Sự khác biệt tích hợp giữa hệ thống không dây tần số thấp và tần số cao RF

Sự tích hợp của hệ thống không dây tần số thấp và tần số cao RF khá khác nhau. Ở dải tần cao, vì công nghệ CMOS có thể đạt được băng thông cao hơn công nghệ lưỡng cực, nên nó là công nghệ được ưu tiên cho các mạch RF. Nói chung, RF-CMOS và CMOS kỹ thuật số không được tích hợp trên cùng một chip. Hệ thống quan trọng nhất trong dải tần thấp là hệ thống liên lạc di động. Trọng tâm của tích hợp chức năng RF của loại hệ thống này là tích hợp các thành phần thụ động. Bài viết này giới thiệu chiến lược tích hợp các thành phần thụ động và các thành phần tích cực RF thông qua nhiều gói hoặc mô-đun.

Chức năng tần số vô tuyến đóng một vai trò quan trọng trong việc truyền thông tin hai điểm trong hệ thống thông tin liên lạc. Trong loại hệ thống này, chức năng RF thường được tách biệt về mặt vật lý với các chức năng khác, và việc truyền và nhận RF thường được thực hiện bởi các IC khác nhau. Để giảm kích thước và giá thành hệ thống, người ta tiếp tục tìm tòi các cách tích hợp RF với các chức năng khác của hệ thống. Trong số đó, sự phát triển của công nghệ DSP đã có tác động rất quan trọng. Ngoài xu hướng phát triển tích hợp RF và không RF này, bản thân các thiết bị RF cũng có những xu hướng phát triển tích hợp khác. Các xu hướng phát triển khác nhau này là do các hệ thống khác nhau yêu cầu các công nghệ khác nhau để đạt được các chức năng RF cần thiết. Ví dụ, trước khi chuyển tín hiệu nhận được tới bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA), một số hệ thống yêu cầu lọc tín hiệu hiệu quả. Điều này đòi hỏi phải sử dụng các bộ lọc gốm hoặc bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW) để lọc tín hiệu nhận được, nhưng các bộ lọc này không thể được tích hợp vào IC thu.

Sự khác biệt giữa hệ thống tần số thấp và tần số cao

Một sự khác biệt quan trọng giữa hệ thống tần số thấp và tần số cao là hệ thống sau chỉ có thể đạt được truyền tín hiệu khi không có rào cản giữa máy phát và máy thu, trong khi hệ thống tần số thấp không có các yêu cầu như vậy, vì vậy chúng có thể đạt được diện tích phủ lớn hơn . Không có điểm phân giới rõ ràng giữa tần số thấp và tần số cao, và tần số chuyển tiếp của nó là từ 2-5GHz và phụ thuộc vào đặc tính hệ thống, chẳng hạn như công suất đầu ra của máy phát và độ nhạy của máy thu. Bài viết này sử dụng 2.4GHz làm điểm chuyển đổi cho các tần số cao và thấp. Hệ thống tần số cao cũng có thể được chia thành hệ thống đường dài và hệ thống khoảng cách ngắn. Các hệ thống đường dài như radar, liên kết vệ tinh, liên kết trạm gốc, truy cập băng thông rộng không dây cố định (FWBA), v.v., các hệ thống này yêu cầu công suất truyền cao hơn các hệ thống khoảng cách ngắn, chẳng hạn như Bluetooth và 802.11a / b.

Tích hợp tần số cao RF

Thị trường mục tiêu của hệ thống truyền thông không dây tầm ngắn là thị trường điện tử tiêu dùng, đòi hỏi kích thước nhỏ và chi phí thấp, và khi nhu cầu ứng dụng để truyền các luồng video qua dữ liệu ngày càng tăng, tốc độ truyền dữ liệu sẽ tiếp tục tăng. Các hệ thống này về cơ bản là các sản phẩm chạy bằng pin di động, cần thời gian chờ và đàm thoại lâu.

Vì có ít máy phát hoạt động ở dải tần cao hơn, các hệ thống tần số cao (trên 2.4 GHz) có thể đạt được băng thông cao và các đặc tính lựa chọn máy thu vừa phải. Tương tự, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S / N) của máy thu cao, do đó công suất đầu ra của máy phát có thể thấp hơn. Ví dụ: 802.11b có băng thông 11 Mbps ở 2.4 GHz và 802.11a có thể đạt tới 54 Mbps ở 5 GHz. Việc sử dụng các băng tần rộng hơn hoặc các phương pháp điều chế phức tạp hơn đòi hỏi độ tuyến tính của tín hiệu chặt chẽ hơn, và độ tuyến tính liên quan chặt chẽ đến máy phát.

Hình 1 cho thấy so sánh sự phát triển tần số hoạt động có thể đạt được bởi CMOS và BiCOS

Quy trình công nghệ được hệ thống áp dụng có liên quan đến tần suất hoạt động có thể đạt được. Hình 1 cho thấy sự so sánh về sự phát triển tần số hoạt động có thể đạt được của CMOS và BiCOS. Giả sử rằng fmax liên quan trực tiếp đến tần số hoạt động khả dụng, rõ ràng CMOS là lựa chọn tốt hơn. Ngoài ra, CMOS có thể đáp ứng các yêu cầu về độ chọn lọc, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và công suất đầu ra không nghiêm ngặt, nhưng hiệu suất động bị giảm do điện áp hoạt động thấp. Tuy nhiên, do nhiều hệ thống làm việc trên dải tần số mở nên có thể có nhiều thiết bị phát nhiễu lẫn nhau giữa bộ phát và bộ thu. Ví dụ, lò vi sóng gây nhiễu giao tiếp Bluetooth là một ví dụ điển hình.

Mặc dù CMOS có những ưu điểm này ở tần số cao, nhưng công nghệ BiCMOS có những ưu điểm của công nghệ lưỡng cực mô hình RF, khớp thông số bóng bán dẫn, và kinh nghiệm thiết kế BiCMOS phong phú hơn. Kích thước không phải là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn quy trình, vì quy trình CMOS hoặc BiCMOS 0.18um có kích thước chip tương tự để đạt được các chức năng thu phát Bluetooth.

Nếu bạn chọn công nghệ CMOS, CMOS số tiêu chuẩn sẽ là xu hướng phát triển. Vì các CMOS kỹ thuật số này đã áp dụng quy trình mặt nạ nhiều lớp nên sẽ không có tùy chọn bổ sung. Các chức năng kỹ thuật số sẽ chiếm diện tích chip lớn nhất, do đó chi phí chính sẽ được tạo ra trong các chức năng kỹ thuật số này.

Có hợp lý khi tích hợp các mạch kỹ thuật số và chức năng RF trên một chip duy nhất sử dụng công nghệ CMOS chính thống không? Vấn đề này cần được xem xét từ hai khía cạnh: Từ quan điểm kỹ thuật, có thể sử dụng CMOS tiêu chuẩn được cải tiến để đạt được các chức năng RF, chẳng hạn như chất nền trở kháng cao để giảm nhiễu xuyên âm qua chất nền và sử dụng chất điện môi dày. để đạt được các thành phần thụ động chất lượng cao Yếu tố, v.v.; từ quan điểm tích hợp, áp dụng CMOS tiêu chuẩn cho tần số vô tuyến và tích hợp các chức năng kỹ thuật số và RF trên một chip không có nhiều lợi ích, bởi vì các mô hình và thư viện kỹ thuật số và RF là khác nhau cơ bản. Các mạch số thường được thiết kế bằng ngôn ngữ VHDL / Verilog. Các thư viện số của công nghệ CMOS thường được thực hiện trước khi có sự xuất hiện của các công nghệ mới. Các thư viện kỹ thuật số này được sử dụng từ thế hệ này sang thế hệ khác, vì vậy các kỹ sư thiết kế có thể thực hiện các thiết kế kỹ thuật số trước khi quy trình thế hệ tiếp theo được phát hành.

Đối với thiết kế RF, các mô hình và thư viện chỉ có thể thực hiện được sau khi quá trình này xuất hiện, vì vậy các thiết bị RF có các đặc điểm riêng biệt của chúng. Vì các chức năng RF thường không có mô-đun tái sử dụng 1: 1, nên mọi thiết bị mới phải được phát triển từ đầu. Thư viện RF thường đi sau thư viện số 1-2 năm. Việc sử dụng công nghệ CMOS chính thống để thực hiện các chức năng RF có nghĩa là nó sẽ đi sau một thế hệ công nghệ. Do đó, việc tích hợp các chức năng kỹ thuật số và RF trên một con chip có nghĩa là thế hệ công nghệ CMOS trước đây sẽ được sử dụng để thực hiện các chức năng kỹ thuật số, thường tốn kém hơn để thực hiện. Hơn nữa, các thành phần thụ động (cuộn cảm) và các chức năng RF / analog không thể thực sự phát triển đồng thời với công nghệ quy trình CMOS. Do đó, diện tích chiếm dụng của phần RF so với phần kỹ thuật số sẽ tăng lên theo các thế hệ công nghệ khác nhau.