Зменшити кількість компонентів і зменшити площу монтажна плата за допомогою бездротової радіоінтеграції

У сучасних бездротових пристроях більше половини компонентів на друкованій платі є аналоговими радіочастотними пристроями. Тому ефективним способом зменшення площі друкованої плати та споживання електроенергії є здійснення більш масштабної інтеграції радіочастот і розвиток у напрямку мікросхеми системного рівня. У цьому документі представлено стан розвитку інтеграції РФ та пропонуються деякі заходи протидії та вирішення деяких із цих проблем.

Кілька років тому на ринку стільникових телефонів домінували одномодові та дводіапазонні одномодові телефони, а технологія використовувалася лише ??? Тримати одну або дві стільникові смуги всього ??? Той же метод модуляції, схема багатоканального доступу та протокол прийняті в діапазоні частот утримання. На противагу цьому, сучасне нове покоління стільникових телефонів набагато складніше і може забезпечити багатодіапазонне та багаторежимне виконання ??? Він має персональну мережу Bluetooth, позиціонування GPS та інші функції, а також почали з’являтися функції прийому UWB і телевізора. Крім того, такі програми, як ігри, зображення, аудіо та відео стали дуже поширеними в мобільних телефонах.

Бездротовий телефон стає складним пристроєм під назвою портативний особистий розважальний центр. Його тенденція розвитку продовжує викликати нові виклики для дизайнерів. Хоча порівняно з мобільними телефонами, які мають лише функцію голосового зв’язку, нове покоління мобільних телефонів значно зросло в обробці зв’язку, обробці додатків, кількості РЧ -інтерфейсів та ємності вбудованої пам’яті, користувачі все ще очікують, що мобільні телефони матимуть менший об’єм, спрощену форму, низьку ціна та великий кольоровий дисплей, він може забезпечити час очікування та розмови, подібний до традиційних голосових телефонів. Збереження існуючих загальних розмірів та споживання електроенергії, але збільшення функції у геометричній прогресії, при збереженні загальної вартості системи незмінною, все це створює чимало проблем для проектувальників системи.

Очевидно, що проблема стосується всіх частин проектування всієї системи, а також постачальників усього бездротового зв’язку та розважального контенту. Однією з областей, яка особливо ефективна для зменшення площі плати та споживання енергії, є радіочастотна частина проектування бездротової системи. Це пояснюється тим, що в типовому сьогоднішньому мобільному телефоні більше половини компонентів на платі є аналоговими радіочастотними компонентами, які разом складають 30-40% всієї площі плати, наприклад, такі радіочастотні системи Bluetooth, як GPS та WLAN збільшити вимоги до простору.

Рішення полягає в тому, щоб здійснити більш масштабну інтеграцію радіочастот і, нарешті, перетворитися на повністю інтегровану мікросхему системного рівня. Деякі дизайнери вставляють аналого-цифрові перетворювачі в антену, щоб зменшити загальний простір на друкованій платі, необхідний для функцій ВЧ. Коли технологія напівпровідникової інтеграції може інтегрувати більше функцій в одному пристрої, кількість дискретних пристроїв та місце на друкованій платі, що використовуються для розміщення цих пристроїв, відповідно зменшаться. По мірі того, як галузь рухається до інтеграції чіпів на системному рівні, дизайнери продовжуватимуть знаходити нові технології, щоб відповісти на протиріччя між більш високою радіочастотною складністю та більшим терміном служби акумулятора в невеликих бездротових пристроях.

Стан розвитку інтеграції РФ

Важливий розвиток інтеграції РФ з’явився близько двох років тому. У той час розвиток РЧ -технології та цифрового модему базової смуги дозволив замінити супергетеродинні радіочастотні пристрої на приймачі прямого перетворення в бездротових мобільних телефонах. Супергетеродинні радіочастотні пристрої використовують багатоступінчасті змішувачі, фільтри та множинні осцилятори з регулюванням напруги (VCO), які добре використовуються протягом багатьох років, однак інтеграція радіочастотних пристроїв з прямим перетворенням частоти може значно зменшити загальну кількість компонентів GSM RF. Наприкінці 1990 -х років типова однодиапазонна супергетеродинна РЧ -підсистема включала ПА, антенний перемикач, LDO, РЧ -сигнал з невеликим сигналом та vctcxo, що потребує близько 200 дискретних пристроїв; Сьогодні ми можемо розробити систему прямого перетворення частоти з чотирьохсмуговою функцією, яка інтегрує фільтр петлі VCO, VCXO та PLL, але її кількість компонентів менше 50. Малюнок 1: чотирисмуговий GSM -трансивер з високою інтеграцією.

Наприклад, трансивер trf6151 (Малюнок 1) компанії Texas Instruments для GSM включає вбудований регулятор напруги, канал VCO та VCO, управління потужністю PA, блокування блоку фронтального фільтра PLL, покрокове управління підсиленням LNA та VCXO.

Для дизайнерів вдосконалена інтеграція допомагає подолати деякі серйозні проблеми в бездротовій радіочастоті, серед яких найосновнішою є джерело живлення постійного струму та регулювання трансивера. Під час дзвінка напруга акумулятора змінюватиметься зі зміною температури та часу. Крім того, зв’язок шуму від джерел живлення TX VCO та Rx VCO також вплине на продуктивність всієї системи. Тому перед дизайнерами постає проблема вирішення питання про регулятор радіочастотної плати та більшість пов’язаних з нею пасивних компонентів. Інтеграція цих пристроїв у РЧ -трансивер означає, що єдиним необхідним зовнішнім компонентом є простий роз’єднувальний конденсатор, який безпосередньо підключається до джерела живлення, що не тільки спрощує конструкцію, але й економить простір на друкованій платі.

Ще один виклик для RF -дизайнерів – це діапазон налаштування VCO та час блокування. У всіх аналогових моделях VCO. Оскільки часто необхідно збалансувати час блокування та діапазон налаштування, петльовий фільтр зазвичай розміщується поза чіпом. Іноді це можна вирішити за допомогою програмного забезпечення управління діапазоном налаштування VCO. Однак цей метод висуває додаткові ресурсні вимоги для загального розвитку телефону. Коли функція цифрового налаштування включена до VCO і може забезпечувати самостійне калібрування, можна отримати розширений діапазон налаштування, а елемент циклічного фільтра можна помістити в чіп. Очевидно, що ця схема може дозволити інженерам -конструкторам спростити свою роботу.

Для того, щоб отримати контроль потужності передавача, необхідний системою GSM, виробники ПЗ зазвичай включають цю функцію в модуль підсилювача потужності (PAM). Контролер потужності зазвичай складається з тисяч цифрових CMOS -затворів, які виконані в незалежній мікросхемі в PAM. Цей елемент збільшить вартість ПАМ на 0.30 ~ 0.40 дол. США. Інтеграція цієї функції у радіочастотні пристрої дозволить виробникам GaAs PAM не купувати цифрові схеми CMOS та встановлювати їх у PAM. Для OEM, що виробляє тисячі продуктів щомісяця, видалення цього зайвого компонента значно знизить їх вартість.

Ще одна сфера, де вдосконалена інтеграція може принести значну економію, – це VCXO. Раніше дорогі модулі vctcxo були придбані та сконструйовані в радіочастотних пристроях як окремі компоненти. Тому включення загальних компонентів модулів vctcxo до радіочастотних пристроїв може знизити витрати та пов’язані з цим проблеми проектування. Використовуючи trf6151, для виконання функції vctcxo потрібні лише недорогі кристали та варактори.

Незважаючи на таку інтеграцію та спрощення проектування, інженери -конструктори радіочастот все ще стикаються з важкими виборами, одним з яких є вхідна чутливість та споживання електроенергії. Загальновідомо, що чим більший струм використовується в конструкції підсилювача з низьким рівнем шуму (LNA), тим нижчі загальні шумові характеристики. Інженер -конструктор повинен визначити загальний бюджет потужності приймача та вимоги до рівня чутливості приймача. Однак шум не зменшується зі зменшенням потужності. Насправді все навпаки. Тому, хоча він може відповідати специфікації стандарту GSM, дизайнери часто повинні запитувати себе, чи варто платити ціну за споживання електроенергії, щоб досягти певного рівня чутливості. Це питання також пояснює, чому інженерам -конструкторам та виробникам ІС необхідно тісно співпрацювати у всьому процесі проектування. Зворотній зв’язок від інженерів -конструкторів може допомогти виробникам мікросхем краще обслуговувати індустрію бездротового зв’язку при розробці майбутніх радіочастотних продуктів.

Розвиток у напрямку SOC

Зниження вартості, потужності та складності бездротових систем дуже важливо для успішного виконання вимог системної інтеграції. Однак розвиток високих інтеграційних рішень для мобільних телефонів вимагає від напівпровідникової промисловості подолання складних технічних перешкод. Деякі з цих перешкод рідко турбуються дизайнерами, тому що багато з них не хочуть знати, як виготовляються пристрої SOC, якщо це може забезпечити необхідну продуктивність. Тому необхідно швидко зрозуміти деякі технологічні процеси, які вплинуть на можливості та доступність пристроїв, що використовуються в інтеграції стільникових телефонів.

Існує кілька можливих схем інтеграції радіоелектронної системи мобільного телефону. По -перше, традиційна радіочастотна архітектура може бути реалізована у порівняно простому біполярному або BiCMOS -процесі з використанням традиційної технології. Остаточний RF -чіп можна зібрати з цифровими логічними функціями мобільного телефону, використовуючи технологію упаковки з кількома чіпами (технологія упаковки на системному рівні). Хоча ця технологія має багато переваг, таких як використання знайомих методів проектування радіочастот, а також зрілих процесів та технологій, її важко комерціалізувати через високу вартість та прибутковість тестових пристроїв.

Крім того, інтеграція електронної системи мобільного телефону також може бути досягнута за допомогою вдосконаленого процесу пластин BiCMOS (SiGe). Однак, оскільки обробка пристроїв SiGe HBT вимагає додаткового процесу літографії, остаточний чіп потребує додаткових витрат. Водночас, оскільки технологія SiGe BiCMOS не може використовувати найсучасніший процес літографії, процес BiCMOS зазвичай відстає від передового цифрового процесу CMOS. Це призведе до великого тиску на збільшення характеристик мобільних телефонів та скорочення витрат. Це неможливо вирішити за допомогою простої стратегії обробки пластин, оскільки ця технологія не може підтримувати системну логіку або цифрову частину за найнижчою ціною. Тому монолітна інтеграція РЧ -частини функції базової смуги системи в BiCMOS (або SiGe) не є хорошим вибором.

Остаточне рішення, яке можна розглядати, – це інтеграція РФ у CMOS, яка також стикається зі значними проблемами. Хоча існує декілька конструкцій стільникових радіосигналів CMOS, ці конструкції значною мірою базуються на аналогових функціях. Важко реалізувати аналогові змішувачі, фільтри та підсилювачі з технологією CMOS, і споживання енергії, як правило, більше, ніж схема SiGe BiCMOS. З розвитком технологічних процесів номінальний рівень CMOS стає все нижчим і нижчим, що ускладнює аналогове проектування. На ранній стадії розробки нових процесів моделювання пристроїв та зрілість процесу, як правило, не можуть відповідати вимогам високоточного моделювання параметрів, необхідних для проектування аналогових модулів. Однак нещодавно розроблена РЧ -архітектура цифрової CMOS робить монолітну інтеграцію CMOS більш привабливою.

Ці рішення також стимулюють промисловість напівпровідників, оскільки виробники шукають недорогі чіп-рішення на рівні РЧ-системи. Хоча кожна схема інтеграції має труднощі, насправді дивно, що інтеграція ВЧ -компонентів може досягти такого високого рівня. Подолання цих труднощів зробить великий крок уперед у розробці бездротових мобільних телефонів і визначить напрямок для більшої інтеграції найближчим часом.

Висновок цього документу

У інтеграції РФ все ще існує багато труднощів. Кожен радіочастотний пристрій сучасного мобільного телефону стикається з жорсткими вимогами до продуктивності. Вимоги до чутливості складають приблизно – 106 дБм (106 дБ нижче 1 МВт) або вище, а відповідний рівень становить лише кілька мікровольт; Крім того, вибірковість, тобто здатність відкидати корисний канал у сусідній смузі частот (зазвичай її називають блокуванням), повинна бути порядку 60 дБ; Крім того, системний генератор повинен працювати при дуже низькому фазовому шумі, щоб запобігти проникненню енергії блокування складання в приймальну смугу. Радіочастотна інтеграція дуже складна через дуже високу частоту та надзвичайно вимогливі вимоги до продуктивності.

Обробка багаточастотного стандарту викликає справжню проблему для всієї частоти SOC. Сподівається зменшити збудження, викликане передачею смугового сигналу. Вміст цифрової радіочастотної інтеграції набагато більше, ніж розміщення кількох радіочастотних компонентів в одному чіпі. Потрібна нова архітектура спільного використання обладнання.

Для дизайнерів систем нинішні прості, високоінтегровані та економічно ефективні напівпровідникові пристрої можуть значно зменшити складність проектування. Водночас вони можуть збагатити характеристики бездротових пристроїв та зберегти незмінними розмір системи, час роботи акумулятора та вартість. Нові високоінтегровані радіочастотні пристрої також можуть усунути деякі суперечки щодо бездротового дизайну та заощадити дорогий час інженерів.