Zmanjšajte število komponent in zmanjšajte površino vezje prek brezžične RF integracije

V današnjih brezžičnih napravah je več kot polovica komponent na vezju analognih RF naprav. Zato je učinkovit način za zmanjšanje površine vezja in porabe energije izvedba obsežnejše RF-integracije in razvoj v smeri čipa na sistemski ravni. Ta članek predstavlja razvojni status integracije RF in ponuja nekatere protiukrepe in rešitve za nekatere od teh težav.

Pred nekaj leti so na trgu mobilnih telefonov prevladovali enosmerni in dvopasovni enosmerni telefoni, uporabljena tehnologija pa je bila le ??? Držite enega ali dva celična pasu skupaj ??? Ista modulacijska metoda, večkanalna shema dostopa in protokol so sprejeti v frekvenčnem pasu zadrževanja. V nasprotju s tem je zasnova današnje nove generacije mobilnih telefonov veliko bolj zapletena in lahko zagotavlja večpasovni in večnamenski način ??? Ima osebno omrežje Bluetooth, določanje položaja GPS in druge funkcije, začele pa so se pojavljati sprejemne funkcije UWB in TV. Poleg tega so aplikacije, kot so igre, slike, zvok in video, postale zelo pogoste v mobilnih telefonih.

Brezžični telefon postaja zapletena naprava, ki se imenuje ročni osebni zabaviščni center. Njegov razvojni trend še naprej prinaša oblikovalcem več izzivov. Čeprav so se nove generacije mobilnih telefonov v primerjavi z mobilnimi telefoni, ki imajo samo glasovno funkcijo, znatno povečale pri komunikaciji, obdelavi aplikacij, številu RF vmesnikov in vgrajeni pomnilniški zmogljivosti, uporabniki še vedno pričakujejo, da bodo imeli mobilni telefoni manjšo prostornino, poenostavljeno obliko, nizko ceno in velik barvni zaslon, lahko zagotavlja čas pripravljenosti in pogovora, podoben tradicionalnim govornim telefonom. Ohranjanje obstoječe skupne velikosti in porabe energije, hkrati pa eksponentno povečanje funkcije, hkrati pa ohranjanje skupnih stroškov sistema nespremenjeno, vse to oblikovalcem sistema povzroča veliko težav.

Očitno je, da problem vključuje vse dele celotne zasnove sistema, pa tudi dobavitelje vseh brezžičnih komunikacijskih in zabavnih vsebin. Eno področje, ki je še posebej učinkovito pri zmanjševanju površine plošče in porabe energije, je RF del zasnove brezžičnega sistema. To je zato, ker je v današnjem tipičnem mobilnem telefonu več kot polovica komponent na plošči analognih RF komponent, ki skupaj predstavljajo 30-40% celotne površine plošče, kot so RF sistemi RF, kot sta GPS in WLAN povečati zahteve po prostoru.

Rešitev je v tem, da izvedemo obsežnejšo RF-integracijo in se končno razvijemo v popolnoma integriran sistemski čip. Nekateri oblikovalci v anteno vgradijo analogno-digitalne pretvornike, da zmanjšajo celoten prostor na vezju, ki je potreben za funkcije RF. Ko tehnologija polprevodniške integracije lahko integrira več funkcij v eno samo napravo, se bo ustrezno zmanjšalo število ločenih naprav in prostor na vezju, ki se uporablja za namestitev teh naprav. Ko se bo industrija približevala integraciji čipov na sistemski ravni, bodo oblikovalci še naprej iskali nove tehnologije, s katerimi se bodo spoprijeli s protislovjem med višjo kompleksnostjo RF in daljšo življenjsko dobo baterije v majhnih brezžičnih napravah.

Razvojni položaj integracije RF

Pomemben razvoj RF integracije se je pojavil pred približno dvema letoma. Takrat je razvoj RF tehnologije in digitalnega modema osnovnega pasu omogočal zamenjavo superheterodinskih RF naprav z sprejemniki za neposredno pretvorbo v brezžičnih mobilnih telefonih. Superheterodinske RF naprave uporabljajo večstopenjske mešalnike, filtre in večnapetostno krmiljene oscilatorje (VCO), ki se že vrsto let dobro uporabljajo, vendar lahko integracija RF naprav z neposredno frekvenčno pretvorbo močno zmanjša skupno število komponent GSM RF. V poznih devetdesetih letih je tipičen enosistemski superheterodinski RF podsistem vključeval PA, antensko stikalo, LDO, RF z majhnim signalom in vctcxo, ki je zahteval približno 1990 diskretnih naprav; Danes lahko oblikujemo sistem za neposredno pretvorbo frekvence s štiri pasovno funkcijo, ki integrira zančni filter VCO, VCXO in PLL, vendar je njegovo število komponent manj kot 200. Slika 50: štiripasovni GSM oddajnik z visoko integracijo.

Na primer, oddajnik trf6151 (slika 1) podjetja Texas Instruments za GSM vključuje regulator napetosti na čipu, kanal VCO in VCO, nadzor moči PA, zaznavanje blokatorja roba filtra zanke PLL, korak za korakom povečanje LNA in VCXO.

Za oblikovalce napredna integracija pomaga premagati nekatere velike težave v brezžičnem RF, med katerimi je najosnovnejša napajanje z enosmernim tokom in regulacija oddajnika. Med klicem se bo napetost baterije spreminjala s spremembo temperature in časa. Poleg tega bo povezava hrupa iz napajanja TX VCO in Rx VCO vplivala tudi na delovanje celotnega sistema. Zato se oblikovalci soočajo s problemom, kako rešiti regulator RF vezja in večino sorodnih pasivnih komponent. Vključitev teh naprav v RF oddajnik pomeni, da je edina potrebna zunanja komponenta preprost ločilni kondenzator, ki je neposredno povezan z napajalnikom, kar ne samo poenostavi zasnovo, ampak tudi prihrani prostor na vezju.

Drug izziv za RF oblikovalce je območje uglaševanja VCO in čas zaklepanja. V vseh analognih modelih VCO. Ker je pogosto potrebno uravnotežiti čas zaklepanja in območje uglaševanja, je zančni filter običajno nameščen zunaj čipa. Včasih je to mogoče rešiti s programsko kontrolo območja uglaševanja VCO. Vendar ta metoda postavlja dodatne potrebe po virih za celoten razvoj telefona. Ko je funkcija digitalnega uglaševanja vključena v VCO in lahko zagotavlja samokalibracijo, je mogoče doseči razširjen obseg uglaševanja in element zančnega filtra lahko vstavite v čip. Očitno lahko ta shema omogoči oblikovalcem, da poenostavijo svoje delo.

Da bi pridobili nadzor moči oddajnika, ki ga zahteva sistem GSM, proizvajalci PA običajno to funkcijo vključijo v modul ojačevalnika moči (PAM). Krmilnik moči je običajno sestavljen iz do tisoč digitalnih vrat CMOS, ki so izdelani v neodvisnem čipu v PAM. Ta element bo povečal stroške PAM za 0.30 ~ 0.40 USD. Vključitev te funkcije v RF naprave bo proizvajalcem GaAs PAM omogočila, da ne kupujejo digitalnih vezij CMOS in jih namestijo v PAM. Za proizvajalca originalne opreme, ki vsak mesec proizvaja na tisoče izdelkov, bo odstranitev te odvečne komponente močno znižala njihove stroške.

Drugo področje, kjer lahko napredna integracija prinese znatne prihranke, je VCXO. V preteklosti so bili dragi moduli vctcxo kupljeni in zasnovani v RF napravah kot diskretne komponente. Zato lahko vključitev skupnih komponent modulov vctcxo v RF naprave zmanjša stroške in s tem povezane težave pri načrtovanju. Z uporabo trf6151 sta za dokončanje funkcije vctcxo potrebna le poceni kristal in varaktor.

Kljub tej poenostavitvi integracije in oblikovanja se RF inženirji še vedno soočajo s težkimi odločitvami, med katerimi sta ena vhodna občutljivost in poraba energije Rx. Dobro je znano, da je večji tok, ki se uporablja pri načrtovanju ojačevalnika z nizkim šumom (LNA), manjše splošne značilnosti hrupa. Inženir projektiranja mora določiti skupni proračun moči sprejemnika in zahteve glede ravni občutljivosti sprejemnika. Vendar se hrup ne zmanjšuje z zmanjšanjem moči. Pravzaprav je ravno obratno. Kljub temu, da lahko ustreza standardnim standardom GSM, se morajo oblikovalci pogosto vprašati, ali je za dosego določene ravni občutljivosti vredno plačati ceno porabe energije. To vprašanje pojasnjuje tudi, zakaj morajo oblikovalci in proizvajalci IC tesno sodelovati v celotnem procesu oblikovanja. Povratne informacije oblikovalcev lahko proizvajalcem IC pomagajo pri boljši uporabi brezžične industrije pri razvoju prihodnjih RF izdelkov.

Razvoj v smeri SOC

Zmanjšanje stroškov, moči in kompleksnosti brezžičnih sistemov je zelo pomembno za uspešno izpolnjevanje zahtev sistemske integracije. Vendar pa razvoj visokotehnoloških rešitev za mobilne telefone zahteva, da industrija polprevodnikov premaga kompleksne tehnične ovire. Nekatere od teh ovir se oblikovalci redko ukvarjajo, ker mnogi od njih ne želijo vedeti, kako so narejene naprave SOC, dokler lahko zagotovi zahtevane zmogljivosti. Zato je treba hitro razumeti nekatere procesne tehnologije, ki bodo vplivale na zmogljivost in razpoložljivost naprav, ki se uporabljajo pri integraciji mobilnih telefonov.

Obstaja več izvedljivih shem za integracijo elektronskega sistema RF mobilnega telefona. Prvič, tradicionalno RF arhitekturo je mogoče implementirati v razmeroma preprostem bipolarnem ali BiCMOS postopku z uporabo tradicionalne tehnologije. Končni RF čip je mogoče sestaviti z digitalno logično funkcijo mobilnega telefona z uporabo tehnologije pakiranja z več čipi (tehnologija pakiranja na ravni sistema). Čeprav ima ta tehnologija številne prednosti, na primer uporabo znanih načinov RF načrtovanja ter zrele procese in tehnologije, je težko komercializirati zaradi visokih stroškov in donosa testnih naprav.

Poleg tega je integracijo elektronskega sistema mobilnega telefona mogoče doseči tudi z naprednim postopkom rezanja BiCMOS (SiGe). Ker pa obdelava naprav SiGe HBT zahteva dodaten postopek litografije, bo končni čip zahteval dodatne stroške. Hkrati, ker tehnologija SiGe BiCMOS ne more uporabiti najnaprednejšega procesa litografije, postopek BiCMOS običajno zaostaja za naprednim procesom digitalne CMOS. To bo prineslo velik pritisk za povečanje značilnosti mobilnih telefonov in znižanje stroškov. Tega ni mogoče rešiti s preprosto strategijo obdelave rezin, ker ta tehnologija ne more ves čas vzdrževati sistemske logike ali digitalnega dela po najnižji možni ceni. Zato monolitna integracija sistemskega dela osnovnega pasu sistema v BiCMOS (ali SiGe) ni dobra izbira.

Končna rešitev, ki jo je mogoče upoštevati, je vključevanje RF v CMOS, ki se prav tako sooča s precejšnjimi izzivi. Čeprav obstaja več celičnih RF modelov CMOS, ti modeli v veliki meri temeljijo na analognih funkcijah. S tehnologijo CMOS je težko implementirati analogne mešalnike, filtre in ojačevalnike, poraba energije pa je na splošno večja od sheme SiGe BiCMOS. Z razvojem procesne tehnologije je ocenjena raven CMOS čedalje nižja, kar otežuje analogno oblikovanje. V zgodnji fazi razvoja novih procesov modeliranje naprav in zrelost postopkov na splošno ne moreta izpolniti zahtev visoko natančnega modeliranja parametrov, potrebnih za načrtovanje analognih modulov. Nedavno razvita digitalna arhitektura CMOS RF naredi monolitno integracijo CMOS privlačnejšo.

Te rešitve poganjajo tudi industrijo polprevodnikov, saj proizvajalci iščejo poceni rešitve čipov na ravni RF sistema. Čeprav ima vsaka shema integracije težave, je resnično presenetljivo, da lahko integracija RF komponent doseže tako visoko raven. Premagovanje teh težav bo naredilo velik korak naprej pri oblikovanju brezžičnih mobilnih telefonov in postavilo smer za večjo integracijo v bližnji prihodnosti.

Zaključek tega prispevka

Pri vključevanju RF je še vedno veliko težav. Vsaka RF naprava sodobnega mobilnega telefona se sooča s strogimi zahtevami glede učinkovitosti. Zahteva za občutljivost je približno – 106dbm (106db pod 1 MW) ali več, ustrezna raven pa je le nekaj mikrovoltov; Poleg tega bi morala biti selektivnost, to je sposobnost zavrnitve uporabnega kanala v sosednji frekvenčni pas (običajno imenovana blokiranje), reda 60dB; Poleg tega mora sistemski oscilator delovati pri zelo nizki fazni šumi, da prepreči, da bi zložljiva blokirna energija vstopila v sprejemni pas. RF integracija je zelo težka zaradi zelo visokih frekvenc in izjemno zahtevnih zahtev glede zmogljivosti.

Obdelava večfrekvenčnega standarda prinaša pravi izziv za celotno frekvenco SOC. Pričakuje se, da bo zmanjšal vzbujanje, ki ga povzroča pasovni prenos signala. Vsebina digitalne RF integracije je veliko več kot le združevanje več RF komponent v en čip. Potrebna je nova arhitektura skupne rabe strojne opreme.

Za sistemske oblikovalce lahko sedanje preproste, visoko integrirane in stroškovno učinkovite polprevodniške naprave močno zmanjšajo kompleksnost načrtovanja. Hkrati lahko obogatijo lastnosti brezžičnih naprav in ohranijo nespremenjeno velikost sistema, življenjsko dobo baterije in stroške. Nove visoko integrirane RF naprave lahko odpravijo tudi nekatere spore pri brezžičnem načrtovanju in prihranijo dragocen čas inženirjev.