Zmniejsz liczbę elementów i zmniejsz powierzchnię płytka poprzez bezprzewodową integrację RF

In today’s wireless devices, more than half of the components on the circuit board are analog RF devices. Therefore, an effective way to reduce the circuit board area and power consumption is to carry out more large-scale RF integration and develop towards system level chip. This paper introduces the development status of RF integration, and puts forward some countermeasures and solutions to some of these problems.

Jeszcze kilka lat temu rynek telefonii komórkowej był zdominowany przez jedno- i dwuzakresowe telefony jednomodowe, a zastosowana technologia była tylko??? Trzymaj jedno lub dwa pasma komórkowe w sumie??? Ta sama metoda modulacji, wielokanałowy schemat dostępu i protokół są stosowane w paśmie częstotliwości utrzymania. W przeciwieństwie do tego, konstrukcja dzisiejszej nowej generacji telefonów komórkowych jest znacznie bardziej złożona i może zapewnić wielozakresowy i wielomodowy??? Ma osobistą sieć Bluetooth, pozycjonowanie GPS i inne funkcje, a zaczęły pojawiać się funkcje UWB i odbioru telewizji. Ponadto aplikacje takie jak gry, obrazy, audio i wideo stały się bardzo popularne w telefonach komórkowych.

Telefon bezprzewodowy staje się skomplikowanym urządzeniem zwanym podręcznym osobistym centrum rozrywki. Jej trend rozwojowy wciąż stawia przed projektantami coraz więcej wyzwań. Chociaż w porównaniu z telefonami komórkowymi wyposażonymi tylko w funkcję głosową, nowa generacja telefonów komórkowych znacznie wzrosła w przetwarzaniu komunikacji, przetwarzaniu aplikacji, liczbie interfejsów RF i pojemności zintegrowanej pamięci, użytkownicy nadal oczekują, że telefony komórkowe będą miały mniejszą głośność, opływowy kształt, niski cena i duży kolorowy wyświetlacz, może zapewnić czas czuwania i rozmów podobny do tradycyjnych telefonów głosowych. Utrzymanie istniejącego ogólnego rozmiaru i zużycia energii, ale zwiększenie wykładniczego funkcji przy jednoczesnym utrzymaniu niezmienionych ogólnych kosztów systemu, wszystko to stwarza wiele problemów dla projektantów systemu.

Oczywiście problem dotyczy wszystkich części projektu całego systemu, a także dostawców wszelkiej komunikacji bezprzewodowej i treści rozrywkowych. Jednym z obszarów, który jest szczególnie skuteczny w zmniejszaniu powierzchni płytki i zużycia energii, jest część RF projektu systemu bezprzewodowego. Dzieje się tak, ponieważ w dzisiejszym typowym telefonie komórkowym ponad połowa komponentów na płycie to analogowe komponenty RF, które razem stanowią 30-40% całego obszaru płyty, takie jak systemy Bluetooth RF, takie jak GPS i WLAN, również zwiększyć wymagania dotyczące przestrzeni.

Rozwiązaniem jest przeprowadzenie większej integracji RF na dużą skalę i ostatecznie przekształcenie się w w pełni zintegrowany układ scalony na poziomie systemu. Niektórzy projektanci umieszczają w antenie przetworniki analogowo-cyfrowe, aby zmniejszyć całkowitą przestrzeń na płytce drukowanej wymaganą do funkcji RF. Gdy technologia integracji półprzewodników może zintegrować więcej funkcji w jednym urządzeniu, liczba dyskretnych urządzeń i przestrzeń na płytce drukowanej wykorzystywana do umieszczenia tych urządzeń zostanie odpowiednio zmniejszona. Ponieważ branża zmierza w kierunku integracji chipów na poziomie systemowym, projektanci będą nadal znajdować nowe technologie, aby sprostać sprzeczności między większą złożonością RF a dłuższym czasem pracy baterii w małych urządzeniach bezprzewodowych.

Stan rozwoju integracji RF

An important development of RF integration appeared about two years ago. At that time, the development of RF technology and digital baseband modem made it possible to replace superheterodyne RF devices with direct down conversion receivers in wireless mobile phones. Superheterodyne RF devices use multistage mixers, filters and multiple voltage controlled oscillators (VCOs), which have been well used for many years, but the integration of direct frequency conversion RF devices can greatly reduce the total number of GSM RF components. In the late 1990s, a typical single band superheterodyne RF subsystem included PA, antenna switch, LDO, small signal RF and vctcxo, requiring about 200 discrete devices; Today, we can design a direct frequency conversion system with four band function, which integrates VCO, VCXO and PLL loop filter, but its number of components is less than 50. Figure 1: four band GSM transceiver with high integration.

For example, the transceiver trf6151 (Figure 1) of Texas Instruments for GSM includes on-chip voltage regulator, VCO and VCO channel, PA power control, PLL loop filter edge blocker detection, LNA gain step-by-step control and VCXO.

Dla projektantów zaawansowana integracja pomaga przezwyciężyć kilka poważnych problemów związanych z bezprzewodową częstotliwością radiową, wśród których najbardziej podstawowym jest zasilanie DC i regulacja transceivera. Podczas rozmowy napięcie baterii będzie się zmieniać wraz ze zmianą temperatury i czasu. Ponadto sprzężenie szumów z zasilacza TX VCO i Rx VCO również wpłynie na wydajność całego systemu. Dlatego projektanci stają przed problemem rozwiązania regulatora płytki drukowanej RF i większości powiązanych elementów pasywnych. Zintegrowanie tych urządzeń z transceiverem RF oznacza, że ​​jedynym wymaganym elementem zewnętrznym jest prosty kondensator odsprzęgający, który jest bezpośrednio podłączony do zasilacza, co nie tylko upraszcza konstrukcję, ale także oszczędza miejsce na płytce drukowanej.

Another challenge for RF designers is VCO tuning range and locking time. In all analog VCO designs. Because it is often necessary to balance the locking time and tuning range, the loop filter is usually placed outside the chip. Sometimes, this can be solved in the software control of VCO tuning range. However, this method puts forward additional resource requirements for the overall development of telephone. When the digital tuning function is included in the VCO and can provide self calibration, an extended tuning range can be obtained, and the loop filter element can be placed in the chip. Obviously, this scheme can enable design engineers to simplify their work.

In order to obtain the transmitter power control required by the GSM system, PA manufacturers generally include this function in the power amplifier module (PAM). The power controller is usually composed of up to thousands of digital CMOS gates, which are made in an independent chip in PAM. This element will increase the cost of PAM by US $0.30 ~ 0.40. Integrating this function into RF devices will enable GaAs PAM manufacturers not to purchase digital CMOS circuits and install them into PAM. For an OEM producing thousands of products every month, removing this redundant component will greatly reduce their cost.

Another area where advanced integration can bring substantial savings is VCXO. In the past, expensive vctcxo modules were purchased and designed in RF devices as discrete components. Therefore, incorporating common components of vctcxo modules into RF devices can reduce costs and related design problems. Using trf6151, only a low-cost crystal and varactor are required to complete the function of vctcxo.

Pomimo tej integracji i uproszczenia projektu, inżynierowie projektujący RF wciąż stają przed trudnymi wyborami, z których jednym jest czułość wejściowa i pobór mocy Rx. Powszechnie wiadomo, że im większy prąd zastosowany w konstrukcji wzmacniacza niskoszumowego (LNA), tym niższa ogólna charakterystyka szumów. Inżynier projektu musi określić całkowity budżet mocy odbiornika oraz wymagania dotyczące poziomu czułości odbiornika. Jednak hałas nie zmniejsza się wraz ze spadkiem mocy. W rzeczywistości jest odwrotnie. Dlatego, mimo że może spełniać specyfikację standardu GSM, projektanci często muszą zadać sobie pytanie, czy warto płacić cenę w poborze prądu, aby osiągnąć określony poziom czułości. To pytanie wyjaśnia również, dlaczego inżynierowie projektanci i producenci układów scalonych muszą ściśle współpracować w całym procesie projektowania. Informacje zwrotne od inżynierów projektu mogą pomóc producentom układów scalonych lepiej służyć branży bezprzewodowej podczas opracowywania przyszłych produktów RF.

Developing towards SOC

Zmniejszenie kosztów, mocy i złożoności systemów bezprzewodowych jest bardzo ważne, aby skutecznie sprostać wymaganiom integracji systemów. Jednak rozwój rozwiązań o wysokiej integracji dla telefonów komórkowych wymaga od branży półprzewodników przezwyciężenia złożonych przeszkód technicznych. Niektóre z tych przeszkód są rzadko niepokojące przez projektantów, ponieważ wielu z nich nie chce wiedzieć, jak powstają urządzenia SOC, o ile może zapewnić wymaganą wydajność. Dlatego konieczne jest szybkie zrozumienie niektórych technologii procesowych, które wpłyną na możliwości i dostępność urządzeń wykorzystywanych w integracji telefonów komórkowych.

There are several feasible schemes for the integration of mobile phone RF electronic system. Firstly, a traditional RF architecture can be implemented in a relatively simple bipolar or BiCMOS process using traditional technology. The final RF chip can be assembled with mobile phone digital logic functions using multi chip packaging technology (system level packaging technology). Although this technology has many advantages, such as using familiar RF design methods and mature processes and technologies, it is difficult to commercialize due to the high cost and yield of test devices.

Ponadto integrację systemu elektronicznego telefonu komórkowego można uzyskać również za pomocą zaawansowanego procesu waflowego BiCMOS (SiGe). Jednak ponieważ przetwarzanie urządzeń SiGe HBT wymaga dodatkowego procesu litograficznego, ostateczny układ będzie wymagał dodatkowych kosztów. Jednocześnie, ponieważ technologia SiGe BiCMOS nie może korzystać z najbardziej zaawansowanego procesu litograficznego, proces BiCMOS zwykle pozostaje w tyle za zaawansowanym procesem cyfrowym CMOS. Spowoduje to dużą presję na zwiększenie cech telefonów komórkowych i obniżenie kosztów. Nie da się tego rozwiązać za pomocą prostej strategii procesu waflowego, ponieważ ta technologia nie może przez cały czas utrzymywać logiki systemu lub części cyfrowej w najniższej możliwej cenie. Dlatego monolityczna integracja części RF funkcji pasma podstawowego w BiCMOS (lub SiGe) nie jest dobrym wyborem.

Ostatecznym rozwiązaniem, które można rozważyć, jest integracja RF w CMOS, która również stoi przed poważnymi wyzwaniami. Chociaż istnieje kilka projektów komórkowych RF CMOS, projekty te są w dużej mierze oparte na funkcjach analogowych. Zaimplementowanie mikserów analogowych, filtrów i wzmacniaczy z technologią CMOS jest trudne, a zużycie energii jest generalnie większe niż w przypadku schematu SiGe BiCMOS. Wraz z rozwojem technologii procesowej, poziom znamionowy CMOS jest coraz niższy, co utrudnia projektowanie analogowe. Na wczesnym etapie opracowywania nowych procesów, modelowanie urządzeń i dojrzałość procesu generalnie nie mogą spełnić wymagań dotyczących precyzyjnego modelowania parametrów wymaganych przy projektowaniu modułów analogowych. Jednak niedawno opracowana cyfrowa architektura CMOS RF sprawia, że ​​integracja monolitycznej CMOS jest bardziej atrakcyjna.

Rozwiązania te napędzają również przemysł półprzewodników, ponieważ producenci poszukują tanich rozwiązań chipowych na poziomie systemu RF. Chociaż każdy schemat integracji ma trudności, jest rzeczywiście zaskakujące, że integracja komponentów RF może osiągnąć tak wysoki poziom. Przezwyciężenie tych trudności będzie dużym krokiem naprzód w projektowaniu bezprzewodowych telefonów komórkowych i wyznaczy kierunek większej integracji w najbliższej przyszłości.

Podsumowanie tego artykułu

Nadal istnieje wiele trudności w integracji RF. Każde urządzenie RF współczesnego telefonu komórkowego ma surowe wymagania dotyczące wydajności. Wymagana czułość wynosi około – 106 dbm (106 db poniżej 1 MW) lub więcej, a odpowiedni poziom to tylko kilka mikrowoltów; Ponadto selektywność, to znaczy zdolność tłumienia użytecznego kanału do sąsiedniego pasma częstotliwości (powszechnie określana jako blokowanie), powinna być rzędu 60 dB; Ponadto oscylator systemowy musi działać przy bardzo niskim szumie fazowym, aby zapobiec przedostawaniu się energii blokowania fałdowania do pasma odbiorczego. Integracja RF jest bardzo trudna ze względu na bardzo wysoką częstotliwość i bardzo wysokie wymagania dotyczące wydajności.

Przetwarzanie wieloczęstotliwościowego standardu stanowi prawdziwe wyzwanie dla całej częstotliwości SOC. Oczekuje się zmniejszenia wzbudzenia generowanego przez transmisję sygnału w paśmie. Zawartość cyfrowej integracji RF to znacznie więcej niż umieszczenie wielu komponentów RF w jednym chipie. Potrzebna jest nowa architektura współdzielenia sprzętu.

Dla projektantów systemów, obecne proste, wysoce zintegrowane i ekonomiczne urządzenia półprzewodnikowe mogą znacznie zmniejszyć złożoność projektu. Jednocześnie mogą wzbogacić charakterystykę urządzeń bezprzewodowych i zachować niezmienioną wielkość systemu, żywotność baterii i koszty. Nowe, wysoce zintegrowane urządzenia RF mogą również wyeliminować pewne spory związane z projektowaniem bezprzewodowym i zaoszczędzić cenny czas inżynierów.