Smanjite broj komponenti i smanjite površinu pločica putem bežične RF integracije

U današnjim bežičnim uređajima više od polovice komponenti na ploči su analogni RF uređaji. Stoga je učinkovit način za smanjenje površine tiskane ploče i potrošnje energije provedba veće RF integracije i razvoj prema čipu na razini sustava. Ovaj rad uvodi razvojni status RF integracije i nudi neke protumjere i rješenja nekih od ovih problema.

Prije nekoliko godina tržištem mobitela dominirali su jednopojasni i dvopojasni jednomodni telefoni, a korištena je tehnologija samo ??? Držite jedan ili dva stanična pojasa u svemu ??? Ista metoda modulacije, višekanalna shema pristupa i protokol usvojeni su u frekvencijskom opsegu zadržavanja. Nasuprot tome, dizajn današnje nove generacije mobitela mnogo je složeniji i može pružiti višepojasni i višenamjenski način rada ??? Ima Bluetooth osobnu mrežu, GPS pozicioniranje i druge funkcije, a počele su se pojavljivati ​​i UWB i TV prijemne funkcije. Osim toga, aplikacije poput igara, slika, zvuka i videa postale su vrlo česte na mobilnim telefonima.

Bežični telefon postaje složeni uređaj koji se naziva ručni osobni zabavni centar. Njegov razvojni trend nastavlja dizajnerima donositi sve više izazova. Iako su u usporedbi s mobitelima sa samo glasovnom funkcijom, nova generacija mobitela značajno porasla u obradi komunikacije, obradi aplikacija, broju RF sučelja i integriranom kapacitetu memorije, korisnici i dalje očekuju da će mobilni telefoni imati manji volumen, pojednostavljen oblik, nizak cijenu i veliki zaslon u boji, može pružiti vrijeme čekanja i vrijeme razgovora slično tradicionalnim govornim telefonima. Održavanje postojeće ukupne veličine i potrošnje energije, ali povećanje funkcije eksponencijalno, uz zadržavanje ukupnih troškova sustava nepromijenjenim, sve to dizajnerima sustava stvara mnogo problema.

Očigledno, problem uključuje sve dijelove dizajna cijelog sustava, kao i dobavljače svih bežičnih komunikacijskih i zabavnih sadržaja. Jedno područje koje je posebno učinkovito u smanjenju površine ploče i potrošnje energije je RF dio dizajna bežičnog sustava. To je zato što je u današnjem tipičnom mobilnom telefonu više od polovice komponenti na ploči analogne RF komponente, koje zajedno čine 30-40% cijele površine ploče, kao što su Bluetooth RF sustavi poput GPS-a i WLAN-a. povećati zahtjeve za prostorom.

Rješenje je provesti opsežniju RF integraciju i konačno se razviti u potpuno integrirani čip na razini sustava. Neki dizajneri stavljaju analogno-digitalne pretvarače u antenu kako bi smanjili ukupni prostor na ploči potreban za RF funkcije. Kada tehnologija integracije poluvodiča može integrirati više funkcija u jedan uređaj, broj diskretnih uređaja i prostor na ploči koji se koriste za smještaj ovih uređaja bit će prema tome smanjeni. Kako se industrija bude približavala integraciji čipova na razini sustava, dizajneri će nastaviti pronalaziti nove tehnologije kako bi odgovorili na kontradikciju između veće složenosti RF -a i duljeg trajanja baterije u malim bežičnim uređajima.

Status razvoja RF integracije

Važan razvoj RF integracije pojavio se prije otprilike dvije godine. U to vrijeme, razvoj RF tehnologije i digitalnog modema u osnovnom pojasu omogućio je zamjenu superheterodinskih RF uređaja prijemnicima s izravnom konverzijom u bežičnim mobilnim telefonima. Superheterodinski RF uređaji koriste višestepene mješalice, filtere i višenaponske upravljane oscilatore (VCO), koji se dobro koriste već dugi niz godina, ali integracija RF uređaja s izravnom frekvencijskom pretvorbom može uvelike smanjiti ukupan broj GSM RF komponenti. Krajem 1990 -ih, tipični jednosistemski superheterodinski RF podsustav uključivao je PA, antenski prekidač, LDO, mali signal RF i vctcxo, za koje je bilo potrebno oko 200 diskretnih uređaja; Danas možemo projektirati sustav izravne pretvorbe frekvencije s četiri pojasa koji integrira VCO, VCXO i PLL filter petlje, ali je njegov broj komponenti manji od 50. Slika 1: četveropojasni GSM primopredajnik s visokom integracijom.

Na primjer, primopredajnik trf6151 (slika 1) tvrtke Texas Instruments za GSM uključuje regulator napona na čipu, VCO i VCO kanal, kontrolu snage PA, otkrivanje blokatora ruba filtera PLL petlje, korak po korak kontrolu LNA pojačanja i VCXO.

Za dizajnere, napredna integracija pomaže u prevladavanju nekih velikih problema u bežičnom RF -u, među kojima je najosnovniji istosmjerno napajanje i regulacija primopredajnika. Tijekom poziva, napon baterije će se mijenjati s promjenom temperature i vremena. Osim toga, sprečavanje buke iz napajanja TX VCO i Rx VCO također će utjecati na performanse cijelog sustava. Stoga se dizajneri suočavaju s problemom kako riješiti regulator RF ploče i većinu srodnih pasivnih komponenti. Integriranje ovih uređaja u RF primopredajnik znači da je jedina potrebna vanjska komponenta jednostavan kondenzator za odvajanje, koji je izravno spojen na napajanje, što ne samo da pojednostavljuje dizajn, već i štedi prostor na ploči.

Još jedan izazov za RF dizajnere je raspon podešavanja VCO -a i vrijeme zaključavanja. U svim analognim VCO izvedbama. Budući da je često potrebno uravnotežiti vrijeme zaključavanja i raspon ugađanja, filter petlje se obično postavlja izvan čipa. Ponekad se to može riješiti softverskom kontrolom raspona ugađanja VCO. Međutim, ova metoda postavlja dodatne zahtjeve za resursima za cjelokupni razvoj telefona. Kada je funkcija digitalnog ugađanja uključena u VCO i može osigurati samokalibraciju, može se dobiti prošireni raspon ugađanja, a filter element petlje može se postaviti u čip. Očito, ova shema može omogućiti inženjerima dizajna da pojednostave svoj rad.

Kako bi dobili kontrolu snage odašiljača koju zahtijeva GSM sustav, proizvođači PA općenito uključuju ovu funkciju u modul pojačala snage (PAM). Regulator snage obično se sastoji od do tisuća digitalnih CMOS vrata, koja su izrađena u neovisnom čipu u PAM -u. Ovaj će element povećati cijenu PAM -a za 0.30 ~ 0.40 USD. Integriranje ove funkcije u RF uređaje omogućit će proizvođačima GaAs PAM -a da ne kupuju digitalne CMOS sklopove i instaliraju ih u PAM. Za OEM -a koji proizvodi tisuće proizvoda svaki mjesec, uklanjanje ove suvišne komponente uvelike će smanjiti njihove troškove.

Još jedno područje gdje napredna integracija može donijeti značajne uštede je VCXO. U prošlosti su skupi vctcxo moduli kupovani i dizajnirani u RF uređajima kao diskretne komponente. Stoga uključivanje zajedničkih komponenti vctcxo modula u RF uređaje može smanjiti troškove i povezane probleme s dizajnom. Koristeći trf6151, samo su jeftini kristal i varaktor potrebni za dovršetak funkcije vctcxo.

Unatoč ovoj integraciji i pojednostavljenju dizajna, inženjeri RF dizajna i dalje se suočavaju s teškim izborima, od kojih je jedan osjetljivost ulaza i potrošnja energije Rx. Dobro je poznato da što je veća struja korištena u dizajnu pojačala s niskim šumom (LNA), niže su ukupne karakteristike šuma. Inženjer projektanta mora odrediti ukupni proračun snage prijemnika i zahtjeve razine osjetljivosti prijemnika. Međutim, buka se ne smanjuje sa smanjenjem snage. Zapravo je upravo suprotno. Stoga se, iako može zadovoljiti specifikaciju GSM standarda, dizajneri često moraju zapitati isplati li se platiti cijenu u potrošnji energije kako bi se postigla određena razina osjetljivosti. Ovo pitanje također objašnjava zašto je potrebno da inženjeri dizajna i proizvođači IC blisko surađuju u cijelom procesu projektiranja. Povratne informacije inženjera dizajna mogu uputiti proizvođače IC -a da bolje posluže bežičnoj industriji pri razvoju budućih RF proizvoda.

Razvoj prema SOC -u

Smanjenje troškova, snage i složenosti bežičnih sustava vrlo je važno za uspješno zadovoljavanje zahtjeva integracije sustava. Međutim, razvoj rješenja visoke integracije za mobilne telefone zahtijeva od industrije poluvodiča da prevlada složene tehničke prepreke. Dizajnere rijetko zabrinjavaju neke od ovih prepreka, jer mnogi od njih ne žele znati kako su napravljeni SOC uređaji, sve dok mogu pružiti potrebne performanse. Stoga je potrebno brzo razumijevanje nekih procesnih tehnologija koje će utjecati na sposobnost i dostupnost uređaja koji se koriste u integraciji mobitela.

Postoji nekoliko izvedivih shema za integraciju RF elektroničkog sustava mobilnih telefona. Prvo, tradicionalna RF arhitektura može se implementirati u relativno jednostavan bipolarni ili BiCMOS proces pomoću tradicionalne tehnologije. Završni RF čip može se sastaviti s funkcijama digitalne logike mobilnih telefona pomoću tehnologije pakiranja s više čipova (tehnologija pakiranja na razini sustava). Iako ova tehnologija ima mnoge prednosti, poput korištenja poznatih metoda projektiranja RF -a i zrelih procesa i tehnologija, teško ju je komercijalizirati zbog visoke cijene i prinosa testnih uređaja.

Osim toga, integracija elektroničkog sustava mobilnih telefona također se može postići naprednim postupkom BiCMOS (SiGe) pločica. Međutim, budući da obrada SiGe HBT uređaja zahtijeva dodatni proces litografije, konačni čip zahtijeva dodatne troškove. Istodobno, budući da SiGe BiCMOS tehnologija ne može koristiti najnapredniji proces litografije, BiCMOS proces obično zaostaje za naprednim digitalnim CMOS procesom. To će donijeti veliki pritisak za povećanje karakteristika mobilnih telefona i smanjenje troškova. To se ne može riješiti jednostavnom strategijom obrade pločica, jer ova tehnologija ne može u svakom trenutku održati logiku sustava ili digitalni dio na najnižoj mogućoj cijeni. Stoga monolitna integracija RF dijela osnovnog pojasa sustava u BiCMOS -u (ili SiGe) nije dobar izbor.

Konačno rješenje koje se može uzeti u obzir je RF integracija u CMOS, koja se također suočava sa značajnim izazovima. Iako postoji nekoliko CMOS staničnih RF dizajna, ti se dizajni uvelike temelje na analognim funkcijama. Teško je implementirati analogne miksere, filtere i pojačala s CMOS tehnologijom, a potrošnja energije općenito je veća od SiGe BiCMOS sheme. Razvojem procesne tehnologije, razina CMOS -a je sve niža i niža, što otežava analogni dizajn. U ranoj fazi razvoja novih procesa, modeliranje uređaja i zrelost procesa općenito ne mogu zadovoljiti zahtjeve visokopreciznog modeliranja parametara potrebnih za dizajn analognih modula. Međutim, nedavno razvijena digitalna CMOS RF arhitektura čini monolitnu CMOS integraciju privlačnijom.

Ova rješenja također pokreću industriju poluvodiča jer proizvođači traže jeftina čip rješenja na razini RF sustava. Iako svaka integracijska shema ima poteškoća, doista je iznenađujuće da integracija RF komponenti može doseći tako visoku razinu. Prevladavanje ovih poteškoća učinit će veliki korak naprijed u dizajnu bežičnih mobilnih telefona i postaviti smjer za veću integraciju u bliskoj budućnosti.

Zaključak ovog rada

Još uvijek postoje mnoge poteškoće u RF integraciji. Svaki RF uređaj modernog mobilnog telefona suočava se sa strogim zahtjevima performansi. Zahtjev osjetljivosti je oko – 106dbm (106db ispod 1 MW) ili veći, a odgovarajuća razina je samo nekoliko mikrovolti; Osim toga, selektivnost, odnosno sposobnost odbacivanja korisnog kanala u susjedni frekvencijski pojas (obično se naziva blokiranje), trebala bi biti reda veličine 60 dB; Osim toga, oscilator sustava mora raditi pod vrlo niskim faznim šumom kako bi se spriječilo da energija blokiranja preklapanja uđe u prijemni pojas. RF integracija vrlo je teška zbog vrlo visokih frekvencija i iznimno zahtjevnih performansi.

Obrada višefrekventnog standarda donosi pravi izazov cijeloj frekvenciji SOC -a. Nadamo se da ćemo smanjiti uzbudu koju generira prijenos signala u pojasu. Sadržaj digitalne RF integracije mnogo je više od stavljanja više RF komponenti u jedan čip. Potrebna je nova arhitektura dijeljenja hardvera.

Za dizajnere sustava trenutni jednostavni, visoko integrirani i isplativi poluvodički uređaji mogu uvelike smanjiti složenost projektiranja. Istodobno, mogu obogatiti karakteristike bežičnih uređaja i zadržati nepromijenjenu veličinu sustava, trajanje baterije i cijenu. Novi visoko integrirani RF uređaji također mogu ukloniti neke sporove u dizajnu bežične mreže i uštedjeti dragocjeno vrijeme inženjera.