צמצם את מספר הרכיבים וצמצם את השטח של המעגלים באמצעות שילוב RF אלחוטי

במכשירים האלחוטיים של היום, יותר ממחצית המרכיבים בלוח המעגלים הם התקני RF אנלוגיים. לכן, דרך יעילה לצמצם את שטח המעגל וצריכת החשמל היא לבצע אינטגרציה גבוהה יותר בקנה מידה RF ולפתח לקראת שבב ברמת המערכת. מאמר זה מציג את מצב הפיתוח של שילוב RF, ומציג כמה אמצעי נגד ופתרונות לחלק מהבעיות הללו.

לפני מספר שנים, שוק הטלפונים הסלולריים נשלט על ידי טלפונים בודדים וחד-להקות כפולות, והטכנולוגיה בה נעשה שימוש הייתה רק ??? להחזיק רצועה סלולרית אחת או שתיים בסך הכל ??? אותה שיטת אפנון, תכנית גישה מרובת ערוצים ופרוטוקול מאומצים בפס תדר ההחזקה. לעומת זאת, העיצוב של הדור החדש של הטלפונים הסלולריים כיום הוא הרבה יותר מורכב ויכול לספק מולטי-בונד ומצב מרובה ??? יש לו רשת אזורית Bluetooth אישית, מיקום GPS ופונקציות אחרות, ופונקציות קליטת UWB וטלוויזיה החלו להופיע. בנוסף, יישומים כגון משחקים, תמונות, אודיו ווידאו הפכו נפוצים מאוד בטלפונים ניידים.

טלפון אלחוטי הופך למכשיר מורכב הנקרא מרכז בידור אישי כף יד. מגמת הפיתוח שלה ממשיכה להביא אתגרים נוספים למעצבים. למרות שבהשוואה לטלפונים ניידים עם פונקציה קולית בלבד, הדור החדש של טלפונים ניידים גדל משמעותית בעיבוד תקשורת, עיבוד אפליקציות, מספר ממשקי RF ויכולת זיכרון משולבת, משתמשים עדיין מצפים שלניידים יהיו בעלי נפח קטן יותר, צורה יעילה, נמוכה מחיר ותצוגת צבע גדולה, הוא יכול לספק זמן המתנה ודיבור בדומה לטלפונים קוליים מסורתיים. שמירה על הגודל הכולל וצריכת החשמל הקיימת, אך הגדלת הפונקציה באופן אקספוננציאלי, תוך שמירה על עלות המערכת הכוללת ללא שינוי, כל אלה מעוררים בעיות רבות בפני מעצבי המערכת.

ברור שהבעיה כרוכה בכל חלקי עיצוב המערכת כולה, כמו גם ספקים של כל תוכן התקשורת והבידור האלחוטי. תחום יעיל במיוחד בהפחתת שטח הלוח וצריכת החשמל הוא חלק ה- RF בעיצוב המערכת האלחוטית. הסיבה לכך היא שבטלפון הסלולרי הטיפוסי של היום, יותר ממחצית מהרכיבים בלוח הם רכיבי RF אנלוגיים, המהווים יחד 30-40% מכל שטח הלוח, כמו גם מערכות Bluetooth Bluetooth כגון GPS ו- WLAN. להגדיל את הדרישות לשטח.

הפתרון הוא לבצע אינטגרציה גבוהה יותר בקנה מידה RF ולבסוף להתפתח לשבב ברמת מערכת משולב לחלוטין. כמה מעצבים הכניסו ממירים אנלוגיים לדיגיטליים לתוך האנטנה כדי לצמצם את שטח הלוח הכולל הנדרש עבור פונקציות RF. כאשר טכנולוגיית שילוב מוליכים למחצה יכולה לשלב פונקציות נוספות במכשיר אחד, מספר המכשירים הבודדים ומרחב המעגלים המשמשים להכיל מכשירים אלה יצטמצם בהתאם. ככל שהתעשייה מתקדמת לקראת שילוב שבבים ברמת המערכת, המעצבים ימשיכו למצוא טכנולוגיות חדשות שיעמדו בסתירה בין מורכבות RF גבוהה יותר לבין חיי סוללה ארוכים יותר בהתקנים אלחוטיים קטנים.

מצב פיתוח של שילוב RF

התפתחות חשובה של שילוב RF הופיעה לפני כשנתיים. באותה תקופה, פיתוח טכנולוגיית ה- RF ומודם פס דיגיטלי איפשר להחליף התקני RF superheterodyne במקלטי המרה ישירים כלפי מטה בטלפונים ניידים אלחוטיים. מכשירי RF Superheterodyne משתמשים במערבלים מרובי שלבים, מסננים ומתנדים מבוקרי מתח מרובים (VCO), אשר היו בשימוש טוב במשך שנים רבות, אך שילובם של התקני RF להמרת תדרים ישירים יכול להפחית במידה ניכרת את המספר הכולל של רכיבי RF GSM. בסוף שנות התשעים כללה תת -מערכת אופיינית של super -superodyodyne RF הכוללת הרשות הפלסטינית, מתג אנטנות, LDO, אות קטן RF ו- vctcxo, הדורשים כ -1990 מכשירים נפרדים; כיום, אנו יכולים לעצב מערכת המרת תדרים ישירים עם פונקציית ארבע פס, המשלבת מסנן לולאות VCO, VCXO ו- PLL, אך מספר הרכיבים שלה נמוך מ- 200. איור 50: מקלט GSM בעל ארבע פס עם אינטגרציה גבוהה.

לדוגמה, מקלט TRF6151 (איור 1) של Texas Instruments for GSM כולל וסת מתח על שבב, ערוץ VCO ו- VCO, בקרת כוח PA, זיהוי חוסם קצה מסנן לולאה PLL, שליטה LNA שלב אחר שלב ו- VCXO.

עבור מעצבים, אינטגרציה מתקדמת עוזרת להתגבר על כמה בעיות גדולות ב- RF אלחוטי, ביניהן הבסיסית ביותר היא אספקת החשמל והוויסות של המשדר. במהלך שיחה, מתח הסוללה ישתנה עם שינוי הטמפרטורה והזמן. בנוסף, צימוד הרעש מאספקת החשמל TX VCO ו- Rx VCO ישפיע גם על ביצועי המערכת כולה. לכן, מעצבים מתמודדים עם הבעיה כיצד לפתור את הרגולטור של מעגל ה- RF ואת מרכיביו הפסיביים הקשורים ביותר. שילוב התקנים אלה במשדר ה- RF פירושו שהרכיב החיצוני היחיד הנדרש הוא קבל ניתוק פשוט, המחובר ישירות לספק הכוח, אשר לא רק מפשט את העיצוב, אלא גם חוסך מקום במעגל.

אתגר נוסף למעצבי RF הוא טווח כוונון VCO וזמן נעילה. בכל עיצובים VCO אנלוגיים. מכיוון שלרוב יש צורך לאזן את זמן הנעילה וטווח הכוונון, מסנן הלולאה ממוקם בדרך כלל מחוץ לשבב. לפעמים, ניתן לפתור זאת בבקרת התוכנה של טווח כוונון VCO. עם זאת, שיטה זו מציבה דרישות משאבים נוספות לפיתוח הכולל של הטלפון. כאשר פונקציית הכוונון הדיגיטלי כלולה ב- VCO ויכולה לספק כיול עצמי, ניתן להשיג טווח כוונון מורחב וניתן למקם את רכיב מסנן הלולאה בשבב. ברור שתוכנית זו יכולה לאפשר למהנדסי עיצוב לפשט את עבודתם.

על מנת להשיג את בקרת הכוח של המשדר הנדרשת על ידי מערכת ה- GSM, יצרני הרשות הפלסטינית כוללים בדרך כלל פונקציה זו במודול מגבר ההספק (PAM). בקר החשמל מורכב בדרך כלל מעוד אלפי שערי CMOS דיגיטליים, המיוצרים בשבב עצמאי ב- PAM. רכיב זה יעלה את עלות ה- PAM ב- 0.30 ~ 0.40 דולר ארה”ב. שילוב פונקציה זו במכשירי RF יאפשר ליצרני PAM של GaAs לא לרכוש מעגלי CMOS דיגיטליים ולהתקין אותם ב- PAM. עבור OEM המייצר אלפי מוצרים מדי חודש, הסרת רכיב מיותר זה תוזיל מאוד את עלותם.

תחום נוסף שבו שילוב מתקדם יכול להביא לחיסכון ניכר הוא VCXO. בעבר נרכשו מודולי vctcxo יקרים ותוכננו במכשירי RF כרכיבים נפרדים. לכן שילוב רכיבים נפוצים של מודולי vctcxo במכשירי RF יכול להפחית עלויות ובעיות עיצוב נלוות. באמצעות trf6151, נדרשים רק קריסטל בעל וורקטור בעלות נמוכה כדי להשלים את הפונקציה של vctcxo.

למרות שילוב ופישוט עיצוב אלה, מהנדסי עיצוב RF עדיין עומדים בפני בחירות קשות, אחת מהן היא רגישות קלט וצריכת חשמל Rx. זה ידוע שככל שהזרם המשמש בעיצוב מגבר רעש נמוך (LNA) גדול יותר כך מאפייני הרעש הכוללים נמוכים יותר. על מהנדס התכנון לקבוע את תקציב ההספק הכולל של המקלט ואת דרישות רמת הרגישות של המקלט. עם זאת, הרעש אינו פוחת עם הפחתת הכוח. למעשה, ההפך הוא הנכון. לכן, למרות שהוא יכול לעמוד במפרט הסטנדרטי של GSM, מעצבים חייבים לעתים קרובות לשאול את עצמם האם כדאי לשלם את המחיר בצריכת החשמל כדי להגיע לרמת רגישות מסוימת. שאלה זו גם מסבירה מדוע יש צורך במהנדסי עיצוב ויצרני IC לשתף פעולה באופן הדוק בכל תהליך התכנון. המשוב של מהנדסי עיצוב יכול להנחות את יצרני ה- IC לשרת טוב יותר את תעשיית האלחוט בעת פיתוח מוצרי RF עתידיים.

מתפתח לקראת SOC

הפחתת העלות, העוצמה והמורכבות של מערכות אלחוטיות חשובה מאוד כדי לעמוד בהצלחה בדרישות שילוב המערכת. עם זאת, פיתוח פתרונות אינטגרציה גבוהה לטלפונים ניידים מחייב את תעשיית המוליכים למחצה להתגבר על מכשולים טכניים מורכבים. חלק ממכשולים אלה כמעט ולא מודאגים ממעצבים, מכיוון שרבים מהם אינם רוצים לדעת כיצד מייצרים מכשירי SOC, כל עוד הוא יכול לספק את הביצועים הנדרשים. לכן, יש צורך בהבנה מהירה של כמה טכנולוגיות תהליכים, שישפיעו על היכולת והזמינות של מכשירים המשמשים באינטגרציה של טלפונים סלולריים.

ישנן מספר תוכניות אפשריות לשילוב מערכת אלקטרונית RF טלפונית. ראשית, ניתן ליישם ארכיטקטורת RF מסורתית בתהליך דו קוטבי פשוט או BiCMOS פשוט באמצעות טכנולוגיה מסורתית. ניתן להרכיב את שבב ה- RF הסופי עם פונקציות לוגיות דיגיטליות בטלפון הנייד באמצעות טכנולוגיית אריזה מרובת שבבים (טכנולוגיית אריזה ברמת המערכת). למרות שלטכנולוגיה זו יתרונות רבים, כגון שימוש בשיטות עיצוב RF מוכרות ותהליכים וטכנולוגיות בוגרות, קשה למסחור זאת בשל העלות והתשואה הגבוהים של מכשירי הבדיקה.

בנוסף, ניתן להשיג שילוב של מערכת אלקטרונית לטלפונים ניידים גם בתהליך פרוסות BiCMOS (SiGe) מתקדם. עם זאת, מכיוון שעיבוד מכשירי SiGe HBT דורש תהליך ליטוגרפיה נוסף, השבב הסופי ידרוש עלות נוספת. יחד עם זאת, מכיוון שטכנולוגיית SiGe BiCMOS לא יכולה להשתמש בתהליך הליטוגרפיה המתקדם ביותר, תהליך BiCMOS בדרך כלל מפגר מאחורי תהליך ה- CMOS הדיגיטלי המתקדם. אלה יביאו ללחץ רב להגדיל את המאפיינים של טלפונים ניידים ולהוזיל עלויות. לא ניתן לפתור זאת באמצעות אסטרטגיית תהליך ופלים פשוטה, מכיוון שטכנולוגיה זו אינה יכולה לשמור על היגיון המערכת או החלק הדיגיטלי במחיר הנמוך ביותר האפשרי בכל עת. לכן, שילוב מונוליטי של חלק RF בתפקוד בסיס המערכת במערכת BiCMOS (או SiGe) אינו בחירה טובה.

הפתרון הסופי שניתן לשקול הוא שילוב RF ב- CMOS, שגם הוא עומד בפני אתגרים לא מבוטלים. למרות שיש מספר עיצובים RF סלולריים של CMOS, עיצובים אלה מבוססים במידה רבה על פונקציות אנלוגיות. קשה ליישם מערבלים, מסננים ומגברים אנלוגיים בטכנולוגיית CMOS, וצריכת החשמל בדרך כלל גדולה יותר מתוכנית SiGe BiCMOS. עם התפתחות טכנולוגיית התהליכים רמת ה- CMOS יורדת ויורדת, מה שהופך את העיצוב האנלוגי לקשה יותר. בשלב המוקדם של פיתוח תהליכים חדשים, דוגמנות מכשירים ובגרות תהליכים בדרך כלל לא יכולים לעמוד בדרישות של מודלים של פרמטרים דיוק גבוה הנדרשים לעיצוב מודול אנלוגי. עם זאת, ארכיטקטורת ה- CMOS RF הדיגיטלית שפותחה לאחרונה הופכת את שילוב ה- CMOS המונוליטי לאטרקטיבי יותר.

פתרונות אלה גם מניעים את תעשיית המוליכים למחצה מכיוון שיצרנים מחפשים פתרונות שבב ברמת מערכת RF בעלות נמוכה. למרות שלכל תוכנית אינטגרציה יש קשיים, זה אכן מפתיע ששילוב רכיבי RF יכול להגיע לרמה כל כך גבוהה. ההתגברות על הקשיים הללו תעשה צעד גדול קדימה בעיצוב הטלפונים הניידים האלחוטיים ותקבע את הכיוון לאינטגרציה גדולה יותר בעתיד הקרוב.

סיכום מאמר זה

עדיין קיימים קשיים רבים באינטגרציה של RF. כל מכשיר RF של טלפון נייד מודרני עומד בפני דרישות ביצועים מחמירות. דרישת הרגישות היא בערך – 106dbm (106db מתחת ל- 1 MW) ומעלה, והרמה המקבילה היא מיקרו וולט בודדים בלבד; בנוסף, הסלקטיביות, כלומר יכולת הדחייה של הערוץ השימושי לרצועת התדרים הסמוכה (המכונה בדרך כלל חסימה), צריכה להיות בסדר גודל של 60dB; בנוסף, מתנד המערכת נדרש לפעול תחת רעש פאזה נמוך מאוד כדי למנוע כניסת חסימה מתקפלת אל הלהקה המקבלת. שילוב RF מאוד קשה בגלל התדירות הגבוהה מאוד ודרישות הביצוע התובעניות ביותר.

עיבוד תקן רב תדרים מביא אתגר של ממש לתדר SOC כולו. יש לקוות להפחית את העירור שנוצר על ידי שידור אותות הלהקה. התוכן של שילוב RF דיגיטלי הוא הרבה יותר מאשר הכנסת רכיבי RF מרובים לשבב אחד. יש צורך בארכיטקטורה חדשה של שיתוף חומרה.

עבור מעצבי מערכות, התקני המוליכים למחצה הפשוטים, המשולבים והחסכוניים ביותר כיום יכולים להפחית מאוד את מורכבות העיצוב. יחד עם זאת, הם יכולים להעשיר את המאפיינים של מכשירים אלחוטיים ולשמור על גודל המערכת, חיי הסוללה והעלות ללא שינוי. התקני ה- RF החדשים המשולבים ביותר יכולים גם לחסל כמה מחלוקות בעיצוב אלחוטי ולחסוך זמן יקר למהנדסים.