Diferenzas de integración entre sistemas inalámbricos RF de baixa frecuencia e alta frecuencia

A integración de sistemas inalámbricos RF de baixa e alta frecuencia é moi diferente. Na banda de alta frecuencia, porque a tecnoloxía CMOS pode acadar un ancho de banda maior que a tecnoloxía bipolar, é a tecnoloxía preferida para os circuítos de RF. Xeralmente, o RF-CMOS e o CMOS dixital non están integrados no mesmo chip. O sistema máis importante da banda de baixa frecuencia é o sistema de comunicación celular. O foco da integración da función RF deste tipo de sistemas é a integración de compoñentes pasivos. Este artigo introduce unha estratexia para integrar compoñentes pasivos e compoñentes activos de RF a través de múltiples paquetes ou módulos.

A función de radiofrecuencia xoga un papel importante na transmisión de información en dous puntos no sistema de comunicación. Neste tipo de sistemas, a función de RF adoita estar separada fisicamente doutras funcións, e a transmisión e recepción de RF adoitan ser implementadas por diferentes circuítos integrados. Co fin de reducir o tamaño e o custo do sistema, a xente segue explorando xeitos de integrar RF con outras funcións do sistema. Entre eles, o desenvolvemento da tecnoloxía DSP tivo un impacto moi importante. Ademais desta tendencia de desenvolvemento da integración RF e non RF, os propios dispositivos RF teñen outras tendencias de desenvolvemento de integración. Estas diferentes tendencias de desenvolvemento débense a que os diferentes sistemas requiren tecnoloxías diferentes para acadar as funcións de RF requiridas. Por exemplo, antes de pasar o sinal recibido a un amplificador de baixo ruído (LNA), algúns sistemas requiren un filtrado efectivo do sinal. Isto require o uso de filtros cerámicos ou filtros de ondas acústicas superficiais (SAW) para filtrar o sinal recibido, pero estes filtros non se poden integrar no IC do receptor.

A diferenza entre os sistemas de baixa frecuencia e alta frecuencia

Unha diferenza importante entre os sistemas de baixa e alta frecuencia é que estes últimos só poden lograr a transmisión de sinal cando non hai barreira entre o transmisor e o receptor, mentres que os sistemas de baixa frecuencia non teñen esixidos, polo que poden acadar unha maior área cuberta . Non hai un punto de demarcación obvio entre a baixa frecuencia e a alta frecuencia, e a súa frecuencia de transición está entre 2-5GHz e depende das características do sistema, como a potencia de saída do transmisor e a sensibilidade do receptor. Este artigo utiliza 2.4 GHz como punto de conversión de frecuencias altas e baixas. Os sistemas de alta frecuencia tamén se poden dividir en sistemas de longa distancia e sistemas de curta distancia. Sistemas de longa distancia como radar, ligazóns por satélite, ligazóns de estacións base, acceso fixo de banda ancha sen fíos (FWBA), etc., estes sistemas requiren maior potencia de transmisión que os sistemas de curta distancia, como Bluetooth e 802.11a / b.

Integración de RF de alta frecuencia

O mercado obxectivo do sistema de comunicación sen fíos de curto alcance é o mercado de produtos electrónicos de consumo, que require pequeno tamaño e baixo custo e, a medida que medra a demanda de aplicacións para transmitir fluxos de vídeo a través de datos, a taxa de transmisión de datos seguirá aumentando. Estes sistemas son basicamente produtos portátiles con batería, que requiren un longo tempo de espera e conversación.

Dado que hai menos transmisores que traballan en bandas de alta frecuencia, os sistemas de alta frecuencia (superiores a 2.4 GHz) poden acadar características de selección de receptor de alto ancho de banda e moderadas. Do mesmo xeito, a relación sinal / ruído (S / N) do receptor é elevada, polo que a potencia de saída do transmisor pode ser menor. Por exemplo, 802.11b ten un ancho de banda de 11 Mbps a 2.4 GHz e 802.11a pode chegar ata 54 Mbps a 5 GHz. O uso de bandas máis anchas ou métodos de modulación máis complexos require unha linealidade do sinal máis estrita e a linealidade está estreitamente relacionada co transmisor.

A figura 1 mostra a comparación do desenvolvemento de frecuencia de funcionamento que pode acadar CMOS e BiCOS

A tecnoloxía de proceso adoptada polo sistema está relacionada coa frecuencia operativa alcanzable. A figura 1 mostra a comparación do desenvolvemento de frecuencia operativa alcanzable de CMOS e BiCOS. Supoñendo que fmax está directamente relacionado coa frecuencia operativa dispoñible, está claro que CMOS é unha mellor opción. Ademais, o CMOS pode cumprir a selectividade non estrita, a relación sinal-ruído e os requisitos de potencia de saída, pero o rendemento dinámico redúcese debido á baixa tensión de funcionamento. Non obstante, dado que moitos sistemas funcionan en bandas de frecuencia abertas, pode haber moitos dispositivos transmisores que interfiran entre si entre o transmisor e o receptor. Por exemplo, un forno de microondas interfire coa comunicación Bluetooth como exemplo típico.

Aínda que CMOS ten estas vantaxes en altas frecuencias, a tecnoloxía BiCMOS ten as vantaxes do modelo de tecnoloxía bipolar RF, a coincidencia de parámetros de transistores e a experiencia de deseño BiCMOS é máis abundante. O tamaño non é unha consideración importante na selección de procesos, porque os procesos CMOS ou BiCMOS de 0.18um teñen tamaños de chip similares para lograr funcións de transceptor Bluetooth.

Se escolle a tecnoloxía CMOS, o CMOS dixital estándar será unha tendencia de desenvolvemento. Debido a que estes CMOS dixitais xa adoptaron un proceso de máscara de varias capas, non haberá opcións adicionais. As funcións dixitais ocuparán a maior superficie de chip, polo que o principal custo xerarase nestas funcións dixitais.

Ten sentido integrar circuítos dixitais e funcións de RF nun só chip usando a tecnoloxía CMOS mainstream? Este problema debe considerarse desde dous aspectos: Desde o punto de vista técnico, é posible utilizar CMOS estándar mellorado para acadar funcións de RF, como un substrato de alta impedancia para reducir a diafonía a través do substrato e o uso de dieléctricos grosos. para conseguir compoñentes pasivos de alta calidade Factores, etc .; desde unha perspectiva de integración, aplicar CMOS estándar a radiofrecuencia e integrar funcións dixitais e RF nun chip non ten moitos beneficios, porque os modelos e bibliotecas dixitais e RF son fundamentalmente diferentes. Os circuítos dixitais adoitan deseñarse na linguaxe VHDL / Verilog. As bibliotecas dixitais de tecnoloxía CMOS adoitan implementarse antes do xurdimento de novas tecnoloxías. Estas bibliotecas dixitais úsanse de xeración en xeración, polo que os enxeñeiros de deseño poden realizar deseños dixitais antes de que se publique o proceso de próxima xeración.

Para o deseño de RF, os modelos e as bibliotecas só son posibles despois de que apareza o proceso, polo que os dispositivos de RF teñen as súas características únicas. Debido a que as funcións de RF normalmente non teñen módulos reutilizables 1: 1, cada novo dispositivo debe desenvolverse desde cero. A biblioteca de RF adoita estar por detrás da biblioteca dixital en 1-2 anos. O uso da tecnoloxía CMOS mainstream para implementar funcións de RF significa que quedará unha xeración atrás na tecnoloxía. Polo tanto, a integración de funcións dixitais e RF nun chip significa que a xeración anterior de tecnoloxía CMOS será empregada para implementar funcións dixitais, que normalmente son máis caras de implementar. Ademais, os compoñentes pasivos (indutores) e as funcións RF / analóxicas non poden desenvolverse de xeito simultáneo coa tecnoloxía de proceso CMOS. Polo tanto, a área ocupada pola parte RF en relación coa parte dixital aumentará coas diferentes xeracións tecnolóxicas.