Reduceți numărul de componente și reduceți suprafața circuite prin integrare wireless RF

În dispozitivele wireless de astăzi, mai mult de jumătate din componentele de pe placa de circuit sunt dispozitive RF analogice. Prin urmare, o modalitate eficientă de a reduce suprafața plăcii de circuite și a consumului de energie este de a efectua o integrare RF la scară mai mare și de a vă dezvolta către cipul la nivel de sistem. Această lucrare introduce starea de dezvoltare a integrării RF și propune câteva măsuri contrare și soluții la unele dintre aceste probleme.

Acum câțiva ani, piața telefoanelor celulare era dominată de telefoanele single band și dual band single-mode, iar tehnologia utilizată era doar ??? Țineți una sau două benzi celulare în total ??? Aceeași metodă de modulare, schemă de acces multicanal și protocol sunt adoptate în banda de frecvență de reținere. În schimb, designul noii generații de telefoane celulare de astăzi este mult mai complex și poate oferi multi-band și multi-mode ??? Are rețea personală Bluetooth, poziționare GPS și alte funcții, iar funcțiile de recepție UWB și TV au început să apară. În plus, aplicațiile precum jocurile, imaginile, audio și video au devenit foarte frecvente în telefoanele mobile.

Telefonul fără fir devine un dispozitiv complex numit handheld personal entertainment center. Tendința sa de dezvoltare continuă să aducă mai multe provocări designerilor. Deși comparativ cu telefoanele mobile cu funcție vocală, noua generație de telefoane mobile a crescut semnificativ în procesarea comunicațiilor, procesarea aplicațiilor, numărul de interfețe RF și capacitatea de memorie integrată, utilizatorii se așteaptă în continuare ca telefoanele mobile să aibă un volum mai mic, o formă simplificată, scăzută preț și afișare color mare, poate oferi timp de așteptare și convorbire similar cu telefoanele vocale tradiționale. Menținerea dimensiunii globale existente și a consumului de energie, dar creșterea funcțională exponențială, menținând în același timp costul general al sistemului neschimbat, toate acestea pun o mulțime de probleme proiectanților de sistem.

Evident, problema implică toate părțile din întregul sistem de proiectare, precum și furnizorii de comunicații fără fir și conținut de divertisment. O zonă care este deosebit de eficientă în reducerea suprafeței plăcii și a consumului de energie este partea RF a proiectării sistemului wireless. Acest lucru se datorează faptului că în telefonul mobil tipic de astăzi, mai mult de jumătate din componentele de pe placă sunt componente RF analogice, care împreună reprezintă 30-40% din întreaga suprafață a plăcii, cum ar fi sistemele RF Bluetooth, cum ar fi GPS și WLAN, de asemenea crește cerințele de spațiu.

Soluția constă în realizarea unei integrări RF la scară mai mare și în cele din urmă să se dezvolte într-un cip complet integrat la nivel de sistem. Unii designeri pun convertoare analog-digitale în antenă pentru a reduce spațiul total al plăcii de circuite necesare funcțiilor RF. Atunci când tehnologia de integrare a semiconductorilor poate integra mai multe funcții într-un singur dispozitiv, numărul de dispozitive discrete și spațiul de pe placa de circuit utilizat pentru a găzdui aceste dispozitive vor fi reduse în consecință. Pe măsură ce industria se îndreaptă către integrarea cipurilor la nivel de sistem, proiectanții vor continua să găsească noi tehnologii pentru a face față contradicției dintre complexitatea RF mai mare și durata de viață mai lungă a bateriei în dispozitivele wireless mici.

Starea de dezvoltare a integrării RF

O dezvoltare importantă a integrării RF a apărut acum aproximativ doi ani. În acel moment, dezvoltarea tehnologiei RF și a modemului digital în bandă de bază a făcut posibilă înlocuirea dispozitivelor RF superheterodine cu receptoare de conversie directă în jos pe telefoanele mobile fără fir. Dispozitivele RF superheterodine utilizează mixere multietajate, filtre și oscilatoare cu tensiune multiplă (VCO), care au fost bine utilizate de mulți ani, dar integrarea dispozitivelor RF cu conversie directă de frecvență poate reduce considerabil numărul total de componente RF GSM. La sfârșitul anilor 1990, un subsistem tipic superheterodin RF cu bandă unică include PA, comutator de antenă, LDO, RF cu semnal mic și vctcxo, necesitând aproximativ 200 de dispozitive discrete; Astăzi, putem proiecta un sistem de conversie directă a frecvenței cu funcție în patru benzi, care integrează filtru de buclă VCO, VCXO și PLL, dar numărul său de componente este mai mic de 50. Figura 1: transceiver GSM cu patru benzi cu integrare ridicată.

De exemplu, transmițătorul trf6151 (Figura 1) al Texas Instruments pentru GSM include regulator de tensiune pe cip, canal VCO și VCO, control al puterii PA, detectare a blocatorului marginii filtrului buclei PLL, control pas cu pas al LNA câștig și VCXO.

Pentru designeri, integrarea avansată ajută la depășirea unor probleme majore în RF fără fir, printre care cea mai de bază este alimentarea cu curent continuu și reglarea transceiverului. În timpul unui apel, tensiunea bateriei se va schimba odată cu schimbarea temperaturii și a timpului. În plus, cuplajul de zgomot de la sursa de alimentare TX VCO și Rx VCO va afecta și performanța întregului sistem. Prin urmare, proiectanții se confruntă cu problema cum să rezolve regulatorul plăcii de circuite RF și cele mai multe componente pasive conexe. Integrarea acestor dispozitive în transmițătorul RF înseamnă că singura componentă externă necesară este un condensator simplu de decuplare, care este conectat direct la sursa de alimentare, ceea ce nu numai că simplifică proiectarea, ci și economisește spațiul plăcii de circuite.

O altă provocare pentru proiectanții RF este gama de reglaj VCO și timpul de blocare. În toate modelele analogice VCO. Deoarece este adesea necesar să se echilibreze timpul de blocare și intervalul de reglare, filtrul buclei este de obicei plasat în afara cipului. Uneori, acest lucru poate fi rezolvat în controlul software al gamei de reglaj VCO. Cu toate acestea, această metodă propune cerințe suplimentare de resurse pentru dezvoltarea generală a telefonului. Când funcția de reglare digitală este inclusă în VCO și poate oferi autocalibrare, se poate obține o gamă extinsă de reglare, iar elementul filtrant de buclă poate fi plasat în cip. Evident, această schemă poate permite inginerilor de proiectare să își simplifice munca.

Pentru a obține controlul puterii emițătorului cerut de sistemul GSM, producătorii de PA includ în general această funcție în modulul amplificatorului de putere (PAM). Controlerul de putere este compus de obicei din până la mii de porți digitale CMOS, care sunt realizate într-un cip independent în PAM. Acest element va crește costul PAM cu 0.30 USD ~ 0.40 USD. Integrarea acestei funcții în dispozitivele RF va permite producătorilor GaAs PAM să nu cumpere circuite digitale CMOS și să le instaleze în PAM. Pentru un OEM care produce mii de produse în fiecare lună, eliminarea acestei componente redundante le va reduce considerabil costul.

Un alt domeniu în care integrarea avansată poate aduce economii substanțiale este VCXO. În trecut, module vctcxo scumpe au fost achiziționate și proiectate în dispozitive RF ca componente discrete. Prin urmare, încorporarea componentelor comune ale modulelor vctcxo în dispozitivele RF poate reduce costurile și problemele legate de proiectare. Folosind trf6151, sunt necesare doar un cristal și un varactor ieftin pentru a finaliza funcția vctcxo.

În ciuda acestor integrări și simplificări de proiectare, inginerii de proiectare RF încă se confruntă cu alegeri dificile, dintre care una este sensibilitatea la intrare și consumul de energie Rx. Este bine cunoscut faptul că, cu cât este mai mare curentul utilizat în proiectarea amplificatorului cu zgomot redus (LNA), cu atât caracteristicile generale ale zgomotului sunt mai mici. Inginerul de proiectare trebuie să stabilească bugetul total de putere al receptorului și cerințele de nivel de sensibilitate ale receptorului. Cu toate acestea, zgomotul nu scade odată cu reducerea puterii. De fapt, este opusul. Prin urmare, deși poate îndeplini specificațiile standard GSM, proiectanții trebuie adesea să se întrebe dacă merită să plătească prețul consumului de energie pentru a atinge un anumit nivel de sensibilitate. Această întrebare explică, de asemenea, de ce este necesar ca inginerii de proiectare și producătorii de circuite integrate să coopereze îndeaproape în întregul proces de proiectare. Feedback-ul de la inginerii de proiectare poate îndruma producătorii de IC pentru a servi mai bine industria wireless atunci când dezvoltă viitoarele produse RF.

Dezvoltarea către SOC

Reducerea costurilor, puterii și complexității sistemelor fără fir este foarte importantă pentru a îndeplini cu succes cerințele integrării sistemului. Cu toate acestea, dezvoltarea de soluții de integrare ridicată pentru telefoanele mobile necesită ca industria semiconductoarelor să depășească obstacolele tehnice complexe. Unele dintre aceste obstacole sunt rareori preocupate de designeri, deoarece mulți dintre ei nu vor să știe cum sunt fabricate dispozitivele SOC, atâta timp cât poate oferi performanțele necesare. Prin urmare, este necesar să aveți o înțelegere rapidă a unor tehnologii de proces, care vor afecta capacitatea și disponibilitatea dispozitivelor utilizate în integrarea telefonului mobil.

Există mai multe scheme fezabile pentru integrarea sistemului electronic RF pentru telefonul mobil. În primul rând, o arhitectură tradițională RF poate fi implementată într-un proces bipolar sau BiCMOS relativ simplu folosind tehnologia tradițională. Cipul RF final poate fi asamblat cu funcții logice digitale ale telefonului mobil folosind tehnologia de ambalare cu mai multe cipuri (tehnologie de ambalare la nivel de sistem). Deși această tehnologie are multe avantaje, cum ar fi utilizarea metodelor familiare de proiectare RF și a proceselor și tehnologiilor mature, este dificil de comercializat datorită costului ridicat și a randamentului dispozitivelor de testare.

În plus, integrarea sistemului electronic de telefonie mobilă poate fi obținută și prin procesul avansat de napolitane BiCMOS (SiGe). Cu toate acestea, deoarece procesarea dispozitivelor SiGe HBT necesită un proces litografic suplimentar, cipul final va necesita un cost suplimentar. În același timp, deoarece tehnologia SiGe BiCMOS nu poate utiliza cel mai avansat proces de litografie, procesul BiCMOS rămâne, de obicei, în urma procesului CMOS digital avansat. Acestea vor aduce o presiune mare pentru a crește caracteristicile telefoanelor mobile și a reduce costurile. Nu poate fi rezolvată printr-o strategie simplă de procesare a plachetelor, deoarece această tehnologie nu poate păstra logica sistemului sau partea digitală la cel mai mic preț posibil în orice moment. Prin urmare, integrarea monolitică a funcției de bază a sistemului RF parte în BiCMOS (sau SiGe) nu este o alegere bună.

Soluția finală care poate fi luată în considerare este integrarea RF în CMOS, care se confruntă, de asemenea, cu provocări considerabile. Deși există mai multe modele CMOS RF celulare, aceste modele se bazează în mare parte pe funcții analogice. Este dificil să implementați mixere, filtre și amplificatoare analogice cu tehnologie CMOS, iar consumul de energie este în general mai mare decât schema SiGe BiCMOS. Odată cu dezvoltarea tehnologiei de proces, nivelul nominal CMOS este din ce în ce mai scăzut, ceea ce face ca proiectarea analogică să fie mai dificilă. În faza incipientă a dezvoltării de noi procese, modelarea dispozitivelor și maturitatea proceselor nu pot îndeplini, în general, cerințele modelării parametrilor de înaltă precizie necesare pentru proiectarea modulelor analogice. Cu toate acestea, arhitectura digitală CMOS RF recent dezvoltată face integrarea CMOS monolitică mai atractivă.

Aceste soluții conduc, de asemenea, industria semiconductoarelor, deoarece producătorii caută soluții de cip la nivel de sistem RF cu costuri reduse. Deși fiecare schemă de integrare are dificultăți, este într-adevăr surprinzător faptul că integrarea componentelor RF poate atinge un nivel atât de ridicat. Depășirea acestor dificultăți va face un mare pas înainte în proiectarea telefoanelor mobile fără fir și va stabili direcția unei integrări mai mari în viitorul apropiat.

Concluzia acestei lucrări

Există încă multe dificultăți în integrarea RF. Fiecare dispozitiv RF al telefonului mobil modern se confruntă cu cerințe stricte de performanță. Cerința de sensibilitate este de aproximativ – 106dbm (106db sub 1 MW) sau mai mare, iar nivelul corespunzător este de doar câteva microvolți; În plus, selectivitatea, adică capacitatea de respingere a canalului util către banda de frecvență adiacentă (denumită în mod obișnuit blocare), ar trebui să fie de ordinul a 60 dB; În plus, oscilatorul sistemului trebuie să funcționeze sub zgomot de fază foarte scăzut pentru a împiedica pătrunderea energiei de blocare a plierii în banda receptoare. Integrarea RF este foarte dificilă din cauza frecvenței foarte ridicate și a cerințelor de performanță extrem de solicitante.

Prelucrarea standardului cu mai multe frecvențe aduce o adevărată provocare pentru întreaga frecvență SOC. Se speră să reducă excitația generată de transmisia semnalului în bandă. Conținutul integrării digitale RF este mult mai mult decât punerea mai multor componente RF într-un singur cip. Este necesară o nouă arhitectură de partajare hardware.

Pentru proiectanții de sisteme, dispozitivele semiconductoare actuale simple, extrem de integrate și rentabile pot reduce foarte mult complexitatea proiectării. În același timp, pot îmbogăți caracteristicile dispozitivelor fără fir și pot menține dimensiunea sistemului, durata de viață a bateriei și costul neschimbate. Noile dispozitive RF extrem de integrate pot elimina, de asemenea, unele dispute în proiectarea fără fir și pot economisi timpul prețios al inginerilor.