Уменьшите количество компонентов и уменьшите площадь монтажная плата через беспроводную радиочастотную интеграцию

В современных беспроводных устройствах более половины компонентов на печатной плате являются аналоговыми ВЧ-устройствами. Следовательно, эффективным способом уменьшения площади печатной платы и энергопотребления является более крупномасштабная интеграция радиочастот и развитие микросхемы системного уровня. В этом документе описывается состояние развития RF-интеграции, а также предлагаются некоторые контрмеры и решения некоторых из этих проблем.

Несколько лет назад на рынке сотовых телефонов доминировали однополосные и двухдиапазонные одномодовые телефоны, а использовавшаяся технология была только ??? Держите один-два сотовых диапазона во всех ??? Тот же метод модуляции, схема многоканального доступа и протокол используются в полосе частот удержания. Напротив, конструкция сегодняшнего нового поколения сотовых телефонов намного сложнее и может обеспечить многодиапазонный и многорежимный ??? У него есть персональная сеть Bluetooth, GPS-позиционирование и другие функции, а также начали появляться функции UWB и приема ТВ. Кроме того, в мобильных телефонах стали очень распространены такие приложения, как игры, изображения, аудио и видео.

Беспроводной телефон становится сложным устройством, называемым портативным персональным развлекательным центром. Тенденция его развития продолжает ставить перед дизайнерами все больше проблем. Несмотря на то, что по сравнению с мобильными телефонами, поддерживающими только голосовую связь, в мобильных телефонах нового поколения значительно увеличились возможности обработки связи, обработки приложений, количества радиочастотных интерфейсов и емкости встроенной памяти, пользователи по-прежнему ожидают, что мобильные телефоны будут иметь меньший объем, обтекаемую форму, низкую цена и большой цветной дисплей, он может обеспечить время ожидания и разговора, как традиционные голосовые телефоны. При сохранении существующих габаритных размеров и энергопотребления, но при экспоненциальном увеличении функции при неизменной общей стоимости системы все это создает множество проблем для разработчиков системы.

Очевидно, что проблема касается всех частей всей системы, а также поставщиков всего беспроводного коммуникационного и развлекательного контента. Одна из областей, которая особенно эффективна для уменьшения площади платы и энергопотребления, – это радиочастотная часть конструкции беспроводной системы. Это связано с тем, что в сегодняшнем типичном мобильном телефоне более половины компонентов на плате являются аналоговыми радиочастотными компонентами, которые в совокупности составляют 30-40% всей площади платы, например, радиочастотные системы Bluetooth, такие как GPS и WLAN, также будут значительно увеличены. увеличивают требования к пространству.

Решение состоит в том, чтобы выполнить более крупномасштабную интеграцию радиочастот и, наконец, превратиться в полностью интегрированный чип системного уровня. Некоторые разработчики устанавливают аналого-цифровые преобразователи в антенну, чтобы уменьшить общее пространство на печатной плате, необходимое для работы РЧ-функций. Когда технология интеграции полупроводников может объединить больше функций в одном устройстве, количество дискретных устройств и пространство на печатной плате, используемое для размещения этих устройств, соответственно уменьшатся. По мере того, как отрасль движется к интеграции микросхем на системном уровне, разработчики будут продолжать искать новые технологии, чтобы преодолеть противоречие между более высокой сложностью радиочастот и более длительным сроком службы батарей в небольших беспроводных устройствах.

Статус развития интеграции РФ

Примерно два года назад появилось важное развитие интеграции с РФ. В то время развитие радиочастотной технологии и цифрового модема основной полосы частот позволило заменить супергетеродинные радиочастотные устройства приемниками прямого преобразования с понижением частоты в беспроводных мобильных телефонах. В супергетеродинных ВЧ-устройствах используются многокаскадные смесители, фильтры и несколько генераторов, управляемых напряжением (ГУН), которые хорошо используются в течение многих лет, но интеграция ВЧ-устройств с прямым преобразованием частоты может значительно сократить общее количество ВЧ-компонентов GSM. В конце 1990-х годов типичная однополосная супергетеродинная подсистема RF включала PA, антенный переключатель, LDO, малосигнальный RF и vctcxo, для чего требовалось около 200 дискретных устройств; Сегодня мы можем разработать систему прямого преобразования частоты с четырехдиапазонной функцией, которая объединяет ГУН, VCXO и петлевой фильтр ФАПЧ, но ее количество компонентов меньше 50. Рисунок 1: четырехдиапазонный приемопередатчик GSM с высокой степенью интеграции.

Например, трансивер trf6151 (рис. 1) компании Texas Instruments для GSM включает в себя встроенный регулятор напряжения, канал VCO и VCO, управление мощностью PA, обнаружение блокатора контура фильтра контура ФАПЧ, пошаговое управление усилением LNA и VCXO.

Для разработчиков расширенная интеграция помогает преодолеть некоторые основные проблемы в беспроводных радиочастотах, среди которых самая основная – это источник питания постоянного тока и регулировка трансивера. Во время разговора напряжение батареи будет меняться с изменением температуры и времени. Кроме того, шумовая связь от источника питания TX VCO и Rx VCO также повлияет на производительность всей системы. Поэтому разработчики сталкиваются с проблемой, как решить регулятор платы RF и большинство связанных пассивных компонентов. Интеграция этих устройств в радиочастотный трансивер означает, что единственный требуемый внешний компонент – это простой развязывающий конденсатор, который напрямую подключается к источнику питания, что не только упрощает конструкцию, но и экономит место на печатной плате.

Еще одна проблема для разработчиков RF – диапазон настройки VCO и время блокировки. Во всех аналоговых конструкциях ГУН. Поскольку часто бывает необходимо сбалансировать время синхронизации и диапазон настройки, контурный фильтр обычно размещается вне микросхемы. Иногда это может быть решено программным управлением диапазоном настройки VCO. Однако этот метод выдвигает дополнительные требования к ресурсам для общего развития телефона. Когда функция цифровой настройки включена в ГУН и может обеспечивать самокалибровку, можно получить расширенный диапазон настройки, а элемент контурного фильтра можно разместить в микросхеме. Очевидно, такая схема может позволить инженерам-конструкторам упростить свою работу.

Чтобы обеспечить управление мощностью передатчика, требуемое системой GSM, производители PA обычно включают эту функцию в модуль усилителя мощности (PAM). Контроллер питания обычно состоит из тысяч цифровых CMOS-вентилей, которые выполнены в независимой микросхеме в PAM. Этот элемент увеличит стоимость PAM на 0.30 ~ 0.40 доллара США. Интеграция этой функции в RF-устройства позволит производителям GaAs PAM не покупать цифровые CMOS-схемы и устанавливать их в PAM. Для OEM, производящего тысячи продуктов каждый месяц, удаление этого избыточного компонента значительно снизит их стоимость.

Еще одна область, в которой расширенная интеграция может принести существенную экономию, – это VCXO. В прошлом дорогие модули vctcxo закупались и проектировались в ВЧ-устройствах как дискретные компоненты. Следовательно, включение общих компонентов модулей vctcxo в радиочастотные устройства может снизить затраты и связанные с этим проблемы проектирования. При использовании trf6151 для выполнения функции vctcxo требуются только недорогой кристалл и варактор.

Несмотря на такую ​​интеграцию и упрощение конструкции, инженеры-разработчики ВЧ-устройств все еще сталкиваются с трудным выбором, одним из которых является входная чувствительность и потребляемая мощность Rx. Хорошо известно, что чем больше ток, используемый в конструкции малошумящего усилителя (МШУ), тем ниже общие шумовые характеристики. Инженер-конструктор должен определить общий бюджет мощности приемника и требования к уровню чувствительности приемника. Однако шум не уменьшается с уменьшением мощности. На самом деле все наоборот. Поэтому, хотя он может соответствовать спецификации стандарта GSM, разработчики часто задаются вопросом, стоит ли платить за потребление энергии для достижения определенного уровня чувствительности. Этот вопрос также объясняет, почему инженерам-конструкторам и производителям ИС необходимо тесно сотрудничать на протяжении всего процесса проектирования. Отзывы инженеров-проектировщиков могут помочь производителям ИС лучше обслуживать отрасль беспроводной связи при разработке будущих ВЧ-продуктов.

Развитие в сторону SOC

Снижение стоимости, мощности и сложности беспроводных систем очень важно для успешного удовлетворения требований системной интеграции. Однако разработка решений с высокой степенью интеграции для мобильных телефонов требует от полупроводниковой промышленности преодоления сложных технических препятствий. Некоторые из этих препятствий редко волнуют разработчиков, потому что многие из них не хотят знать, как сделаны устройства SOC, если они могут обеспечить требуемую производительность. Следовательно, необходимо иметь быстрое понимание некоторых технологических процессов, которые будут влиять на возможности и доступность устройств, используемых при интеграции сотовых телефонов.

Существует несколько возможных схем интеграции электронной системы RF мобильного телефона. Во-первых, традиционная архитектура RF может быть реализована в относительно простом биполярном процессе или процессе BiCMOS с использованием традиционной технологии. Последний радиочастотный чип может быть собран с функциями цифровой логики мобильного телефона с использованием технологии упаковки нескольких микросхем (технология упаковки системного уровня). Хотя эта технология имеет много преимуществ, таких как использование знакомых методов проектирования ВЧ и зрелых процессов и технологий, ее трудно коммерциализировать из-за высокой стоимости и производительности испытательных устройств.

Кроме того, интеграция электронной системы мобильного телефона также может быть достигнута с помощью усовершенствованного процесса изготовления пластин BiCMOS (SiGe). Однако, поскольку обработка устройств SiGe HBT требует дополнительного процесса литографии, последний чип потребует дополнительных затрат. В то же время, поскольку технология SiGe BiCMOS не может использовать самый передовой процесс литографии, процесс BiCMOS обычно отстает от передового процесса цифровой CMOS. Это окажет серьезное давление на улучшение характеристик мобильных телефонов и снижение затрат. Это не может быть решено с помощью простой стратегии обработки полупроводниковых пластин, потому что эта технология не может постоянно поддерживать системную логику или цифровую часть по минимально возможной цене. Следовательно, монолитная интеграция RF-части с функцией основной полосы частот в BiCMOS (или SiGe) не является хорошим выбором.

Последним решением, которое можно рассмотреть, является интеграция RF в CMOS, которая также сталкивается со значительными проблемами. Хотя существует несколько конструкций КМОП сотовой радиосвязи, эти конструкции в значительной степени основаны на аналоговых функциях. Аналоговые смесители, фильтры и усилители с технологией CMOS сложно реализовать, а потребляемая мощность обычно выше, чем схема SiGe BiCMOS. По мере развития технологических процессов номинальный уровень CMOS становится все ниже и ниже, что затрудняет разработку аналоговых схем. На ранней стадии разработки новых процессов моделирование устройств и зрелость процессов, как правило, не могут удовлетворить требованиям высокоточного моделирования параметров, необходимых для проектирования аналоговых модулей. Однако недавно разработанная цифровая КМОП ВЧ архитектура делает интеграцию монолитной КМОП более привлекательной.

Эти решения также являются движущей силой полупроводниковой промышленности, поскольку производители ищут недорогие решения на уровне микросхем ВЧ-систем. Хотя каждая схема интеграции имеет трудности, действительно удивительно, что интеграция радиочастотных компонентов может достигать такого высокого уровня. Преодоление этих трудностей сделает большой шаг вперед в разработке беспроводных мобильных телефонов и задаст направление для большей интеграции в ближайшем будущем.

Заключение этой статьи

В интеграции РФ еще много трудностей. Каждое ВЧ-устройство современного мобильного телефона предъявляет строгие требования к производительности. Требование к чувствительности составляет около -106 дБм (106 дБ ниже 1 МВт) или выше, а соответствующий уровень составляет всего несколько микровольт; Кроме того, избирательность, то есть способность отклонения полезного канала от соседней полосы частот (обычно называемая блокировкой), должна быть порядка 60 дБ; Кроме того, системный генератор должен работать в условиях очень низкого фазового шума, чтобы предотвратить попадание энергии блокировки в полосу приема. ВЧ-интеграция очень сложна из-за очень высокой частоты и чрезвычайно высоких требований к производительности.

Обработка многочастотного стандарта представляет собой реальную проблему для всей частоты SOC. Есть надежда уменьшить возбуждение, генерируемое передачей внутриполосного сигнала. Содержание цифровой ВЧ-интеграции – это гораздо больше, чем просто размещение нескольких ВЧ-компонентов в одном кристалле. Требуется новая архитектура совместного использования оборудования.

Для разработчиков систем современные простые, высокоинтегрированные и экономичные полупроводниковые устройства могут значительно снизить сложность конструкции. В то же время они могут улучшить характеристики беспроводных устройств и сохранить неизменными размер системы, время автономной работы и стоимость. Новые высокоинтегрированные ВЧ-устройства также могут устранить некоторые споры при проектировании беспроводных сетей и сэкономить драгоценное время инженеров.