Samaziniet sastāvdaļu skaitu un samaziniet platību plate izmantojot bezvadu RF integrāciju

Mūsdienu bezvadu ierīcēs vairāk nekā puse no shēmas plates komponentiem ir analogās RF ierīces. Tāpēc efektīvs veids, kā samazināt shēmas plates laukumu un enerģijas patēriņu, ir veikt plaša mēroga RF integrāciju un attīstīties sistēmas līmeņa mikroshēmas virzienā. Šis dokuments iepazīstina ar RF integrācijas attīstības statusu un piedāvā dažus pretpasākumus un risinājumus dažām no šīm problēmām.

Pirms dažiem gadiem mobilo tālruņu tirgū dominēja vienas joslas un divu joslu viena režīma tālruņi, un izmantotā tehnoloģija bija tikai ??? Vai turēt vienu vai divas mobilās joslas ??? Turēšanas frekvenču joslā tiek izmantota tā pati modulācijas metode, daudzkanālu piekļuves shēma un protokols. Turpretī mūsdienu jaunās paaudzes mobilo tālruņu dizains ir daudz sarežģītāks un var nodrošināt daudzjoslu un vairāku režīmu ??? Tam ir Bluetooth personālais tīkls, GPS pozicionēšana un citas funkcijas, un sāk parādīties UWB un TV uztveršanas funkcijas. Turklāt tādas lietojumprogrammas kā spēles, attēli, audio un video ir kļuvušas ļoti izplatītas mobilajos tālruņos.

Bezvadu tālrunis kļūst par sarežģītu ierīci, ko sauc par rokas personīgo izklaides centru. Tās attīstības tendence turpina radīt vairāk izaicinājumu dizaineriem. Lai gan, salīdzinot ar mobilajiem tālruņiem ar tikai balss funkciju, jaunās paaudzes mobilie tālruņi ir ievērojami palielinājušies sakaru apstrādes, lietojumprogrammu apstrādes, RF saskarņu skaita un integrētās atmiņas ietilpības ziņā, lietotāji joprojām sagaida, ka mobilajiem tālruņiem būs mazāks skaļums, racionalizēta forma, zems cena un liels krāsu displejs, tas var nodrošināt gaidīšanas un sarunu laiku līdzīgi tradicionālajiem balss tālruņiem. Saglabājot esošo kopējo izmēru un enerģijas patēriņu, bet palielinot funkciju eksponenciāli, vienlaikus nemainot kopējās sistēmas izmaksas, tas viss rada daudz problēmu sistēmas izstrādātājiem.

Acīmredzot problēma skar visas sistēmas konstrukcijas daļas, kā arī visa bezvadu sakaru un izklaides satura piegādātājus. Viena no jomām, kas ir īpaši efektīva, lai samazinātu plates laukumu un enerģijas patēriņu, ir bezvadu sistēmas projektēšanas RF daļa. Tas ir tāpēc, ka mūsdienu tipiskajā mobilajā tālrunī vairāk nekā puse no tāfeles komponentiem ir analogie RF komponenti, kas kopā veido 30–40% no visas plates platības, piemēram, arī Bluetooth RF sistēmas, piemēram, GPS un WLAN palielināt telpas prasības.

Risinājums ir veikt plašāka mēroga RF integrāciju un beidzot kļūt par pilnībā integrētu sistēmas līmeņa mikroshēmu. Daži dizaineri ievieto antenā digitālos pārveidotājus antenā, lai samazinātu kopējo shēmas plates platību, kas nepieciešama RF funkcijām. Ja pusvadītāju integrācijas tehnoloģija var integrēt vairāk funkciju vienā ierīcē, attiecīgi samazināsies diskrēto ierīču skaits un shēmas plates platība, kas izmantota šo ierīču izvietošanai. Nozarei virzoties uz sistēmas līmeņa mikroshēmu integrāciju, dizaineri turpinās atrast jaunas tehnoloģijas, lai novērstu pretrunu starp augstāku RF sarežģītību un ilgāku akumulatora darbības laiku mazās bezvadu ierīcēs.

RF integrācijas attīstības statuss

Svarīga RF integrācijas attīstība parādījās apmēram pirms diviem gadiem. Tajā laikā RF tehnoloģijas un digitālās bāzes joslas modema attīstība ļāva superheterodīna RF ierīces aizstāt ar tiešās lejupvērstās pārveidošanas uztvērējiem bezvadu mobilajos tālruņos. Superheterodīna RF ierīcēs tiek izmantoti daudzpakāpju maisītāji, filtri un vairāku sprieguma kontrolēti oscilatori (VCO), kas ir labi izmantoti daudzus gadus, taču tiešās frekvences pārveidošanas RF ierīču integrācija var ievērojami samazināt kopējo GSM RF komponentu skaitu. Deviņdesmito gadu beigās tipiska vienas joslas superheterodīna RF apakšsistēma ietvēra PA, antenas slēdzi, LDO, mazu signālu RF un vctcxo, kam vajadzīgas aptuveni 1990 diskrētas ierīces; Šodien mēs varam izstrādāt tiešas frekvences pārveidošanas sistēmu ar četru joslu funkciju, kurā ir integrēts VCO, VCXO un PLL cilpas filtrs, bet tā komponentu skaits ir mazāks par 200. 50. attēls: četru joslu GSM raiduztvērējs ar augstu integrāciju.

Piemēram, Texas Instruments GSM raiduztvērējs trf6151 (1. attēls) ietver mikroshēmas sprieguma regulatoru, VCO un VCO kanālu, PA jaudas kontroli, PLL cilpas filtra malu bloķētāja noteikšanu, pakāpenisku LNA pastiprināšanas kontroli un VCXO.

Dizaineriem uzlabotā integrācija palīdz pārvarēt dažas galvenās bezvadu RF problēmas, starp kurām visvienkāršākā ir līdzstrāvas barošana un raiduztvērēja regulēšana. Sarunas laikā akumulatora spriegums mainīsies, mainoties temperatūrai un laikam. Turklāt trokšņa savienojums no TX VCO un Rx VCO barošanas avota ietekmēs arī visas sistēmas darbību. Tāpēc dizaineri saskaras ar problēmu, kā atrisināt RF shēmas plates regulatoru un lielāko daļu saistīto pasīvo komponentu. Šo ierīču integrēšana RF uztvērējā nozīmē, ka vienīgais nepieciešamais ārējais komponents ir vienkāršs atvienošanas kondensators, kas ir tieši pievienots barošanas avotam, kas ne tikai vienkāršo dizainu, bet arī ietaupa vietu shēmas plates.

Vēl viens RF dizaineru izaicinājums ir VCO regulēšanas diapazons un bloķēšanas laiks. Visos analogos VCO dizainos. Tā kā bieži ir nepieciešams līdzsvarot bloķēšanas laiku un regulēšanas diapazonu, cilpas filtrs parasti tiek novietots ārpus mikroshēmas. Dažreiz to var atrisināt VCO regulēšanas diapazona programmatūras vadībā. Tomēr šī metode izvirza papildu resursu prasības tālruņa vispārējai attīstībai. Ja digitālā regulēšanas funkcija ir iekļauta VCO un var nodrošināt paškalibrēšanu, var iegūt paplašinātu regulēšanas diapazonu un cilpas filtra elementu ievietot mikroshēmā. Acīmredzot šī shēma var ļaut projektēšanas inženieriem vienkāršot savu darbu.

Lai iegūtu GSM sistēmai nepieciešamo raidītāja jaudas kontroli, PA ražotāji parasti iekļauj šo funkciju jaudas pastiprinātāja modulī (PAM). Jaudas kontrolieris parasti sastāv no tūkstošiem digitālo CMOS vārtu, kas ir izgatavoti neatkarīgā mikroshēmā PAM. Šis elements palielinās PAM izmaksas par 0.30–0.40 ASV dolāriem. Šīs funkcijas integrēšana RF ierīcēs ļaus GaAs PAM ražotājiem nepirkt digitālās CMOS shēmas un instalēt tās PAM. OEM, kas katru mēnesi ražo tūkstošiem produktu, šīs liekās sastāvdaļas noņemšana ievērojami samazinās to izmaksas.

Vēl viena joma, kurā uzlabota integrācija var dot ievērojamus ietaupījumus, ir VCXO. Agrāk dārgi vctcxo moduļi tika iegādāti un projektēti RF ierīcēs kā atsevišķas sastāvdaļas. Tāpēc vctcxo moduļu kopīgo komponentu iekļaušana RF ierīcēs var samazināt izmaksas un ar to saistītās dizaina problēmas. Izmantojot trf6151, lai pabeigtu vctcxo funkciju, ir nepieciešami tikai lēti kristāli un varaktors.

Neskatoties uz šo integrāciju un dizaina vienkāršošanu, RF projektēšanas inženieri joprojām saskaras ar sarežģītām izvēlēm, no kurām viena ir ievades jutība un Rx enerģijas patēriņš. Ir labi zināms, ka jo lielāka strāva tiek izmantota zema trokšņa līmeņa pastiprinātāja (LNA) projektēšanā, jo zemākas ir kopējās trokšņa īpašības. Projektēšanas inženierim jānosaka uztvērēja kopējais jaudas budžets un uztvērēja jutīguma līmeņa prasības. Tomēr troksnis nemazinās, samazinot jaudu. Patiesībā ir otrādi. Tāpēc, lai gan tas var atbilst GSM standarta specifikācijai, dizaineriem bieži jājautā sev, vai ir vērts maksāt cenu par enerģijas patēriņu, lai sasniegtu noteiktu jutīguma līmeni. Šis jautājums arī izskaidro, kāpēc projektēšanas inženieriem un IC ražotājiem ir cieši jāsadarbojas visā projektēšanas procesā. Dizaina inženieru atsauksmes var palīdzēt IC ražotājiem labāk kalpot bezvadu industrijai, izstrādājot nākotnes RF produktus.

Attīstība SOC virzienā

Bezvadu sistēmu izmaksu, jaudas un sarežģītības samazināšana ir ļoti svarīga, lai veiksmīgi izpildītu sistēmu integrācijas prasības. Tomēr, lai izstrādātu augstas integrācijas risinājumus mobilajiem tālruņiem, pusvadītāju nozarei ir jāpārvar sarežģīti tehniskie šķēršļi. Dizaineri reti uztrauc dažus no šiem šķēršļiem, jo ​​daudzi no viņiem nevēlas zināt, kā tiek izgatavotas SOC ierīces, ja vien tas var nodrošināt nepieciešamo veiktspēju. Tāpēc ir ātri jāapzinās dažas procesu tehnoloģijas, kas ietekmēs mobilo tālruņu integrācijā izmantoto ierīču iespējas un pieejamību.

Mobilo telefonu RF elektroniskās sistēmas integrēšanai ir vairākas iespējamās shēmas. Pirmkārt, tradicionālo RF arhitektūru var īstenot salīdzinoši vienkāršā bipolārā vai BiCMOS procesā, izmantojot tradicionālās tehnoloģijas. Pēdējo RF mikroshēmu var salikt ar mobilā tālruņa ciparu loģikas funkcijām, izmantojot vairāku mikroshēmu iepakošanas tehnoloģiju (sistēmas līmeņa iepakošanas tehnoloģija). Lai gan šai tehnoloģijai ir daudz priekšrocību, piemēram, pazīstamu RF projektēšanas metožu un nobriedušu procesu un tehnoloģiju izmantošana, to ir grūti komercializēt testa ierīču augsto izmaksu un ienesīguma dēļ.

Turklāt mobilo tālruņu elektroniskās sistēmas integrāciju var iegūt arī ar progresīvu BiCMOS (SiGe) vafeļu procesu. Tomēr, tā kā SiGe HBT ierīču apstrādei nepieciešams papildu litogrāfijas process, galīgajai mikroshēmai būs vajadzīgas papildu izmaksas. Tajā pašā laikā, tā kā SiGe BiCMOS tehnoloģija nevar izmantot vismodernāko litogrāfijas procesu, BiCMOS process parasti atpaliek no uzlabotā digitālā CMOS procesa. Tie radīs lielu spiedienu, lai uzlabotu mobilo tālruņu īpašības un samazinātu izmaksas. To nevar atrisināt ar vienkāršu vafeļu procesa stratēģiju, jo šī tehnoloģija nevar visu laiku uzturēt sistēmas loģiku vai digitālo daļu par zemāko iespējamo cenu. Tāpēc sistēmas pamatjoslas funkciju RF daļas monolīta integrācija BiCMOS (vai SiGe) nav laba izvēle.

Galīgais risinājums, ko var uzskatīt, ir RF integrācija CMOS, kas arī saskaras ar ievērojamām problēmām. Lai gan ir vairāki CMOS šūnu RF modeļi, šie dizainparaugi lielā mērā balstās uz analogām funkcijām. Ar CMOS tehnoloģiju ir grūti ieviest analogus maisītājus, filtrus un pastiprinātājus, un enerģijas patēriņš parasti ir lielāks nekā SiGe BiCMOS shēma. Attīstoties procesu tehnoloģijai, CMOS nominālais līmenis kļūst arvien zemāks, kas apgrūtina analogo dizainu. Jaunu procesu izstrādes sākumposmā ierīču modelēšana un procesu gatavība parasti neatbilst augstas precizitātes parametru modelēšanas prasībām, kas nepieciešamas analogo moduļu projektēšanai. Tomēr nesen izstrādātā digitālā CMOS RF arhitektūra padara monolītu CMOS integrāciju pievilcīgāku.

Šie risinājumi virza arī pusvadītāju nozari, jo ražotāji meklē lētus RF sistēmas līmeņa mikroshēmu risinājumus. Lai gan katrai integrācijas shēmai ir grūtības, patiešām ir pārsteidzoši, ka RF komponentu integrācija var sasniegt tik augstu līmeni. Šo grūtību pārvarēšana spers lielu soli uz priekšu bezvadu mobilo tālruņu dizainā un noteiks virzienu lielākai integrācijai tuvākajā nākotnē.

Šī darba secinājums

RF integrācijā joprojām ir daudz grūtību. Katra mūsdienu mobilā tālruņa RF ierīce ir pakļauta stingrām veiktspējas prasībām. Jutības prasības ir aptuveni – 106 dBm (106 dB zem 1 MW) vai augstākas, un atbilstošais līmenis ir tikai daži mikrovolti; Turklāt selektivitātei, tas ir, lietderīgā kanāla noraidīšanas spējai blakus esošajai frekvenču joslai (parasti tiek saukta par bloķēšanu), jābūt apmēram 60dB; Turklāt sistēmas oscilatoram ir jādarbojas ļoti zemā fāzes troksnī, lai novērstu saliekamās bloķējošās enerģijas iekļūšanu uztveršanas joslā. RF integrācija ir ļoti sarežģīta ļoti augsto frekvenču un ārkārtīgi prasīgo veiktspējas prasību dēļ.

Daudzfrekvenču standarta apstrāde rada reālu izaicinājumu visai SOC frekvencei. Tiek cerēts samazināt ierosmi, ko rada joslas signāla pārraide. Digitālās RF integrācijas saturs ir daudz vairāk nekā vairāku RF komponentu ievietošana vienā mikroshēmā. Ir nepieciešama jauna aparatūras koplietošanas arhitektūra.

Sistēmu izstrādātājiem pašreizējās vienkāršās, ļoti integrētās un rentablās pusvadītāju ierīces var ievērojami samazināt dizaina sarežģītību. Tajā pašā laikā tie var bagātināt bezvadu ierīču īpašības un nemainīt sistēmas izmēru, akumulatora darbības laiku un izmaksas. Jaunās augsti integrētās RF ierīces var arī novērst dažus strīdus bezvadu dizainā un ietaupīt inženieru dārgo laiku.