Reduser antall komponenter og reduser arealet til kretskort gjennom trådløs RF -integrasjon

I dagens trådløse enheter er mer enn halvparten av komponentene på kretskortet analoge RF -enheter. Derfor er en effektiv måte å redusere kretskortområdet og strømforbruket å gjennomføre mer storstilt RF-integrasjon og utvikle seg mot systemnivåbrikke. Denne artikkelen introduserer utviklingsstatusen for RF -integrasjon, og legger frem noen mottiltak og løsninger på noen av disse problemene.

For noen år siden ble mobiltelefonmarkedet dominert av enkeltbånds- og dobbeltbånds enkeltmodus-telefoner, og teknologien som ble brukt var bare ??? Holde ett eller to mobilbånd i alt ??? Den samme modulasjonsmetoden, flerkanals tilgangssystemet og protokollen blir vedtatt i holdefrekvensbåndet. I kontrast er utformingen av dagens nye generasjon mobiltelefoner mye mer kompleks og kan tilby multi band og multi-mode ??? Den har Bluetooth -personnettverk, GPS -posisjonering og andre funksjoner, og UWB- og TV -mottaksfunksjoner har begynt å dukke opp. I tillegg har applikasjoner som spill, bilder, lyd og video blitt veldig vanlige i mobiltelefoner.

Trådløs telefon blir en kompleks enhet som kalles håndholdt personlig underholdningssenter. Utviklingstrenden fortsetter å gi designere flere utfordringer. Selv om den nye generasjonen mobiltelefoner sammenlignet med mobiltelefoner med bare talefunksjon, har økt betydelig innen kommunikasjonsbehandling, applikasjonsbehandling, antall RF -grensesnitt og integrert minnekapasitet, forventer brukerne fortsatt at mobiltelefoner skal ha mindre volum, strømlinjeformet form, lav pris og stor fargedisplay, Det kan gi ventemodus og taletid som ligner på tradisjonelle telefoner. Ved å opprettholde den eksisterende totale størrelsen og strømforbruket, men få funksjonen til å øke eksponentielt, samtidig som den totale systemkostnaden forblir uendret, utgjør alle disse mange problemer for systemdesignerne.

Tydeligvis involverer problemet alle deler av hele systemdesignen, samt leverandørene av alt trådløst kommunikasjons- og underholdningsinnhold. Et område som er spesielt effektivt for å redusere brettareal og strømforbruk, er RF -delen av trådløs systemdesign. Dette er fordi i dagens typiske mobiltelefon er mer enn halvparten av komponentene på kortet analoge RF-komponenter, som til sammen utgjør 30-40% av hele brettområdet, for eksempel Bluetooth RF-systemer som GPS og WLAN også vil i stor grad øke kravene til plass.

Løsningen er å gjennomføre mer storstilt RF-integrasjon og til slutt utvikle seg til en fullt integrert systemnivåbrikke. Noen designere setter analog-til-digital-omformere inn i antennen for å redusere den totale plass på kretskortet som kreves for RF-funksjoner. Når halvlederintegrasjonsteknologi kan integrere flere funksjoner i en enkelt enhet, reduseres antallet diskrete enheter og kretskortplassen som brukes til å imøtekomme disse enhetene tilsvarende. Etter hvert som bransjen går mot brikkeintegrasjon på systemnivå, vil designere fortsette å finne ny teknologi for å møte motsetningen mellom høyere RF -kompleksitet og lengre batterilevetid på små trådløse enheter.

Utviklingsstatus for RF -integrasjon

En viktig utvikling av RF -integrasjon dukket opp for omtrent to år siden. På den tiden gjorde utviklingen av RF -teknologi og digitalt basebåndsmodem det mulig å erstatte superheterodyne RF -enheter med direkte ned konverteringsmottakere i trådløse mobiltelefoner. Superheterodyne RF -enheter bruker blandere med flere trinn, filtre og flere spenningsstyrte oscillatorer (VCO), som har vært godt brukt i mange år, men integrering av RF -enheter med direkte frekvensomforming kan i stor grad redusere det totale antallet GSM RF -komponenter. På slutten av 1990 -tallet inkluderte et typisk enkeltbånds superheterodyne RF -delsystem PA, antennebryter, LDO, lite signal RF og vctcxo, som krever omtrent 200 diskrete enheter; I dag kan vi designe et direkte frekvensomformingssystem med fire båndsfunksjon, som integrerer VCO, VCXO og PLL loop filter, men antallet komponenter er mindre enn 50. Figur 1: fire bånd GSM transceiver med høy integrasjon.

For eksempel inkluderer transceiveren trf6151 (figur 1) fra Texas Instruments for GSM on-chip spenningsregulator, VCO- og VCO-kanal, PA-strømkontroll, PLL-sløyfefilterkantblokkering, LNA-forsterkning trinnvis kontroll og VCXO.

For designere hjelper avansert integrasjon til å overvinne noen store problemer innen trådløs RF, blant dem er den mest grunnleggende likestrømforsyningen og regulering av senderen. Under en samtale vil batterispenningen endres med endring av temperatur og tid. I tillegg vil støykoblingen fra TX VCO og Rx VCO strømforsyning også påvirke ytelsen til hele systemet. Derfor står designere overfor problemet med hvordan man løser RF -kretskortregulatoren og de mest relaterte passive komponentene. Integrering av disse enhetene i RF -mottakeren betyr at den eneste eksterne komponenten som kreves er en enkel frakoblingskondensator, som er direkte koblet til strømforsyningen, noe som ikke bare forenkler designet, men også sparer plass på kretskortet.

En annen utfordring for RF -designere er VCO tuning rekkevidde og låsingstid. I alle analoge VCO -design. Fordi det ofte er nødvendig å balansere låsetiden og innstillingsområdet, er sløyfefilteret vanligvis plassert utenfor brikken. Noen ganger kan dette løses i programvarekontrollen av VCO -tuningsområdet. Imidlertid stiller denne metoden ytterligere ressurskrav til den generelle utviklingen av telefon. Når den digitale tuningsfunksjonen er inkludert i VCO og kan gi selvkalibrering, kan du få et utvidet tuningområde og sløyfilterelementet kan plasseres i brikken. Tydeligvis kan denne ordningen gjøre det mulig for designingeniører å forenkle arbeidet.

For å få senderens effektkontroll som kreves av GSM -systemet, inkluderer PA -produsenter vanligvis denne funksjonen i effektforsterkermodulen (PAM). Strømkontrolleren består vanligvis av opptil tusenvis av digitale CMOS -porter, som er laget i en uavhengig chip i PAM. Dette elementet vil øke kostnaden for PAM med 0.30 ~ 0.40 dollar. Integrering av denne funksjonen i RF -enheter gjør at GaAs PAM -produsenter ikke kan kjøpe digitale CMOS -kretser og installere dem i PAM. For en OEM som produserer tusenvis av produkter hver måned, vil fjerning av denne overflødige komponenten i stor grad redusere kostnadene.

Et annet område der avansert integrasjon kan gi betydelige besparelser er VCXO. Tidligere ble dyre vctcxo -moduler kjøpt og designet i RF -enheter som diskrete komponenter. Derfor kan integrering av vanlige komponenter i vctcxo -moduler i RF -enheter redusere kostnader og relaterte designproblemer. Ved bruk av trf6151 kreves bare en rimelig krystall og varaktor for å fullføre funksjonen til vctcxo.

Til tross for denne integrasjonen og designforenklingen står RF -designingeniører fortsatt overfor vanskelige valg, hvorav det ene er inngangssensitivitet og Rx -strømforbruk. Det er velkjent at jo større strøm som brukes i utformingen av lavstøyforsterker (LNA), desto lavere er de generelle støyegenskapene. Designingeniøren må bestemme mottakerens totale effektbudsjett og kravene til følsomhetsnivå for mottakeren. Støyen reduseres imidlertid ikke med redusert effekt. Faktisk er det motsatt. Derfor, selv om den kan oppfylle GSM -standardspesifikasjonen, må designere ofte spørre seg selv om det er verdt å betale prisen i strømforbruk for å oppnå et visst følsomhetsnivå. Dette spørsmålet forklarer også hvorfor det er nødvendig for designingeniører og IC -produsenter å samarbeide tett i hele designprosessen. Tilbakemeldingene fra designingeniører kan veilede IC -produsenter til bedre å betjene den trådløse industrien når de utvikler fremtidige RF -produkter.

Utvikling mot SOC

Å redusere kostnadene, kraften og kompleksiteten til trådløse systemer er svært viktig for å oppfylle kravene til systemintegrasjon. Imidlertid krever utviklingen av høyintegrasjonsløsninger for mobiltelefoner at halvlederindustrien må overvinne komplekse tekniske hindringer. Noen av disse hindringene er sjelden bekymret for designere, fordi mange av dem ikke vil vite hvordan SOC -enheter er laget, så lenge det kan gi nødvendig ytelse. Derfor er det nødvendig å ha en rask forståelse av noen prosessteknologier, som vil påvirke evnen og tilgjengeligheten til enheter som brukes i mobiltelefonintegrasjon.

Det er flere mulige ordninger for integrering av mobiltelefonens RF -elektroniske system. For det første kan en tradisjonell RF -arkitektur implementeres i en relativt enkel bipolar eller BiCMOS -prosess ved bruk av tradisjonell teknologi. Den siste RF -brikken kan monteres med mobiltelefonens digitale logikkfunksjoner ved bruk av multi -chip -emballeringsteknologi (emballasje -teknologi på systemnivå). Selv om denne teknologien har mange fordeler, for eksempel bruk av kjente RF -designmetoder og modne prosesser og teknologier, er det vanskelig å kommersialisere på grunn av de høye kostnadene og utbyttet av testenheter.

I tillegg kan integrasjonen av mobiltelefonens elektroniske system også oppnås ved avansert BiCMOS (SiGe) wafer -prosess. Fordi behandlingen av SiGe HBT -enheter krever ytterligere litografiprosess, vil den endelige brikken kreve en ekstra kostnad. På samme tid, fordi SiGe BiCMOS -teknologien ikke kan bruke den mest avanserte litografiprosessen, henger BiCMOS -prosessen vanligvis bak den avanserte digitale CMOS -prosessen. Disse vil gi stort press for å øke egenskapene til mobiltelefoner og redusere kostnadene. Det kan ikke løses med en enkel wafer -prosessstrategi, fordi denne teknologien ikke kan holde systemlogikken eller den digitale delen til lavest mulig pris til enhver tid. Derfor er monolitisk integrering av systembasebåndsfunksjonens RF -del i BiCMOS (eller SiGe) ikke et godt valg.

Den siste løsningen som kan vurderes er RF -integrasjon i CMOS, som også står overfor betydelige utfordringer. Selv om det er flere CMOS cellulære RF -design, er disse designene i stor grad basert på analoge funksjoner. Det er vanskelig å implementere analoge miksere, filtre og forsterkere med CMOS -teknologi, og strømforbruket er generelt større enn SiGe BiCMOS -opplegget. Med utviklingen av prosessteknologi blir CMOS -nivået lavere og lavere, noe som gjør analog design vanskeligere. I det tidlige stadiet av utvikling av nye prosesser kan enhetsmodellering og prosessmodenhet generelt ikke oppfylle kravene til parametermodellering med høy presisjon som kreves for analog moduldesign. Den nylig utviklede digitale CMOS RF -arkitekturen gjør imidlertid monolitisk CMOS -integrasjon mer attraktiv.

Disse løsningene driver også halvlederindustrien ettersom produsenter søker rimelige RF-systemnivå-chip-løsninger. Selv om hver integreringsordning har vanskeligheter, er det faktisk overraskende at integrering av RF -komponenter kan nå et så høyt nivå. Å overvinne disse vanskelighetene vil ta et stort skritt fremover i utformingen av trådløse mobiltelefoner og sette retningen for større integrasjon i nær fremtid.

Konklusjon på denne artikkelen

Det er fortsatt mange vanskeligheter med RF -integrasjon. Hver RF -enhet av moderne mobiltelefoner står overfor strenge ytelseskrav. Følsomhetskravet er omtrent – 106dbm (106db under 1 MW) eller høyere, og det tilsvarende nivået er bare noen få mikrovolt; I tillegg bør selektivitet, det vil si avvisningsevnen til den nyttige kanalen til det tilstøtende frekvensbåndet (vanligvis referert til som blokkering), være i størrelsesorden 60dB; I tillegg må systemoscillatoren operere under meget lav fasestøy for å forhindre at folding blokkerer energi fra å komme inn i mottaksbåndet. RF -integrasjon er veldig vanskelig på grunn av den svært høye frekvensen og ekstremt krevende ytelseskrav.

Behandlingen av flerfrekvensstandarden gir en reell utfordring for hele SOC -frekvensen. Det er håp om å redusere eksitasjonen generert av båndsignaloverføring. Innholdet i digital RF -integrasjon er mye mer enn å sette flere RF -komponenter i en brikke. En ny arkitektur for maskinvaredeling er nødvendig.

For systemdesignere kan dagens enkle, svært integrerte og kostnadseffektive halvlederenheter redusere designkompleksiteten i stor grad. Samtidig kan de berike egenskapene til trådløse enheter og beholde systemstørrelsen, batterilevetiden og kostnadene uendret. De nye svært integrerte RF -enhetene kan også eliminere noen tvister i trådløs design og spare ingeniørers verdifulle tid.