Sumažinkite komponentų skaičių ir sumažinkite plotą plokštė per belaidę RF integraciją

Šiuolaikiniuose belaidžiuose įrenginiuose daugiau nei pusė plokštės komponentų yra analoginiai RF įrenginiai. Todėl efektyvus būdas sumažinti plokštės plotą ir energijos suvartojimą yra atlikti didesnio masto radijo dažnių integraciją ir sukurti sistemos lygio mikroschemą. Šiame dokumente pristatoma RF integracijos vystymosi padėtis ir pateikiamos kai kurios šių problemų atsakomosios priemonės ir sprendimai.

Prieš kelerius metus mobiliųjų telefonų rinkoje dominavo vienos juostos ir dviejų juostų vieno režimo telefonai, o naudojama technologija buvo tik ??? Iš viso laikyti vieną ar dvi korinio ryšio juostas ??? Tas pats moduliavimo metodas, kelių kanalų prieigos schema ir protokolas yra taikomi laikymo dažnių juostoje. Priešingai, šiandienos naujos kartos mobiliųjų telefonų dizainas yra daug sudėtingesnis ir gali suteikti kelių juostų ir kelių režimų ??? Jame yra asmeninis „Bluetooth“ tinklas, GPS padėties nustatymas ir kitos funkcijos, o UWB ir TV priėmimo funkcijos pradėjo rodytis. Be to, tokios programos kaip žaidimai, vaizdai, garso ir vaizdo įrašai tapo labai paplitę mobiliuosiuose telefonuose.

Belaidis telefonas tampa sudėtingu įrenginiu, vadinamu rankiniu asmeniniu pramogų centru. Jos plėtros tendencija ir toliau kelia daugiau iššūkių dizaineriams. Nors lyginant su mobiliaisiais telefonais, turinčiais tik balso funkciją, naujos kartos mobiliųjų telefonų ryšys žymiai padidėjo, kai apdorojamas ryšys, taikomos programos, apdorojamos RF sąsajos ir integruota atminties talpa, vartotojai vis dar tikisi, kad mobilieji telefonai turės mažesnį garsą, supaprastintą formą, mažą kaina ir didelis spalvotas ekranas, jis gali suteikti budėjimo ir pokalbių laiką, panašų į tradicinius balso telefonus. Išlaikant esamą bendrą dydį ir energijos suvartojimą, tačiau didinant funkciją eksponentiškai, išlaikant nepakitusią bendrą sistemos kainą, visa tai sistemos kūrėjams kelia daug problemų.

Akivaizdu, kad problema susijusi su visomis visos sistemos konstrukcijos dalimis, taip pat viso belaidžio ryšio ir pramogų turinio tiekėjais. Viena iš sričių, kuri yra ypač efektyvi mažinant plokštės plotą ir energijos suvartojimą, yra belaidės sistemos projektavimo RF dalis. Taip yra todėl, kad šiandieniniame tipiškame mobiliajame telefone daugiau nei pusė plokštės komponentų yra analoginiai RF komponentai, kurie kartu sudaro 30–40% visos plokštės ploto, pavyzdžiui, „Bluetooth“ RF sistemos, tokios kaip GPS ir WLAN. padidinti erdvės reikalavimus.

Sprendimas yra atlikti didesnio masto RF integraciją ir galiausiai tapti visiškai integruotu sistemos lygio lustu. Kai kurie dizaineriai į anteną įdėjo analoginius skaitmeninius keitiklius, kad sumažintų bendrą RF funkcijoms reikalingą plokštės plotą. Kai puslaidininkių integravimo technologija gali integruoti daugiau funkcijų į vieną įrenginį, atitinkamai sumažės atskirų įrenginių skaičius ir plokštės, naudojamos šiems įrenginiams pritaikyti. Pramonei pereinant prie sistemos lygio mikroschemų integravimo, dizaineriai ir toliau ieškos naujų technologijų, kurios padėtų išspręsti prieštaravimą tarp didesnio RF sudėtingumo ir ilgesnio mažų belaidžių įrenginių baterijos veikimo laiko.

RF integracijos vystymosi būsena

Svarbi RF integracijos raida pasirodė maždaug prieš dvejus metus. Tuo metu išsivysčiusi RF technologija ir skaitmeninis pagrindinės juostos modemas leido superheterodino RF įrenginius pakeisti tiesioginiais žemyn konvertuojančiais imtuvais belaidžiuose mobiliuosiuose telefonuose. „Superheterodyne RF“ įrenginiuose naudojami daugiapakopiai maišytuvai, filtrai ir daugelio įtampos valdomi osciliatoriai (VCO), kurie buvo gerai naudojami daugelį metų, tačiau tiesioginio dažnio keitimo RF įrenginių integracija gali labai sumažinti bendrą GSM RF komponentų skaičių. Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje tipinis vienos juostos superheterodino RF posistemis apėmė PA, antenos jungiklį, LDO, mažo signalo RF ir vctcxo, kuriems reikėjo apie 1990 atskirų įrenginių; Šiandien galime sukurti tiesioginio dažnio keitimo sistemą su keturių juostų funkcija, kurioje integruotas VCO, VCXO ir PLL kilpos filtras, tačiau jo komponentų skaičius yra mažesnis nei 200. 50 paveikslas: keturių juostų GSM siųstuvas -imtuvas su aukšta integracija.

Pavyzdžiui, „Texas Instruments for GSM“ siųstuvas-imtuvas trf6151 (1 pav.) Apima įtampos reguliatorių mikroschemoje, VCO ir VCO kanalą, PA galios valdymą, PLL kilpos filtro briaunos blokavimo aptikimą, laipsnišką LNA stiprinimo valdymą ir VCXO.

Dizaineriams pažangi integracija padeda įveikti kai kurias pagrindines belaidžio radijo dažnio problemas, tarp kurių pagrindinė yra nuolatinės srovės maitinimas ir siųstuvo -imtuvo reguliavimas. Pokalbio metu akumuliatoriaus įtampa keisis keičiantis temperatūrai ir laikui. Be to, triukšmo jungtis iš TX VCO ir Rx VCO maitinimo šaltinių taip pat turės įtakos visos sistemos veikimui. Todėl dizaineriai susiduria su problema, kaip išspręsti RF plokštės reguliatorių ir labiausiai susijusius pasyvius komponentus. Šių prietaisų integravimas į RF siųstuvą -imtuvą reiškia, kad vienintelis reikalingas išorinis komponentas yra paprastas atjungimo kondensatorius, kuris yra tiesiogiai prijungtas prie maitinimo šaltinio, o tai ne tik supaprastina dizainą, bet ir taupo plokštės vietą.

Kitas RF dizainerių iššūkis yra VCO derinimo diapazonas ir užrakinimo laikas. Visose analoginėse VCO konstrukcijose. Kadangi dažnai reikia subalansuoti fiksavimo laiką ir derinimo diapazoną, kilpos filtras paprastai dedamas už lusto ribų. Kartais tai galima išspręsti valdant VCO derinimo diapazono programinę įrangą. Tačiau šis metodas kelia papildomų išteklių, reikalingų bendrai telefono plėtrai. Kai skaitmeninio derinimo funkcija yra įtraukta į VCO ir gali užtikrinti savaiminį kalibravimą, galima gauti išplėstą derinimo diapazoną, o kilpos filtro elementą galima įdėti į lustą. Akivaizdu, kad ši schema gali padėti projektavimo inžinieriams supaprastinti savo darbą.

Norėdami gauti siųstuvo galios valdymą, kurio reikalauja GSM sistema, PA gamintojai paprastai įtraukia šią funkciją į galios stiprintuvo modulį (PAM). Maitinimo valdiklį paprastai sudaro iki tūkstančių skaitmeninių CMOS vartų, kurie yra pagaminti nepriklausomoje mikroschemoje PAM. Šis elementas padidins PAM kainą 0.30–0.40 USD. Integravus šią funkciją į RF įrenginius, „GaAs“ PAM gamintojai galės nepirkti skaitmeninių CMOS grandinių ir neįdiegti jų į PAM. OEM, kiekvieną mėnesį gaminančiam tūkstančius produktų, pašalinus šį nereikalingą komponentą, labai sumažės jų kaina.

Kita sritis, kurioje pažangi integracija gali žymiai sutaupyti, yra VCXO. Anksčiau brangūs „vctcxo“ moduliai buvo įsigyti ir suprojektuoti RF įrenginiuose kaip atskiri komponentai. Todėl į RF prietaisus įtraukus įprastus „vctcxo“ modulių komponentus, galima sumažinti išlaidas ir susijusias projektavimo problemas. Naudojant „trf6151“, norint atlikti „vctcxo“ funkciją, reikalingi tik nebrangūs kristalai ir varaktoriai.

Nepaisant šių integracijų ir dizaino supaprastinimo, RF projektavimo inžinieriai vis dar susiduria su sunkiais pasirinkimais, iš kurių vienas yra įvesties jautrumas ir Rx energijos suvartojimas. Gerai žinoma, kad kuo didesnė srovė naudojama projektuojant mažo triukšmo stiprintuvą (LNA), tuo mažesnės bendros triukšmo charakteristikos. Projektavimo inžinierius turi nustatyti bendrą imtuvo galios biudžetą ir imtuvo jautrumo lygio reikalavimus. Tačiau triukšmas nemažėja mažinant galią. Tiesą sakant, yra priešingai. Todėl, nors jis ir atitinka GSM standarto specifikacijas, dizaineriai dažnai turi savęs paklausti, ar verta mokėti kainą už suvartotą energiją, kad būtų pasiektas tam tikras jautrumo lygis. Šis klausimas taip pat paaiškina, kodėl projektavimo inžinieriai ir IC gamintojai turi glaudžiai bendradarbiauti visame projektavimo procese. Dizaino inžinierių atsiliepimai gali padėti IC gamintojams geriau tarnauti belaidžio ryšio pramonei kuriant būsimus RF produktus.

Tobulėja link SOC

Belaidžių sistemų sąnaudų, galios ir sudėtingumo sumažinimas yra labai svarbus, kad būtų sėkmingai įvykdyti sistemos integravimo reikalavimai. Tačiau kuriant aukštos integracijos sprendimus mobiliesiems telefonams, puslaidininkių pramonė turi įveikti sudėtingas technines kliūtis. Dėl kai kurių šių kliūčių dizaineriai retai susirūpina, nes daugelis jų nenori žinoti, kaip gaminami SOC įrenginiai, jei tik jie gali užtikrinti reikiamą našumą. Todėl būtina greitai suprasti kai kurias proceso technologijas, kurios turės įtakos mobiliųjų telefonų integravimui naudojamų įrenginių galimybėms ir prieinamumui.

Yra keletas mobiliųjų telefonų RF elektroninės sistemos integravimo schemų. Pirma, tradicinė radijo dažnių architektūra gali būti įdiegta palyginti paprastu bipoliniu arba „BiCMOS“ procesu, naudojant tradicines technologijas. Galutinį RF mikroschemą galima surinkti naudojant mobiliojo telefono skaitmeninės logikos funkcijas, naudojant kelių lustų pakavimo technologiją (sistemos lygio pakavimo technologija). Nors ši technologija turi daug privalumų, pavyzdžiui, naudoja pažįstamus radijo dažnių projektavimo metodus ir brandžius procesus bei technologijas, ją sunku komercializuoti dėl didelių bandymo prietaisų išlaidų ir išeigos.

Be to, mobiliųjų telefonų elektroninę sistemą galima integruoti naudojant pažangų „BiCMOS“ (SiGe) plokštelių procesą. Tačiau kadangi „SiGe HBT“ įrenginių apdorojimas reikalauja papildomo litografijos proceso, galutiniam lustui reikės papildomų išlaidų. Tuo pačiu metu, kadangi „SiGe BiCMOS“ technologija negali naudoti pažangiausio litografijos proceso, „BiCMOS“ procesas paprastai atsilieka nuo pažangaus skaitmeninio CMOS proceso. Tai sukels didelį spaudimą pagerinti mobiliųjų telefonų charakteristikas ir sumažinti išlaidas. To negalima išspręsti naudojant paprastą plokštelių proceso strategiją, nes ši technologija negali išlaikyti sistemos logikos ar skaitmeninės dalies už mažiausią įmanomą kainą. Todėl monolitinė sistemos bazinės juostos funkcijos RF dalies integracija į „BiCMOS“ (arba „SiGe“) nėra geras pasirinkimas.

Galutinis sprendimas, kurį galima apsvarstyti, yra RF integravimas į CMOS, kuris taip pat susiduria su dideliais iššūkiais. Nors yra keletas CMOS korinio radijo dažnių dizaino, šie dizainai daugiausia grindžiami analoginėmis funkcijomis. Sunku įdiegti analoginius maišytuvus, filtrus ir stiprintuvus su CMOS technologija, o energijos suvartojimas paprastai yra didesnis nei SiGe BiCMOS schema. Tobulėjant procesų technologijoms, CMOS nominalus lygis vis mažėja, o tai apsunkina analoginį dizainą. Ankstyvame naujų procesų kūrimo etape prietaisų modeliavimas ir proceso branda paprastai negali atitikti didelio tikslumo parametrų modeliavimo reikalavimų, reikalingų analoginiam moduliui projektuoti. Tačiau neseniai sukurta skaitmeninė CMOS RF architektūra daro monolitinę CMOS integraciją patrauklesnę.

Šie sprendimai taip pat skatina puslaidininkių pramonę, nes gamintojai ieško pigių RF sistemos lygio mikroschemų sprendimų. Nors kiekviena integravimo schema turi sunkumų, tikrai stebina tai, kad RF komponentų integracija gali pasiekti tokį aukštą lygį. Šių sunkumų įveikimas žengs didelį žingsnį į priekį kuriant belaidžius mobiliuosius telefonus ir nustatys didesnės integracijos kryptį artimiausioje ateityje.

Šio darbo išvada

RF integracijoje vis dar yra daug sunkumų. Kiekvienas šiuolaikinio mobiliojo telefono RF įrenginys atitinka griežtus našumo reikalavimus. Jautrumo reikalavimas yra apie – 106 dBm (106 dB žemiau 1 MW) arba didesnis, o atitinkamas lygis yra tik keli mikrovoltai; Be to, selektyvumas, tai yra naudingo kanalo atmetimo galimybė į gretimą dažnių juostą (paprastai vadinama blokavimu), turėtų būti maždaug 60 dB; Be to, sistemos osciliatorius turi veikti esant labai mažam fazės triukšmui, kad sulankstoma blokuojanti energija nepatektų į priėmimo juostą. RF integracija yra labai sunki dėl labai aukšto dažnio ir itin sudėtingų veikimo reikalavimų.

Kelių dažnių standarto apdorojimas kelia tikrą iššūkį visam SOC dažniui. Tikimasi sumažinti sužadinimą, kurį sukelia juostos signalo perdavimas. Skaitmeninės RF integracijos turinys yra daug daugiau nei kelių RF komponentų įdėjimas į vieną lustą. Reikalinga nauja aparatinės įrangos dalijimosi architektūra.

Sistemos kūrėjams dabartiniai paprasti, labai integruoti ir ekonomiškai efektyvūs puslaidininkiniai įtaisai gali labai sumažinti dizaino sudėtingumą. Tuo pačiu metu jie gali praturtinti belaidžių įrenginių charakteristikas ir išlaikyti nepakitusius sistemos dydį, baterijos veikimo laiką ir kainą. Nauji labai integruoti RF įrenginiai taip pat gali pašalinti kai kuriuos ginčus dėl belaidžio dizaino ir sutaupyti brangaus inžinierių laiko.