Bileşenlerin sayısını azaltın ve alanını azaltın. devre kartı kablosuz RF entegrasyonu ile

Günümüz kablosuz cihazlarında devre kartı üzerindeki bileşenlerin yarısından fazlası analog RF cihazlarıdır. Bu nedenle, devre kartı alanını ve güç tüketimini azaltmanın etkili bir yolu, daha büyük ölçekli RF entegrasyonu yapmak ve sistem düzeyinde çipe doğru geliştirmektir. Bu makale, RF entegrasyonunun gelişim durumunu tanıtmakta ve bu sorunların bazılarına karşı bazı önlemler ve çözümler sunmaktadır.

Birkaç yıl önce, cep telefonu pazarına tek bantlı ve çift bantlı tek modlu telefonlar hakimdi ve kullanılan teknoloji sadece??? Toplamda bir veya iki hücresel bant tutun ??? Tutma frekansı bandında aynı modülasyon yöntemi, çok kanallı erişim şeması ve protokol benimsenmiştir. Buna karşılık, günümüzün yeni nesil cep telefonlarının tasarımı çok daha karmaşıktır ve çoklu bant ve çoklu mod sağlayabilir??? Bluetooth kişisel alan ağı, GPS konumlandırma ve diğer fonksiyonlara sahip olup, UWB ve TV alma fonksiyonları da görünmeye başlamıştır. Ayrıca cep telefonlarında oyun, görüntü, ses ve video gibi uygulamalar oldukça yaygın hale geldi.

Kablosuz telefon, elde taşınabilir kişisel eğlence merkezi olarak adlandırılan karmaşık bir cihaz haline geliyor. Geliştirme eğilimi, tasarımcılara daha fazla zorluk getirmeye devam ediyor. Yalnızca ses işlevine sahip cep telefonları ile karşılaştırıldığında, yeni nesil cep telefonları iletişim işleme, uygulama işleme, RF arabirimlerinin sayısı ve entegre bellek kapasitesi açısından önemli ölçüde artmış olsa da, kullanıcılar hala cep telefonlarının daha küçük hacimli, aerodinamik biçimli, düşük hacimli olmasını bekliyorlar. fiyat ve geniş renkli ekran, geleneksel sesli telefonlara benzer bekleme ve konuşma süresi sağlayabilir. Mevcut toplam boyutu ve güç tüketimini korumak, ancak genel sistem maliyetini değiştirmeden işlevi katlanarak artırmak, tüm bunlar sistem tasarımcıları için birçok sorun yaratır.

Açıktır ki sorun, tüm sistem tasarımının tüm parçalarını ve tüm kablosuz iletişim ve eğlence içeriğinin tedarikçilerini içerir. Kart alanını ve güç tüketimini azaltmada özellikle etkili olan bir alan, kablosuz sistem tasarımının RF kısmıdır. Bunun nedeni, günümüzün tipik cep telefonunda, karttaki bileşenlerin yarısından fazlasının, GPS ve WLAN gibi Bluetooth RF sistemleri gibi tüm pano alanının %30-40’ını oluşturan analog RF bileşenleri olmasıdır. alan gereksinimlerini artırın.

Çözüm, daha büyük ölçekli RF entegrasyonu gerçekleştirmek ve nihayet tam entegre sistem düzeyinde bir çip haline getirmektir. Bazı tasarımcılar, RF işlevleri için gereken toplam devre kartı alanını azaltmak için analogdan dijitale dönüştürücüleri antene yerleştirir. Yarı iletken entegrasyon teknolojisi, tek bir cihazda daha fazla işlevi entegre edebildiğinde, ayrı cihazların sayısı ve bu cihazları barındırmak için kullanılan devre kartı alanı buna göre azalacaktır. Endüstri sistem düzeyinde çip entegrasyonuna doğru ilerledikçe, tasarımcılar küçük kablosuz cihazlarda daha yüksek RF karmaşıklığı ve daha uzun pil ömrü arasındaki çelişkiyi karşılamak için yeni teknolojiler bulmaya devam edecekler.

RF entegrasyonunun geliştirme durumu

RF entegrasyonunun önemli bir gelişimi yaklaşık iki yıl önce ortaya çıktı. O zamanlar, RF teknolojisinin ve dijital temel bant modemin gelişimi, süperheterodin RF cihazlarının kablosuz cep telefonlarında doğrudan aşağı dönüşüm alıcılarıyla değiştirilmesini mümkün kıldı. Süperheterodin RF cihazları, uzun yıllardır iyi bir şekilde kullanılan çok aşamalı karıştırıcılar, filtreler ve çoklu voltaj kontrollü osilatörler (VCO’lar) kullanır, ancak doğrudan frekans dönüştürme RF cihazlarının entegrasyonu, GSM RF bileşenlerinin toplam sayısını büyük ölçüde azaltabilir. 1990’ların sonlarında, tipik bir tek bantlı süperheterodin RF alt sistemi, yaklaşık 200 ayrı cihaz gerektiren PA, anten anahtarı, LDO, küçük sinyal RF ve vctcxo’yu içeriyordu; Bugün VCO, VCXO ve PLL döngü filtresini entegre eden, ancak bileşen sayısı 50’den az olan dört bant işlevli bir doğrudan frekans dönüştürme sistemi tasarlayabiliriz. Şekil 1: Yüksek entegrasyonlu dört bantlı GSM alıcı-verici.

Örneğin, Texas Instruments for GSM’in alıcı-vericisi trf6151 (Şekil 1) çip üzerinde voltaj regülatörü, VCO ve VCO kanalı, PA güç kontrolü, PLL döngü filtresi kenar engelleyici algılama, LNA kazanç adım adım kontrolü ve VCXO’yu içerir.

Tasarımcılar için, gelişmiş entegrasyon, kablosuz RF’deki bazı büyük sorunların üstesinden gelmeye yardımcı olur, bunlar arasında en temel olanı DC güç kaynağı ve alıcı-vericinin düzenlenmesidir. Bir arama sırasında, pil voltajı sıcaklık ve zamanın değişmesiyle değişecektir. Ayrıca, TX VCO ve Rx VCO güç kaynağından gelen gürültü bağlantısı da tüm sistemin performansını etkileyecektir. Bu nedenle tasarımcılar, RF devre kartı regülatörünü ve ilgili çoğu pasif bileşeni nasıl çözecekleri sorunuyla karşı karşıyadır. Bu cihazların RF alıcı-vericisine entegre edilmesi, gereken tek harici bileşenin, güç kaynağına doğrudan bağlı olan ve yalnızca tasarımı basitleştirmekle kalmayıp aynı zamanda devre kartı alanından da tasarruf sağlayan basit bir dekuplaj kapasitörü olduğu anlamına gelir.

RF tasarımcıları için bir başka zorluk da VCO ayar aralığı ve kilitleme süresidir. Tüm analog VCO tasarımlarında. Kilitleme süresini ve ayar aralığını dengelemek genellikle gerekli olduğundan, döngü filtresi genellikle çipin dışına yerleştirilir. Bazen bu, VCO ayar aralığının yazılım kontrolünde çözülebilir. Ancak bu yöntem, telefonun genel gelişimi için ek kaynak gereksinimleri ortaya koymaktadır. Dijital tuning işlevi VCO’ya dahil edildiğinde ve kendi kendine kalibrasyon sağlayabildiğinde, genişletilmiş bir tuning aralığı elde edilebilir ve loop filtre elemanı chip’e yerleştirilebilir. Açıkçası, bu şema tasarım mühendislerinin işlerini basitleştirmelerini sağlayabilir.

GSM sisteminin gerektirdiği verici güç kontrolünü elde etmek için PA üreticileri genellikle bu işlevi güç amplifikatörü modülüne (PAM) dahil eder. Güç kontrolörü genellikle PAM’de bağımsız bir çipte yapılan binlerce dijital CMOS kapısından oluşur. Bu öğe, PAM maliyetini 0.30 ABD Doları ile 0.40 ABD Doları arasında artıracaktır. Bu işlevi RF cihazlarına entegre etmek, GaAs PAM üreticilerinin dijital CMOS devreleri satın almamasını ve bunları PAM’a kurmamasını sağlayacaktır. Her ay binlerce ürün üreten bir OEM için bu gereksiz bileşenin kaldırılması maliyetlerini büyük ölçüde azaltacaktır.

Gelişmiş entegrasyonun önemli tasarruflar getirebileceği bir başka alan da VCXO’dur. Geçmişte, pahalı vctcxo modülleri satın alındı ​​ve RF cihazlarında ayrı bileşenler olarak tasarlandı. Bu nedenle, vctcxo modüllerinin ortak bileşenlerini RF cihazlarına dahil etmek, maliyetleri ve ilgili tasarım sorunlarını azaltabilir. trf6151 kullanıldığında, vctcxo’nun işlevini tamamlamak için yalnızca düşük maliyetli bir kristal ve varaktör gerekir.

Bu entegrasyon ve tasarım basitleştirmesine rağmen, RF tasarım mühendisleri hala, biri giriş hassasiyeti ve Rx güç tüketimi olan zor seçimlerle karşı karşıyadır. Düşük gürültülü amplifikatör (LNA) tasarımında kullanılan akım ne kadar büyükse, genel gürültü özelliklerinin o kadar düşük olduğu iyi bilinmektedir. Tasarım mühendisi, alıcının toplam güç bütçesini ve alıcının hassasiyet seviyesi gereksinimlerini belirlemelidir. Ancak, gücün azalmasıyla gürültü azalmaz. Aslında, tam tersi. Bu nedenle, GSM standart spesifikasyonunu karşılayabilmesine rağmen, tasarımcılar genellikle belirli bir hassasiyet seviyesine ulaşmak için güç tüketiminde bedel ödemeye değer olup olmadığını kendilerine sormalıdır. Bu soru aynı zamanda tasarım mühendisleri ve IC üreticilerinin tüm tasarım sürecinde yakın işbirliği yapmalarının neden gerekli olduğunu da açıklıyor. Tasarım mühendislerinden gelen geri bildirimler, gelecekteki RF ürünlerini geliştirirken IC üreticilerine kablosuz endüstrisine daha iyi hizmet verme konusunda rehberlik edebilir.

SOC’ye Doğru Gelişmek

Kablosuz sistemlerin maliyetini, gücünü ve karmaşıklığını azaltmak, sistem entegrasyonu gereksinimlerini başarılı bir şekilde karşılamak için çok önemlidir. Bununla birlikte, cep telefonları için yüksek entegrasyon çözümlerinin geliştirilmesi, yarı iletken endüstrisinin karmaşık teknik engellerin üstesinden gelmesini gerektirir. Bu engellerden bazıları tasarımcılar tarafından nadiren ilgilenir, çünkü birçoğu SOC cihazlarının nasıl yapıldığını bilmek istemez, Yeter ki gerekli performansı sağlayabilsin. Bu nedenle, cep telefonu entegrasyonunda kullanılan cihazların kapasitesini ve kullanılabilirliğini etkileyecek bazı proses teknolojilerinin hızlı bir şekilde anlaşılması gerekmektedir.

Cep telefonu RF elektronik sisteminin entegrasyonu için birkaç uygun şema vardır. İlk olarak, geleneksel bir RF mimarisi, geleneksel teknoloji kullanılarak nispeten basit bir bipolar veya BiCMOS işleminde uygulanabilir. Nihai RF çipi, çoklu çip paketleme teknolojisi (sistem düzeyinde paketleme teknolojisi) kullanılarak cep telefonu dijital mantık işlevleriyle birleştirilebilir. Bu teknolojinin tanıdık RF tasarım yöntemleri ve olgun süreç ve teknolojileri kullanmak gibi birçok avantajı olmasına rağmen, test cihazlarının yüksek maliyeti ve verimi nedeniyle ticarileştirilmesi zordur.

Ayrıca gelişmiş BiCMOS (SiGe) gofret işlemi ile cep telefonu elektronik sisteminin entegrasyonu da sağlanabilmektedir. Ancak SiGe HBT cihazlarının işlenmesi ek litografi işlemi gerektirdiğinden, nihai çip ek bir maliyet gerektirecektir. Aynı zamanda, SiGe BiCMOS teknolojisi en gelişmiş litografi sürecini kullanamadığından, BiCMOS süreci genellikle gelişmiş dijital CMOS sürecinin gerisinde kalmaktadır. Bunlar, cep telefonlarının özelliklerini artırmak ve maliyetleri düşürmek için büyük bir baskı getirecektir. Basit bir gofret proses stratejisi ile çözülemez çünkü bu teknoloji sistem mantığını veya dijital parçayı her zaman mümkün olan en düşük fiyatta tutamaz. Bu nedenle, sistem temel bant işlevi RF bölümünün BiCMOS’ta (veya SiGe’de) monolitik entegrasyonu iyi bir seçim değildir.

Göz önünde bulundurulabilecek nihai çözüm, aynı zamanda önemli zorluklarla karşı karşıya olan CMOS’ta RF entegrasyonudur. Birkaç CMOS hücresel RF tasarımı olmasına rağmen, bu tasarımlar büyük ölçüde analog fonksiyonlara dayanmaktadır. CMOS teknolojisine sahip analog mikserler, filtreler ve amplifikatörler uygulamak zordur ve güç tüketimi genellikle SiGe BiCMOS şemasından daha fazladır. Proses teknolojisinin gelişmesiyle, CMOS anma seviyesi giderek düşüyor ve bu da analog tasarımı zorlaştırıyor. Yeni süreçler geliştirmenin ilk aşamasında, cihaz modelleme ve süreç olgunluğu genellikle analog modül tasarımı için gereken yüksek hassasiyetli parametre modelleme gereksinimlerini karşılayamaz. Ancak, yakın zamanda geliştirilen dijital CMOS RF mimarisi, monolitik CMOS entegrasyonunu daha çekici hale getiriyor.

Bu çözümler, üreticiler düşük maliyetli RF sistem düzeyinde çip çözümleri aradıkça yarı iletken endüstrisini de yönlendirir. Her entegrasyon şemasının zorlukları olmasına rağmen, RF bileşen entegrasyonunun bu kadar yüksek bir seviyeye ulaşması gerçekten şaşırtıcıdır. Bu zorlukların üstesinden gelmek, kablosuz cep telefonlarının tasarımında ileriye doğru büyük bir adım atacak ve yakın gelecekte daha fazla entegrasyon için yön belirleyecektir.

Bu makalenin sonucu

RF entegrasyonunda hala birçok zorluk var. Modern cep telefonunun her RF cihazı, katı performans gereksinimleriyle karşı karşıyadır. Duyarlılık gereksinimi yaklaşık – 106dbm (106 MW’ın altında 1db) veya daha yüksektir ve karşılık gelen seviye sadece birkaç mikrovolttur; Ek olarak seçicilik, yani yararlı kanalın bitişik frekans bandına (genellikle engelleme olarak adlandırılır) reddetme yeteneği, 60dB mertebesinde olmalıdır; Ek olarak, sistem osilatörünün, katlanma engelleme enerjisinin alıcı banda girmesini önlemek için çok düşük faz gürültüsü altında çalışması gerekir. RF entegrasyonu, çok yüksek frekans ve son derece zorlu performans gereksinimleri nedeniyle çok zordur.

Çoklu frekans standardını işlemek, tüm SOC frekansına gerçek bir meydan okuma getirir. Bant içi sinyal iletimi tarafından üretilen uyarımı azaltması umulmaktadır. Dijital RF entegrasyonunun içeriği, birden fazla RF bileşenini tek bir çipe yerleştirmekten çok daha fazlasıdır. Yeni bir donanım paylaşımı mimarisine ihtiyaç var.

Sistem tasarımcıları için mevcut basit, son derece entegre ve uygun maliyetli yarı iletken cihazlar, tasarım karmaşıklığını büyük ölçüde azaltabilir. Aynı zamanda, kablosuz cihazların özelliklerini zenginleştirebilir ve sistem boyutunu, pil ömrünü ve maliyetini değiştirmeden tutabilirler. Yeni yüksek düzeyde entegre RF cihazları ayrıca kablosuz tasarımdaki bazı anlaşmazlıkları ortadan kaldırabilir ve mühendislerin değerli zamanlarından tasarruf sağlayabilir.