Minska antalet komponenter och minska området för Kretskortet genom trådlös RF -integration

I dagens trådlösa enheter är mer än hälften av komponenterna på kretskortet analoga RF -enheter. Därför är ett effektivt sätt att minska kretskortets yta och strömförbrukning att genomföra mer storskalig RF-integration och utvecklas mot systemnivåchip. Detta dokument presenterar utvecklingsstatus för RF -integration och lägger fram några motåtgärder och lösningar på några av dessa problem.

För några år sedan dominerades mobiltelefonmarknaden av singel- och dubbelbandsläge, och tekniken som användes var bara ??? Håller du ett eller två mobilband ??? Samma moduleringsmetod, flerkanaligt åtkomstschema och protokoll antas i hållfrekvensbandet. Däremot är utformningen av dagens nya generation av mobiltelefoner mycket mer komplex och kan ge multiband och multiläge ??? Den har Bluetooth -personligt nätverk, GPS -positionering och andra funktioner, och UWB- och TV -mottagningsfunktioner har börjat dyka upp. Dessutom har applikationer som spel, bilder, ljud och video blivit mycket vanliga i mobiltelefoner.

Trådlös telefon blir en komplex enhet som kallas handhållen personlig underhållningscenter. Dess utvecklingstrend fortsätter att medföra fler utmaningar för designers. Även om den nya generationens mobiltelefoner jämfört med mobiltelefoner med enbart röstfunktion har ökat avsevärt inom kommunikationsbehandling, applikationsbehandling, antalet RF -gränssnitt och integrerad minneskapacitet, förväntar sig användarna fortfarande att mobiltelefoner har mindre volym, strömlinjeformad form, låg pris och stor färgdisplay, Det kan ge vänteläge och samtalstid liknande traditionella rösttelefoner. Att bibehålla den befintliga totala storleken och energiförbrukningen, men göra att funktionen ökar exponentiellt, samtidigt som den totala systemkostnaden bibehålls oförändrad, innebär alla dessa många problem för systemdesignerna.

Uppenbarligen handlar problemet om alla delar av hela systemdesignen, liksom leverantörerna av allt trådlöst kommunikations- och underhållningsinnehåll. Ett område som är särskilt effektivt för att minska kortytan och strömförbrukningen är RF -delen av trådlös systemdesign. Detta beror på att i dagens vanliga mobiltelefon är mer än hälften av komponenterna på kortet analoga RF-komponenter, som tillsammans står för 30-40% av hela kortet, till exempel Bluetooth RF-system som GPS och WLAN också mycket öka kraven på plats.

Lösningen är att genomföra mer storskalig RF-integration och slutligen utvecklas till ett fullt integrerat systemnivåchip. Vissa designers sätter analog-till-digital-omvandlare i antennen för att minska det totala kretskortutrymmet som krävs för RF-funktioner. När halvledarintegrationstekniken kan integrera fler funktioner i en enda enhet, kommer antalet diskreta enheter och kretskortutrymmet som används för att rymma dessa enheter att minskas i enlighet därmed. När branschen går mot chipintegration på systemnivå kommer designers fortsätta att hitta ny teknik för att möta motsättningen mellan högre RF -komplexitet och längre batteritid i små trådlösa enheter.

Utvecklingsstatus för RF -integration

En viktig utveckling av RF -integration dök upp för ungefär två år sedan. Vid den tiden gjorde utvecklingen av RF -teknik och digitalt basbandsmodem det möjligt att byta ut superheterodyne RF -enheter mot direktkonverteringsmottagare i trådlösa mobiltelefoner. Superheterodyne RF -enheter använder flerstegsblandare, filter och multipelspänningsstyrda oscillatorer (VCO), som har använts väl i många år, men integrationen av RF -enheter med direkt frekvensomvandling kan kraftigt minska det totala antalet GSM RF -komponenter. I slutet av 1990 -talet inkluderade ett typiskt enda band superheterodyne RF -delsystem PA, antennomkopplare, LDO, liten signal RF och vctcxo, som kräver cirka 200 diskreta enheter; Idag kan vi designa ett direktfrekvensomvandlingssystem med fyra bandfunktion, som integrerar VCO-, VCXO- och PLL -slingfilter, men dess antal komponenter är mindre än 50. Figur 1: GSM -sändtagare med fyra band med hög integration.

Till exempel inkluderar transceivern trf6151 (figur 1) från Texas Instruments for GSM on-chip spänningsregulator, VCO- och VCO-kanal, PA-effektkontroll, PLL-loopfilterkantdetektering, LNA-förstärkning steg för steg och VCXO.

För designers hjälper avancerad integration att övervinna några stora problem inom trådlös RF, bland vilka den mest grundläggande är DC -strömförsörjningen och reglering av transceivern. Under ett samtal kommer batterispänningen att ändras med ändring av temperatur och tid. Dessutom kommer bullerkopplingen från TX VCO och Rx VCO strömförsörjning också att påverka prestanda för hela systemet. Därför ställs designers inför problemet med hur man löser RF -kretskortets regulator och de flesta relaterade passiva komponenter. Att integrera dessa enheter i RF -sändtagaren innebär att den enda externa komponenten som krävs är en enkel frikopplingskondensator, som är direkt ansluten till strömförsörjningen, vilket inte bara förenklar designen utan också sparar kretskortets utrymme.

En annan utmaning för RF -designers är VCO -inställningsintervall och låstid. I alla analoga VCO -utföranden. Eftersom det ofta är nödvändigt att balansera låstiden och inställningsområdet placeras slingfiltret vanligtvis utanför chipet. Ibland kan detta lösas i programvarukontrollen av VCO -inställningsområdet. Denna metod ställer dock ytterligare resurskrav för den övergripande utvecklingen av telefon. När den digitala inställningsfunktionen ingår i VCO och kan tillhandahålla självkalibrering kan ett utökat inställningsintervall erhållas och slingfilterelementet kan placeras i chipet. Uppenbarligen kan detta schema göra det möjligt för designingenjörer att förenkla sitt arbete.

För att få den sändareffektkontroll som krävs av GSM -systemet inkluderar PA -tillverkare i allmänhet denna funktion i effektförstärkarmodulen (PAM). Strömkontrollen består vanligtvis av upp till tusentals digitala CMOS -grindar, som är gjorda i ett oberoende chip i PAM. Detta element kommer att öka kostnaden för PAM med 0.30 ~ 0.40 US $. Genom att integrera denna funktion i RF -enheter kan GaAs PAM -tillverkare inte köpa digitala CMOS -kretsar och installera dem i PAM. För en OEM -tillverkare som producerar tusentals produkter varje månad kommer att ta bort denna redundanta komponent kraftigt minska deras kostnad.

Ett annat område där avancerad integration kan ge betydande besparingar är VCXO. Tidigare har dyra vctcxo -moduler köpts och utformats i RF -enheter som diskreta komponenter. Därför kan integrering av vanliga komponenter i vctcxo -moduler i RF -enheter minska kostnader och relaterade designproblem. Med trf6151 krävs endast en billig kristall och varaktor för att slutföra funktionen av vctcxo.

Trots denna integration och designförenkling står RF -designingenjörer fortfarande inför svåra val, varav en är ingångskänslighet och Rx -strömförbrukning. Det är välkänt att ju större ström som används vid utformningen av lågbrusförstärkare (LNA), desto lägre är de totala brusegenskaperna. Designingenjören måste bestämma mottagarens totala effektbudget och mottagarens krav på känslighetsnivå. Bruset minskar dock inte med minskad effekt. I själva verket är det tvärtom. Därför, även om den kan uppfylla GSM -standardspecifikationen, måste designers ofta fråga sig själva om det är värt att betala priset i strömförbrukning för att uppnå en viss känslighetsnivå. Denna fråga förklarar också varför det är nödvändigt för designingenjörer och IC -tillverkare att samarbeta nära i hela designprocessen. Feedback från designingenjörer kan vägleda IC -tillverkare att bättre tjäna den trådlösa industrin när de utvecklar framtida RF -produkter.

Utvecklas mot SOC

Att minska kostnaderna, kraften och komplexiteten hos trådlösa system är mycket viktigt för att framgångsrikt uppfylla kraven för systemintegration. Utvecklingen av högintegrationslösningar för mobiltelefoner kräver dock att halvledarindustrin måste övervinna komplexa tekniska hinder. Några av dessa hinder är sällan berörda av designers, eftersom många av dem inte vill veta hur SOC -enheter tillverkas, så länge det kan ge den nödvändiga prestandan. Därför är det nödvändigt att ha en snabb förståelse för vissa processtekniker, vilket kommer att påverka möjligheten och tillgängligheten för enheter som används i mobiltelefonintegration.

Det finns flera genomförbara system för integration av mobiltelefonens RF -elektroniska system. För det första kan en traditionell RF -arkitektur implementeras i en relativt enkel bipolär eller BiCMOS -process med traditionell teknik. Det slutliga RF -chipet kan monteras med mobiltelefonens digitala logikfunktioner med hjälp av multi -chip -förpackningsteknik (förpackningsteknik på systemnivå). Även om denna teknik har många fördelar, till exempel att använda välkända RF -designmetoder och mogna processer och tekniker, är det svårt att kommersialisera på grund av de höga kostnaderna och avkastningen på testanordningar.

Dessutom kan integrationen av mobiltelefonens elektroniska system också erhållas genom avancerad BiCMOS (SiGe) skivprocess. Eftersom behandlingen av SiGe HBT -enheter kräver ytterligare litografiprocess kommer det sista chipet att kräva en extra kostnad. Samtidigt, eftersom SiGe BiCMOS -tekniken inte kan använda den mest avancerade litografiprocessen, hänger BiCMOS -processen vanligtvis efter den avancerade digitala CMOS -processen. Dessa kommer att ge stort tryck för att öka mobiltelefonernas egenskaper och sänka kostnaderna. Det kan inte lösas med en enkel skivprocessstrategi, eftersom denna teknik inte kan hålla systemlogiken eller den digitala delen till lägsta möjliga pris hela tiden. Därför är monolitisk integration av systembasbandsfunktions RF -del i BiCMOS (eller SiGe) inte ett bra val.

Den slutliga lösningen som kan övervägas är RF -integration i CMOS, som också står inför stora utmaningar. Även om det finns flera CMOS cellulära RF -konstruktioner, är dessa konstruktioner till stor del baserade på analoga funktioner. Det är svårt att implementera analoga blandare, filter och förstärkare med CMOS -teknik, och strömförbrukningen är i allmänhet större än SiGe BiCMOS -schemat. Med utvecklingen av procesteknik blir CMOS -klassade nivåer lägre och lägre, vilket gör den analoga designen svårare. I ett tidigt skede av utvecklingen av nya processer kan enhetsmodellering och processmognad i allmänhet inte uppfylla kraven för högprecisionsparametermodellering som krävs för analog moduldesign. Den nyligen utvecklade digitala CMOS RF -arkitekturen gör dock monolitisk CMOS -integration mer attraktiv.

Dessa lösningar driver också halvledarindustrin eftersom tillverkare söker billiga chiplösningar för RF-systemnivå. Även om varje integrationsschema har svårigheter är det verkligen förvånande att integrationen av RF -komponenter kan nå en så hög nivå. Att övervinna dessa svårigheter kommer att ta ett stort steg framåt i utformningen av trådlösa mobiltelefoner och sätta in riktningen för större integration inom en snar framtid.

Slutsats av detta dokument

Det finns fortfarande många svårigheter med RF -integration. Varje RF -enhet i modern mobiltelefon ställs inför strikta prestandakrav. Känslighetskravet är cirka – 106dbm (106db under 1 MW) eller högre, och motsvarande nivå är bara några mikrovolt; Dessutom bör selektivitet, det vill säga avvisningsförmågan hos den användbara kanalen till det intilliggande frekvensbandet (vanligen kallad blockering), vara i storleksordningen 60dB; Dessutom krävs att systemoscillatorn arbetar under mycket låg fasbrus för att förhindra att vikande blockerande energi kommer in i det mottagande bandet. RF -integration är mycket svårt på grund av de mycket höga frekvenserna och extremt höga kraven på prestanda.

Att bearbeta multifrekvensstandard innebär en verklig utmaning för hela SOC -frekvensen. Man hoppas kunna minska excitationen som genereras av vid bandsignalöverföring. Innehållet i digital RF -integration är mycket mer än att lägga flera RF -komponenter i ett chip. En ny arkitektur för hårdvarudelning behövs.

För systemdesigners kan de nuvarande enkla, högintegrerade och kostnadseffektiva halvledarenheterna kraftigt minska konstruktionens komplexitet. Samtidigt kan de berika egenskaperna hos trådlösa enheter och behålla systemets storlek, batteritid och kostnad oförändrad. De nya högintegrerade RF -enheterna kan också eliminera vissa tvister i trådlös design och spara ingenjörernas värdefulla tid.