Смањите број компоненти и смањите површину плоча путем бежичне РФ интеграције

У данашњим бежичним уређајима више од половине компоненти на плочи су аналогни РФ уређаји. Због тога је ефикасан начин да се смањи површина штампане плоче и потрошња енергије спровођење веће РФ интеграције и развој према чипу на нивоу система. Овај рад представља развојни статус РФ интеграције и нуди неке противмере и решења за неке од ових проблема.

Прије неколико година, тржиштем мобилних телефона доминирали су једнопојасни и двопојасни једномодни телефони, а кориштена је технологија само ??? Држите једну или две ћелијске траке у свему ??? Иста метода модулације, вишеканална шема приступа и протокол усвојени су у фреквенцијском опсегу задржавања. Насупрот томе, дизајн данашње нове генерације мобилних телефона много је сложенији и може пружити вишепојасни и вишережимски рад ??? Има Блуетоотх личну мрежу, ГПС позиционирање и друге функције, а почеле су се појављивати и УВБ и ТВ пријемне функције. Осим тога, апликације попут игара, слика, звука и видеа постале су врло честе на мобилним телефонима.

Бежични телефон постаје сложени уређај који се назива ручни лични забавни центар. Његов развојни тренд наставља да доноси нове изазове дизајнерима. Иако су у поређењу са мобилним телефонима са само гласовном функцијом, нова генерација мобилних телефона значајно порасла у комуникацији, обради апликација, броју РФ интерфејса и интегрисаном капацитету меморије, корисници и даље очекују да ће мобилни телефони имати мању запремину, поједностављен облик, низак цену и велики дисплеј у боји, може да обезбеди време у приправности и време разговора слично традиционалним говорним телефонима. Одржавајући постојећу укупну величину и потрошњу енергије, али повећавајући функцију експоненцијално, уз задржавајући укупну цијену система непромијењеном, све то представља велики проблем дизајнерима система.

Очигледно, проблем укључује све делове целог дизајна система, као и добављаче свих бежичних комуникационих и забавних садржаја. Једна област која је посебно ефикасна у смањењу површине плоче и потрошње енергије је РФ део дизајна бежичног система. То је зато што у данашњем типичном мобилном телефону више од половине компоненти на плочи чине аналогне РФ компоненте, које заједно чине 30-40% целе површине плоче, као што су Блуетоотх РФ системи попут ГПС-а и ВЛАН-а. повећати захтеве за простором.

Решење је да се изврши већа РФ интеграција и коначно развије у потпуно интегрисани системски чип. Неки дизајнери стављају аналогно-дигиталне претвараче у антену како би смањили укупан простор на плочи који је потребан за РФ функције. Када технологија интеграције полуводича може интегрирати више функција у један уређај, број дискретних уређаја и простор на плочи који се користе за смјештај ових уређаја ће се сходно томе смањити. Како се индустрија буде кретала ка интеграцији чипова на системском нивоу, дизајнери ће наставити да проналазе нове технологије како би одговорили на контрадикцију између веће сложености РФ и дужег трајања батерије у малим бежичним уређајима.

Статус развоја РФ интеграције

Важан развој РФ интеграције појавио се пре око две године. У то време, развој РФ технологије и дигиталног модема у основном опсегу омогућио је замену суперхетеродинских РФ уређаја са пријемницима са директном конверзијом у бежичним мобилним телефонима. Суперхетеродински РФ уређаји користе вишестепене миксере, филтере и вишенапонске контролисане осцилаторе (ВЦО), који се добро користе дуги низ година, али интеграција РФ уређаја са директном конверзијом фреквенција може у великој мери смањити укупан број ГСМ РФ компоненти. Крајем 1990 -их, типични једносистемски суперхетеродински РФ подсистем укључивао је ПА, антенски прекидач, ЛДО, мали сигнал РФ и вцтцко, за које је било потребно око 200 дискретних уређаја; Данас можемо дизајнирати систем за директну конверзију фреквенције са четворопојасном функцијом, који интегрише ВЦО, ВЦКСО и ПЛЛ филтер петље, али је његов број компоненти мањи од 50. Слика 1: четворопојасни ГСМ примопредајник са високом интеграцијом.

На пример, примопредајник трф6151 (слика 1) компаније Текас Инструментс за ГСМ укључује регулатор напона на чипу, ВЦО и ВЦО канал, контролу снаге ПА, детекцију блокатора ивице филтера петље ПЛЛ, контролу ЛНА појачања корак по корак и ВЦКСО.

За дизајнере, напредна интеграција помаже у превазилажењу неких великих проблема у бежичној РФ, међу којима је најосновнији ДЦ напајање и регулација примопредајника. Током позива, напон батерије ће се мењати са променом температуре и времена. Осим тога, спречавање буке из извора напајања ТКС ВЦО и Рк ВЦО такође ће утицати на перформансе целог система. Стога се дизајнери суочавају с проблемом како ријешити регулатор РФ плоча и већину сродних пасивних компоненти. Интегрисање ових уређаја у РФ примопредајник значи да је једина потребна спољна компонента једноставан кондензатор за раздвајање, који је директно повезан са извором напајања, што не само да поједностављује дизајн, већ и штеди простор на плочи.

Још један изазов за РФ дизајнере је распон подешавања ВЦО и време закључавања. У свим аналогним ВЦО изведбама. Пошто је често потребно уравнотежити време закључавања и распон подешавања, филтер петље се обично поставља изван чипа. Понекад се то може решити софтверском контролом опсега подешавања ВЦО. Међутим, ова метода поставља додатне потребе за ресурсима за укупан развој телефона. Када је функција дигиталног подешавања укључена у ВЦО и може обезбедити самокалибрацију, може се добити проширени опсег подешавања, а филтер елемент петље може се поставити у чип. Очигледно, ова шема може омогућити инжењерима дизајна да поједноставе свој рад.

Да би добили контролу снаге предајника коју захтева ГСМ систем, произвођачи ПА генерално укључују ову функцију у модул појачала снаге (ПАМ). Контролер снаге обично се састоји од до хиљада дигиталних ЦМОС капија, које су направљене у независном чипу у ПАМ -у. Овај елемент ће повећати цену ПАМ -а за 0.30 ~ 0.40 УСД. Интегрисање ове функције у РФ уређаје омогућиће произвођачима ГаАс ПАМ -а да не купују дигитална ЦМОС кола и да их инсталирају у ПАМ. За ОЕМ -а који производи хиљаде производа сваког месеца, уклањање ове сувишне компоненте увелико ће смањити њихове трошкове.

Још једно подручје у којем напредна интеграција може донијети значајне уштеде је ВЦКСО. Раније су скупи вцтцко модули куповани и дизајнирани у РФ уређајима као дискретне компоненте. Стога укључивање заједничких компоненти вцтцко модула у РФ уређаје може смањити трошкове и с тим повезане проблеме у дизајну. Користећи трф6151, само су јефтини кристал и варактор потребни за довршавање функције вцтцко.

Упркос овој интеграцији и поједностављењу дизајна, инжењери РФ дизајна и даље се суочавају са тешким изборима, од којих је један осетљивост на улазу и Рк потрошња енергије. Добро је познато да што је већа струја која се користи у дизајну појачала с ниским шумом (ЛНА), то су ниже укупне карактеристике шума. Инжењер пројектанта мора утврдити укупан буџет снаге пријемника и захтеве за ниво осетљивости пријемника. Међутим, бука се не смањује са смањењем снаге. У ствари, управо је супротно. Стога, иако може задовољити спецификацију ГСМ стандарда, дизајнери се често морају запитати да ли је вриједно платити цијену потрошње енергије да би се постигао одређени ниво осјетљивости. Ово питање такође објашњава зашто је потребно да инжењери дизајна и произвођачи ИЦ блиско сарађују у целом процесу пројектовања. Повратне информације инжењера дизајна могу упутити произвођаче ИЦ -а да боље служе бежичној индустрији при развоју будућих РФ производа.

Развој према СОЦ

Смањивање трошкова, снаге и сложености бежичних система је веома важно за успешно испуњавање захтева системске интеграције. Међутим, развој високих интеграционих решења за мобилне телефоне захтева од индустрије полупроводника да превазиђе сложене техничке препреке. Дизајнере ретко забрињавају неке од ових препрека, јер многи од њих не желе да знају како се производе СОЦ уређаји, све док могу да обезбеде потребне перформансе. Због тога је потребно брзо разумевање неких процесних технологија, које ће утицати на могућности и доступност уређаја који се користе у интеграцији мобилних телефона.

Постоји неколико изводљивих шема за интеграцију РФ електронског система мобилних телефона. Прво, традиционална РФ архитектура може се имплементирати у релативно једноставан биполарни или БиЦМОС процес коришћењем традиционалне технологије. Завршни РФ чип може се саставити са функцијама дигиталне логике мобилног телефона коришћењем технологије паковања са више чипова (технологија паковања на нивоу система). Иако ова технологија има многе предности, као што је коришћење познатих метода РФ пројектовања и зрелих процеса и технологија, тешко ју је комерцијализовати због високих цена и приноса тестних уређаја.

Осим тога, интеграција електронског система мобилних телефона такође се може постићи напредним БиЦМОС (СиГе) процесом резања. Међутим, будући да обрада СиГе ХБТ уређаја захтева додатни процес литографије, коначни чип ће захтевати додатне трошкове. У исто време, јер СиГе БиЦМОС технологија не може да користи најнапреднији процес литографије, БиЦМОС процес обично заостаје за напредним дигиталним ЦМОС процесом. То ће довести до великог притиска за повећање карактеристика мобилних телефона и смањење трошкова. То се не може решити једноставном стратегијом обраде плочица, јер ова технологија не може у сваком тренутку одржати системску логику или дигитални део на најнижој могућој цени. Због тога монолитна интеграција РФ основног појаса система у БиЦМОС (или СиГе) није добар избор.

Коначно решење које се може узети у обзир је РФ интеграција у ЦМОС, која се такође суочава са значајним изазовима. Иако постоји неколико ЦМОС ћелијских РФ дизајна, ови дизајни су у великој мери засновани на аналогним функцијама. Тешко је имплементирати аналогне миксере, филтере и појачала са ЦМОС технологијом, а потрошња енергије је генерално већа од СиГе БиЦМОС шеме. Развојем процесне технологије, оцењени ниво ЦМОС -а постаје све нижи и нижи, што отежава аналогни дизајн. У раној фази развоја нових процеса, моделирање уређаја и зрелост процеса опћенито не могу задовољити захтјеве високопрецизног моделирања параметара потребних за дизајн аналогних модула. Међутим, недавно развијена дигитална ЦМОС РФ архитектура чини монолитну ЦМОС интеграцију привлачнијом.

Ова решења такође покрећу индустрију полупроводника јер произвођачи траже јефтина чип решења на нивоу РФ система. Иако свака схема интеграције има потешкоћа, заиста је изненађујуће да интеграција РФ компоненти може досећи тако висок ниво. Превазилажење ових потешкоћа учиниће велики корак напред у дизајну бежичних мобилних телефона и поставити смер за већу интеграцију у блиској будућности.

Закључак овог рада

Још увек постоје многе потешкоће у интеграцији РФ. Сваки РФ уређај савременог мобилног телефона суочава се са строгим захтевима у погледу перформанси. Захтев за осетљивост је око – 106дбм (106дб испод 1 МВ) или већи, а одговарајући ниво је само неколико микроволти; Осим тога, селективност, односно способност одбацивања корисног канала у суседни опсег фреквенција (обично се назива блокирање), треба да буде реда величине 60 дБ; Осим тога, од системског осцилатора је потребно да ради под врло ниским фазним шумом како би се спречило да енергија блокирања преклапања уђе у пријемни опсег. РФ интеграција је веома тешка због веома високих фреквенција и изузетно захтевних перформанси.

Обрада вишефреквентног стандарда доноси прави изазов читавој СОЦ фреквенцији. Надамо се да ће смањити побуду генерисану при преносу сигнала у опсегу. Садржај дигиталне РФ интеграције је много више од стављања више РФ компоненти у један чип. Потребна је нова архитектура дељења хардвера.

За дизајнере система, садашњи једноставни, високо интегрисани и исплативи полупроводнички уређаји могу у великој мери смањити сложеност пројектовања. Истовремено, они могу обогатити карактеристике бежичних уређаја и задржати величину система, трајање батерије и цену непромењеним. Нови високо интегрисани РФ уређаји такође могу елиминисати неке спорове у дизајну бежичне мреже и уштедети драгоцено време инжењерима.