Kurangkan bilangan komponen dan kurangkan luas kawasan papan litar melalui penyatuan RF tanpa wayar

Pada peranti tanpa wayar hari ini, lebih daripada separuh komponen pada papan litar adalah peranti RF analog. Oleh itu, cara yang berkesan untuk mengurangkan kawasan papan litar dan penggunaan kuasa adalah dengan melakukan integrasi RF berskala besar dan berkembang ke arah cip tahap sistem. Makalah ini memperkenalkan status pengembangan integrasi RF, dan mengemukakan beberapa langkah dan penyelesaian untuk beberapa masalah ini.

Beberapa tahun yang lalu, pasaran telefon bimbit dikuasai oleh telefon single-band dan single-mode dual-band, dan teknologi yang digunakan hanya ??? Pegang satu atau dua jalur selular secara keseluruhan ??? Kaedah modulasi yang sama, skema akses berbilang saluran dan protokol diadopsi dalam jalur frekuensi pegangan. Sebaliknya, reka bentuk telefon bimbit generasi baru hari ini jauh lebih kompleks dan dapat menyediakan multi-band dan multi-mode ??? Ia memiliki jaringan kawasan peribadi Bluetooth, kedudukan GPS dan fungsi lain, dan fungsi penerimaan UWB dan TV telah mulai muncul. Di samping itu, aplikasi seperti permainan, gambar, audio dan video telah menjadi sangat biasa di telefon bimbit.

Telefon tanpa wayar menjadi peranti kompleks yang disebut pusat hiburan peribadi genggam. Trend pengembangannya terus membawa lebih banyak cabaran kepada pereka. Walaupun dibandingkan dengan telefon bimbit dengan fungsi suara sahaja, generasi baru telefon bimbit telah meningkat dengan ketara dalam pemrosesan komunikasi, pemprosesan aplikasi, jumlah antara muka RF dan kapasiti memori bersepadu, pengguna masih mengharapkan telefon bimbit memiliki volume yang lebih kecil, bentuk yang ramping, rendah harga dan paparan warna yang besar, Ia dapat memberikan masa tunggu dan bercakap seperti telefon suara tradisional. Mengekalkan keseluruhan ukuran dan penggunaan kuasa yang ada, tetapi membuat fungsi meningkat secara eksponensial, sambil mengekalkan keseluruhan kos sistem yang tidak berubah, semua ini menimbulkan banyak masalah bagi perancang sistem.

Jelas, masalahnya melibatkan semua bahagian dari keseluruhan reka bentuk sistem, serta pembekal semua komunikasi dan kandungan hiburan tanpa wayar. Satu kawasan yang sangat berkesan dalam mengurangkan kawasan papan dan penggunaan kuasa adalah bahagian RF dari reka bentuk sistem tanpa wayar. Ini kerana pada masa kini telefon bimbit biasa, lebih daripada separuh komponen di papan tersebut adalah komponen RF analog, yang bersama-sama menyumbang 30-40% dari keseluruhan kawasan papan, seperti sistem Bluetooth Bluetooth seperti GPS dan WLAN juga akan sangat meningkatkan keperluan ruang.

Penyelesaiannya adalah dengan melakukan integrasi RF berskala besar dan akhirnya berkembang menjadi cip tahap sistem yang bersepadu sepenuhnya. Beberapa pereka memasukkan penukar analog-ke-digital ke dalam antena untuk mengurangkan jumlah ruang papan litar yang diperlukan untuk fungsi RF. Apabila teknologi integrasi semikonduktor dapat mengintegrasikan lebih banyak fungsi dalam satu peranti, jumlah peranti diskrit dan ruang papan litar yang digunakan untuk menampung peranti ini akan dikurangkan dengan sewajarnya. Ketika industri bergerak menuju integrasi cip tahap sistem, pereka akan terus mencari teknologi baru untuk memenuhi percanggahan antara kerumitan RF yang lebih tinggi dan jangka hayat bateri yang lebih lama dalam peranti tanpa wayar kecil.

Status pembangunan integrasi RF

Perkembangan penting penyatuan RF muncul kira-kira dua tahun yang lalu. Pada masa itu, pengembangan teknologi RF dan modem baseband digital memungkinkan untuk mengganti peranti RF superheterodyne dengan penerima penukaran turun langsung dalam telefon bimbit tanpa wayar. Peranti superheterodyne RF menggunakan pengadun bertingkat, penapis dan pengayun berganda voltan (VCO), yang telah digunakan dengan baik selama bertahun-tahun, tetapi penyatuan peranti RF penukaran frekuensi langsung dapat mengurangkan jumlah komponen GSM RF. Pada akhir 1990-an, subsistem RF superheterodyne jalur tunggal khas termasuk PA, suis antena, LDO, RF isyarat kecil dan vctcxo, yang memerlukan kira-kira 200 peranti diskrit; Hari ini, kita dapat merancang sistem penukaran frekuensi langsung dengan fungsi empat jalur, yang menggabungkan penapis gelung VCO, VCXO dan PLL, tetapi jumlah komponennya kurang daripada 50. Gambar 1: transceiver GSM empat jalur dengan integrasi tinggi.

Sebagai contoh, transceiver trf6151 (Rajah 1) Texas Instruments for GSM merangkumi pengatur voltan on-chip, saluran VCO dan VCO, kawalan kuasa PA, pengesanan penyekat tepi penapis gelung PLL, kawalan langkah demi langkah LNA dan VCXO.

Bagi pereka, integrasi lanjutan membantu mengatasi beberapa masalah besar dalam RF tanpa wayar, di antaranya yang paling asas adalah bekalan kuasa DC dan peraturan pemancar. Semasa panggilan, voltan bateri akan berubah dengan perubahan suhu dan masa. Di samping itu, gandingan bunyi dari bekalan kuasa TX VCO dan Rx VCO juga akan mempengaruhi prestasi keseluruhan sistem. Oleh itu, pereka berhadapan dengan masalah bagaimana menyelesaikan pengatur papan litar RF dan komponen pasif yang paling berkaitan. Mengintegrasikan peranti ini ke dalam transceiver RF bermaksud bahawa satu-satunya komponen luaran yang diperlukan adalah kapasitor decoupling sederhana, yang disambungkan secara langsung ke bekalan kuasa, yang tidak hanya menyederhanakan reka bentuk, tetapi juga menjimatkan ruang papan litar.

Cabaran lain bagi pereka RF ialah jarak penalaan VCO dan masa penguncian. Dalam semua reka bentuk VCO analog. Oleh kerana selalunya diperlukan untuk mengimbangi masa penguncian dan jarak penalaan, saringan gelung biasanya diletakkan di luar cip. Kadang-kadang, ini dapat diselesaikan dalam kawalan perisian rangkaian penalaan VCO. Walau bagaimanapun, kaedah ini mengemukakan keperluan sumber tambahan untuk pengembangan keseluruhan telefon. Apabila fungsi penalaan digital dimasukkan ke dalam VCO dan dapat memberikan penentukuran diri, julat penalaan yang diperpanjang dapat diperoleh, dan elemen penapis gelung dapat ditempatkan di dalam cip. Jelasnya, skema ini dapat membolehkan jurutera reka bentuk mempermudahkan kerja mereka.

Untuk mendapatkan kawalan kuasa pemancar yang diperlukan oleh sistem GSM, pengeluar PA umumnya memasukkan fungsi ini dalam modul penguat kuasa (PAM). Pengawal kuasa biasanya terdiri daripada ribuan gerbang CMOS digital, yang dibuat dalam cip bebas di PAM. Elemen ini akan meningkatkan kos PAM sebanyak US $ 0.30 ~ 0.40. Mengintegrasikan fungsi ini ke dalam peranti RF akan membolehkan pengeluar PAM GaAs tidak membeli litar CMOS digital dan memasangnya ke dalam PAM. Untuk OEM yang menghasilkan ribuan produk setiap bulan, membuang komponen berlebihan ini akan mengurangkan kosnya.

Satu lagi bidang di mana integrasi maju dapat menghasilkan penjimatan yang besar adalah VCXO. Pada masa lalu, modul vctcxo mahal telah dibeli dan direka dalam peranti RF sebagai komponen diskrit. Oleh itu, memasukkan komponen umum modul vctcxo ke dalam peranti RF dapat mengurangkan kos dan masalah reka bentuk yang berkaitan. Dengan menggunakan trf6151, hanya kristal dan varactor kos rendah yang diperlukan untuk menyelesaikan fungsi vctcxo.

Walaupun terdapat integrasi dan penyederhanaan reka bentuk, jurutera reka bentuk RF masih menghadapi pilihan yang sukar, salah satunya adalah kepekaan input dan penggunaan kuasa Rx. Telah diketahui bahawa semakin besar arus yang digunakan dalam reka bentuk penguat kebisingan rendah (LNA), semakin rendah keseluruhan ciri kebisingan. Jurutera reka bentuk mesti menentukan jumlah anggaran kuasa penerima dan keperluan tahap kepekaan penerima. Walau bagaimanapun, bunyi tidak berkurang dengan pengurangan daya. Sebenarnya, ia adalah sebaliknya. Oleh itu, walaupun dapat memenuhi spesifikasi standard GSM, pereka mesti sering bertanya pada diri mereka sendiri apakah layak membayar harga dalam penggunaan daya untuk mencapai tahap kepekaan tertentu. Soalan ini juga menjelaskan mengapa perlu bagi jurutera reka bentuk dan pengeluar IC untuk bekerjasama rapat dalam keseluruhan proses reka bentuk. Maklum balas daripada jurutera reka bentuk dapat membimbing pengeluar IC untuk melayani industri tanpa wayar dengan lebih baik ketika mengembangkan produk RF masa depan.

Berkembang ke arah SOC

Mengurangkan kos, kuasa dan kerumitan sistem wayarles sangat penting untuk berjaya memenuhi syarat-syarat integrasi sistem. Walau bagaimanapun, pengembangan penyelesaian integrasi tinggi untuk telefon bimbit memerlukan industri semikonduktor untuk mengatasi halangan teknikal yang kompleks. Sebilangan rintangan ini jarang ditangani oleh pereka, kerana banyak dari mereka tidak ingin mengetahui bagaimana peranti SOC dibuat, selagi ia dapat memberikan prestasi yang diperlukan. Oleh itu, perlu memiliki pemahaman yang cepat mengenai beberapa teknologi proses, yang akan mempengaruhi kemampuan dan ketersediaan peranti yang digunakan dalam integrasi telefon bimbit.

Terdapat beberapa skema yang boleh dilaksanakan untuk penyatuan sistem elektronik RF telefon bimbit. Pertama, seni bina RF tradisional dapat dilaksanakan dalam proses bipolar atau BiCMOS yang agak sederhana dengan menggunakan teknologi tradisional. Cip RF terakhir dapat dipasang dengan fungsi logik digital telefon bimbit menggunakan teknologi pembungkusan pelbagai cip (teknologi pembungkusan tahap sistem). Walaupun teknologi ini mempunyai banyak kelebihan, seperti menggunakan kaedah reka bentuk RF yang sudah biasa dan proses dan teknologi yang matang, sukar untuk dikomersialkan kerana kos dan hasil alat uji yang tinggi.

Di samping itu, integrasi sistem elektronik telefon bimbit juga dapat diperoleh dengan proses wafer BiCMOS (SiGe) lanjutan. Namun, kerana pemprosesan peranti SiGe HBT memerlukan proses litografi tambahan, cip akhir akan memerlukan kos tambahan. Pada masa yang sama, kerana teknologi SiGe BiCMOS tidak dapat menggunakan proses litografi yang paling maju, proses BiCMOS biasanya ketinggalan dari proses CMOS digital yang maju. Ini akan memberikan tekanan besar untuk meningkatkan ciri-ciri telefon bimbit dan mengurangkan kos. Ia tidak dapat diselesaikan dengan strategi proses wafer yang mudah, kerana teknologi ini tidak dapat mengekalkan logik sistem atau bahagian digital pada harga serendah mungkin sepanjang masa. Oleh itu, penyatuan monolitik bahagian RF fungsi baseband sistem dalam BiCMOS (atau SiGe) bukanlah pilihan yang baik.

Penyelesaian terakhir yang dapat dipertimbangkan adalah integrasi RF dalam CMOS, yang juga menghadapi banyak cabaran. Walaupun terdapat beberapa reka bentuk RF selular CMOS, reka bentuk ini sebahagian besarnya berdasarkan fungsi analog. Sukar untuk melaksanakan pengadun analog, penapis dan penguat dengan teknologi CMOS, dan penggunaan kuasa pada umumnya lebih besar daripada skema SiGe BiCMOS. Dengan perkembangan teknologi proses, tahap dinilai CMOS semakin rendah dan semakin rendah, yang menjadikan reka bentuk analog lebih sukar. Pada peringkat awal pengembangan proses baru, pemodelan peranti dan kematangan proses umumnya tidak dapat memenuhi syarat pemodelan parameter ketepatan tinggi yang diperlukan untuk reka bentuk modul analog. Walau bagaimanapun, seni bina RF CMOS digital yang baru dibangunkan menjadikan integrasi CMOS monolitik lebih menarik.

Penyelesaian ini juga mendorong industri semikonduktor kerana pengeluar mencari penyelesaian cip tahap sistem RF rendah. Walaupun setiap skema integrasi mempunyai kesukaran, memang mengejutkan bahawa penyatuan komponen RF dapat mencapai tahap yang tinggi. Mengatasi kesukaran ini akan mengambil langkah besar dalam reka bentuk telefon bimbit tanpa wayar dan menetapkan arah untuk integrasi yang lebih besar dalam waktu terdekat.

Kesimpulan makalah ini

Masih banyak kesukaran dalam penyatuan RF. Setiap peranti RF telefon bimbit moden menghadapi syarat prestasi yang ketat. Keperluan sensitiviti kira-kira – 106dbm (106db di bawah 1 MW) atau lebih tinggi, dan tahap yang sepadan hanya beberapa mikrovol; Selain itu, selektivitas, iaitu kemampuan penolakan saluran yang berguna ke jalur frekuensi yang berdekatan (biasanya disebut sebagai penyekat), harus berada dalam urutan 60dB; Sebagai tambahan, pengayun sistem diperlukan untuk beroperasi di bawah kebisingan fasa yang sangat rendah untuk mengelakkan lipatan menyekat tenaga memasuki jalur penerima. Penyatuan RF sangat sukar kerana frekuensi yang sangat tinggi dan keperluan prestasi yang sangat menuntut.

Memproses standard multi frekuensi membawa cabaran sebenar kepada keseluruhan frekuensi SOC. Diharapkan untuk mengurangkan pengujaan yang dihasilkan oleh transmisi isyarat band. Kandungan integrasi RF digital jauh lebih banyak daripada meletakkan beberapa komponen RF dalam satu cip. Senibina perkongsian perkakasan baru diperlukan.

Bagi pereka sistem, peranti semikonduktor yang ringkas, sangat bersepadu dan jimat semasa dapat mengurangkan kerumitan reka bentuk. Pada masa yang sama, mereka dapat memperkaya ciri-ciri peranti tanpa wayar dan memastikan saiz sistem, jangka hayat bateri dan kos tidak berubah. Peranti RF baru yang sangat bersepadu juga dapat menghilangkan beberapa pertikaian dalam reka bentuk tanpa wayar dan menjimatkan masa berharga jurutera.