo. Aínda que cada esquema de integración ten dificultades, é sorprendente que a integración de compoñentes RF poida alcanzar un nivel tan alto. Superar estas dificultades dará un gran paso adiante no deseño de teléfonos móbiles sen fíos e establecerá a dirección para unha maior integración nun futuro próximo.

Conclusión deste traballo

Aínda hai moitas dificultades na integración de RF. Todos os dispositivos RF do teléfono móbil moderno enfróntanse a requisitos de rendemento rigorosos. O requisito de sensibilidade é de aproximadamente – 106 dbm (106 db por baixo de 1 MW) ou superior, e o nivel correspondente é só algúns microvoltos; Ademais, a selectividade, é dicir, a capacidade de rexeitamento da canle útil á banda de frecuencia adxacente (normalmente chamada bloqueo), debería estar na orde de 60 dB; Ademais, o oscilador do sistema está obrigado a funcionar baixo un ruído de fase moi baixo para evitar que a enerxía de bloqueo do pregamento entra na banda receptora. A integración de RF é moi difícil debido á frecuencia moi alta e aos requisitos de rendemento moi esixentes.

Procesar o estándar multi frecuencia trae un verdadeiro desafío a toda a frecuencia SOC. Espérase reducir a excitación xerada pola transmisión de sinal de banda. O contido da integración dixital de RF é moito máis que poñer varios compoñentes de RF nun chip. É necesaria unha nova arquitectura para compartir hardware.

Para os deseñadores de sistemas, os dispositivos semicondutores simples, altamente integrados e rendibles actuais poden reducir moito a complexidade do deseño. Ao mesmo tempo, poden enriquecer as características dos dispositivos sen fíos e manter inalterados o tamaño do sistema, a duración da batería e o custo. Os novos dispositivos RF altamente integrados tamén poden eliminar algunhas disputas no deseño sen fíos e aforrar o valioso tempo dos enxeñeiros.