შეამცირეთ კომპონენტების რაოდენობა და შეამცირეთ ფართობი წრიული საბჭო უკაბელო RF ინტეგრაციის საშუალებით

დღევანდელ უკაბელო მოწყობილობებში, მიკროსქემის კომპონენტის ნახევარზე მეტი არის ანალოგური RF მოწყობილობები. ამრიგად, მიკროსქემის დაფის ფართობისა და ენერგიის მოხმარების შემცირების ეფექტური გზაა უფრო ფართომასშტაბიანი RF ინტეგრაციის განხორციელება და სისტემის დონის ჩიპისკენ განვითარება. ეს ნაშრომი წარმოგიდგენთ RF ინტეგრაციის განვითარების სტატუსს და წამოაყენებს ამ კონფლიქტის ზოგიერთ კონტრ ზომასა და გადაწყვეტას.

რამდენიმე წლის წინ, მობილური ტელეფონების ბაზარზე დომინირებდა ერთჯერადი და ორმაგი ბენდიანი ერთჯერადი ტელეფონები, ხოლო გამოყენებული ტექნოლოგია მხოლოდ ??? დაიჭირეთ ერთი ან ორი ფიჭური ზოლი საერთოდ ??? იგივე მოდულაციის მეთოდი, მრავალარხიანი წვდომის სქემა და პროტოკოლი მიღებულია ჰოლდინგის სიხშირის დიაპაზონში. ამის საპირისპიროდ, დღევანდელი ახალი თაობის მობილური ტელეფონების დიზაინი გაცილებით რთულია და მას შეუძლია უზრუნველყოს მრავალ ბენდი და მრავალ რეჟიმი ??? მას აქვს Bluetooth პერსონალური ქსელი, GPS პოზიციონირება და სხვა ფუნქციები, ხოლო UWB და ტელევიზიის მიმღები ფუნქციები გამოჩნდა. გარდა ამისა, პროგრამები, როგორიცაა თამაშები, სურათები, აუდიო და ვიდეო ძალიან გავრცელებულია მობილურ ტელეფონებში.

უკაბელო ტელეფონი ხდება რთული მოწყობილობა, სახელწოდებით ხელის პერსონალური გასართობი ცენტრი. მისი განვითარების ტენდენცია აგრძელებს უფრო მეტად გამოწვევებს დიზაინერებს. მიუხედავად იმისა, რომ მხოლოდ ხმოვანი ფუნქციის მქონე მობილურ ტელეფონებთან შედარებით, ახალი თაობის მობილური ტელეფონები მნიშვნელოვნად გაიზარდა კომუნიკაციის დამუშავების, პროგრამების დამუშავების, RF ინტერფეისების და ინტეგრირებული მეხსიერების შესაძლებლობებში, მომხმარებლები მაინც ელიან, რომ ტელეფონებს ჰქონდეთ მცირე მოცულობა, გამარტივებული ფორმა, დაბალი ფასი და დიდი ფერის ჩვენება, მას შეუძლია უზრუნველყოს ლოდინისა და საუბრის დრო ტრადიციული ხმოვანი ტელეფონების მსგავსი. არსებული საერთო ზომისა და ენერგიის მოხმარების შენარჩუნება, მაგრამ ფუნქციის ექსპონენციალური გაზრდა, სისტემის საერთო ღირებულების უცვლელი შენარჩუნებით, ეს ყველაფერი უამრავ პრობლემას უქმნის სისტემის დიზაინერებს.

ცხადია, რომ პრობლემა მოიცავს მთელი სისტემის დიზაინის ყველა ნაწილს, ასევე უკაბელო კომუნიკაციისა და გასართობი შინაარსის მომწოდებლებს. ერთ -ერთი სფერო, რომელიც განსაკუთრებით ეფექტურია დაფის ფართობისა და ენერგიის მოხმარების შემცირებაში არის უსადენო სისტემის დიზაინის RF ნაწილი. ეს იმიტომ ხდება, რომ დღევანდელ ტიპურ მობილურ ტელეფონში, დაფაზე არსებული კომპონენტების ნახევარზე მეტი არის ანალოგური RF კომპონენტები, რომლებიც ერთად შეადგენს დაფის მთლიანი ფართობის 30-40% -ს, როგორიცაა Bluetooth RF სისტემები, როგორიცაა GPS და WLAN. გაზრდის მოთხოვნებს სივრცის მიმართ.

გამოსავალი არის უფრო ფართომასშტაბიანი RF ინტეგრაციის განხორციელება და საბოლოოდ ჩამოყალიბება სრულად ინტეგრირებული სისტემის დონის ჩიპში. ზოგიერთმა დიზაინერმა ანტენაში ჩააყენა ანალოგურ-ციფრულ გადამყვანები, რათა შეამციროს RF ფუნქციებისთვის საჭირო მთლიანი მიკროსქემის დაფა. როდესაც ნახევარგამტარული ინტეგრაციის ტექნოლოგიას შეუძლია მეტი ფუნქციის ინტეგრირება ერთ მოწყობილობაში, შესაბამისად შემცირდება დისკრეტული მოწყობილობების რაოდენობა და ამ მოწყობილობების განსახორციელებლად გამოყენებული მიკროსქემის დაფა. როგორც ინდუსტრია მიდის სისტემის დონის ჩიპების ინტეგრაციისკენ, დიზაინერები გააგრძელებენ ახალი ტექნოლოგიების მოძიებას მცირე უკაბელო მოწყობილობებში უფრო მაღალი RF სირთულისა და ბატარეის ხანგრძლივობის წინააღმდეგობას შორის.

RF ინტეგრაციის განვითარების სტატუსი

RF ინტეგრაციის მნიშვნელოვანი განვითარება გამოჩნდა დაახლოებით ორი წლის წინ. იმ დროს, RF ტექნოლოგიისა და ციფრული საბაზისო მოდემის განვითარებამ შესაძლებელი გახადა სუპერჰეტეროდინული RF მოწყობილობების შეცვლა უკაბელო მობილურ ტელეფონებში პირდაპირი გადაქცევის მიმღებებით. სუპერჰეტეროდინული RF მოწყობილობები იყენებენ მრავალსაფეხურიან მიქსერებს, ფილტრებს და მრავალჯერადი ძაბვის კონტროლირებად ოსცილატორებს (VCO), რომლებიც კარგად იქნა გამოყენებული მრავალი წლის განმავლობაში, მაგრამ პირდაპირი სიხშირის კონვერტაციის RF მოწყობილობების ინტეგრაციამ შეიძლება მნიშვნელოვნად შეამციროს GSM RF კომპონენტების საერთო რაოდენობა. 1990 -იანი წლების ბოლოს, ტიპიური ერთჯერადი ბენდის სუპერჰეტეროდინული RF ქვესისტემა მოიცავდა PA, ანტენის გადამრთველს, LDO, მცირე სიგნალის RF და vctcxo, რომელიც მოითხოვს დაახლოებით 200 დისკრეტულ მოწყობილობას; დღეს ჩვენ შეგვიძლია შევქმნათ პირდაპირი სიხშირის კონვერტაციის სისტემა ოთხი ბენდის ფუნქციით, რომელიც აერთიანებს VCO, VCXO და PLL მარყუჟის ფილტრს, მაგრამ მისი კომპონენტების რაოდენობა 50 -ზე ნაკლებია. სურათი 1: ოთხი ზოლის GSM გადამცემი მაღალი ინტეგრაციით.

მაგალითად, GSM– ის Texas Instruments– ის გადამცემი trf6151 (სურათი 1) მოიცავს ჩიპის ძაბვის მარეგულირებელს, VCO და VCO არხს, PA ენერგიის კონტროლს, PLL მარყუჟის ფილტრის პირას ბლოკირების გამოვლენას, LNA– ს მომატებას ნაბიჯ ნაბიჯ კონტროლსა და VCXO.

დიზაინერებისთვის, მოწინავე ინტეგრაცია ხელს უწყობს უსადენო RF– ში ზოგიერთი ძირითადი პრობლემის გადალახვას, რომელთა შორის ყველაზე ძირითადი არის გადამცემი დენის დენის წყარო და რეგულირება. ზარის დროს, ბატარეის ძაბვა შეიცვლება ტემპერატურისა და დროის ცვლილებით. გარდა ამისა, ხმაურის დაწყვილება TX VCO და Rx VCO ელექტრომომარაგებიდან ასევე იმოქმედებს მთელი სისტემის მუშაობაზე. ამრიგად, დიზაინერები აწყდებიან პრობლემას, თუ როგორ უნდა მოგვარდეს RF მიკროსქემის გამგე და ყველაზე დაკავშირებული პასიური კომპონენტები. ამ მოწყობილობების ინტეგრირება RF გადამცემში ნიშნავს, რომ ერთადერთი გარე კომპონენტია საჭირო მარტივი დაშლის კონდენსატორი, რომელიც პირდაპირ კავშირშია კვების ბლოკთან, რაც არა მხოლოდ ამარტივებს დიზაინს, არამედ ზოგავს მიკროსქემის სივრცეს.

RF დიზაინერების კიდევ ერთი გამოწვევაა VCO- ს რეგულირების დიაპაზონი და ჩაკეტვის დრო. ყველა ანალოგური VCO დიზაინში. იმის გამო, რომ ხშირად საჭიროა დაბლოკვის დრო და დაბლოკვის დიაპაზონი, მარყუჟის ფილტრი ჩვეულებრივ მოთავსებულია ჩიპის გარეთ. ზოგჯერ, ეს შეიძლება გადაწყდეს პროგრამული უზრუნველყოფის კონტროლის VCO tuning სპექტრი. თუმცა, ეს მეთოდი აყენებს დამატებით მოთხოვნებს ტელეფონის საერთო განვითარებისათვის. როდესაც ციფრული რეგულირების ფუნქცია შედის VCO– ში და შეუძლია უზრუნველყოს თვითკალიბრაცია, შესაძლებელია გაფართოებული რეგულირების დიაპაზონის მიღება, ხოლო მარყუჟის ფილტრის ელემენტის განთავსება ჩიპში. ცხადია, ამ სქემას შეუძლია დიზაინერ ინჟინრებს გაუადვილოს მუშაობა.

GSM სისტემის მიერ მოთხოვნილი გადამცემის სიმძლავრის კონტროლის მისაღწევად, PA მწარმოებლები ზოგადად ამ ფუნქციას ჩართავენ გამაძლიერებლის მოდულში (PAM). დენის კონტროლერი ჩვეულებრივ შედგება ათასობით ციფრული CMOS კარიბჭისგან, რომლებიც დამზადებულია PAM– ის დამოუკიდებელ ჩიპში. ეს ელემენტი გაზრდის PAM– ის ღირებულებას $ 0.30 ~ 0.40 აშშ დოლარით. ამ ფუნქციის ინტეგრირება RF მოწყობილობებში GaAs PAM მწარმოებლებს საშუალებას მისცემს არ შეიძინონ ციფრული CMOS სქემები და დააინსტალირონ ისინი PAM– ში. OEM– სთვის, რომელიც აწარმოებს ათასობით პროდუქტს ყოველთვიურად, ამ ზედმეტი კომპონენტის ამოღება მნიშვნელოვნად შეამცირებს მათ ღირებულებას.

სხვა სფერო, სადაც მოწინავე ინტეგრაციას შეუძლია მნიშვნელოვანი დანაზოგის მოტანა არის VCXO. წარსულში, ძვირადღირებული vctcxo მოდულები შეიძინა და შეიქმნა RF მოწყობილობებში, როგორც დისკრეტული კომპონენტები. ამრიგად, vctcxo მოდულების საერთო კომპონენტების RF მოწყობილობებში ჩართვამ შეიძლება შეამციროს ხარჯები და მასთან დაკავშირებული დიზაინის პრობლემები. Trf6151– ის გამოყენებით, მხოლოდ დაბალი ღირებულების კრისტალი და ვარაქტორია საჭირო vctcxo ფუნქციის შესასრულებლად.

მიუხედავად ამ ინტეგრაციისა და დიზაინის გამარტივებისა, RF დიზაინის ინჟინრებს ჯერ კიდევ აქვთ რთული არჩევანის წინაშე, რომელთაგან ერთ -ერთი არის შეყვანის მგრძნობელობა და Rx ენერგიის მოხმარება. საყოველთაოდ ცნობილია, რომ რაც უფრო დიდია დაბალი ხმაურის გამაძლიერებლის (LNA) დიზაინი, მით უფრო დაბალია საერთო ხმაურის მახასიათებლები. დიზაინერმა უნდა განსაზღვროს მიმღების მთლიანი სიმძლავრის ბიუჯეტი და მიმღების მგრძნობელობის დონის მოთხოვნები. ამასთან, ხმაური არ მცირდება ენერგიის შემცირებით. სინამდვილეში კი პირიქითაა. ამიტომ, მიუხედავად იმისა, რომ მას შეუძლია დააკმაყოფილოს GSM სტანდარტის სპეციფიკაცია, დიზაინერებმა ხშირად უნდა ჰკითხონ საკუთარ თავს, ღირს თუ არა ენერგიის მოხმარების ფასის გადახდა მგრძნობელობის გარკვეული დონის მისაღწევად. ეს კითხვა ასევე განმარტავს, თუ რატომ არის საჭირო დიზაინის ინჟინრებისა და IC მწარმოებლების მჭიდრო თანამშრომლობა დიზაინის მთელ პროცესში. დიზაინის ინჟინრების გამოხმაურებამ შეიძლება გამოიწვიოს IC მწარმოებლები უკეთესად მოემსახურონ უკაბელო ინდუსტრიას მომავალი RF პროდუქტების შემუშავებისას.

ვითარდება SOC– ის მიმართ

უკაბელო სისტემების ღირებულების, სიმძლავრისა და სირთულის შემცირება ძალზე მნიშვნელოვანია სისტემის ინტეგრაციის მოთხოვნების წარმატებით დასაკმაყოფილებლად. თუმცა, მობილური ტელეფონებისთვის მაღალი ინტეგრაციის გადაწყვეტილებების შემუშავება მოითხოვს ნახევარგამტარების ინდუსტრიას რთული ტექნიკური დაბრკოლებების დასაძლევად. ზოგიერთი ეს დაბრკოლება იშვიათად ეხება დიზაინერებს, რადგან ბევრ მათგანს არ სურს იცოდეს როგორ მზადდება SOC მოწყობილობები, რამდენადაც მას შეუძლია უზრუნველყოს საჭირო შესრულება. აქედან გამომდინარე, აუცილებელია პროცესის ზოგიერთი ტექნოლოგიის სწრაფი გაგება, რაც გავლენას მოახდენს მობილური ტელეფონების ინტეგრაციაში გამოყენებული მოწყობილობების შესაძლებლობებსა და ხელმისაწვდომობაზე.

არსებობს რამდენიმე შესაძლო სქემა მობილური ტელეფონის RF ელექტრონული სისტემის ინტეგრაციისთვის. პირველ რიგში, ტრადიციული RF არქიტექტურა შეიძლება განხორციელდეს შედარებით მარტივ ბიპოლარულ ან BiCMOS პროცესში ტრადიციული ტექნოლოგიის გამოყენებით. საბოლოო RF ჩიპი შეიძლება შეიკრიბოს მობილური ტელეფონის ციფრული ლოგიკური ფუნქციებით მრავალ ჩიპური შეფუთვის ტექნოლოგიის გამოყენებით (სისტემის დონის შეფუთვის ტექნოლოგია). მიუხედავად იმისა, რომ ამ ტექნოლოგიას ბევრი უპირატესობა აქვს, როგორიცაა RF დიზაინის ნაცნობი მეთოდებისა და მოწიფული პროცესებისა და ტექნოლოგიების გამოყენება, რთულია კომერციალიზაცია ტესტირების მოწყობილობების მაღალი ღირებულებისა და სარგებლის გამო.

გარდა ამისა, მობილური ტელეფონის ელექტრონული სისტემის ინტეგრაცია ასევე შესაძლებელია მოწინავე BiCMOS (SiGe) ვაფლის პროცესით. თუმცა, რადგანაც SiGe HBT მოწყობილობების დამუშავება მოითხოვს დამატებით ლითოგრაფიულ პროცესს, საბოლოო ჩიპს დასჭირდება დამატებითი ღირებულება. ამავე დროს, რადგანაც SiGe BiCMOS ტექნოლოგიას არ შეუძლია გამოიყენოს ლითოგრაფიის ყველაზე მოწინავე პროცესი, BiCMOS პროცესი ჩვეულებრივ ჩამორჩება მოწინავე ციფრული CMOS პროცესს. ეს გამოიწვევს დიდ ზეწოლას მობილური ტელეფონების მახასიათებლების გასაზრდელად და ხარჯების შესამცირებლად. მისი გადაჭრა შეუძლებელია ვაფლის პროცესის მარტივი სტრატეგიით, რადგან ეს ტექნოლოგია ვერ შეინარჩუნებს სისტემის ლოგიკას ან ციფრულ ნაწილს ყველაზე დაბალ ფასად ნებისმიერ დროს. ამრიგად, სისტემის ბაზისური ფუნქციის RF ნაწილის მონოლითური ინტეგრაცია BiCMOS- ში (ან SiGe) არ არის კარგი არჩევანი.

საბოლოო გადაწყვეტა, რომელიც შეიძლება ჩაითვალოს არის RF ინტეგრაცია CMOS– ში, რომელსაც ასევე აქვს მნიშვნელოვანი გამოწვევები. მიუხედავად იმისა, რომ არსებობს რამდენიმე CMOS ფიჭური RF დიზაინი, ეს დიზაინი მეტწილად ემყარება ანალოგიურ ფუნქციებს. ძნელია განახორციელო ანალოგური მიქსერები, ფილტრები და გამაძლიერებლები CMOS ტექნოლოგიით, ხოლო ენერგიის მოხმარება ზოგადად უფრო დიდია ვიდრე SiGe BiCMOS სქემა. პროცესის ტექნოლოგიის განვითარებით, CMOS რეიტინგული დონე სულ უფრო და უფრო მცირდება, რაც ანალოგიურ დიზაინს უფრო ართულებს. ახალი პროცესების განვითარების ადრეულ ეტაპზე, მოწყობილობის მოდელირება და პროცესის სიმწიფე საერთოდ ვერ აკმაყოფილებს მაღალი სიზუსტის პარამეტრების მოდელირების მოთხოვნებს, რომლებიც საჭიროა ანალოგური მოდულის დიზაინისთვის. თუმცა, ახლახანს შემუშავებული ციფრული CMOS RF არქიტექტურა ხდის მონოლითურ CMOS ინტეგრაციას უფრო მიმზიდველს.

ეს გადაწყვეტილებები ასევე იწვევს ნახევარგამტარების ინდუსტრიას, რადგან მწარმოებლები ეძებენ დაბალი ღირებულების RF სისტემის დონის ჩიპურ გადაწყვეტილებებს. მიუხედავად იმისა, რომ თითოეულ ინტეგრაციის სქემას აქვს სირთულეები, მართლაც გასაკვირია, რომ RF კომპონენტის ინტეგრაციამ შეიძლება მიაღწიოს ასეთ მაღალ დონეს. ამ სირთულეების დაძლევა გადადგამს დიდ ნაბიჯს უკაბელო მობილური ტელეფონების დიზაინში და უახლოეს მომავალში განსაზღვრავს მიმართულებას უფრო დიდი ინტეგრაციისათვის.

ამ ნაშრომის დასკვნა

ჯერ კიდევ ბევრი სირთულეა RF ინტეგრაციაში. თანამედროვე მობილური ტელეფონის ყველა RF მოწყობილობა ემუქრება შესრულების მკაცრ მოთხოვნებს. მგრძნობელობის მოთხოვნა არის დაახლოებით – 106 დბმ (106 დბ 1 მვტ – ზე დაბლა) ან უფრო მაღალი და შესაბამისი დონე არის მხოლოდ რამდენიმე მიკროვოლტი; გარდა ამისა, სელექციურობა, ანუ სასარგებლო არხის უარყოფის უნარი მიმდებარე სიხშირის დიაპაზონში (საყოველთაოდ მოიხსენიება, როგორც დაბლოკვა), უნდა იყოს 60 დბ – ის ოდენობით; გარდა ამისა, სისტემის ოსცილატორი ვალდებულია იმუშაოს ძალიან დაბალი ფაზის ხმაურის ქვეშ, რათა თავიდან აიცილოს დასაკეცი ბლოკირებული ენერგია მიმღებ ზოლში შესვლისგან. RF ინტეგრაცია ძალიან რთულია ძალიან მაღალი სიხშირისა და უაღრესად მოთხოვნადი შესრულების მოთხოვნების გამო.

მრავალ სიხშირის სტანდარტის დამუშავება იწვევს ნამდვილ გამოწვევას SOC– ის მთელ სიხშირეზე. იგი იმედოვნებს, რომ შეამცირებს აღგზნებას გენერირებული სიგნალის გადაცემაში. ციფრული RF ინტეგრაციის შინაარსი გაცილებით მეტია, ვიდრე RF მრავალი კომპონენტის ერთ ჩიპში ჩადება. საჭიროა ტექნიკის გაზიარების ახალი არქიტექტურა.

სისტემის დიზაინერებისთვის, ამჟამინდელ მარტივ, უაღრესად ინტეგრირებულ და მომგებიან ნახევარგამტარ მოწყობილობებს შეუძლიათ მნიშვნელოვნად შეამცირონ დიზაინის სირთულე. ამავე დროს, მათ შეუძლიათ გაამდიდრონ უკაბელო მოწყობილობების მახასიათებლები და შეინარჩუნონ სისტემის ზომა, ბატარეის ხანგრძლივობა და ღირებულება უცვლელი. ახალ უაღრესად ინტეგრირებულ RF მოწყობილობებს ასევე შეუძლიათ აღმოფხვრას უთანხმოების დიზაინში არსებული დავა და დაზოგონ ინჟინრების ძვირფასი დრო.