Ulni numrin e përbërësve dhe zvogëloni sipërfaqen e qark bordit përmes integrimit pa tel RF

Në pajisjet e sotme pa tel, më shumë se gjysma e përbërësve në tabelën e qarkut janë pajisje analoge RF. Prandaj, një mënyrë efektive për të zvogëluar zonën e qarkut dhe konsumin e energjisë është kryerja e një integrimi më të madh RF dhe zhvillimi drejt çipit të nivelit të sistemit. Ky punim prezanton statusin e zhvillimit të integrimit RF dhe parashtron disa kundërmasa dhe zgjidhje për disa nga këto probleme.

Disa vjet më parë, tregu i telefonave celularë u dominua nga telefonat me një bandë dhe dy banda, dhe teknologjia e përdorur ishte vetëm ??? Mbajeni një ose dy shirita qelizorë në tërësi ??? E njëjta metodë modulimi, skema e qasjes me shumë kanale dhe protokolli miratohen në brezin e frekuencave mbajtëse. Në të kundërt, dizajni i brezit të ri të sotëm të telefonave celularë është shumë më kompleks dhe mund të sigurojë shumë breza dhe shumë mënyra ??? Ajo ka një rrjet personal Bluetooth, pozicionim GPS dhe funksione të tjera, dhe funksionet e marrjes së UWB dhe TV kanë filluar të shfaqen. Për më tepër, aplikacione të tilla si lojëra, imazhe, audio dhe video janë bërë shumë të zakonshme në telefonat celularë.

Telefoni pa tel po bëhet një pajisje komplekse e quajtur qendra argëtuese personale me dorë. Trendi i tij i zhvillimit vazhdon të sjellë më shumë sfida për projektuesit. Edhe pse në krahasim me telefonat celularë me vetëm funksion zëri, gjenerata e re e celularëve është rritur ndjeshëm në përpunimin e komunikimit, përpunimin e aplikacioneve, numrin e ndërfaqeve RF dhe kapacitetin e integruar të kujtesës, përdoruesit ende presin që telefonat celularë të kenë volum më të vogël, formë të thjeshtuar, të ulët çmim dhe ekran i madh me ngjyra, Mund të sigurojë kohë gatishmërie dhe bisede të ngjashme me telefonat tradicionalë me zë. Duke ruajtur madhësinë e përgjithshme ekzistuese dhe konsumin e energjisë, por duke e bërë funksionin të rritet në mënyrë eksponenciale, duke ruajtur koston e përgjithshme të sistemit të pandryshuar, të gjitha këto paraqesin shumë probleme për projektuesit e sistemit.

Natyrisht, problemi përfshin të gjitha pjesët e të gjithë modelit të sistemit, si dhe furnizuesit e të gjithë përmbajtjes së komunikimit pa tel dhe argëtimit. Një fushë që është veçanërisht efektive në zvogëlimin e sipërfaqes së bordit dhe konsumit të energjisë është pjesa RF e dizajnit të sistemit pa tel. Kjo ndodh sepse në telefonin celular tipik të sotëm, më shumë se gjysma e përbërësve në tabelë janë përbërës analog RF, të cilët së bashku përbëjnë 30-40% të të gjithë zonës së bordit, siç janë sistemet RF Bluetooth si GPS dhe WLAN gjithashtu shumë rris kërkesat për hapësirë.

Zgjidhja është të kryhet një integrim më i madh në RF dhe më në fund të zhvillohet në një çip të nivelit të sistemit të integruar plotësisht. Disa stilistë vendosin konvertues analog-dixhital në antenë për të zvogëluar hapësirën totale të bordit të qarkut të kërkuar për funksionet RF. Kur teknologjia e integrimit gjysmëpërçues mund të integrojë më shumë funksione në një pajisje të vetme, numri i pajisjeve diskrete dhe hapësira e bordit të qarkut të përdorur për të akomoduar këto pajisje do të zvogëlohet në përputhje me rrethanat. Ndërsa industria shkon drejt integrimit të çipave të nivelit të sistemit, projektuesit do të vazhdojnë të gjejnë teknologji të reja për të përmbushur kontradiktën midis kompleksitetit më të lartë RF dhe jetëgjatësisë më të gjatë të baterisë në pajisjet e vogla pa tel.

Statusi i zhvillimit të integrimit RF

Një zhvillim i rëndësishëm i integrimit të RF u shfaq rreth dy vjet më parë. Në atë kohë, zhvillimi i teknologjisë RF dhe modemit dixhital me brez bazë bëri të mundur zëvendësimin e pajisjeve RF superheterodyne me marrës të konvertimit direkt në telefonat celularë pa tel. Pajisjet Superheterodyne RF përdorin miksera me shumë faza, filtra dhe oshilatorë të kontrolluar nga tensioni i shumëfishtë (VCO), të cilët janë përdorur mirë për shumë vite, por integrimi i pajisjeve RF të konvertimit të frekuencës direkte mund të zvogëlojë shumë numrin e përgjithshëm të përbërësve GSM RF. Në fund të viteve 1990, një nënsistem tipik me një bandë superheterodyne RF përfshinte PA, ndërprerës antenash, LDO, RF me sinjal të vogël dhe vctcxo, që kërkonin rreth 200 pajisje diskrete; Sot, ne mund të krijojmë një sistem konvertimi të frekuencës direkte me funksionin e katër brezave, i cili integron filtrin e lakut VCO, VCXO dhe PLL, por numri i përbërësve të tij është më i vogël se 50. Figura 1: transmetuesi GSM me katër breza me integrim të lartë.

Për shembull, transmetuesi trf6151 (Figura 1) i Texas Instruments për GSM përfshin rregullatorin e tensionit në çip, kanalin VCO dhe VCO, kontrollin e fuqisë PA, zbulimin e bllokuesit të skajit të filtrit të lakut PLL, kontrollin hap pas hapi të fitimit të LNA dhe VCXO.

Për projektuesit, integrimi i avancuar ndihmon në kapërcimin e disa problemeve kryesore në RF pa tel, ndër të cilat më themelorja është furnizimi me energji DC dhe rregullimi i marrësit. Gjatë një telefonate, tensioni i baterisë do të ndryshojë me ndryshimin e temperaturës dhe kohës. Përveç kësaj, bashkimi i zhurmës nga furnizimi me energji TX VCO dhe Rx VCO gjithashtu do të ndikojë në performancën e të gjithë sistemit. Prandaj, projektuesit përballen me problemin se si të zgjidhet rregullatori i bordit të qarkut RF dhe përbërësit më të lidhur pasivë. Integrimi i këtyre pajisjeve në transmetuesin RF do të thotë që i vetmi komponent i jashtëm i kërkuar është një kondensator i thjeshtë i shkëputjes, i cili lidhet drejtpërdrejt me furnizimin me energji elektrike, i cili jo vetëm që thjeshton dizajnin, por gjithashtu kursen hapësirën e bordit të qarkut.

Një sfidë tjetër për stilistët RF është diapazoni i akordimit të VCO dhe koha e kyçjes. Në të gjitha modelet analoge VCO. Për shkak se shpesh është e nevojshme të balancohet koha e kyçjes dhe diapazoni i akordimit, filtri i lakut zakonisht vendoset jashtë çipit. Ndonjëherë, kjo mund të zgjidhet në kontrollin e softuerit të gamës së akordimit VCO. Sidoqoftë, kjo metodë parashtron kërkesa shtesë për burime për zhvillimin e përgjithshëm të telefonit. Kur funksioni i akordimit dixhital përfshihet në VCO dhe mund të sigurojë vetë kalibrim, mund të merret një gamë e zgjeruar akordimi dhe elementi i filtrit të lakut mund të vendoset në çip. Natyrisht, kjo skemë mund t’u mundësojë inxhinierëve të projektimit të thjeshtojnë punën e tyre.

Për të marrë kontrollin e fuqisë transmetuese të kërkuar nga sistemi GSM, prodhuesit e PA në përgjithësi e përfshijnë këtë funksion në modulin e përforcuesit të fuqisë (PAM). Kontrolluesi i energjisë zakonisht përbëhet nga deri në mijëra porta dixhitale CMOS, të cilat janë bërë në një çip të pavarur në PAM. Ky element do të rrisë koston e PAM me 0.30 dollarë amerikanë ~ 0.40. Integrimi i këtij funksioni në pajisjet RF do t’u mundësojë prodhuesve GaAs PAM të mos blejnë qarqe dixhitale CMOS dhe t’i instalojnë ato në PAM. Për një OEM që prodhon mijëra produkte çdo muaj, heqja e këtij komponenti të tepërt do të zvogëlojë shumë koston e tyre.

Një fushë tjetër ku integrimi i avancuar mund të sjellë kursime të konsiderueshme është VCXO. Në të kaluarën, module të shtrenjta vctcxo u blenë dhe u projektuan në pajisjet RF si përbërës të veçantë. Prandaj, përfshirja e përbërësve të zakonshëm të moduleve vctcxo në pajisjet RF mund të zvogëlojë kostot dhe problemet e lidhura me projektimin. Duke përdorur trf6151, vetëm një kristal dhe varaktor me kosto të ulët kërkohen për të përfunduar funksionin e vctcxo.

Përkundër këtyre integrimeve dhe thjeshtimit të projektimit, inxhinierët e projektimit RF ende përballen me zgjedhje të vështira, njëra prej të cilave është ndjeshmëria e hyrjes dhe konsumi i energjisë Rx. Dihet mirë se sa më e madhe të jetë rryma e përdorur në projektimin e amplifikatorit me zhurmë të ulët (LNA), aq më të ulëta janë karakteristikat e përgjithshme të zhurmës. Inxhinieri i projektimit duhet të përcaktojë buxhetin e përgjithshëm të energjisë së marrësit dhe kërkesat e nivelit të ndjeshmërisë të marrësit. Sidoqoftë, zhurma nuk zvogëlohet me zvogëlimin e fuqisë. Në fakt, është e kundërta. Prandaj, edhe pse mund të plotësojë specifikimet standarde GSM, projektuesit shpesh duhet të pyesin veten nëse ia vlen të paguani çmimin në konsumin e energjisë për të arritur një nivel të caktuar ndjeshmërie. Kjo pyetje shpjegon gjithashtu pse është e nevojshme që inxhinierët e projektimit dhe prodhuesit e IC të bashkëpunojnë ngushtë në të gjithë procesin e projektimit. Reagimet nga inxhinierët e projektimit mund të udhëheqin prodhuesit e IC për t’i shërbyer më mirë industrisë pa tel kur zhvillojnë produktet e ardhshme RF.

Zhvillimi drejt KOS

Ulja e kostos, fuqisë dhe kompleksitetit të sistemeve pa tel është shumë e rëndësishme për të përmbushur me sukses kërkesat e integrimit të sistemit. Sidoqoftë, zhvillimi i zgjidhjeve të integrimit të lartë për telefonat celularë kërkon që industria e gjysmëpërçuesve të kapërcejë pengesat komplekse teknike. Disa nga këto pengesa rrallë shqetësohen nga projektuesit, sepse shumë prej tyre nuk duan të dinë se si prodhohen pajisjet SOC, për aq kohë sa ajo mund të sigurojë performancën e kërkuar. Prandaj, është e nevojshme të kemi një kuptim të shpejtë të disa teknologjive të procesit, të cilat do të ndikojnë në aftësinë dhe disponueshmërinë e pajisjeve të përdorura në integrimin e telefonit celular.

Ekzistojnë disa skema të mundshme për integrimin e sistemit elektronik RF të telefonit celular. Së pari, një arkitekturë tradicionale RF mund të zbatohet në një proces relativisht të thjeshtë bipolar ose BiCMOS duke përdorur teknologji tradicionale. Çipi i fundit RF mund të montohet me funksione logjike dixhitale të telefonit celular duke përdorur teknologjinë e paketimit me shumë çipa (teknologji e paketimit në nivel sistemi). Edhe pse kjo teknologji ka shumë përparësi, të tilla si përdorimi i metodave të njohura të projektimit RF dhe proceseve dhe teknologjive të pjekura, është e vështirë të komercializohet për shkak të kostos së lartë dhe rendimentit të pajisjeve të testimit.

Për më tepër, integrimi i sistemit elektronik të telefonisë celulare mund të merret edhe nga procesi i avancuar i meshë BiCMOS (SiGe). Sidoqoftë, për shkak se përpunimi i pajisjeve SiGe HBT kërkon proces shtesë litografie, çipi përfundimtar do të kërkojë një kosto shtesë. Në të njëjtën kohë, për shkak se teknologjia SiGe BiCMOS nuk mund të përdorë procesin më të avancuar të litografisë, procesi BiCMOS zakonisht mbetet prapa procesit të avancuar digjital CMOS. Këto do të sjellin presion të madh për të rritur karakteristikat e telefonave celularë dhe për të zvogëluar kostot. Nuk mund të zgjidhet me një strategji të thjeshtë të procesit të meshës, sepse kjo teknologji nuk mund ta mbajë logjikën e sistemit ose pjesën dixhitale me çmimin më të ulët të mundshëm në çdo kohë. Prandaj, integrimi monolit i pjesës bazë të sistemit RF të brezit bazë në BiCMOS (ose SiGe) nuk është një zgjedhje e mirë.

Zgjidhja përfundimtare që mund të konsiderohet është integrimi i RF në CMOS, i cili gjithashtu përballet me sfida të konsiderueshme. Edhe pse ka disa modele RF qelizore CMOS, këto modele bazohen kryesisht në funksione analoge. Isshtë e vështirë të zbatosh miksera analoge, filtra dhe përforcues me teknologjinë CMOS, dhe konsumi i energjisë është përgjithësisht më i madh se skema SiGe BiCMOS. Me zhvillimin e teknologjisë së procesit, niveli i vlerësuar i CMOS po bëhet gjithnjë e më i ulët, gjë që e bën dizajnin analog më të vështirë. Në fazën e hershme të zhvillimit të proceseve të reja, modelimi i pajisjes dhe pjekuria e procesit në përgjithësi nuk mund të plotësojnë kërkesat e modelimit të parametrave me saktësi të lartë të kërkuara për hartimin e modulit analog. Sidoqoftë, arkitektura dixhitale CMOS RF e zhvilluar kohët e fundit e bën integrimin monolit CMOS më tërheqës.

Këto zgjidhje gjithashtu nxisin industrinë gjysmëpërçuese pasi prodhuesit kërkojnë zgjidhje me kosto të ulët të sistemit RF të çipave. Edhe pse çdo skemë integrimi ka vështirësi, është vërtet befasuese që integrimi i komponentit RF mund të arrijë një nivel kaq të lartë. Tejkalimi i këtyre vështirësive do të bëjë një hap të madh përpara në hartimin e celularëve pa tel dhe do të vendosë drejtimin për integrim më të madh në të ardhmen e afërt.

Përfundimi i këtij punimi

Ende ka shumë vështirësi në integrimin RF. Çdo pajisje RF e telefonit celular modern është përballur me kërkesa të rrepta të performancës. Kërkesa për ndjeshmëri është rreth – 106dbm (106db nën 1 MW) ose më e lartë, dhe niveli përkatës është vetëm disa mikrovolt; Për më tepër, selektiviteti, domethënë aftësia refuzuese e kanalit të dobishëm në brezin e frekuencës ngjitur (zakonisht i referuar si bllokim), duhet të jetë në rendin prej 60dB; Përveç kësaj, oshilatori i sistemit kërkohet të funksionojë nën zhurmë shumë të ulët të fazës për të parandaluar që energjia bllokuese e palosshme të hyjë në brezin e marrjes. Integrimi RF është shumë i vështirë për shkak të frekuencës shumë të lartë dhe kërkesave jashtëzakonisht të larta të performancës.

Përpunimi i standardit me shumë frekuenca sjell një sfidë të vërtetë për të gjithë frekuencën e SOC. Shpresohet të zvogëlojë ngacmimin e krijuar nga transmetimi i sinjalit në brez. Përmbajtja e integrimit dixhital RF është shumë më tepër sesa vendosja e përbërësve të shumtë RF në një çip. Nevojitet një arkitekturë e re e ndarjes së harduerit.

Për projektuesit e sistemit, pajisjet aktuale të thjeshta, shumë të integruara dhe me kosto efektive gjysmëpërçuese mund të zvogëlojnë shumë kompleksitetin e projektimit. Në të njëjtën kohë, ato mund të pasurojnë karakteristikat e pajisjeve pa tel dhe të mbajnë të pandryshuar madhësinë e sistemit, jetën e baterisë dhe koston. Pajisjet e reja shumë të integruara RF gjithashtu mund të eliminojnë disa mosmarrëveshje në dizajnin pa tel dhe të kursejnë kohën e vlefshme të inxhinierëve.