Różnice w integracji między systemami bezprzewodowymi RF o niskiej i wysokiej częstotliwości

Integracja systemów bezprzewodowych o niskiej i wysokiej częstotliwości RF jest zupełnie inna. W paśmie wysokich częstotliwości, ponieważ technologia CMOS może osiągnąć wyższą przepustowość niż technologia bipolarna, jest preferowaną technologią dla obwodów RF. Generalnie, RF-CMOS i cyfrowy CMOS nie są zintegrowane w tym samym chipie. Najważniejszym systemem w paśmie niskich częstotliwości jest system komunikacji komórkowej. Celem integracji funkcji RF tego typu systemu jest integracja elementów pasywnych. W tym artykule przedstawiono strategię integracji komponentów pasywnych i aktywnych komponentów RF za pomocą wielu pakietów lub modułów.

Funkcja częstotliwości radiowej odgrywa ważną rolę w dwupunktowym przesyłaniu informacji w systemie komunikacyjnym. W tego typu systemach funkcja RF jest zwykle fizycznie oddzielona od innych funkcji, a transmisja i odbiór RF są zwykle realizowane przez różne układy scalone. Aby zmniejszyć rozmiar i koszty systemu, ludzie nadal badają sposoby integracji RF z innymi funkcjami systemu. Wśród nich bardzo ważny wpływ miał rozwój technologii DSP. Oprócz tego trendu rozwojowego integracji RF i innych niż RF, same urządzenia RF mają inne trendy w rozwoju integracji. Te różne trendy rozwojowe wynikają z faktu, że różne systemy wymagają różnych technologii w celu osiągnięcia wymaganych funkcji RF. Na przykład przed przekazaniem odebranego sygnału do wzmacniacza niskoszumowego (LNA) niektóre systemy wymagają skutecznej filtracji sygnału. Wymaga to użycia filtrów ceramicznych lub filtrów powierzchniowych fal akustycznych (SAW) do filtrowania odbieranego sygnału, ale te filtry również nie mogą być zintegrowane z układem scalonym odbiornika.

Różnica między systemami o niskiej i wysokiej częstotliwości

Istotną różnicą między systemami o niskiej i wysokiej częstotliwości jest to, że te ostatnie mogą osiągnąć transmisję sygnału tylko wtedy, gdy nie ma bariery między nadajnikiem a odbiornikiem, podczas gdy systemy niskiej częstotliwości nie mają takich wymagań, dzięki czemu mogą osiągnąć większy obszar objęty ochroną. . Nie ma wyraźnego punktu rozgraniczenia między niską częstotliwością a wysoką częstotliwością, a jej częstotliwość przejściowa wynosi od 2 do 5 GHz i zależy od charakterystyki systemu, takiej jak moc wyjściowa nadajnika i czułość odbiornika. W tym artykule jako punkt konwersji dla wysokich i niskich częstotliwości zastosowano 2.4 GHz. Systemy wysokiej częstotliwości można również podzielić na systemy dalekiego zasięgu i systemy bliskiego zasięgu. Systemy dalekobieżne, takie jak radary, łącza satelitarne, łącza stacji bazowych, stacjonarny bezprzewodowy dostęp szerokopasmowy (FWBA) itp., Systemy te wymagają większej mocy transmisji niż systemy bliskiego zasięgu, takie jak Bluetooth i 802.11a / b.

Integracja RF wysokiej częstotliwości

Docelowym rynkiem systemu komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu jest rynek elektroniki użytkowej, który wymaga niewielkich rozmiarów i niskich kosztów, a wraz ze wzrostem zapotrzebowania na aplikacje do przesyłania strumieni wideo poprzez dane, szybkość transmisji danych będzie nadal rosła. Systemy te to w zasadzie przenośne produkty zasilane bateryjnie, wymagające długiego czasu czuwania i rozmów.

Ponieważ jest mniej nadajników pracujących w pasmach wysokich częstotliwości, systemy wysokich częstotliwości (powyżej 2.4 GHz) mogą osiągnąć dużą szerokość pasma i umiarkowaną charakterystykę wyboru odbiornika. Podobnie, stosunek sygnału do szumu (S / N) odbiornika jest wysoki, więc moc wyjściowa nadajnika może być niższa. Na przykład 802.11b ma przepustowość 11 Mb / sw paśmie 2.4 GHz, a 802.11a może osiągnąć do 54 Mb / sw paśmie 5 GHz. Zastosowanie szerszych pasm lub bardziej złożonych metod modulacji wymaga ściślejszej liniowości sygnału, a liniowość jest ściśle związana z nadajnikiem.

Rysunek 1 przedstawia porównanie rozwoju częstotliwości roboczej, które można osiągnąć dzięki CMOS i BiCOS

Przyjęta przez system technologia procesowa jest powiązana z osiągalną częstotliwością pracy. Rysunek 1 przedstawia porównanie osiągalnego rozwoju częstotliwości roboczej CMOS i BiCOS. Zakładając, że fmax jest bezpośrednio związane z dostępną częstotliwością roboczą, jasne jest, że lepszym wyborem jest CMOS. Ponadto CMOS może spełnić nieścisłą selektywność, stosunek sygnału do szumu i wymagania dotyczące mocy wyjściowej, ale wydajność dynamiczna jest ograniczona ze względu na niskie napięcie robocze. Jednakże, ponieważ wiele systemów pracuje w otwartych pasmach częstotliwości, może istnieć wiele urządzeń nadawczych, które zakłócają się nawzajem między nadajnikiem a odbiornikiem. Na przykład kuchenka mikrofalowa zakłóca komunikację Bluetooth, co jest typowym przykładem.

Chociaż CMOS ma te zalety przy wysokich częstotliwościach, technologia BiCMOS ma zalety modelu RF w technologii bipolarnej, dopasowania parametrów tranzystora i doświadczenia w projektowaniu BiCMOS jest bardziej obfite. Rozmiar nie jest głównym branym pod uwagę przy wyborze procesu, ponieważ procesy 0.18um CMOS lub BiCMOS mają podobne rozmiary chipów, aby osiągnąć funkcje transceivera Bluetooth.

Jeśli wybierzesz technologię CMOS, trendem w rozwoju będzie standardowy cyfrowy CMOS. Ponieważ w tych cyfrowych CMOS zastosowano już proces maskowania wielowarstwowego, nie będzie żadnych dodatkowych opcji. Funkcje cyfrowe zajmą największy obszar chipa, więc główny koszt będzie generowany w tych funkcjach cyfrowych.

Czy ma sens integrowanie obwodów cyfrowych i funkcji RF na jednym chipie przy użyciu powszechnie stosowanej technologii CMOS? Ten problem należy rozpatrywać z dwóch aspektów: z technicznego punktu widzenia możliwe jest użycie standardowego CMOS ulepszonego w celu uzyskania funkcji RF, takich jak podłoże o wysokiej impedancji w celu zmniejszenia przesłuchów przez podłoże oraz zastosowanie grubych dielektryków uzyskanie wysokiej jakości elementów pasywnych, współczynników itp .; z perspektywy integracji zastosowanie standardowego CMOS do częstotliwości radiowych oraz integracja funkcji cyfrowych i RF na chipie nie daje wielu korzyści, ponieważ modele i biblioteki cyfrowe i RF są zasadniczo różne. Obwody cyfrowe są często projektowane w języku VHDL / Verilog. Biblioteki cyfrowe technologii CMOS są zwykle wdrażane przed pojawieniem się nowych technologii. Te biblioteki cyfrowe są używane z pokolenia na pokolenie, więc inżynierowie projektanci mogą wykonywać projekty cyfrowe przed wprowadzeniem procesu nowej generacji.

W przypadku projektowania RF modele i biblioteki są możliwe dopiero po pojawieniu się procesu, więc urządzenia RF mają swoje unikalne cechy. Ponieważ funkcje RF generalnie nie mają modułów wielokrotnego użytku 1: 1, każde nowe urządzenie musi być projektowane od podstaw. Biblioteka RF zwykle pozostaje w tyle za biblioteką cyfrową o 1-2 lata. Wykorzystanie mainstreamowej technologii CMOS do implementacji funkcji RF oznacza, że będzie ona o jedno pokolenie za technologią. Dlatego integracja funkcji cyfrowych i RF na chipie oznacza, że poprzednia generacja technologii CMOS zostanie wykorzystana do implementacji funkcji cyfrowych, które są zwykle droższe w implementacji. Co więcej, komponenty pasywne (cewki indukcyjne) i funkcje RF / analogowe nie mogą w rzeczywistości rozwijać się jednocześnie z technologią procesową CMOS. Dlatego obszar zajmowany przez część RF w stosunku do części cyfrowej będzie wzrastał wraz z różnymi generacjami technologii.