Намалете го бројот на компоненти и намалете ја површината на коло преку безжична RF интеграција

Во денешните безжични уреди, повеќе од половина од компонентите на колото се аналогни RF уреди. Затоа, ефективен начин за намалување на површината на плочата и потрошувачката на енергија е да се спроведе поголема интеграција на RF и да се развие кон чип на ниво на систем. Овој труд го воведува развојниот статус на интеграцијата на РФ и дава некои контра мерки и решенија за некои од овие проблеми.

Пред неколку години, на пазарот на мобилни телефони доминираа телефони со еден опсег и двополни бендови со еден режим, а технологијата што се користеше беше само ??? Се држи една или две ленти за целина ??? Истиот метод на модулација, шемата за пристап до повеќе канали и протоколот се усвоени во фреквентниот опсег на држење. Спротивно на тоа, дизајнот на денешната нова генерација мобилни телефони е многу посложен и може да обезбеди мулти опсег и мулти-режим ??? Има лична мрежа со Bluetooth, ГПС -позиционирање и други функции, а почнаа да се појавуваат функции за примање UWB и ТВ. Покрај тоа, апликациите како игри, слики, аудио и видео станаа многу чести кај мобилните телефони.

Безжичниот телефон станува сложен уред наречен рачен личен забавен центар. Неговиот тренд на развој продолжува да носи повеќе предизвици за дизајнерите. Иако во споредба со мобилните телефони со само гласовна функција, новата генерација мобилни телефони значително се зголеми во обработката на комуникацијата, обработката на апликациите, бројот на RF -интерфејси и интегрираниот капацитет на меморијата, корисниците сепак очекуваат мобилните телефони да имаат помал волумен, рационализирана форма, ниска цена и голем екран во боја, Може да обезбеди време на мирување и разговор слично на традиционалните гласовни телефони. Одржување на постојната севкупна големина и потрошувачка на енергија, но правење на функцијата експоненцијално зголемена, додека одржување на целокупната цена на системот непроменета, сите овие претставуваат многу проблеми за дизајнерите на системот.

Очигледно, проблемот ги вклучува сите делови од целиот системски дизајн, како и добавувачите на сите безжични комуникациски и забавни содржини. Една област што е особено ефикасна во намалувањето на површината на таблата и потрошувачката на енергија е RF -дел од дизајнот на безжичен систем. Ова е затоа што во денешниот типичен мобилен телефон, повеќе од половина од компонентите на таблата се аналогни RF компоненти, кои заедно сочинуваат 30-40% од целата површина на таблата, како што се Bluetooth RF системите, како што се GPS и WLAN, исто така, во голема мера ги зголеми барањата за простор.

Решението е да се спроведе поголема интеграција на RF и конечно да се развие во целосно интегриран чип на системско ниво. Некои дизајнери ставија аналогно-дигитални конвертори во антената за да го намалат вкупниот простор на плочата потребен за RF функции. Кога технологијата за интеграција на полупроводници може да интегрира повеќе функции во еден уред, соодветно ќе се намали бројот на дискретни уреди и просторот на плочата што се користи за сместување на овие уреди. Додека индустријата се движи кон интеграција на чипови на системско ниво, дизајнерите ќе продолжат да наоѓаат нови технологии за да ја исполнат контрадикторноста помеѓу повисоката RF сложеност и подолготрајноста на батеријата кај малите безжични уреди.

Статус на развој на РФ интеграција

Важен развој на интеграцијата на РФ се појави пред околу две години. Во тоа време, развојот на RF технологија и дигитален модем на основна лента овозможи да се заменат суперхетеродинските RF уреди со директни надолу конверзионерски приемници во безжичните мобилни телефони. Суперхетеродинските RF уреди користат повеќестепени миксери, филтри и осцилатори со повеќенаменски контролирани напони (VCO), кои се добро користени многу години, но интеграцијата на RF уреди со директна конверзија на фреквенција може многу да го намали вкупниот број на GSM RF компоненти. Кон крајот на 1990 -тите години, типичен суперхетеродински RF подсистем со единечна лента вклучуваше PA, прекинувач за антена, LDO, мал сигнал RF и vctcxo, за кои беа потребни околу 200 дискретни уреди; Денес, можеме да дизајнираме директен систем за конверзија на фреквенција со функција на четири опсези, кој интегрира филтер за јамка VCO, VCXO и PLL, но неговиот број на компоненти е помал од 50. Слика 1: GSM -приемник со четири опсези со висока интеграција.

На пример, примопредавателот trf6151 (слика 1) на Texas Instruments за GSM вклучува регулатор на напон на чип, VCO и VCO канал, контрола на моќноста на PA, откривање блокатори на рабовите на филтерот за јамка PLL, контрола на LNA чекор по чекор и VCXO.

За дизајнерите, напредната интеграција помага да се надминат некои големи проблеми во безжичниот RF, меѓу кои најосновниот е DC напојувањето и регулирањето на примопредавателот. За време на повик, напонот на батеријата ќе се промени со промена на температурата и времето. Покрај тоа, спојката на бучава од напојувањето TX VCO и Rx VCO исто така ќе влијае на перформансите на целиот систем. Затоа, дизајнерите се соочуваат со проблемот како да се реши регулаторот на RF коло и повеќето поврзани пасивни компоненти. Интегрирањето на овие уреди во RF -приемникот значи дека единствената надворешна компонента што е потребна е едноставен кондензатор за раздвојување, кој е директно поврзан со напојувањето, што не само што го поедноставува дизајнот, туку и го зачувува просторот на колото.

Друг предизвик за дизајнерите на RF е опсегот на подесување VCO и времето за заклучување. Во сите аналогни дизајни на VCO. Бидејќи често е неопходно да се балансира времето на заклучување и опсегот на подесување, филтерот за јамка обично се поставува надвор од чипот. Понекогаш, ова може да се реши со софтверска контрола на опсегот на подесување на VCO. Сепак, овој метод поставува дополнителни барања за ресурси за целокупниот развој на телефонот. Кога функцијата за дигитално подесување е вклучена во VCO и може да обезбеди само -калибрација, може да се добие продолжен опсег на подесување, а елементот за филтер за јамка може да се стави во чипот. Очигледно, оваа шема може да им овозможи на инженерите за дизајн да ја поедностават својата работа.

Со цел да се добие контрола на моќноста на предавателот потребна од системот GSM, производителите на PA генерално ја вклучуваат оваа функција во модулот за засилувач на енергија (PAM). Контролорот за напојување обично е составен од до илјадници дигитални CMOS порти, кои се направени во независен чип во PAM. Овој елемент ќе ги зголеми трошоците за ПЕМ за 0.30 УСД ~ 0.40. Интегрирањето на оваа функција во RF уреди ќе им овозможи на производителите на GaAs PAM да не купуваат дигитални CMOS кола и да ги инсталираат во PAM. За ОЕМ што произведува илјадници производи секој месец, отстранувањето на оваа вишок компонента значително ќе ја намали нивната цена.

Друга област каде напредната интеграција може да донесе значителни заштеди е VCXO. Во минатото, скапи vctcxo модули беа купени и дизајнирани во RF уреди како дискретни компоненти. Затоа, инкорпорирањето на вообичаените компоненти на vctcxo модулите во RF уредите може да ги намали трошоците и поврзаните проблеми со дизајнот. Користејќи trf6151, потребни се само ефтин кристал и варактор за да се заврши функцијата на vctcxo.

И покрај оваа интеграција и поедноставување на дизајнот, инженерите за дизајн на RF с face уште се соочуваат со тешки избори, од кои едната е чувствителноста на влезот и потрошувачката на енергија Rx. Познато е дека колку е поголема струјата што се користи во дизајнот на засилувач со низок шум (LNA), толку се помали вкупните карактеристики на бучавата. Дизајнерскиот инженер мора да го одреди вкупниот буџет за моќност на приемникот и барањата за ниво на чувствителност на приемникот. Сепак, бучавата не се намалува со намалување на моќноста. Всушност, тоа е спротивното. Затоа, иако може да ги исполни стандардните спецификации на GSM, дизајнерите често мора да се запрашаат дали вреди да се плати цената во потрошувачката на енергија за да се постигне одредено ниво на чувствителност. Ова прашање, исто така, објаснува зошто е неопходно инженерите за дизајн и производителите на ИЦ да соработуваат тесно во целиот процес на дизајнирање. Повратните информации од инженерите за дизајн можат да ги водат производителите на ИЦ подобро да и служат на безжичната индустрија при развивање на идните RF производи.

Се развива кон СОЦ

Намалувањето на трошоците, моќноста и сложеноста на безжичните системи е многу важно за успешно исполнување на барањата за системска интеграција. Сепак, развојот на решенија за висока интеграција за мобилни телефони бара индустријата за полупроводници да ги надмине сложените технички пречки. Некои од овие пречки ретко се занимаваат со дизајнерите, бидејќи многу од нив не сакаат да знаат како се прават SOC уредите, се додека тоа може да ги обезбеди потребните перформанси. Затоа, неопходно е брзо да се разберат некои технолошки процеси, што ќе влијае на способноста и достапноста на уредите што се користат во интеграцијата на мобилните телефони.

Постојат неколку изводливи шеми за интеграција на RF електронски систем за мобилни телефони. Прво, традиционалната RF архитектура може да се имплементира во релативно едноставен биполарен или BiCMOS процес користејќи традиционална технологија. Конечниот RF чип може да се состави со мобилни телефони со дигитални логички функции користејќи технологија за пакување со повеќе чипови (технологија за пакување на ниво на систем). Иако оваа технологија има многу предности, како што се користење на познати методи за RF дизајн и зрели процеси и технологии, тешко е да се комерцијализира поради високата цена и приносот на уредите за тестирање.

Покрај тоа, интеграцијата на електронскиот систем за мобилни телефони, исто така, може да се добие со напреден процес на нафора BiCMOS (SiGe). Меѓутоа, бидејќи обработката на SiGe HBT уреди бара дополнителен литографски процес, конечниот чип ќе бара дополнителни трошоци. Во исто време, бидејќи технологијата SiGe BiCMOS не може да го користи најнапредниот процес на литографија, процесот BiCMOS обично заостанува зад напредниот дигитален CMOS процес. Овие ќе донесат голем притисок за зголемување на карактеристиките на мобилните телефони и намалување на трошоците. Не може да се реши со едноставна стратегија за процес на обланда, бидејќи оваа технологија не може да ја одржува логиката на системот или дигиталниот дел по најниска можна цена во секое време. Затоа, монолитната интеграција на системската основна врска со RF дел во BiCMOS (или SiGe) не е добар избор.

Конечното решение што може да се земе предвид е RF интеграција во CMOS, која исто така се соочува со значителни предизвици. Иако постојат неколку CMOS мобилни RF дизајни, овие дизајни во голема мера се базираат на аналогни функции. Тешко е да се имплементираат аналогни миксери, филтри и засилувачи со CMOS технологија, а потрошувачката на енергија е генерално поголема од шемата SiGe BiCMOS. Со развојот на процесната технологија, номиналното ниво на CMOS станува с lower пониско и пониско, што го отежнува аналогниот дизајн. Во раната фаза на развој на нови процеси, моделирањето на уредот и зрелоста на процесот генерално не можат да ги исполнат барањата за моделирање на параметри со висока прецизност потребни за дизајн на аналогни модули. Сепак, неодамна развиената дигитална CMOS RF архитектура ја прави монолитната CMOS интеграција попривлечна.

Овие решенија, исто така, ја поттикнуваат индустријата за полупроводници, бидејќи производителите бараат ефтини решенија за чипови на ниво на РФ систем. Иако секоја шема за интеграција има потешкотии, навистина е изненадувачки што интеграцијата на RF компонентите може да достигне толку високо ниво. Надминувањето на овие тешкотии ќе направи голем чекор напред во дизајнот на безжичните мобилни телефони и ќе го постави правецот за поголема интеграција во блиска иднина.

Заклучок на овој труд

С still уште има многу тешкотии во RF интеграцијата. Секој RF уред на модерен мобилен телефон се соочува со строги барања за изведба. Барањето за чувствителност е околу – 106dbm (106db под 1 MW) или повисоко, а соодветното ниво е само неколку микроволти; Покрај тоа, селективноста, односно способноста за отфрлање на корисниот канал до соседниот фреквентен опсег (најчесто се нарекува блокирање), треба да биде во редот од 60dB; Покрај тоа, системскиот осцилатор треба да работи под многу низок фазен шум за да спречи преклопување на блокирачката енергија да влезе во опсегот на примање. RF интеграцијата е многу тешка поради многу високата фреквенција и екстремно барањата за изведба.

Обработката на мултифреквентен стандард носи вистински предизвик за целата фреквенција на SOC. Се надеваме дека ќе ја намали возбудата генерирана од преносот на сигналот во опсег. Содржината на дигиталната RF интеграција е многу повеќе од ставање повеќе RF компоненти во еден чип. Потребна е нова архитектура за споделување хардвер.

За системските дизајнери, сегашните едноставни, високо интегрирани и исплатливи полупроводнички уреди можат во голема мера да ја намалат сложеноста на дизајнот. Во исто време, тие можат да ги збогатат карактеристиките на безжичните уреди и да ја задржат големината на системот, траењето на батеријата и цената непроменети. Новите високо интегрирани RF уреди, исто така, можат да отстранат некои спорови во безжичниот дизајн и да заштедат драгоцено време на инженерите.