Verminder het aantal componenten en verklein het oppervlak van: printplaat door draadloze RF-integratie

In de huidige draadloze apparaten zijn meer dan de helft van de componenten op de printplaat analoge RF-apparaten. Daarom is een effectieve manier om het printplaatoppervlak en het stroomverbruik te verminderen, het uitvoeren van meer grootschalige RF-integratie en het ontwikkelen naar een chip op systeemniveau. Dit document introduceert de ontwikkelingsstatus van RF-integratie en stelt enkele tegenmaatregelen en oplossingen voor sommige van deze problemen voor.

Een paar jaar geleden werd de markt voor mobiele telefoons gedomineerd door single-band en dual-band single-mode telefoons, en de gebruikte technologie was slechts??? Houd in totaal een of twee cellulaire banden vast??? Dezelfde modulatiemethode, meerkanaals toegangsschema en protocol worden toegepast in de houdfrequentieband. Daarentegen is het ontwerp van de huidige nieuwe generatie mobiele telefoons veel complexer en kan multiband en multimode??? Het heeft een persoonlijk Bluetooth-netwerk, GPS-positionering en andere functies, en UWB- en tv-ontvangstfuncties beginnen te verschijnen. Daarnaast zijn toepassingen zoals games, afbeeldingen, audio en video heel gewoon geworden in mobiele telefoons.

Draadloze telefoon wordt een complex apparaat dat handheld persoonlijk entertainmentcentrum wordt genoemd. De ontwikkelingstrend blijft ontwerpers voor meer uitdagingen stellen. Hoewel vergeleken met mobiele telefoons met alleen spraakfunctie, de nieuwe generatie mobiele telefoons aanzienlijk is toegenomen in communicatieverwerking, applicatieverwerking, het aantal RF-interfaces en geïntegreerde geheugencapaciteit, verwachten gebruikers nog steeds dat mobiele telefoons een kleiner volume, gestroomlijnde vorm, lage prijs en groot kleurenscherm, het kan stand-by en gesprekstijd bieden, vergelijkbaar met traditionele spraaktelefoons. Het behouden van de bestaande totale omvang en het stroomverbruik, maar de functie exponentieel laten toenemen, terwijl de totale systeemkosten ongewijzigd blijven, vormen allemaal veel problemen voor de systeemontwerpers.

Het is duidelijk dat het probleem betrekking heeft op alle onderdelen van het hele systeemontwerp, evenals de leveranciers van alle draadloze communicatie- en entertainmentcontent. Een gebied dat bijzonder effectief is in het verminderen van het bordoppervlak en het stroomverbruik, is het RF-gedeelte van het ontwerp van draadloze systemen. Dit komt omdat in de typische mobiele telefoon van vandaag meer dan de helft van de componenten op het bord analoge RF-componenten zijn, die samen 30-40% van het hele bordoppervlak uitmaken, zoals Bluetooth RF-systemen zoals GPS en WLAN zullen ook sterk verhoging van de ruimtebehoefte.

De oplossing is om meer grootschalige RF-integratie uit te voeren en uiteindelijk te ontwikkelen tot een volledig geïntegreerde chip op systeemniveau. Sommige ontwerpers hebben analoog-naar-digitaal-converters in de antenne geplaatst om de totale printplaatruimte die nodig is voor RF-functies te verminderen. Wanneer de halfgeleiderintegratietechnologie meer functies in een enkel apparaat kan integreren, zal het aantal discrete apparaten en de printplaatruimte die wordt gebruikt om deze apparaten te huisvesten dienovereenkomstig worden verminderd. Naarmate de industrie op weg is naar chipintegratie op systeemniveau, zullen ontwerpers nieuwe technologieën blijven vinden om het hoofd te bieden aan de tegenstelling tussen hogere RF-complexiteit en een langere levensduur van de batterij in kleine draadloze apparaten.

Ontwikkelingsstatus van RF-integratie

Een belangrijke ontwikkeling van RF-integratie deed zich ongeveer twee jaar geleden voor. In die tijd maakte de ontwikkeling van RF-technologie en digitale basisbandmodem het mogelijk om superheterodyne RF-apparaten te vervangen door directe down-conversie-ontvangers in draadloze mobiele telefoons. Superheterodyne RF-apparaten gebruiken meertraps mixers, filters en meervoudige spanningsgestuurde oscillatoren (VCO’s), die al vele jaren goed worden gebruikt, maar de integratie van RF-apparaten met directe frequentieconversie kan het totale aantal GSM RF-componenten aanzienlijk verminderen. Aan het eind van de jaren negentig omvatte een typisch enkelbands superheterodyne RF-subsysteem PA, antenneschakelaar, LDO, klein signaal RF en vctcxo, waarvoor ongeveer 1990 discrete apparaten nodig waren; Tegenwoordig kunnen we een direct frequentieconversiesysteem ontwerpen met een vierbandfunctie, waarin VCO, VCXO en PLL-lusfilters zijn geïntegreerd, maar het aantal componenten is minder dan 200. Afbeelding 50: vierbands GSM-transceiver met hoge integratie.

De transceiver trf6151 (Figuur 1) van Texas Instruments for GSM omvat bijvoorbeeld een spanningsregelaar op de chip, VCO- en VCO-kanaal, PA-vermogensregeling, PLL-lusfilter-randblokkeringsdetectie, LNA-versterkingsstapsgewijze regeling en VCXO.

Voor ontwerpers helpt geavanceerde integratie om een ​​aantal grote problemen in draadloze RF op te lossen, waaronder de meest elementaire de DC-voeding en de regeling van de transceiver. Tijdens een gesprek verandert de batterijspanning met de verandering van temperatuur en tijd. Bovendien zal de ruiskoppeling van de TX VCO- en Rx VCO-voedingen ook de prestaties van het hele systeem beïnvloeden. Daarom worden ontwerpers geconfronteerd met het probleem van het oplossen van de RF-printplaatregelaar en de meeste gerelateerde passieve componenten. Door deze apparaten in de RF-transceiver te integreren, is de enige externe component die nodig is, een eenvoudige ontkoppelcondensator, die rechtstreeks is aangesloten op de voeding, wat niet alleen het ontwerp vereenvoudigt, maar ook de printplaatruimte bespaart.

Een andere uitdaging voor RF-ontwerpers is het VCO-afstembereik en de sluittijd. In alle analoge VCO-ontwerpen. Omdat het vaak nodig is om de sluittijd en het afstembereik in evenwicht te brengen, wordt het lusfilter meestal buiten de chip geplaatst. Soms kan dit worden opgelost in de softwarebesturing van het VCO-afstembereik. Deze methode stelt echter aanvullende eisen aan de middelen voor de algehele ontwikkeling van de telefoon. Wanneer de digitale afstemmingsfunctie is opgenomen in de VCO en zelfkalibratie kan bieden, kan een groter afstembereik worden verkregen en kan het lusfilterelement in de chip worden geplaatst. Het is duidelijk dat dit schema ontwerpingenieurs in staat kan stellen hun werk te vereenvoudigen.

Om de door het GSM-systeem vereiste vermogensregeling van de zender te verkrijgen, nemen PA-fabrikanten deze functie over het algemeen op in de vermogensversterkermodule (PAM). De vermogensregelaar bestaat meestal uit duizenden digitale CMOS-poorten, die in een onafhankelijke chip in PAM zijn gemaakt. Dit element verhoogt de kosten van PAM met US $ 0.30 ~ 0.40. Door deze functie in RF-apparaten te integreren, kunnen GaAs PAM-fabrikanten geen digitale CMOS-circuits kopen en in PAM installeren. Voor een OEM die elke maand duizenden producten produceert, zal het verwijderen van dit overtollige onderdeel de kosten aanzienlijk verlagen.

Een ander gebied waar geavanceerde integratie aanzienlijke besparingen kan opleveren, is VCXO. In het verleden werden dure vctcxo-modules gekocht en ontworpen in RF-apparaten als discrete componenten. Daarom kan het opnemen van gemeenschappelijke componenten van vctcxo-modules in RF-apparaten de kosten en gerelateerde ontwerpproblemen verminderen. Met behulp van trf6151 zijn alleen een goedkoop kristal en varactor vereist om de functie van vctcxo te voltooien.

Ondanks deze integratie en ontwerpvereenvoudiging staan ​​RF-ontwerpingenieurs nog steeds voor moeilijke keuzes, waaronder de ingangsgevoeligheid en het Rx-stroomverbruik. Het is algemeen bekend dat hoe groter de stroom die wordt gebruikt bij het ontwerp van een versterker met lage ruis (LNA), hoe lager de algemene ruiskarakteristieken. De ontwerpingenieur moet het totale vermogensbudget van de ontvanger en het gevoeligheidsniveau van de ontvanger bepalen. Het geluid neemt echter niet af met het verminderen van het vermogen. In feite is het het tegenovergestelde. Daarom, hoewel het kan voldoen aan de GSM-standaardspecificatie, moeten ontwerpers zich vaak afvragen of het de prijs in stroomverbruik waard is om een ​​bepaald gevoeligheidsniveau te bereiken. Deze vraag verklaart ook waarom het noodzakelijk is dat ontwerpingenieurs en IC-fabrikanten nauw samenwerken in het hele ontwerpproces. De feedback van ontwerpingenieurs kan IC-fabrikanten helpen om de draadloze industrie beter van dienst te zijn bij het ontwikkelen van toekomstige RF-producten.

Ontwikkelen naar SOC

Het verminderen van de kosten, het vermogen en de complexiteit van draadloze systemen is erg belangrijk om met succes te voldoen aan de vereisten van systeemintegratie. De ontwikkeling van oplossingen met hoge integratie voor mobiele telefoons vereist echter dat de halfgeleiderindustrie complexe technische obstakels overwint. Sommige van deze obstakels zijn zelden bezorgd door ontwerpers, omdat velen van hen niet willen weten hoe SOC-apparaten worden gemaakt, zolang het maar de vereiste prestaties kan leveren. Daarom is het noodzakelijk om snel inzicht te hebben in sommige procestechnologieën, die van invloed zijn op de mogelijkheden en beschikbaarheid van apparaten die worden gebruikt bij de integratie van mobiele telefoons.

Er zijn verschillende haalbare schema’s voor de integratie van een RF-elektronisch systeem voor mobiele telefoons. Ten eerste kan een traditionele RF-architectuur worden geïmplementeerd in een relatief eenvoudig bipolair of BiCMOS-proces met behulp van traditionele technologie. De uiteindelijke RF-chip kan worden geassembleerd met digitale logische functies van mobiele telefoons met behulp van multi-chip verpakkingstechnologie (systeemniveau verpakkingstechnologie). Hoewel deze technologie veel voordelen heeft, zoals het gebruik van bekende RF-ontwerpmethoden en volwassen processen en technologieën, is het moeilijk te commercialiseren vanwege de hoge kosten en het hoge rendement van testapparatuur.

Bovendien kan de integratie van het elektronische systeem van mobiele telefoons ook worden verkregen door een geavanceerd BiCMOS (SiGe)-wafelproces. Omdat de verwerking van SiGe HBT-apparaten echter een extra lithografieproces vereist, vereist de uiteindelijke chip extra kosten. Tegelijkertijd, omdat de SiGe BiCMOS-technologie het meest geavanceerde lithografieproces niet kan gebruiken, loopt het BiCMOS-proces meestal achter op het geavanceerde digitale CMOS-proces. Deze zullen een grote druk uitoefenen om de eigenschappen van mobiele telefoons te verbeteren en de kosten te verlagen. Het kan niet worden opgelost met een eenvoudige waferprocesstrategie, omdat deze technologie de systeemlogica of het digitale deel niet te allen tijde tegen de laagst mogelijke prijs kan houden. Daarom is monolithische integratie van systeembasisbandfunctie RF-gedeelte in BiCMOS (of SiGe) geen goede keuze.

De uiteindelijke oplossing die kan worden overwogen, is RF-integratie in CMOS, die ook voor aanzienlijke uitdagingen staat. Hoewel er verschillende CMOS cellulaire RF-ontwerpen zijn, zijn deze ontwerpen grotendeels gebaseerd op analoge functies. Het is moeilijk om analoge mixers, filters en versterkers met CMOS-technologie te implementeren, en het stroomverbruik is over het algemeen groter dan het SiGe BiCMOS-schema. Met de ontwikkeling van procestechnologie wordt het CMOS-classificatieniveau steeds lager, wat analoog ontwerpen moeilijker maakt. In de vroege fase van het ontwikkelen van nieuwe processen, kunnen apparaatmodellering en procesvolwassenheid over het algemeen niet voldoen aan de vereisten van zeer nauwkeurige parametermodellering die vereist is voor analoog moduleontwerp. De recent ontwikkelde digitale CMOS RF-architectuur maakt monolithische CMOS-integratie echter aantrekkelijker.

Deze oplossingen stimuleren ook de halfgeleiderindustrie, aangezien fabrikanten op zoek zijn naar goedkope chipoplossingen op RF-systeemniveau. Hoewel elk integratieschema moeilijkheden kent, is het inderdaad verrassend dat de integratie van RF-componenten zo’n hoog niveau kan bereiken. Het overwinnen van deze moeilijkheden zal een grote stap voorwaarts betekenen in het ontwerp van draadloze mobiele telefoons en de richting bepalen voor een grotere integratie in de nabije toekomst.

Conclusie van dit artikel

Er zijn nog steeds veel problemen bij RF-integratie. Elk RF-apparaat van moderne mobiele telefoons wordt geconfronteerd met strikte prestatie-eisen. De gevoeligheidseis is ongeveer – 106dbm (106db onder 1 MW) of hoger, en het overeenkomstige niveau is slechts enkele microvolt; Bovendien moet selectiviteit, dat wil zeggen het afwijzingsvermogen van het bruikbare kanaal naar de aangrenzende frequentieband (gewoonlijk blokkering genoemd), in de orde van 60 dB zijn; Bovendien moet de systeemoscillator werken onder zeer lage faseruis om te voorkomen dat vouwblokkerende energie de ontvangende band binnenkomt. RF-integratie is erg moeilijk vanwege de zeer hoge frequentie en extreem hoge prestatie-eisen.

Het verwerken van multi-frequentiestandaarden vormt een echte uitdaging voor de hele SOC-frequentie. Het is te hopen de excitatie die wordt gegenereerd door signaaloverdracht in de band te verminderen. De inhoud van digitale RF-integratie is veel meer dan het plaatsen van meerdere RF-componenten in één chip. Er is een nieuwe architectuur nodig voor het delen van hardware.

Voor systeemontwerpers kunnen de huidige eenvoudige, sterk geïntegreerde en kosteneffectieve halfgeleiderapparaten de ontwerpcomplexiteit aanzienlijk verminderen. Tegelijkertijd kunnen ze de eigenschappen van draadloze apparaten verrijken en de systeemgrootte, levensduur van de batterij en kosten ongewijzigd houden. De nieuwe sterk geïntegreerde RF-apparaten kunnen ook een einde maken aan een aantal geschillen in draadloos ontwerp en kostbare tijd van technici besparen.