Ngurangan jumlah komponén sareng ngirangan daérah circuit board ngaliwatan integrasi RF nirkabel

Dina alat nirkabel ayeuna, langkung ti satengah komponén dina circuit board nyaéta parangkat analog RF. Maka, cara anu épéktip pikeun ngirangan daérah papan sirkuit sareng konsumsi kakuatan nyaéta ngalaksanakeun integrasi RF langkung ageung sareng mekarkeun arah chip tingkat sistem. Tulisan ieu ngenalkeun status pamekaran integrasi RF, sareng ngajantenkeun sababaraha tindakan balas sareng solusi pikeun sababaraha masalah ieu.

Sababaraha taun ka pengker, pasar telepon sélulér didominasi ku telepon tunggal-mode tunggal band sareng dual band, sareng téknologi anu dianggo hungkul ??? Ngagem hiji atanapi dua pita sélulér sadayana ??? Metodeu modulasi anu sami, skéma aksés multi-kanal sareng protokol diadopsi dina pita frékuénsi anu nyepeng. Kontrasna, desain telepon sélulér generasi ayeuna ayeuna langkung rumit sareng tiasa nyayogikeun multi band sareng multi-mode ??? Éta ngagaduhan jaringan area pribadi Bluetooth, posisi GPS sareng fungsi sanésna, sareng fungsi panampi UWB sareng TV parantos mimiti némbongan. Salaku tambahan, aplikasi sapertos kaulinan, gambar, audio sareng pidéo parantos umum di telepon sélulér.

Telepon nirkabel janten alat rumit anu disebut pusat hiburan pribadi genggem. Tren pamekaranana terus nyangking langkung seueur tantangan pikeun désainer. Sanaos dibandingkeun sareng telepon sélulér kalayan ngan ukur fungsi sora, generasi anyar ponsel parantos ningkat sacara signifikan dina pamrosésan komunikasi, pamrosésan aplikasi, jumlah panganteur RF sareng kapasitas memori terpadu, pangguna masih ngarepkeun telepon sélulér ngagaduhan volume anu langkung alit, bentukna streamline, low harga sareng tampilan warna anu ageung, Éta tiasa nyayogikeun waktos sayaga sareng waktos ngobrol sapertos telepon sora tradisional. Ngajaga ukuran anu parantos aya sareng konsumsi kakuatan, tapi ngajantenkeun fungsi naék sacara éksponénsial, bari ngajaga biaya sistem sacara umum henteu robih, sadayana ieu nimbulkeun seueur masalah ka désainer sistem.

Jelas, masalahna ngalibatkeun sadaya bagian tina desain sistem anu lengkep, ogé panyadia pikeun sadaya komunikasi nirkabel sareng eusi hiburan. Hiji daérah anu sacara khusus épéktip dina ngirangan luas papan sareng konsumsi kakuatan mangrupikeun bagian RF tina desain sistem nirkabel. Ieu kusabab dina telepon sélulér has dinten ieu, langkung ti satengah komponén dina dewan mangrupikeun komponén RF analog, anu sasarengan nyumbang 30-40% tina sakumna papan, sapertos sistem Bluetooth RF sapertos GPS sareng WLAN ogé bakal ageung ningkatkeun sarat pikeun rohangan.

Jalanna nyaéta ngalaksanakeun integrasi RF langkung ageung sareng akhirna ngembangkeun janten chip tingkat sistem anu terintegrasi lengkep. Sababaraha désainer nempatkeun konvérter analog-ka-digital kana anteneu pikeun ngirangan total ruang circuit board anu diperyogikeun pikeun fungsi RF. Nalika téknologi integrasi semikonduktor tiasa ngahijikeun langkung seueur fungsi dina hiji alat, jumlah alat diskrit sareng rohangan papan sirkuit anu dianggo pikeun nampung alat-alat ieu bakal dikirangan saluyu. Nalika industri ngalih kana integrasi chip tingkat sistem, désainer bakal teras mendakan téknologi énggal pikeun patandingan kontradiksi antara pajeulitna RF anu langkung luhur sareng umur batre anu langkung lami dina alat nirkabel alit.

Status pangwangunan integrasi RF

Perkembangan penting integrasi RF muncul kira-kira dua taun ka pengker. Dina waktos éta, pamekaran téknologi RF sareng modem baseband digital dimungkinkeun pikeun ngaganti alat RF superheterodyne ku panarima konversi langsung turun dina telepon sélulér nirkabel. Alat RF Superheterodyne nganggo mixer multistage, saringan sareng osilator dikawasa sababaraha voltase (VCOs), anu parantos dianggo mangtaun-taun, tapi integrasi alat RF konversi frékuénsi langsung tiasa ngirangan total jumlah komponén GSM RF. Dina akhir taun 1990an, subsistem RF superheterodyne band has kaasup PA, antena switch, LDO, sinyal leutik RF sareng vctcxo, meryogikeun sakitar 200 alat diskrit; Dinten ayeuna, urang tiasa ngarancang sistem konvérsi frékuénsi langsung sareng opat fungsi band, anu ngahijikeun VCO, VCXO sareng filter loop PLL, tapi jumlah komponénna kirang ti 50. Gambar 1: opat band GSM transceiver kalayan integrasi tinggi.

Salaku conto, transceiver trf6151 (Gambar 1) Texas Instruments for GSM kalebet regulator tegangan on-chip, saluran VCO sareng VCO, kontrol kakuatan PA, PLL loop filter edge blocker detection, LNA gain step-by-step control sareng VCXO.

Pikeun désainer, integrasi canggih ngabantosan masalah anu penting dina RF nirkabel, diantarana anu paling dasar nyaéta catu daya DC sareng régulasi transceiver. Salami keur nelepon, tegangan batréna bakal robih ku robihna suhu sareng waktos. Salaku tambahan, gandeng noise ti TX VCO sareng suplai kakuatan Rx VCO ogé bakal mangaruhan kinerja sadaya sistem. Ku alatan éta, désainer nyanghareupan masalah kumaha ngajawab RF circuit board regulator sareng komponén pasip anu paling aya hubunganana. Ngagabungkeun alat-alat ieu kana transceiver RF hartosna ngan ukur komponén éksternal anu diperyogikeun nyaéta kapasitor decoupling saderhana, anu langsung nyambung kana catu daya, anu henteu ngan ukur nyederhanakeun desainna, tapi ogé ngaheéat rohangan papan sirkuit.

Tantangan anu sanés pikeun désainer RF nyaéta rentang nada VCO sareng waktos ngonci. Dina sadaya desain VCO analog. Kusabab sering perlu nyaimbangkeun waktos ngonci sareng rentang tuning, filter loop biasana ditempatkeun di luar chip. Kadang-kadang, ieu tiasa direngsekeun dina kontrol parangkat lunak kisaran pangaturan VCO. Nanging, metoda ieu nempatkeun syarat sumber daya tambahan pikeun pamekaran telepon sacara umum. Nalika fungsi tuning digital dilebetkeun kana VCO sareng tiasa nyayogikeun kalibrasi diri, kisaran tuning anu diperpanjang tiasa didapet, sareng elemen filter loop tiasa ditempatkeun dina chip. Jelas, skéma ieu tiasa ngaktipkeun insinyur desain pikeun mempermudah karyana.

Pikeun kéngingkeun kadali kakuatan pamancar anu diperyogikeun ku sistem GSM, pabrik PA umumna kalebet fungsi ieu dina modul power amplifier (PAM). Kontroler listrik biasana diwangun dugi ka rébuan gerbang CMOS digital, anu didamel dina chip mandiri di PAM. Unsur ieu bakal ningkatkeun biaya PAM ku US $ 0.30 ~ 0.40. Ngahijikeun fungsi ieu kana alat RF bakal ngaktipkeun pabrik GaAs PAM henteu mésér sirkuit CMOS digital sareng pasang kana PAM. Pikeun OEM ngahasilkeun rébuan produk unggal bulan, ngaluarkeun komponén anu kaleuleuwihi ieu bakal ngirangan biaya aranjeunna.

Daérah sanés anu mana integrasi anu maju tiasa nyandak tabungan anu saé nyaéta VCXO. Baheula, modul vctcxo mahal dibeli sareng dirarancang dina alat RF salaku komponén diskrit. Ku alatan éta, ngalebetkeun komponén umum modul vctcxo kana alat RF tiasa ngirangan biaya sareng masalah desain anu aya hubunganana. Ngagunakeun trf6151, ngan ukur kristal murah sareng varactor diperyogikeun pikeun ngalengkepan fungsi vctcxo.

Sanaos integrasi sareng desain saderhana ieu, insinyur desain RF masih nyanghareupan pilihan sesah, salah sahijina nyaéta sensitipitas input sareng konsumsi kakuatan Rx. Perlu dipikaterang yén arus anu langkung ageung dianggo dina desain low noise amplifier (LNA), nurunkeun karakteristik noise sacara umum. Insinyur desain kedah nangtoskeun total anggaran kakuatan panarima sareng tingkat tingkat sensitipitas anu nampi. Nanging, gogorowokanna henteu turun kalayan ngirangan kakuatan. Nyatana, éta sabalikna. Kusabab kitu, sanaos tiasa nyumponan spésifikasi standar GSM, désainer kedah sering naros ka diri naha pantes mayar harga dina konsumsi kakuatan pikeun ngahontal tingkat sensitipitas anu tangtu. Patarosan ieu ogé ngajelaskeun naha perlu pikeun insinyur desain sareng pabrikan IC kanggo damel babarengan caket dina prosés desain sadayana. Umpan balik ti insinyur desain tiasa ngabimbing pabrik IC supados langkung saé ngalayanan industri nirkabel nalika ngembangkeun produk RF ka hareup.

Ngembangkeun nuju SOC

Ngurangan biaya, kakuatan sareng pajeulitna sistem nirkabel penting pisan pikeun hasil nyumponan sarat integrasi sistem. Nanging, pamekaran solusi integrasi tinggi pikeun telepon sélulér ngabutuhkeun industri semikonduktor pikeun ngungkulan halangan téknis anu rumit. Sababaraha halangan ieu jarang diperhatoskeun ku desainer, sabab seueur diantarana henteu hoyong terang kumaha alat SOC didamel, Salami éta tiasa nyayogikeun performa anu dibutuhkeun. Kusabab kitu, perlu pikeun gancang ngartos sababaraha téknologi prosés, anu bakal mangaruhan kamampuan sareng kasadiaan alat anu dianggo dina integrasi telepon sélulér.

Aya sababaraha skéma anu tiasa dilakukeun pikeun integrasi sistem éléktronik RF telepon sélulér. Mimiti, arsitektur RF tradisional tiasa dilaksanakeun dina prosés bipolar atanapi BiCMOS anu kawilang saderhana nganggo téknologi tradisional. Chip RF akhir tiasa dirakit ku fungsi logika digital telepon sélulér nganggo téknologi kemasan multi chip (téknologi kemasan tingkat sistem). Sanaos téknologi ieu ngagaduhan seueur kaunggulan, sapertos ngagunakeun metode desain RF akrab sareng prosés sareng téknologi anu asak, sesah dikomersialkeun kusabab mahalna ongkos sareng ngahasilkeun alat uji.

Salaku tambahan, integrasi sistem éléktronik telepon sélulér ogé tiasa diala ku prosés wafer BiCMOS canggih (SiGe). Nanging, ku sabab ngolah alat-alat SiGe HBT peryogi prosés litografi tambahan, chip akhir bakal meryogikeun biaya tambahan. Dina waktos anu sasarengan, kusabab téknologi SiGe BiCMOS teu tiasa nganggo prosés litografi anu paling canggih, prosés BiCMOS biasana ketinggalan prosés CMOS digital anu maju. Ieu bakal nyandak tekanan anu saé pikeun ningkatkeun ciri telepon sélulér sareng ngirangan biaya. Éta henteu tiasa direngsekeun ku stratégi prosés wafer saderhana, sabab téknologi ieu henteu tiasa ngajaga sistem logika atanapi bagian digital dina harga anu paling handap dina unggal waktos. Maka, integrasi monolitik sistem baseband fungsi bagian RF dina BiCMOS (atanapi SiGe) sanés pilihan anu saé.

Solusi akhir anu tiasa dipertimbangkeun nyaéta integrasi RF dina CMOS, anu ogé nyanghareupan tantangan anu cukup. Sanaos aya sababaraha desain RF sélulér CMOS, desain ieu kalolobaanana dumasarkeun kana fungsi analog. Hésé pikeun nerapkeun mixer analog, saringan sareng amplifier sareng téknologi CMOS, sareng konsumsi kakuatan umumna langkung ageung tibatan skéma SiGe BiCMOS. Kalayan kamekaran téknologi prosés, tingkat dipeunteun CMOS beuki handap sareng handap, anu ngajantenkeun desain analog langkung sesah. Dina tahap awal ngembangkeun prosés anyar, modél parangkat sareng prosés kematangan umumna henteu tiasa nyumponan sarat modél parameter presisi tinggi anu diperyogikeun pikeun desain modul analog. Nanging, arsitéktur CMOS RF digital anu nembé dikembangkeun ngajantenkeun integrasi CMOS monolitik langkung pikaresepeun.

Solusi ieu ogé nyetir industri semikonduktor nalika pabrik milarian solusi chip tingkat tingkat RF murah. Sanaos unggal skéma integrasi ngagaduhan kasusah, leres pisan héran yén integrasi komponén RF tiasa ngahontal tingkat luhur sapertos kitu. Ngungkulan kasusah ieu bakal nyandak léngkah anu penting dina desain ponsel nirkabel sareng nyetél arah pikeun integrasi anu langkung ageung dina waktos anu payun.

Kacindekan tina makalah ieu

Masih seueur kasusah dina integrasi RF. Unggal alat RF tina telepon sélulér modéren nyanghareupan sarat kinerja anu ketat. Sarat sensitipitas sakitar – 106dbm (106db handapeun 1 MW) atanapi langkung luhur, sareng tingkat saluyu ngan ukur sababaraha mikrovolt; Salaku tambahan, seléktivitas, nyaéta kamampuan tampikan tina saluran anu manpaat kana pita frékuénsi anu padeukeut (anu biasa disebut blokir), kedah dina urutan 60dB; Salaku tambahan, osilator sistem diperyogikeun beroperasi dina noise fase anu handap pisan pikeun nyegah lipat ngahalangan énergi tina lebet band anu nampi. Integrasi RF hésé pisan kusabab frékuénsi anu luhur pisan sareng sarat kinerja anu nuntut pisan.

Ngolah standar multi frékuénsi mawa tangtangan anu nyata pikeun frékuénsi SOC. Dipiharep bisa ngirangan éksitasi anu dihasilkeun ku pangiriman sinyal band. Eusi integrasi RF digital langkung seueur tibatan nempatkeun sababaraha komponén RF dina hiji chip. Arsitektur anyar pikeun ngabagi perangkat keras diperyogikeun.

Pikeun désainer sistem, alat semikonduktor anu saderhana, terintegrasi sareng hemat biaya ayeuna tiasa ngirangan kompleksitas desain. Dina waktos anu sami, aranjeunna tiasa ngeuyeuban ciri alat nirkabel sareng ngajaga ukuran sistem, umur batre sareng biaya henteu robih. Alat RF anu terintegrasi anyar ogé tiasa ngaleungitkeun sababaraha perselisihan dina desain nirkabel sareng ngahémat waktos berharga insinyur.