Ridurre il numero di componenti e ridurre l’area di scheda di circuito attraverso l’integrazione RF wireless

Nei dispositivi wireless odierni, più della metà dei componenti sul circuito sono dispositivi RF analogici. Pertanto, un modo efficace per ridurre l’area del circuito stampato e il consumo energetico consiste nell’eseguire un’integrazione RF su larga scala e svilupparsi verso un chip a livello di sistema. Questo documento introduce lo stato di sviluppo dell’integrazione RF e propone alcune contromisure e soluzioni ad alcuni di questi problemi.

Alcuni anni fa, il mercato della telefonia cellulare era dominato da telefoni single band e dual band single-mode, e la tecnologia utilizzata era solo??? Tenere una o due bande cellulari in tutto??? Lo stesso metodo di modulazione, schema di accesso multicanale e protocollo sono adottati nella banda di frequenza di mantenimento. Al contrario, il design della nuova generazione di telefoni cellulari di oggi è molto più complesso e può fornire multibanda e multimodalità??? Ha una rete personale Bluetooth, posizionamento GPS e altre funzioni, e le funzioni di ricezione UWB e TV hanno iniziato a comparire. Inoltre, applicazioni come giochi, immagini, audio e video sono diventate molto comuni nei telefoni cellulari.

Il telefono senza fili sta diventando un dispositivo complesso chiamato centro di intrattenimento personale portatile. Il suo trend di sviluppo continua a portare più sfide ai designer. Sebbene rispetto ai telefoni cellulari con solo funzione vocale, la nuova generazione di telefoni cellulari sia aumentata in modo significativo nell’elaborazione della comunicazione, nell’elaborazione delle applicazioni, nel numero di interfacce RF e nella capacità di memoria integrata, gli utenti si aspettano ancora che i telefoni cellulari abbiano un volume più piccolo, una forma aerodinamica, bassa prezzo e ampio display a colori, può fornire standby e tempo di conversazione simile ai telefoni vocali tradizionali. Mantenendo le dimensioni complessive esistenti e il consumo energetico, ma facendo aumentare la funzione in modo esponenziale, mantenendo invariato il costo complessivo del sistema, tutto ciò pone molti problemi ai progettisti del sistema.

Ovviamente, il problema coinvolge tutte le parti dell’intera progettazione del sistema, nonché i fornitori di tutti i contenuti di comunicazione e intrattenimento wireless. Un’area particolarmente efficace nel ridurre l’area della scheda e il consumo energetico è la parte RF della progettazione del sistema wireless. Questo perché nel tipico telefono cellulare di oggi, più della metà dei componenti sulla scheda sono componenti RF analogici, che insieme rappresentano il 30-40% dell’intera area della scheda, come anche i sistemi Bluetooth RF come GPS e WLAN. aumentare i requisiti di spazio.

La soluzione consiste nell’eseguire un’integrazione RF su larga scala e infine svilupparsi in un chip a livello di sistema completamente integrato. Alcuni progettisti inseriscono nell’antenna convertitori analogico-digitale per ridurre lo spazio totale sul circuito stampato richiesto per le funzioni RF. Quando la tecnologia di integrazione dei semiconduttori è in grado di integrare più funzioni in un singolo dispositivo, il numero di dispositivi discreti e lo spazio sul circuito utilizzato per ospitare questi dispositivi si ridurranno di conseguenza. Mentre l’industria si muove verso l’integrazione di chip a livello di sistema, i progettisti continueranno a trovare nuove tecnologie per soddisfare la contraddizione tra una maggiore complessità RF e una maggiore durata della batteria nei piccoli dispositivi wireless.

Stato di sviluppo dell’integrazione RF

Un importante sviluppo dell’integrazione RF è apparso circa due anni fa. A quel tempo, lo sviluppo della tecnologia RF e del modem digitale in banda base ha permesso di sostituire i dispositivi RF supereterodina con ricevitori a conversione diretta verso il basso nei telefoni cellulari wireless. I dispositivi RF supereterodina utilizzano mixer multistadio, filtri e oscillatori multipli controllati in tensione (VCO), che sono stati ben utilizzati per molti anni, ma l’integrazione di dispositivi RF a conversione diretta di frequenza può ridurre notevolmente il numero totale di componenti GSM RF. Alla fine degli anni ‘1990, un tipico sottosistema RF supereterodina a banda singola includeva PA, switch d’antenna, LDO, RF a piccolo segnale e vctcxo, che richiedeva circa 200 dispositivi discreti; Oggi possiamo progettare un sistema di conversione diretta della frequenza con funzione a quattro bande, che integra VCO, VCXO e filtro ad anello PLL, ma il suo numero di componenti è inferiore a 50. Figura 1: ricetrasmettitore GSM a quattro bande con elevata integrazione.

Ad esempio, il ricetrasmettitore trf6151 (Figura 1) di Texas Instruments per GSM include regolatore di tensione su chip, canale VCO e VCO, controllo dell’alimentazione PA, rilevamento del blocco dei bordi del filtro loop PLL, controllo passo-passo del guadagno LNA e VCXO.

Per i progettisti, l’integrazione avanzata aiuta a superare alcuni importanti problemi nella RF wireless, tra cui il più basilare è l’alimentazione CC e la regolazione del ricetrasmettitore. Durante una chiamata, la tensione della batteria cambierà al variare della temperatura e dell’ora. Inoltre, l’accoppiamento del rumore dall’alimentatore TX VCO e Rx VCO influenzerà anche le prestazioni dell’intero sistema. Pertanto, i progettisti devono affrontare il problema di come risolvere il regolatore del circuito RF e la maggior parte dei componenti passivi correlati. L’integrazione di questi dispositivi nel ricetrasmettitore RF significa che l’unico componente esterno richiesto è un semplice condensatore di disaccoppiamento, che è collegato direttamente all’alimentazione, il che non solo semplifica la progettazione, ma consente anche di risparmiare spazio sul circuito.

Un’altra sfida per i progettisti RF è la gamma di sintonizzazione VCO e il tempo di blocco. In tutti i progetti VCO analogici. Poiché spesso è necessario bilanciare il tempo di blocco e l’intervallo di sintonizzazione, il filtro ad anello è solitamente posizionato all’esterno del chip. A volte, questo può essere risolto nel controllo software della gamma di sintonizzazione VCO. Tuttavia, questo metodo presenta requisiti di risorse aggiuntive per lo sviluppo complessivo del telefono. Quando la funzione di sintonizzazione digitale è inclusa nel VCO e può fornire l’autocalibrazione, è possibile ottenere un intervallo di sintonizzazione esteso e l’elemento del filtro ad anello può essere posizionato nel chip. Ovviamente, questo schema può consentire ai progettisti di semplificare il loro lavoro.

Per ottenere il controllo della potenza del trasmettitore richiesto dal sistema GSM, i produttori di PA generalmente includono questa funzione nel modulo amplificatore di potenza (PAM). Il controller di potenza è solitamente composto da un massimo di migliaia di porte CMOS digitali, realizzate in un chip indipendente in PAM. Questo elemento aumenterà il costo di PAM di US $ 0.30 ~ 0.40. L’integrazione di questa funzione nei dispositivi RF consentirà ai produttori di GaAs PAM di non acquistare circuiti CMOS digitali e installarli in PAM. Per un OEM che produce migliaia di prodotti ogni mese, la rimozione di questo componente ridondante ridurrà notevolmente i costi.

Un’altra area in cui l’integrazione avanzata può portare a risparmi sostanziali è VCXO. In passato, costosi moduli vctcxo venivano acquistati e progettati in dispositivi RF come componenti discreti. Pertanto, l’integrazione di componenti comuni dei moduli vctcxo nei dispositivi RF può ridurre i costi e i relativi problemi di progettazione. Utilizzando trf6151, sono necessari solo un cristallo e un varactor a basso costo per completare la funzione di vctcxo.

Nonostante questa integrazione e semplificazione del design, i progettisti RF devono ancora affrontare scelte difficili, una delle quali è la sensibilità di ingresso e il consumo di energia Rx. È noto che maggiore è la corrente utilizzata nella progettazione di amplificatori a basso rumore (LNA), minori sono le caratteristiche di rumore complessive. Il progettista deve determinare il budget di potenza totale del ricevitore e i requisiti del livello di sensibilità del ricevitore. Tuttavia, il rumore non diminuisce con la riduzione della potenza. Infatti è l’opposto. Pertanto, sebbene possa soddisfare le specifiche dello standard GSM, i progettisti devono spesso chiedersi se valga la pena pagare il prezzo in termini di consumo energetico per raggiungere un certo livello di sensibilità. Questa domanda spiega anche perché è necessario che i progettisti e i produttori di circuiti integrati collaborino strettamente durante l’intero processo di progettazione. Il feedback dei progettisti può guidare i produttori di circuiti integrati a servire meglio l’industria wireless durante lo sviluppo di futuri prodotti RF.

In sviluppo verso SOC

Ridurre il costo, la potenza e la complessità dei sistemi wireless è molto importante per soddisfare con successo i requisiti dell’integrazione del sistema. Tuttavia, lo sviluppo di soluzioni ad alta integrazione per i telefoni cellulari richiede all’industria dei semiconduttori di superare complessi ostacoli tecnici. Alcuni di questi ostacoli sono raramente interessati dai progettisti, perché molti di loro non vogliono sapere come sono realizzati i dispositivi SOC, purché possano fornire le prestazioni richieste. Pertanto, è necessario avere una rapida comprensione di alcune tecnologie di processo, che influenzeranno la capacità e la disponibilità dei dispositivi utilizzati nell’integrazione dei telefoni cellulari.

Esistono diversi schemi fattibili per l’integrazione del sistema elettronico RF del telefono cellulare. In primo luogo, un’architettura RF tradizionale può essere implementata in un processo bipolare o BiCMOS relativamente semplice utilizzando la tecnologia tradizionale. Il chip RF finale può essere assemblato con le funzioni logiche digitali del telefono cellulare utilizzando la tecnologia di packaging multi chip (tecnologia di packaging a livello di sistema). Sebbene questa tecnologia abbia molti vantaggi, come l’utilizzo di metodi di progettazione RF familiari e processi e tecnologie maturi, è difficile da commercializzare a causa dell’alto costo e della resa dei dispositivi di test.

Inoltre, l’integrazione del sistema elettronico del telefono cellulare può essere ottenuta anche mediante un processo avanzato di wafer BiCMOS (SiGe). Tuttavia, poiché l’elaborazione dei dispositivi SiGe HBT richiede un processo di litografia aggiuntivo, il chip finale richiederà un costo aggiuntivo. Allo stesso tempo, poiché la tecnologia SiGe BiCMOS non può utilizzare il processo di litografia più avanzato, il processo BiCMOS di solito è in ritardo rispetto al processo CMOS digitale avanzato. Questi porteranno una grande pressione per aumentare le caratteristiche dei telefoni cellulari e ridurre i costi. Non può essere risolto con una semplice strategia di processo wafer, perché questa tecnologia non può mantenere la logica del sistema o la parte digitale al prezzo più basso possibile in ogni momento. Pertanto, l’integrazione monolitica della parte RF della funzione in banda base del sistema in BiCMOS (o SiGe) non è una buona scelta.

La soluzione finale che può essere considerata è l’integrazione RF in CMOS, che deve affrontare anche notevoli sfide. Sebbene esistano diversi progetti RF cellulari CMOS, questi progetti sono in gran parte basati su funzioni analogiche. È difficile implementare mixer, filtri e amplificatori analogici con tecnologia CMOS e il consumo di energia è generalmente maggiore dello schema SiGe BiCMOS. Con lo sviluppo della tecnologia di processo, il livello nominale CMOS sta diventando sempre più basso, il che rende più difficile la progettazione analogica. Nella fase iniziale dello sviluppo di nuovi processi, la modellazione dei dispositivi e la maturità dei processi generalmente non possono soddisfare i requisiti di modellazione dei parametri ad alta precisione richiesti per la progettazione di moduli analogici. Tuttavia, l’architettura RF CMOS digitale sviluppata di recente rende più attraente l’integrazione CMOS monolitica.

Queste soluzioni guidano anche l’industria dei semiconduttori poiché i produttori cercano soluzioni di chip a livello di sistema RF a basso costo. Sebbene ogni schema di integrazione abbia delle difficoltà, è davvero sorprendente che l’integrazione dei componenti RF possa raggiungere un livello così alto. Il superamento di queste difficoltà farà un grande passo avanti nella progettazione di telefoni cellulari senza fili e imposterà la direzione per una maggiore integrazione nel prossimo futuro.

Conclusione di questo documento

Ci sono ancora molte difficoltà nell’integrazione RF. Ogni dispositivo RF dei moderni telefoni cellulari deve far fronte a severi requisiti di prestazione. Il requisito di sensibilità è di circa – 106dbm (106db sotto 1 MW) o superiore, e il livello corrispondente è solo di pochi microvolt; Inoltre, la selettività, cioè la capacità di reiezione del canale utile alla banda di frequenza adiacente (comunemente denominata blocking), dovrebbe essere dell’ordine di 60dB; Inoltre, è necessario che l’oscillatore del sistema operi con un rumore di fase molto basso per evitare che l’energia di blocco del ripiegamento entri nella banda ricevente. L’integrazione RF è molto difficile a causa della frequenza molto elevata e dei requisiti prestazionali estremamente esigenti.

L’elaborazione di standard multifrequenza rappresenta una vera sfida per l’intera frequenza SOC. Si spera di ridurre l’eccitazione generata dalla trasmissione del segnale in banda. Il contenuto dell’integrazione RF digitale è molto più che mettere più componenti RF in un chip. È necessaria una nuova architettura di condivisione dell’hardware.

Per i progettisti di sistemi, gli attuali dispositivi a semiconduttore semplici, altamente integrati ed economici possono ridurre notevolmente la complessità del progetto. Allo stesso tempo, possono arricchire le caratteristiche dei dispositivi wireless e mantenere invariate le dimensioni del sistema, la durata della batteria e i costi. I nuovi dispositivi RF altamente integrati possono anche eliminare alcune controversie nella progettazione wireless e far risparmiare tempo prezioso ai tecnici.