Znížte počet komponentov a zmenšite plochu doska prostredníctvom bezdrôtovej RF integrácie

V dnešných bezdrôtových zariadeniach je viac ako polovica komponentov na doske analógových zariadení RF. Preto je efektívnym spôsobom, ako znížiť plochu plošných spojov a spotrebu energie, vykonať rozsiahlejšiu integráciu RF a vyvíjať sa smerom k čipu na úrovni systému. Tento článok predstavuje stav vývoja integrácie RF a navrhuje niektoré protiopatrenia a riešenia niektorých z týchto problémov.

Pred niekoľkými rokmi na trhu mobilných telefónov dominovali jednopásmové a dvojpásmové telefóny s jedným režimom a používaná technológia bola iba ??? Zachytiť jedno alebo dve mobilné pásma? Rovnaká metóda modulácie, viackanálová prístupová schéma a protokol sa používajú v udržiavacom frekvenčnom pásme. Naproti tomu dizajn dnešnej novej generácie mobilných telefónov je oveľa komplexnejší a môže poskytovať viacpásmové a viacrežimové ??? Má osobnú sieť Bluetooth, určovanie polohy GPS a ďalšie funkcie a začali sa objavovať funkcie príjmu UWB a TV. Navyše, aplikácie ako hry, obrázky, audio a video sa v mobilných telefónoch stali veľmi bežnými.

Bezdrôtový telefón sa stáva komplexným zariadením nazývaným vreckové centrum osobnej zábavy. Jeho vývojový trend stále prináša dizajnérom ďalšie výzvy. Napriek tomu, že v porovnaní s mobilnými telefónmi s iba hlasovou funkciou sa nová generácia mobilných telefónov výrazne zvýšila v oblasti spracovania komunikácie, spracovania aplikácií, počtu RF rozhraní a kapacity integrovanej pamäte, používatelia stále očakávajú, že mobilné telefóny budú mať menší objem, efektívny tvar, nízky cena a veľký farebný displej, môže poskytnúť pohotovostný režim a dobu hovoru podobnú ako tradičné hlasové telefóny. Zachovanie existujúcej celkovej veľkosti a spotreby energie, ale aby sa funkcia exponenciálne zvýšila, pričom celkové náklady na systém zostali nezmenené, to všetko predstavuje pre projektantov systému mnoho problémov.

Tento problém očividne zahŕňa všetky časti návrhu celého systému, ako aj dodávateľov celého obsahu bezdrôtovej komunikácie a zábavy. Jednou z oblastí, ktorá je obzvlášť účinná pri znižovaní plochy dosky a spotreby energie, je RF časť návrhu bezdrôtového systému. Dôvodom je to, že v dnešnom typickom mobilnom telefóne je viac ako polovica komponentov na doske analógovými RF komponentmi, ktoré spolu predstavujú 30-40% celej plochy dosky, ako napríklad Bluetooth RF systémy, ako sú GPS a WLAN, budú tiež veľmi dôležité. zvýšiť požiadavky na priestor.

Riešením je vykonať rozsiahlejšiu RF integráciu a nakoniec sa vyvinúť do plne integrovaného čipu na úrovni systému. Niektorí návrhári vložili do antény analógovo-digitálne prevodníky, aby sa znížil celkový priestor na doske požadovaný pre funkcie RF. Keď môže polovodičová integračná technológia integrovať viac funkcií do jedného zariadenia, počet diskrétnych zariadení a priestor na doske plošných spojov použitý na umiestnenie týchto zariadení sa zodpovedajúcim spôsobom zníži. Ako sa priemysel pohybuje smerom k integrácii čipov na úrovni systému, dizajnéri budú aj naďalej nachádzať nové technológie, ktoré by čelili rozporu medzi vyššou RF komplexnosťou a dlhšou výdržou batérie v malých bezdrôtových zariadeniach.

Stav vývoja RF integrácie

Dôležitý vývoj integrácie RF sa objavil asi pred dvoma rokmi. V tej dobe vývoj RF technológie a digitálneho modemu v základnom pásme umožnil nahradiť superheterodynové RF zariadenia prijímačmi s priamou konverziou nadol v bezdrôtových mobilných telefónoch. Superheterodynové RF zariadenia používajú viacstupňové mixéry, filtre a viacnásobne napäťovo riadené oscilátory (VCO), ktoré sa už mnoho rokov dobre používajú, ale integrácia zariadení na priamu frekvenčnú konverziu RF môže výrazne znížiť celkový počet RF komponentov GSM. Na konci deväťdesiatych rokov minulého storočia typický jednopásmový superheterodynový RF subsystém zahŕňal PA, anténny prepínač, LDO, malý signál RF a vctcxo, vyžadujúce asi 1990 diskrétnych zariadení; Dnes môžeme navrhnúť systém priamej frekvenčnej konverzie so štvorpásmovou funkciou, ktorý integruje slučkový filter VCO, VCXO a PLL, ale jeho počet komponentov je menší ako 200. Obrázok 50: Štvorpásmový transceiver GSM s vysokou integráciou.

Napríklad transceiver trf6151 (obrázok 1) spoločnosti Texas Instruments pre GSM obsahuje regulátor napätia na čipe, kanál VCO a VCO, ovládanie výkonu PA, detekciu blokátora okrajov filtra slučky PLL, ovládanie zosilnenia LNA krok za krokom a VCXO.

Pokročilá integrácia projektantom pomáha prekonať niektoré hlavné problémy bezdrôtového RF, medzi ktoré patrí najzákladnejšie napájanie jednosmerným prúdom a regulácia vysielača a prijímača. Počas hovoru sa napätie batérie zmení so zmenou teploty a času. Hluková väzba z napájania TX VCO a Rx VCO navyše ovplyvní aj výkon celého systému. Preto sa dizajnéri stretávajú s problémom, ako vyriešiť regulátor RF dosky plošných spojov a väčšinu súvisiacich pasívnych komponentov. Integrácia týchto zariadení do RF transceiveru znamená, že jediným požadovaným externým komponentom je jednoduchý oddeľovací kondenzátor, ktorý je priamo pripojený k napájaciemu zdroju, čo nielen zjednodušuje konštrukciu, ale šetrí aj miesto na doske plošných spojov.

Ďalšou výzvou pre RF dizajnérov je rozsah ladenia VCO a doba uzamknutia. Vo všetkých analógových prevedeniach VCO. Pretože je často potrebné vyvážiť čas uzamknutia a rozsah ladenia, slučkový filter je spravidla umiestnený mimo čip. Niekedy sa to dá vyriešiť softvérovým riadením rozsahu ladenia VCO. Táto metóda však prináša ďalšie požiadavky na zdroje pre celkový vývoj telefónu. Keď je funkcia digitálneho ladenia zahrnutá do VCO a môže poskytovať samokalibráciu, je možné získať rozšírený rozsah ladenia a filtračný prvok slučky je možné umiestniť do čipu. Je zrejmé, že táto schéma môže vývojovým inžinierom zjednodušiť prácu.

Aby sa dosiahlo ovládanie výkonu vysielača požadované systémom GSM, výrobcovia PA spravidla zahrnujú túto funkciu do modulu výkonového zosilňovača (PAM). Regulátor výkonu je obvykle zložený až z tisícov digitálnych brán CMOS, ktoré sú vyrobené v nezávislom čipe v PAM. Tento prvok zvýši náklady na PAM o 0.30 ~ 0.40 USD. Integrácia tejto funkcie do RF zariadení umožní výrobcom GaAs PAM nekupovať digitálne obvody CMOS a inštalovať ich do PAM. V prípade OEM, ktorý každý mesiac vyrába tisíce výrobkov, odstránenie tohto nadbytočného komponentu výrazne zníži ich náklady.

Ďalšou oblasťou, kde pokročilá integrácia môže priniesť značné úspory, je VCXO. V minulosti boli drahé moduly vctcxo kupované a navrhnuté v RF zariadeniach ako diskrétne komponenty. Začlenenie bežných komponentov modulov vctcxo do RF zariadení preto môže znížiť náklady a súvisiace problémy s návrhom. Pri použití trf6151 sú na dokončenie funkcie vctcxo potrebné iba lacné kryštály a varactor.

Napriek tejto integrácii a zjednodušeniu návrhu stoja RF dizajnéri stále pred ťažkými voľbami, jednou z nich je vstupná citlivosť a spotreba energie Rx. Je dobre známe, že čím väčší je prúd používaný pri konštrukcii zosilňovača s nízkym šumom (LNA), tým nižšie sú celkové charakteristiky šumu. Konštruktér musí určiť celkový rozpočet výkonu prijímača a požiadavky na úroveň citlivosti prijímača. Hluk však neklesá so znížením výkonu. V skutočnosti je to naopak. Preto aj keď môže dizajnér spĺňať štandardnú špecifikáciu GSM, musí si často klásť otázku, či sa oplatí zaplatiť cenu za spotrebu energie, aby sa dosiahla určitá úroveň citlivosti. Táto otázka tiež vysvetľuje, prečo je potrebné, aby konštruktéri a výrobcovia integrovaných obvodov úzko spolupracovali na celom procese návrhu. Spätná väzba od projektových inžinierov môže viesť výrobcov IC k tomu, aby lepšie slúžili bezdrôtovému priemyslu pri vývoji budúcich RF produktov.

Rozvoj smerom k SOC

Zníženie nákladov, výkonu a zložitosti bezdrôtových systémov je veľmi dôležité pre úspešné splnenie požiadaviek systémovej integrácie. Vývoj vysoko integrovaných riešení pre mobilné telefóny však vyžaduje, aby polovodičový priemysel prekonal zložité technické prekážky. Niektoré z týchto prekážok sa návrhári zriedka obávajú, pretože mnohé z nich nechcú vedieť, ako sa zariadenia SOC vyrábajú, pokiaľ môžu poskytnúť požadovaný výkon. Preto je potrebné rýchlo porozumieť niektorým procesným technológiám, ktoré ovplyvnia schopnosť a dostupnosť zariadení používaných pri integrácii mobilných telefónov.

Existuje niekoľko možných schém integrácie RF elektronického systému mobilného telefónu. Po prvé, tradičnú RF architektúru je možné implementovať v relatívne jednoduchom bipolárnom alebo BiCMOS procese pomocou tradičnej technológie. Konečný RF čip je možné zostaviť s funkciami digitálnej logiky mobilného telefónu pomocou technológie balenia viacerých čipov (technológia balenia na úrovni systému). Napriek tomu, že táto technológia má mnoho výhod, ako napríklad používanie známych metód návrhu RF a vyspelých procesov a technológií, je ťažké ju komercializovať z dôvodu vysokých nákladov a výťažku testovacích zariadení.

Integráciu elektronického systému mobilného telefónu je navyše možné dosiahnuť aj pokročilým procesom oblátky BiCMOS (SiGe). Pretože však spracovanie zariadení SiGe HBT vyžaduje ďalší litografický proces, konečný čip bude vyžadovať dodatočné náklady. Pretože technológia SiGe BiCMOS nemôže používať najpokročilejší litografický proces, proces BiCMOS spravidla zaostáva za pokročilým digitálnym procesom CMOS. Tie prinesú veľký tlak na zvýšenie vlastností mobilných telefónov a zníženie nákladov. Nedá sa to vyriešiť jednoduchou stratégiou procesu oblátky, pretože táto technológia nemôže udržať logiku systému alebo digitálnu časť vždy na najnižšej možnej cene. Monolitická integrácia RF časti funkcie základného pásma systému v BiCMOS (alebo SiGe) preto nie je dobrá voľba.

Konečným riešením, ktoré je možné zvážiť, je RF integrácia do CMOS, ktorá tiež čelí značným výzvam. Aj keď existuje niekoľko návrhov CMOS bunkových RF, tieto návrhy sú do značnej miery založené na analógových funkciách. Je ťažké implementovať analógové mixéry, filtre a zosilňovače s technológiou CMOS a spotreba energie je spravidla väčšia ako schéma SiGe BiCMOS. S rozvojom procesnej technológie sa menovitá úroveň CMOS stále znižuje, čo sťažuje analógový dizajn. V ranej fáze vývoja nových procesov modelovanie zariadení a zrelosť procesu spravidla nemôže spĺňať požiadavky na vysoko presné modelovanie parametrov požadované pre návrh analógových modulov. Nedávno vyvinutá digitálna architektúra CMOS RF však robí monolitickú integráciu CMOS atraktívnejšou.

Tieto riešenia tiež poháňajú polovodičový priemysel, pretože výrobcovia hľadajú lacné čipové riešenia na úrovni RF systému. Napriek tomu, že každá schéma integrácie má problémy, je skutočne prekvapujúce, že integrácia RF komponentov môže dosiahnuť takú vysokú úroveň. Prekonanie týchto ťažkostí urobí veľký krok vpred pri navrhovaní bezdrôtových mobilných telefónov a stanoví smer pre väčšiu integráciu v blízkej budúcnosti.

Záver tohto príspevku

Pri integrácii RF je stále veľa problémov. Každé zariadenie RF moderného mobilného telefónu čelí prísnym požiadavkám na výkon. Požiadavka na citlivosť je asi – 106 dBm (106 dB pod 1 MW) alebo viac a zodpovedajúca úroveň je iba niekoľko mikrovoltov; Navyše selektivita, to znamená schopnosť odmietnuť užitočný kanál do susedného frekvenčného pásma (bežne označované ako blokovanie), by mala byť rádovo 60 dB; Okrem toho je od systémového oscilátora vyžadované, aby fungoval pri veľmi nízkom fázovom šumu, aby sa zabránilo vniknutiu energie skladacej blokujúcej energie do prijímacieho pásma. RF integrácia je veľmi náročná kvôli veľmi vysokej frekvencii a extrémne náročným požiadavkám na výkon.

Spracovanie viacfrekvenčného štandardu prináša skutočnú výzvu pre celú frekvenciu SOC. Očakáva sa, že sa zníži excitácia generovaná prenosom signálu v pásme. Obsah digitálnej RF integrácie je oveľa viac než len vloženie viacerých RF komponentov do jedného čipu. Je potrebná nová architektúra zdieľania hardvéru.

Pre systémových dizajnérov môžu súčasné jednoduché, vysoko integrované a nákladovo efektívne polovodičové zariadenia výrazne znížiť zložitosť návrhu. Súčasne môžu obohatiť vlastnosti bezdrôtových zariadení a zachovať nezmenenú veľkosť systému, životnosť batérie a náklady. Nové vysoko integrované RF zariadenia môžu tiež eliminovať niektoré spory v oblasti bezdrôtového dizajnu a ušetriť drahocenný čas inžinierov.