Csökkentse az alkatrészek számát és csökkentse a területét áramköri vezeték nélküli RF integráció révén

A mai vezeték nélküli eszközökben az áramköri alkatrészek több mint fele analóg rádiófrekvenciás eszköz. Ezért az áramköri lapterület és az energiafogyasztás csökkentésének hatékony módja az, ha nagyobb méretű RF integrációt hajt végre, és fejlődik a rendszerszintű chip felé. Ez a cikk bemutatja az RF integráció fejlettségi állapotát, és néhány ellenintézkedést és megoldást javasol ezekre a problémákra.

Néhány évvel ezelőtt a mobiltelefon-piacot az egysávos és a kétsávos egymódú telefonok uralták, és az alkalmazott technológia csak ??? Összesen egy vagy két mobil sávot tartani ??? Ugyanazt a modulációs módszert, többcsatornás hozzáférési sémát és protokollt alkalmazzák a tartó frekvenciasávban. Ezzel szemben a mai új generációs mobiltelefonok tervezése sokkal összetettebb, és többsávos és több üzemmódot tud nyújtani ??? Rendelkezik Bluetooth személyi hálózattal, GPS helymeghatározással és egyéb funkciókkal, és elkezdtek megjelenni az UWB és a TV vételi funkciók. Ezenkívül az olyan alkalmazások, mint a játékok, képek, hang és videó nagyon elterjedtek a mobiltelefonokban.

A vezeték nélküli telefon egy komplex készülékké válik, amelyet kézi személyi szórakoztató központnak hívnak. Fejlesztési tendenciája továbbra is további kihívásokat jelent a tervezők számára. Bár a csak hangfunkcióval rendelkező mobiltelefonokhoz képest a mobiltelefonok új generációja jelentősen megnövekedett a kommunikációfeldolgozásban, az alkalmazásfeldolgozásban, az RF interfészek számában és az integrált memóriakapacitásban, a felhasználók még mindig azt várják, hogy a mobiltelefonok kisebb hangerővel, áramvonalas formával, alacsony ár és nagy színes kijelző, Készenléti és beszélgetési időt tud biztosítani a hagyományos hangtelefonokhoz hasonlóan. A meglévő általános méret és energiafogyasztás fenntartása, de a funkció exponenciális növelése, miközben a rendszer összköltsége változatlan marad, mindez sok problémát jelent a rendszer tervezőinek.

Nyilvánvaló, hogy a probléma magában foglalja a teljes rendszertervezés minden részét, valamint a vezeték nélküli kommunikációs és szórakoztató tartalmak szállítóit. Az egyik terület, amely különösen hatékonyan csökkenti a kártya területét és az energiafogyasztást, a vezeték nélküli rendszer tervezésének RF része. Ennek oka az, hogy a mai tipikus mobiltelefonokban a tábla alkatrészeinek több mint a fele analóg rádiófrekvenciás komponens, amelyek együttesen a teljes tábla területének 30-40% -át teszik ki, például a Bluetooth RF rendszerek, például a GPS és a WLAN is növelje a helyigényt.

A megoldás az, hogy nagyobb méretű RF integrációt hajtunk végre, és végül teljesen integrált rendszerszintű chipdé fejlődünk. Egyes tervezők analóg-digitális átalakítókat helyeznek az antennába, hogy csökkentsék az RF funkciókhoz szükséges teljes áramköri lapterületet. Ha a félvezető integrációs technológia több funkciót képes integrálni egyetlen eszközbe, ennek megfelelően csökken a diszkrét eszközök száma és az ezen eszközök elhelyezésére használt áramköri terület. Amint az iparág a rendszerszintű chip -integráció felé halad, a tervezők továbbra is új technológiákat találnak, hogy megfeleljenek a kisebb rádiófrekvenciás komplexitás és a kis vezeték nélküli eszközök hosszabb élettartama közötti ellentmondásnak.

RF integráció fejlesztési állapota

Az RF integráció fontos fejleménye jelent meg körülbelül két évvel ezelőtt. Abban az időben az RF technológia és a digitális alapsávú modem fejlődése lehetővé tette a szuperheterodin RF eszközök lecserélését vezeték nélküli mobiltelefonok közvetlen lefelé konverziós vevőkészülékeire. A szuperheterodin rádiófrekvenciás eszközök többlépcsős keverőket, szűrőket és több feszültségvezérelt oszcillátort (VCO) használnak, amelyeket évek óta jól használnak, de a közvetlen frekvenciaátalakító RF -eszközök integrálása nagymértékben csökkentheti a GSM RF komponensek teljes számát. A kilencvenes évek végén egy tipikus egysávos szuperheterodin RF alrendszer magában foglalta a PA -t, az antennakapcsolót, az LDO -t, a kis jelű RF -t és a vctcxo -t, amelyekhez mintegy 1990 különálló eszközre volt szükség; Ma már tervezhetünk közvetlen, négysávos funkciójú frekvenciakonverziós rendszert, amely integrálja a VCO, a VCXO és a PLL hurok szűrőt, komponenseinek száma azonban kevesebb, mint 200. 50. ábra: négysávos GSM adó -vevő nagy integrációval.

Például a Texas Instruments for GSM trf6151 adó-vevője (1. ábra) magában foglalja a chipen lévő feszültségszabályozót, a VCO és VCO csatornát, a PA teljesítményszabályozást, a PLL hurokszűrő élzáró érzékelőt, az LNA erősítés lépésről lépésre történő vezérlését és a VCXO-t.

A tervezők számára a fejlett integráció segít leküzdeni a vezeték nélküli rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás (RF) rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás rádiófrekvenciás Hívás közben az akkumulátor feszültsége változik a hőmérséklet és az idő változásával. Ezenkívül a TX VCO és az Rx VCO tápegység zajcsatolása is hatással lesz az egész rendszer teljesítményére. Ezért a tervezők szembesülnek azzal a problémával, hogy hogyan oldják meg az RF áramköri szabályzót és a legtöbb kapcsolódó passzív komponenst. Ezeknek az eszközöknek az RF adó -vevőbe történő integrálása azt jelenti, hogy az egyetlen szükséges külső alkatrész egy egyszerű leválasztó kondenzátor, amely közvetlenül a tápegységhez van csatlakoztatva, ami nemcsak leegyszerűsíti a kialakítást, hanem helyet takarít meg az áramköri kártyán.

Egy másik kihívás az RF tervezők számára a VCO hangolási tartomány és a zárolási idő. Minden analóg VCO kivitelben. Mivel gyakran szükség van a zárolási idő és a hangolási tartomány egyensúlyozására, a hurokszűrőt általában a chipen kívül helyezik el. Néha ez megoldható a VCO hangolási tartomány szoftvervezérlésével. Ez a módszer azonban további erőforrás -igényeket támaszt a telefon általános fejlesztése érdekében. Ha a digitális hangolási funkció be van építve a VCO -ba, és képes önkalibrálásra, akkor kiterjesztett hangolási tartomány érhető el, és a hurokszűrő elem a chipbe helyezhető. Nyilvánvaló, hogy ez a rendszer lehetővé teszi a tervezőmérnökök számára, hogy egyszerűsítsék munkájukat.

A GSM rendszer által előírt távadó teljesítményszabályozás elérése érdekében a PA gyártók általában beépítik ezt a funkciót a teljesítményerősítő modulba (PAM). A teljesítményszabályozó rendszerint több ezer digitális CMOS -kapuból áll, amelyek független chipben készülnek a PAM -ban. Ez az elem 0.30–0.40 USD -val növeli a PAM költségeit. Ha ezt a funkciót RF eszközökbe integrálja, a GaAs PAM gyártók nem vásárolhatnak digitális CMOS áramköröket, és nem telepíthetik azokat a PAM -ba. Egy OEM számára, amely havonta több ezer terméket gyárt, ennek a felesleges alkatrésznek a eltávolítása jelentősen csökkenti a költségeket.

Egy másik terület, ahol a fejlett integráció jelentős megtakarításokat hozhat, a VCXO. A múltban drága vctcxo modulokat vásároltak és terveztek RF készülékekben, különálló alkatrészekként. Ezért a vctcxo modulok közös alkatrészeinek RF eszközökbe történő beépítése csökkentheti a költségeket és a kapcsolódó tervezési problémákat. A trf6151 használatával csak egy olcsó kristály és varakor szükséges a vctcxo funkciójának elvégzéséhez.

Az integráció és a tervezés egyszerűsítése ellenére az RF tervezőmérnökök továbbra is nehéz döntések előtt állnak, amelyek közül az egyik a bemeneti érzékenység és az Rx energiafogyasztás. Köztudott, hogy minél nagyobb az alacsony zajszintű erősítő (LNA) kialakításánál használt áram, annál alacsonyabbak az általános zajjellemzők. A tervezőmérnöknek meg kell határoznia a vevő teljes energiakeretét és a vevő érzékenységi szintjének követelményeit. A zaj azonban nem csökken a teljesítmény csökkenésével. Valójában ez az ellenkezője. Ezért, bár megfelel a GSM szabvány előírásainak, a tervezőknek gyakran fel kell tenniük a kérdést maguknak, hogy érdemes -e megfizetni az áramfogyasztás árát egy bizonyos érzékenységi szint elérése érdekében. Ez a kérdés azt is megmagyarázza, hogy miért szükséges, hogy a tervezőmérnökök és az IC -gyártók szorosan együttműködjenek a teljes tervezési folyamatban. A tervezőmérnökök visszajelzései arra ösztönzik az IC -gyártókat, hogy jobban szolgálják a vezeték nélküli iparágat a jövőbeli RF termékek fejlesztése során.

Fejlődés a SOC felé

A vezeték nélküli rendszerek költségeinek, teljesítményének és összetettségének csökkentése nagyon fontos a rendszerintegrációs követelmények sikeres teljesítése érdekében. A mobiltelefonok magas integrációs megoldásainak kifejlesztéséhez azonban a félvezetőiparnak le kell küzdenie az összetett technikai akadályokat. Ezen akadályok némelyikét a tervezők ritkán aggasztják, mert sokan közülük nem akarják tudni, hogyan készülnek a SOC -eszközök. Ezért gyorsan meg kell értenie egyes folyamattechnológiákat, amelyek befolyásolják a mobiltelefon -integrációban használt eszközök képességeit és rendelkezésre állását.

A mobiltelefon RF elektronikus rendszerének integrálására számos megvalósítható rendszer létezik. Először is, egy hagyományos RF architektúra viszonylag egyszerű bipoláris vagy BiCMOS folyamatban valósítható meg hagyományos technológiát alkalmazva. Az utolsó RF chip a mobiltelefon digitális logikai funkcióival összeállítható, több chipes csomagolási technológia (rendszerszintű csomagolási technológia) használatával. Bár ennek a technológiának számos előnye van, mint például a jól ismert RF tervezési módszerek, valamint kiforrott folyamatok és technológiák alkalmazása, a teszteszközök magas költsége és hozama miatt nehéz kereskedelmi forgalomba hozni.

Ezenkívül a mobiltelefon elektronikus rendszerének integrálása is elérhető a fejlett BiCMOS (SiGe) ostya eljárással. Mivel azonban a SiGe HBT eszközök feldolgozása további litográfiai eljárást igényel, a végső chip további költségeket igényel. Ugyanakkor, mivel a SiGe BiCMOS technológia nem tudja használni a legfejlettebb litográfiai eljárást, a BiCMOS folyamat általában elmarad a fejlett digitális CMOS -eljárástól. Ezek nagy nyomást fognak gyakorolni a mobiltelefonok jellemzőinek növelésére és a költségek csökkentésére. Ez nem megoldható egy egyszerű ostyafeldolgozási stratégiával, mivel ez a technológia nem tudja mindenkor a lehető legalacsonyabb áron tartani a rendszer logikáját vagy a digitális részt. Ezért a rendszer alapsávú funkció RF része monolitikus integrálása a BiCMOS -ba (vagy SiGe) nem jó választás.

A végső megfontolható megoldás az RF integrálása a CMOS -ba, amely szintén jelentős kihívásokkal néz szembe. Bár több CMOS cellás RF kialakítás létezik, ezek a tervek nagyrészt analóg funkciókon alapulnak. Nehéz CMOS technológiával megvalósítani az analóg keverőket, szűrőket és erősítőket, és az energiafogyasztás általában nagyobb, mint a SiGe BiCMOS séma. A folyamattechnika fejlődésével a CMOS névleges szintje egyre alacsonyabb, ami megnehezíti az analóg tervezést. Az új folyamatok kifejlesztésének korai szakaszában az eszközmodellezés és a folyamatérettség általában nem tud megfelelni az analóg modulok tervezéséhez szükséges nagy pontosságú paraméterek modellezésének követelményeinek. A közelmúltban kifejlesztett digitális CMOS RF architektúra azonban vonzóbbá teszi a monolitikus CMOS integrációt.

Ezek a megoldások a félvezetőipart is mozgatják, mivel a gyártók olcsó RF-szintű chip-megoldásokat keresnek. Bár minden integrációs sémának vannak nehézségei, valóban meglepő, hogy az RF komponensek ilyen magas szintet érhetnek el. Ezeknek a nehézségeknek a leküzdése nagy lépést tesz előre a vezeték nélküli mobiltelefonok tervezésében, és a közeljövőben meghatározza a nagyobb integráció irányát.

A dolgozat következtetése

Az RF integrációban még mindig sok nehézség áll fenn. A modern mobiltelefonok minden RF -eszköze szigorú teljesítménykövetelményeknek felel meg. Az érzékenységi követelmény körülbelül – 106 dBm (106 dB 1 MW alatt) vagy magasabb, és a megfelelő szint csak néhány mikrovolt; Ezenkívül a szelektivitásnak, vagyis a hasznos csatorna elutasító képességének a szomszédos frekvenciasávba (általában blokkolásnak) 60dB nagyságrendűnek kell lennie; Ezenkívül a rendszer oszcillátorának nagyon alacsony fáziszajban kell működnie, hogy megakadályozza a hajtogató blokkoló energia bejutását a fogadó sávba. Az RF integráció nagyon nehéz a nagyon magas frekvencia és a rendkívül igényes teljesítménykövetelmények miatt.

A többfrekvenciás szabvány feldolgozása valódi kihívást jelent az egész SOC frekvenciára. Remélhetőleg csökkenti a sávos jelátvitel által generált gerjesztést. A digitális rádiófrekvenciás integráció tartalma sokkal több, mint több RF komponens egyetlen chipbe helyezése. A hardvermegosztás új architektúrájára van szükség.

A rendszertervezők számára a jelenlegi egyszerű, erősen integrált és költséghatékony félvezető eszközök nagymértékben csökkenthetik a tervezés összetettségét. Ugyanakkor gazdagíthatják a vezeték nélküli eszközök jellemzőit, és változatlanul tarthatják a rendszer méretét, az akkumulátor élettartamát és a költségeit. Az új, nagymértékben integrált rádiófrekvenciás eszközök megszüntethetnek bizonyos vitákat a vezeték nélküli tervezésben, és megtakaríthatják a mérnökök értékes idejét.