Fækkaðu íhlutum og fækkaðu flatarmáli hringrás borð með þráðlausri RF samþættingu

Í þráðlausum tækjum í dag eru meira en helmingur íhluta hringrásarinnar hliðstæða RF tæki. Þess vegna er áhrifarík leið til að draga úr hringrásarborðssvæðinu og orkunotkun að framkvæma meiri RF samþættingu og þróast í átt að kerfisstigflís. Þessi grein kynnir þróunarstöðu RF samþættingar og setur fram nokkrar gagnaðgerðir og lausnir á sumum af þessum vandamálum.

Fyrir nokkrum árum var farsímamarkaðurinn einkennist af einum hljómsveit og tvíhliða hljómsveitum með einum ham og tæknin sem notuð var var aðeins ??? Halda einu eða tveimur farsímaböndum alls ??? Sama mótunaraðferð, fjölrása aðgangsskipulag og samskiptareglur eru samþykktar á tíðnisviðinu. Aftur á móti er hönnun nýrrar kynslóðar farsíma í dag miklu flóknari og getur boðið upp á fjölband og margstillingu ??? Það hefur Bluetooth persónulegt svæðanet, GPS staðsetningu og aðrar aðgerðir og UWB og sjónvarps móttökuaðgerðir eru farnar að birtast. Að auki hafa forrit eins og leikir, myndir, hljóð og myndskeið orðið mjög algeng í farsímum.

Þráðlaus sími er að verða flókið tæki sem kallast handfest persónuleg afþreyingarmiðstöð. Þróunarþróun þess heldur áfram að færa hönnuðum meiri áskoranir. Þrátt fyrir að í samanburði við farsíma með aðeins raddaðgerð, þá hefur nýja kynslóð farsíma aukist verulega í samskiptavinnslu, umsóknarvinnslu, fjölda RF tengi og samþætt minni getu, búast notendur enn við að farsímar séu með minna magn, straumlínulagað form, lágt verð og stór litaskjár, Það getur veitt biðstöðu og ræðutíma líkt og hefðbundnir talsímar. Með því að viðhalda núverandi heildarstærð og orkunotkun, en láta aðgerðin aukast veldishraða, en viðhalda heildarkostnaði kerfisins óbreyttum, valda allt þetta miklum vandamálum fyrir kerfishönnuðina.

Augljóslega felur vandamálið í sér alla hluta kerfishönnunarinnar, svo og birgja alls þráðlausra samskipta- og afþreyingarefnis. Eitt svæði sem er sérstaklega áhrifaríkt til að minnka borðflöt og orkunotkun er RF hluti þráðlausrar kerfishönnunar. Þetta er vegna þess að í dæmigerðum farsíma í dag eru meira en helmingur íhluta á spjaldinu hliðrænir RF íhlutir, sem samanlagt eru 30-40% af öllu spjaldsvæðinu, svo sem Bluetooth RF kerfi eins og GPS og WLAN mun einnig stórlega auka kröfur um pláss.

Lausnin er að framkvæma meiri RF samþættingu í stórum stíl og þróast að lokum í fullkomlega samþættan kerfisstigflís. Sumir hönnuðir setja hliðstætt-í-stafræna breyti í loftnetið til að minnka heildarpláss hringrásarinnar sem þarf til RF aðgerða. Þegar tækni fyrir hálfleiðara samþættingu getur samþætt fleiri aðgerðir í einu tæki mun fjöldi aðskildra tækja og hringrásarplássins sem notað er til að koma til móts við þessi tæki minnka í samræmi við það. Þegar iðnaðurinn gengur í átt að samþættingu flísar á kerfisstigi munu hönnuðir halda áfram að finna nýja tækni til að mæta mótsögninni milli meiri RF -flækju og lengri líftíma rafhlöðunnar í litlum þráðlausum tækjum.

Þróunarstaða RF samþættingar

Mikilvæg þróun á RF samþættingu birtist fyrir um tveimur árum. Á þeim tíma gerði þróun RF tækni og stafrænt grunnbandsmótald það mögulegt að skipta út superheterodyne RF tækjum fyrir beinmóttökuviðtæki í þráðlausum farsímum. Superheterodyne RF tæki nota margþrepa blöndunartæki, síur og margar spennustýrðar sveiflur (VCOs), sem hafa verið vel notaðar í mörg ár, en samþætting beinna tíðnibreytinga RF tæki getur dregið verulega úr heildarfjölda GSM RF íhluta. Seint á tíunda áratugnum innihélt dæmigerð eins band superheterodyne RF undirkerfi PA, loftnetrofa, LDO, lítið merki RF og vctcxo, sem krefjast um 1990 stakra tækja; Í dag getum við hannað beint tíðnibreytingarkerfi með fjögurra banda virka, sem samþættir VCO, VCXO og PLL lykkjusíu, en fjöldi íhluta hennar er minni en 200. Mynd 50: fjögurra band GSM sendir með mikilli samþættingu.

Til dæmis felur senditækið trf6151 (mynd 1) í Texas Instruments fyrir GSM í sér spennustýringu á flögum, VCO og VCO rás, PA aflstýringu, PLL lykkju síu brún lokunargreiningu, LNA gain skref fyrir skref stjórn og VCXO.

Fyrir hönnuði, háþróaður samþætting hjálpar til við að sigrast á stórum vandamálum í þráðlausu RF, þar á meðal er sú grundvallar DC aflgjafi og stjórnun senditækisins. Meðan á símtali stendur mun rafhlöðuspennan breytast með breytingu á hitastigi og tíma. Að auki mun hávaðatenging frá TX VCO og Rx VCO aflgjafa einnig hafa áhrif á afköst alls kerfisins. Þess vegna standa hönnuðir frammi fyrir vandamálinu um hvernig á að leysa eftirlit með RF hringrásarborði og flestum tengdum óvirkum íhlutum. Að samþætta þessi tæki í RF senditækið þýðir að eina ytri íhluturinn sem krafist er er einfaldur aftengingarþétti, sem er beintengdur við aflgjafann, sem einfaldar ekki aðeins hönnunina heldur sparar einnig hringrásarplássið.

Önnur áskorun fyrir RF hönnuði er stillingar svið VCO og læsingartíma. Í öllum hliðstæðum VCO hönnun. Vegna þess að það er oft nauðsynlegt að koma jafnvægi á læsingartíma og stillingarvið, er lykkjusían venjulega sett fyrir utan flísina. Stundum er hægt að leysa þetta í hugbúnaðarstjórnun VCO stillingar. Hins vegar setur þessi aðferð fram frekari auðlindakröfur fyrir heildarþróun síma. Þegar stafræna stillingaraðgerðin er innifalin í VCO og getur veitt sjálfkvörðun er hægt að fá lengra stillingarvið og hægt er að setja lykkjusíuna í flísina. Augljóslega getur þetta kerfi gert hönnunarverkfræðingum kleift að einfalda vinnu sína.

Til þess að fá sendistjórnunarstýringu sem krafist er af GSM -kerfinu, hafa framleiðendur PA almennt þessa aðgerð með í magnamagnseiningunni (PAM). Aflstýringin er venjulega samsett úr allt að þúsundum stafrænna CMOS hliðar, sem eru gerðar í sjálfstæðum flís í PAM. Þessi þáttur mun auka kostnað PAM um 0.30 ~ 0.40 Bandaríkjadali. Að samþætta þessa aðgerð í RF tæki mun gera GaAs PAM framleiðendum kleift að kaupa stafræna CMOS hringrás og setja þá upp í PAM. Fyrir OEM sem framleiðir þúsundir vara í hverjum mánuði, mun fjarlægja þennan óþarfa íhlut draga verulega úr kostnaði þeirra.

Annað svæði þar sem háþróuð samþætting getur skilað verulegum sparnaði er VCXO. Í fortíðinni voru dýrar vctcxo einingar keyptar og hannaðar í RF tækjum sem aðskildir íhlutir. Þess vegna getur það að draga úr kostnaði og tengdum hönnunarvandamálum að sameina sameiginlega íhluti vctcxo einingar í RF tæki. Með því að nota trf6151 þarf aðeins ódýran kristal og varactor til að ljúka virkni vctcxo.

Þrátt fyrir þessa samþættingu og einföldun hönnunar standa RF hönnunarverkfræðingar enn frammi fyrir erfiðu vali, þar af eitt inntaksnæmi og Rx orkunotkun. Það er vel þekkt að því stærri sem straumurinn sem notaður er við hönnun hljóðstyrks magnara (LNA), því lægri eru heildar hávaðareinkenni. Hönnuður verkfræðingur verður að ákvarða heildarafláætlun móttakara og kröfur um næmni móttakanda. Hins vegar minnkar hávaði ekki með minnkun á orku. Í raun er það öfugt. Þess vegna, þó að það geti uppfyllt GSM staðlaða forskriftina, verða hönnuðir oft að spyrja sig hvort það sé þess virði að borga verðið í orkunotkun til að ná tilteknu næmni. Þessi spurning skýrir einnig hvers vegna það er nauðsynlegt fyrir hönnunarverkfræðinga og framleiðendur IC að vinna náið saman í öllu hönnunarferlinu. Viðbrögð hönnunarverkfræðinga geta leiðbeint IC framleiðendum til að þjóna betur þráðlausum iðnaði þegar þeir þróa framtíðar RF vörur.

Þróast í átt að SOC

Það er mjög mikilvægt að draga úr kostnaði, afli og margbreytileika þráðlausra kerfa til að uppfylla kröfur kerfis samþættingar. Hins vegar krefst þróun hátæknisamsetningar lausna fyrir farsíma hálfleiðaraiðnaðinn til að sigrast á flóknum tæknilegum hindrunum. Sumar þessara hindrana hafa sjaldan áhyggjur af hönnuðum, vegna þess að margir þeirra vilja ekki vita hvernig SOC tæki eru framleidd, svo framarlega sem það getur veitt nauðsynlega frammistöðu. Þess vegna er nauðsynlegt að hafa skjótan skilning á sumri vinnslutækni, sem mun hafa áhrif á getu og framboð á tækjum sem notuð eru við samþættingu farsíma.

Það eru nokkur möguleg kerfi fyrir samþættingu RF rafeindakerfis farsíma. Í fyrsta lagi er hægt að útfæra hefðbundinn RF arkitektúr í tiltölulega einföldu tvískautu eða BiCMOS ferli með hefðbundinni tækni. Hægt er að setja endanlega RF -flísina saman með stafrænum rökfræðiaðgerðum farsíma með því að nota pökkunartækni með mörgum flögum (umbúðatækni á kerfisstigi). Þó að þessi tækni hafi marga kosti, svo sem að nota kunnuglegar RF hönnunaraðferðir og þroskaða ferla og tækni, þá er erfitt að markaðssetja það vegna mikils kostnaðar og ávöxtunar prófunarbúnaðar.

Að auki er einnig hægt að fá samþættingu farsíma rafeindakerfis með háþróaðri BiCMOS (SiGe) wafer ferli. Hins vegar, vegna þess að vinnsla SiGe HBT tæki krefst viðbótar litaferli, mun síðasta flísinn krefjast aukakostnaðar. Á sama tíma, vegna þess að SiGe BiCMOS tækni getur ekki notað háþróaðasta litaferli, er BiCMOS ferlið venjulega á eftir háþróaðri stafrænu CMOS ferli. Þetta mun valda miklum þrýstingi til að auka eiginleika farsíma og draga úr kostnaði. Það er ekki hægt að leysa það með einföldu stefnuferli, því þessi tækni getur ekki haldið kerfisfræðinni eða stafræna hlutanum á lægsta mögulega verði á öllum tímum. Þess vegna er einhliða samþætting kerfisgrunnsviðs virka RF hluta í BiCMOS (eða SiGe) ekki góður kostur.

Endanleg lausn sem hægt er að íhuga er RF samþætting í CMOS, sem stendur einnig frammi fyrir töluverðum áskorunum. Þó að það séu nokkrar CMOS farsíma RF hönnun, þá eru þessar hönnun að miklu leyti byggðar á hliðstæðum aðgerðum. Það er erfitt að innleiða hliðstæða blöndunartæki, síur og magnara með CMOS tækni og orkunotkunin er almennt meiri en SiGe BiCMOS kerfið. Með þróun vinnslutækni er CMOS stigið lægra og lægra, sem gerir hliðræna hönnun erfiðari. Á snemma stigi þróunar nýrra ferla getur tækjamódel og vinnsluþroski almennt ekki uppfyllt kröfur um nákvæmni færibreytulíkana sem krafist er fyrir hliðstæða einingahönnun. Hins vegar, nýlega þróaður stafrænn CMOS RF arkitektúr gerir einhliða CMOS samþættingu meira aðlaðandi.

Þessar lausnir reka einnig hálfleiðaraiðnaðinn þar sem framleiðendur leita að ódýrum RF kerfisstigi flísalausnum. Þó að hvert samþættingarkerfi eigi í erfiðleikum, þá kemur það örugglega á óvart að samþætting RF íhluta getur náð svo háu stigi. Að sigrast á þessum erfiðleikum mun taka stórt skref fram á við í hönnun þráðlausra farsíma og setja stefnuna á meiri samþættingu á næstunni.

Niðurstaða þessa blaðs

Það eru enn margir erfiðleikar við samþættingu RF. Sérhver RF tæki nútíma farsíma stendur frammi fyrir ströngum kröfum um afköst. Næmiskröfan er um – 106dbm (106db undir 1 MW) eða hærri, og samsvarandi stig er aðeins nokkrar míkróvolts; Að auki ætti sértækni, það er að segja höfnunarmöguleika gagnlegrar rásar á aðliggjandi tíðnisvið (venjulega kallað hindrun), að vera í röð 60dB; Að auki þarf kerfisoscillator að starfa undir mjög lágum fasa hávaða til að koma í veg fyrir að folding hindri orku frá því að komast inn í móttökubandið. RF samþætting er mjög erfið vegna mikillar tíðni og afar krefjandi frammistöðukröfna.

Vinnsla margra tíðnistaðals veldur raunverulegri áskorun fyrir alla SOC tíðnina. Vonast er til að draga úr örvun sem myndast við bandmerkjasending. Innihald stafrænnar RF samþættingar er miklu meira en að setja marga RF hluti í einn flís. Nýr arkitektúr fyrir samnýtingu vélbúnaðar er þörf.

Fyrir kerfishönnuðir geta núverandi einföldu, mjög samþættu og hagkvæmu hálfleiðara tæki dregið verulega úr flækjustigi hönnunarinnar. Á sama tíma geta þeir auðgað eiginleika þráðlausra tækja og haldið kerfisstærð, líftíma rafhlöðunnar og kostnaði óbreyttum. Hin nýja mjög samþætta RF tæki geta einnig útrýmt sumum deilum í þráðlausri hönnun og sparað dýrmætan tíma verkfræðinga.