घटकों की संख्या कम करें और के क्षेत्र को कम करें सर्किट बोर्ड वायरलेस आरएफ एकीकरण के माध्यम से

आज के वायरलेस उपकरणों में, सर्किट बोर्ड के आधे से अधिक घटक एनालॉग आरएफ डिवाइस हैं। इसलिए, सर्किट बोर्ड क्षेत्र और बिजली की खपत को कम करने का एक प्रभावी तरीका अधिक बड़े पैमाने पर आरएफ एकीकरण करना और सिस्टम स्तर चिप की ओर विकसित करना है। यह पत्र आरएफ एकीकरण की विकास स्थिति का परिचय देता है, और इनमें से कुछ समस्याओं के लिए कुछ प्रतिवाद और समाधान सामने रखता है।

कुछ साल पहले, सेल्युलर फोन बाजार में सिंगल बैंड और डुअल बैंड सिंगल-मोड फोन का बोलबाला था, और इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक केवल ??? कुल मिलाकर एक या दो सेल्युलर बैंड होल्ड करें??? होल्डिंग फ़्रीक्वेंसी बैंड में एक ही मॉड्यूलेशन विधि, मल्टी-चैनल एक्सेस स्कीम और प्रोटोकॉल को अपनाया जाता है। इसके विपरीत, आज की नई पीढ़ी के सेलुलर फोन का डिज़ाइन बहुत अधिक जटिल है और मल्टी बैंड और मल्टी-मोड प्रदान कर सकता है ??? इसमें ब्लूटूथ पर्सनल एरिया नेटवर्क, जीपीएस पोजिशनिंग और अन्य फंक्शन हैं, और यूडब्ल्यूबी और टीवी रिसीविंग फंक्शन दिखाई देने लगे हैं। इसके अलावा, मोबाइल फोन में गेम, इमेज, ऑडियो और वीडियो जैसे एप्लिकेशन बहुत आम हो गए हैं।

वायरलेस टेलीफोन एक जटिल उपकरण बनता जा रहा है जिसे हैंडहेल्ड पर्सनल एंटरटेनमेंट सेंटर कहा जाता है। इसकी विकास प्रवृत्ति डिजाइनरों के लिए और अधिक चुनौतियां लाती रही है। यद्यपि केवल वॉयस फंक्शन वाले मोबाइल फोन की तुलना में, मोबाइल फोन की नई पीढ़ी ने संचार प्रसंस्करण, एप्लिकेशन प्रोसेसिंग, आरएफ इंटरफेस की संख्या और एकीकृत मेमोरी क्षमता में काफी वृद्धि की है, फिर भी उपयोगकर्ता उम्मीद करते हैं कि मोबाइल फोन की मात्रा कम, सुव्यवस्थित आकार, कम हो। कीमत और बड़े रंग का डिस्प्ले, यह पारंपरिक वॉयस फोन के समान स्टैंडबाय और टॉक टाइम प्रदान कर सकता है। मौजूदा समग्र आकार और बिजली की खपत को बनाए रखना, लेकिन फ़ंक्शन को तेजी से बढ़ाना, जबकि समग्र सिस्टम लागत को अपरिवर्तित बनाए रखना, ये सभी सिस्टम डिजाइनरों के लिए बहुत सारी समस्याएं पैदा करते हैं।

जाहिर है, समस्या में पूरे सिस्टम डिज़ाइन के सभी हिस्से शामिल हैं, साथ ही सभी वायरलेस संचार और मनोरंजन सामग्री के आपूर्तिकर्ता भी शामिल हैं। एक क्षेत्र जो बोर्ड क्षेत्र और बिजली की खपत को कम करने में विशेष रूप से प्रभावी है, वह वायरलेस सिस्टम डिज़ाइन का आरएफ हिस्सा है। ऐसा इसलिए है क्योंकि आज के विशिष्ट मोबाइल फोन में, बोर्ड के आधे से अधिक घटक एनालॉग आरएफ घटक हैं, जो एक साथ पूरे बोर्ड क्षेत्र के 30-40% के लिए खाते हैं, जैसे कि ब्लूटूथ आरएफ सिस्टम जैसे जीपीएस और डब्ल्यूएलएएन भी बहुत अधिक होंगे। अंतरिक्ष के लिए आवश्यकताओं में वृद्धि।

समाधान यह है कि अधिक बड़े पैमाने पर आरएफ एकीकरण किया जाए और अंत में पूरी तरह से एकीकृत सिस्टम स्तर की चिप के रूप में विकसित किया जाए। कुछ डिज़ाइनर RF फ़ंक्शंस के लिए आवश्यक कुल सर्किट बोर्ड स्थान को कम करने के लिए एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर्स को एंटीना में लगाते हैं। जब अर्धचालक एकीकरण प्रौद्योगिकी एक ही उपकरण में अधिक कार्यों को एकीकृत कर सकती है, तो असतत उपकरणों की संख्या और इन उपकरणों को समायोजित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सर्किट बोर्ड स्थान को तदनुसार कम किया जाएगा। जैसे-जैसे उद्योग सिस्टम स्तर चिप एकीकरण की ओर बढ़ता है, डिजाइनर छोटे वायरलेस उपकरणों में उच्च आरएफ जटिलता और लंबे बैटरी जीवन के बीच विरोधाभास को पूरा करने के लिए नई तकनीकों को खोजना जारी रखेंगे।

आरएफ एकीकरण की विकास स्थिति

आरएफ एकीकरण का एक महत्वपूर्ण विकास लगभग दो साल पहले सामने आया था। उस समय, आरएफ प्रौद्योगिकी और डिजिटल बेसबैंड मॉडेम के विकास ने सुपरहेटरोडाइन आरएफ उपकरणों को वायरलेस मोबाइल फोन में सीधे डाउन रूपांतरण रिसीवर के साथ बदलना संभव बना दिया। Superheterodyne RF डिवाइस मल्टीस्टेज मिक्सर, फिल्टर और मल्टीपल वोल्टेज नियंत्रित ऑसिलेटर्स (VCOs) का उपयोग करते हैं, जिनका कई वर्षों से अच्छी तरह से उपयोग किया जाता है, लेकिन प्रत्यक्ष आवृत्ति रूपांतरण RF उपकरणों का एकीकरण GSM RF घटकों की कुल संख्या को बहुत कम कर सकता है। 1990 के दशक के उत्तरार्ध में, एक विशिष्ट सिंगल बैंड सुपरहेटरोडाइन आरएफ सबसिस्टम में पीए, एंटीना स्विच, एलडीओ, छोटे सिग्नल आरएफ और वीसीटीएक्सओ शामिल थे, जिसमें लगभग 200 असतत उपकरणों की आवश्यकता होती थी; आज, हम चार बैंड फ़ंक्शन के साथ एक प्रत्यक्ष आवृत्ति रूपांतरण प्रणाली डिज़ाइन कर सकते हैं, जो VCO, VCXO और PLL लूप फ़िल्टर को एकीकृत करता है, लेकिन इसके घटकों की संख्या 50 से कम है। चित्र 1: उच्च एकीकरण के साथ चार बैंड GSM ट्रांसीवर।

उदाहरण के लिए, GSM के लिए टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स के ट्रांसीवर trf6151 (चित्र 1) में ऑन-चिप वोल्टेज रेगुलेटर, VCO और VCO चैनल, PA पावर कंट्रोल, PLL लूप फिल्टर एज ब्लॉकर डिटेक्शन, LNA गेन स्टेप-बाय-स्टेप कंट्रोल और VCXO शामिल हैं।

डिजाइनरों के लिए, उन्नत एकीकरण वायरलेस आरएफ में कुछ प्रमुख समस्याओं को दूर करने में मदद करता है, जिनमें से सबसे बुनियादी डीसी बिजली की आपूर्ति और ट्रांसीवर का विनियमन है। कॉल के दौरान, तापमान और समय के परिवर्तन के साथ बैटरी वोल्टेज बदल जाएगा। इसके अलावा, TX VCO और Rx VCO बिजली आपूर्ति से शोर युग्मन भी पूरे सिस्टम के प्रदर्शन को प्रभावित करेगा। इसलिए, डिजाइनरों को इस समस्या का सामना करना पड़ता है कि आरएफ सर्किट बोर्ड नियामक और सबसे संबंधित निष्क्रिय घटकों को कैसे हल किया जाए। इन उपकरणों को आरएफ ट्रांसीवर में एकीकृत करने का मतलब है कि केवल बाहरी घटक की आवश्यकता होती है एक साधारण डिकूपिंग कैपेसिटर, जो सीधे बिजली की आपूर्ति से जुड़ा होता है, जो न केवल डिजाइन को सरल बनाता है, बल्कि सर्किट बोर्ड की जगह भी बचाता है।

आरएफ डिजाइनरों के लिए एक और चुनौती वीसीओ ट्यूनिंग रेंज और लॉकिंग टाइम है। सभी एनालॉग वीसीओ डिजाइनों में। चूंकि लॉकिंग समय और ट्यूनिंग रेंज को संतुलित करने के लिए अक्सर आवश्यक होता है, लूप फ़िल्टर आमतौर पर चिप के बाहर रखा जाता है। कभी-कभी, इसे वीसीओ ट्यूनिंग रेंज के सॉफ्टवेयर नियंत्रण में हल किया जा सकता है। हालाँकि, यह विधि टेलीफोन के समग्र विकास के लिए अतिरिक्त संसाधन आवश्यकताओं को सामने रखती है। जब डिजिटल ट्यूनिंग फ़ंक्शन वीसीओ में शामिल होता है और स्वयं अंशांकन प्रदान कर सकता है, तो एक विस्तारित ट्यूनिंग रेंज प्राप्त की जा सकती है, और लूप फ़िल्टर तत्व को चिप में रखा जा सकता है। जाहिर है, यह योजना डिजाइन इंजीनियरों को अपने काम को आसान बनाने में सक्षम बना सकती है।

जीएसएम सिस्टम द्वारा आवश्यक ट्रांसमीटर पावर कंट्रोल प्राप्त करने के लिए, पीए निर्माता आमतौर पर इस फ़ंक्शन को पावर एम्पलीफायर मॉड्यूल (पीएएम) में शामिल करते हैं। पावर कंट्रोलर आमतौर पर हजारों डिजिटल सीएमओएस गेट्स से बना होता है, जो पीएएम में एक स्वतंत्र चिप में बने होते हैं। यह तत्व PAM की लागत को US $0.30 ~ 0.40 तक बढ़ा देगा। इस फ़ंक्शन को RF उपकरणों में एकीकृत करने से GaAs PAM निर्माता डिजिटल CMOS सर्किट नहीं खरीद पाएंगे और उन्हें PAM में स्थापित नहीं कर पाएंगे। हर महीने हजारों उत्पादों का उत्पादन करने वाले ओईएम के लिए, इस अनावश्यक घटक को हटाने से उनकी लागत बहुत कम हो जाएगी।

एक अन्य क्षेत्र जहां उन्नत एकीकरण पर्याप्त बचत ला सकता है, वह है वीसीएक्सओ। अतीत में, महंगे vctcxo मॉड्यूल खरीदे गए थे और RF उपकरणों में असतत घटकों के रूप में डिज़ाइन किए गए थे। इसलिए, आरएफ उपकरणों में वीसीटीएक्सओ मॉड्यूल के सामान्य घटकों को शामिल करने से लागत और संबंधित डिजाइन की समस्याएं कम हो सकती हैं। trf6151 का उपयोग करते हुए, vctcxo के कार्य को पूरा करने के लिए केवल एक कम लागत वाले क्रिस्टल और वैरेक्टर की आवश्यकता होती है।

इन एकीकरण और डिजाइन सरलीकरण के बावजूद, आरएफ डिजाइन इंजीनियरों को अभी भी मुश्किल विकल्पों का सामना करना पड़ता है, जिनमें से एक इनपुट संवेदनशीलता और आरएक्स बिजली की खपत है। यह सर्वविदित है कि कम शोर एम्पलीफायर (एलएनए) के डिजाइन में जितना बड़ा वर्तमान उपयोग किया जाता है, समग्र शोर विशेषताओं को कम करता है। डिज़ाइन इंजीनियर को रिसीवर के कुल बिजली बजट और रिसीवर की संवेदनशीलता स्तर की आवश्यकताओं को निर्धारित करना चाहिए। हालांकि, बिजली की कमी के साथ शोर कम नहीं होता है। वास्तव में, यह विपरीत है। इसलिए, हालांकि यह जीएसएम मानक विनिर्देश को पूरा कर सकता है, डिजाइनरों को अक्सर खुद से पूछना चाहिए कि क्या यह एक निश्चित संवेदनशीलता स्तर प्राप्त करने के लिए बिजली की खपत में कीमत चुकाने के लायक है। यह प्रश्न यह भी बताता है कि डिजाइन इंजीनियरों और आईसी निर्माताओं के लिए पूरी डिजाइन प्रक्रिया में निकट सहयोग करना क्यों आवश्यक है। डिजाइन इंजीनियरों की प्रतिक्रिया भविष्य के आरएफ उत्पादों को विकसित करते समय आईसी निर्माताओं को वायरलेस उद्योग की बेहतर सेवा के लिए मार्गदर्शन कर सकती है।

समाज की ओर विकास

सिस्टम एकीकरण की आवश्यकताओं को सफलतापूर्वक पूरा करने के लिए वायरलेस सिस्टम की लागत, शक्ति और जटिलता को कम करना बहुत महत्वपूर्ण है। हालांकि, मोबाइल फोन के लिए उच्च एकीकरण समाधान के विकास के लिए अर्धचालक उद्योग को जटिल तकनीकी बाधाओं को दूर करने की आवश्यकता है। इनमें से कुछ बाधाएं डिजाइनरों द्वारा शायद ही कभी चिंतित होती हैं, क्योंकि उनमें से कई यह नहीं जानना चाहते हैं कि एसओसी डिवाइस कैसे बनाए जाते हैं, जब तक कि यह आवश्यक प्रदर्शन प्रदान कर सके। इसलिए, कुछ प्रक्रिया प्रौद्योगिकियों की त्वरित समझ होना आवश्यक है, जो सेलुलर फोन एकीकरण में उपयोग किए जाने वाले उपकरणों की क्षमता और उपलब्धता को प्रभावित करेगी।

मोबाइल फोन आरएफ इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली के एकीकरण के लिए कई व्यवहार्य योजनाएं हैं। सबसे पहले, पारंपरिक तकनीक का उपयोग करके एक पारंपरिक आरएफ वास्तुकला को अपेक्षाकृत सरल द्विध्रुवी या बीआईसीएमओएस प्रक्रिया में लागू किया जा सकता है। अंतिम आरएफ चिप को मल्टी चिप पैकेजिंग तकनीक (सिस्टम लेवल पैकेजिंग टेक्नोलॉजी) का उपयोग करके मोबाइल फोन डिजिटल लॉजिक फंक्शन के साथ असेंबल किया जा सकता है। हालांकि इस तकनीक के कई फायदे हैं, जैसे कि परिचित आरएफ डिजाइन विधियों और परिपक्व प्रक्रियाओं और प्रौद्योगिकियों का उपयोग करना, परीक्षण उपकरणों की उच्च लागत और उपज के कारण इसका व्यावसायीकरण करना मुश्किल है।

इसके अलावा, उन्नत BiCMOS (SiGe) वेफर प्रक्रिया द्वारा मोबाइल फोन इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम का एकीकरण भी प्राप्त किया जा सकता है। हालाँकि, क्योंकि SiGe HBT उपकरणों के प्रसंस्करण के लिए अतिरिक्त लिथोग्राफी प्रक्रिया की आवश्यकता होती है, अंतिम चिप के लिए अतिरिक्त लागत की आवश्यकता होगी। उसी समय, क्योंकि SiGe BiCMOS तकनीक सबसे उन्नत लिथोग्राफी प्रक्रिया का उपयोग नहीं कर सकती है, BiCMOS प्रक्रिया आमतौर पर उन्नत डिजिटल CMOS प्रक्रिया से पीछे रहती है। ये मोबाइल फोन की विशेषताओं को बढ़ाने और लागत कम करने के लिए बहुत दबाव लाएंगे। इसे एक साधारण वेफर प्रक्रिया रणनीति से हल नहीं किया जा सकता है, क्योंकि यह तकनीक सिस्टम लॉजिक या डिजिटल पार्ट को हर समय न्यूनतम संभव कीमत पर नहीं रख सकती है। इसलिए, BiCMOS (या SiGe) में सिस्टम बेसबैंड फ़ंक्शन RF भाग का अखंड एकीकरण एक अच्छा विकल्प नहीं है।

अंतिम समाधान जिस पर विचार किया जा सकता है वह है सीएमओएस में आरएफ एकीकरण, जो काफी चुनौतियों का भी सामना करता है। हालांकि कई सीएमओएस सेलुलर आरएफ डिज़ाइन हैं, ये डिज़ाइन काफी हद तक एनालॉग फ़ंक्शंस पर आधारित हैं। CMOS तकनीक के साथ एनालॉग मिक्सर, फिल्टर और एम्पलीफायरों को लागू करना मुश्किल है, और बिजली की खपत आमतौर पर SiGe BiCMOS योजना से अधिक होती है। प्रक्रिया प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, सीएमओएस रेटेड स्तर कम और कम होता जा रहा है, जो एनालॉग डिजाइन को और अधिक कठिन बना देता है। नई प्रक्रियाओं के विकास के प्रारंभिक चरण में, डिवाइस मॉडलिंग और प्रक्रिया परिपक्वता आमतौर पर एनालॉग मॉड्यूल डिज़ाइन के लिए आवश्यक उच्च-सटीक पैरामीटर मॉडलिंग की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकती है। हालांकि, हाल ही में विकसित डिजिटल सीएमओएस आरएफ आर्किटेक्चर मोनोलिथिक सीएमओएस एकीकरण को और अधिक आकर्षक बनाता है।

ये समाधान अर्धचालक उद्योग को भी चलाते हैं क्योंकि निर्माता कम लागत वाले आरएफ सिस्टम स्तर के चिप समाधान चाहते हैं। यद्यपि प्रत्येक एकीकरण योजना में कठिनाइयाँ होती हैं, यह वास्तव में आश्चर्यजनक है कि RF घटक एकीकरण इतने उच्च स्तर तक पहुँच सकता है। इन कठिनाइयों पर काबू पाने से वायरलेस मोबाइल फोन के डिजाइन में एक बड़ा कदम आगे बढ़ेगा और निकट भविष्य में अधिक एकीकरण की दिशा तय होगी।

इस पेपर का निष्कर्ष

आरएफ एकीकरण में अभी भी कई कठिनाइयाँ हैं। आधुनिक मोबाइल फोन के प्रत्येक आरएफ उपकरण को सख्त प्रदर्शन आवश्यकताओं का सामना करना पड़ता है। संवेदनशीलता की आवश्यकता लगभग – 106dbm (106 मेगावाट से नीचे 1db) या अधिक है, और संबंधित स्तर केवल कुछ माइक्रोवोल्ट है; इसके अलावा, चयनात्मकता, यानी, आसन्न आवृत्ति बैंड (आमतौर पर अवरुद्ध करने के लिए संदर्भित) के लिए उपयोगी चैनल की अस्वीकृति क्षमता 60dB के क्रम में होनी चाहिए; इसके अलावा, सिस्टम ऑसिलेटर को फोल्डिंग ब्लॉकिंग एनर्जी को रिसीविंग बैंड में प्रवेश करने से रोकने के लिए बहुत कम फेज शोर के तहत संचालित करने की आवश्यकता होती है। बहुत उच्च आवृत्ति और अत्यधिक मांग प्रदर्शन आवश्यकताओं के कारण आरएफ एकीकरण बहुत मुश्किल है।

प्रसंस्करण बहु आवृत्ति मानक पूरे एसओसी आवृत्ति के लिए एक वास्तविक चुनौती लाता है। यह बैंड सिग्नल ट्रांसमिशन द्वारा उत्पन्न उत्तेजना को कम करने की उम्मीद है। डिजिटल आरएफ एकीकरण की सामग्री एक चिप में कई आरएफ घटकों को रखने से कहीं अधिक है। हार्डवेयर साझाकरण की एक नई संरचना की आवश्यकता है।

सिस्टम डिजाइनरों के लिए, वर्तमान सरल, अत्यधिक एकीकृत और लागत प्रभावी अर्धचालक उपकरण डिजाइन जटिलता को बहुत कम कर सकते हैं। साथ ही, वे वायरलेस उपकरणों की विशेषताओं को समृद्ध कर सकते हैं और सिस्टम का आकार, बैटरी जीवन और लागत अपरिवर्तित रख सकते हैं। नए अत्यधिक एकीकृत आरएफ डिवाइस वायरलेस डिज़ाइन में कुछ विवादों को भी समाप्त कर सकते हैं और इंजीनियरों के मूल्यवान समय को बचा सकते हैं।