קטן יותר הוא טוב יותר: מזעור RF - חלק 2

מאמר זה, השני מבין שני חלקים, בוחן את המזעור של כמה רכיבים אקטיביים ואלמנטי מערכת עיקריים שיאפשרו למתכננים של הקישורים האלחוטיים של הדור-הבא לספק מערכות ותת-מערכות רדיו קטנות יותר ויעילות יותר. נבחן רכיבים אקטיביים בגודל קטן כגון טרנזיסטורי RF, מיקסרים, מודולטורים ומגברים ונדון בהתקנים בצורת פיסת סיליקון השימושיים עבור אבות-טיפוס וייצור סדרתי ראשוני בסגנון של מערכות-על-שבב (SOC) ומודולים רבי-שבבים (MCM).

חלק 1 תיאר את הרכיבים הפסיביים בגודל קטן האחרונים ששילבו מספר חלקים בדידים לתוך גרסות הרכבה-משטחית. אלו חוסכים מקום ועלויות ומשפרים את הביצועים, והם זמינים ביותר לשימוש בשבבי מקמ"ש סטנדרטיים, נפוצים ומודרניים של קישורי-רדיו שהתכנים שלהם הם לעיתים קרובות בדור השלישי או הרביעי שלהם. רבים מהם משמשים גם עבור תכני רדיו מותאמים-במיוחד ושל הדור-הבא.

רכיבים אקטיביים-בדידים (או בלוקים-פונקציונליים) מאפשרים פתרונות רדיו של הדור-הבא עבור רשתות אזור אישי (PAN) ומחשבים לבישים. גם אם הם אינם צפופים מבחינה פונקציונלית, החלקים הגמישים יכולים לשמש להמשיך את המגמה לקראת מערכות בתדר גבוה יותר ובאורך-גל קצר יותר. אלו מאפשרים הקטנות נוספות בגודל ויכולים להשתמש ברמות הספק נמוכות יותר מאחר ושדה PAN RF הוא כה מוגבל במרחב הוולומטרי.

המפתחים החדשניים השואפים להוביל במקום להיות מובלים יתכננו ויבנו את מערכות הרדיו של הדור-הבא שלהם עצמם בשימוש באבני בניין הזמינות כיום. מאמר זה יבחן כמה מבלוקים אקטיביים אלו. את כל החלקים, גיליונות הנתונים, תכני הייחוס וערכות הפיתוח המוזכרים כאן ניתן למצוא באתר האינטרנט של DigiKey.

חזרה למשבצת ההתחלה - שוב

כאשר מתכננים רדיו של הדור-הבא, ישנן שתי רמות אב-טיפוס עיקריות הנדרשות בדרך כלל. קבוצת הפיתוח-הפונקציונלי שואפת לשלב בלוקים פונקציונליים עם גישה בין הדרגות עבור מדידה ומיטוב. כך ניתן לאפשר בדיקה וכוונון עדין של הערכים כדי למטב את העברת ההספק ולשמור על תקינות האותות על בסיס של כל דרגה ודרגה.

בעוד שכמה יצרני שבבים של מקמ"שי רדיו מתקדמים ייצרו מוצרים מוגמרים כגון MCM, החזר ההשקעה הטוב ביותר הוא עם התקנים מונוליתיים. כהתקני הדור השני או השלישי, צורת המונוליתיים המוקטנת היא בדרך כלל הרבה יותר אפקטיבית מבחינת המחיר ולעיתים קרובות היא גם קטנה יותר ועם ביצועים טובים יותר, מאחר והיא ממנפת את הניסיון שנצבר עם הגרסות הקודמות.

בכל אופן, טרנספורמציה זו לצורה מונוליתית היא למעשה בתכן חדש. פסים מוליכים על לוחות PCB מתאפיינים בדרך כלל בתכונות עכבה וקו-שידור בתחום צר. על מודולים רבי-שבבים או פיסות סיליקון מותאמות-במיוחד, יהיה צורך להגדיר מחדש את כל התכונות תוך שימוש בחומרים ובגדלים החדשים. לכן, למעשה, זהו תכן חדש מהפרספקטיבה הפיזיקלית.

כאן המקום בו מתגי RF יכולים להיות כה חשובים כאשר מתכננים אב-טיפוס לרדיו של הדור-הבא. הודות להענקת גישה ממותגת לצמתים הפנימיים, המתכננים יכולים לנתב מסלול אותות, לבדוק או לכוונן את הדרגה. בכל אופן, יש לשים לב כי גם את המתגים יש לכוונן. מתגי מגעים סטנדרטיים עלולים לא לעבוד עם RF. האותות בתדר גבוה משתמשים במרווחי המגעים (ואפילו במרווחי הדיאלקטרי) כקבלי Feedthrough. לכן נדרשים מתגי RF (ומחברים) מיוחדים.

כמה מתגי RF מונוליתיים ובצורת פיסת סיליקון עם איכות טובה וגודל קטן מוכנים לשרת "מן המדף" גם עבור גישה פנימית לאב-הטיפוס של הדרגות או גם עבור תכנים רבי-אנטנות ומסלולים-משותפים. יש לשים לב שאלו מתאפיינים כבעלי מגבלות תדר תחתון ועליון, כמו גם הפסדי התחיבה והגרף הספקטרלי של בידוד התדרים. יש גם לשים לב כי קיימות טופולוגיות מגוונות כדי להעניק יותר גמישות במסלול-האותות, במיוחד בנסיבות בהן אנטנה מסוימת עשויה לשרת מספר תדרים, רוחבי-פס ופרוטוקולים. מרבב, לדוגמה, דורש פחות פסי מוליכים לאותות מאשר מתגים בדידים.

בואו נבחן את מתג RF הרפלקטיבי 4259-63 מבית Peregrine במארז קומפקטי (SC70-6). הוא מציג 50 אוהם מ- MHz ‏10 עד GHz ‏3, והוא מתג RF ‏SPDT לשימוש-כללי עם הפסדי תחיבה הנמוכים עד כדי dB ‏0.5. מאפיין נאה הוא בקרה הניתנת-לבחירה של קו-יחיד או קו-כפול המאפשרת פעולות ניתוק-לפני-חיבור מדויקות.

חלק זה הוא מסדרת UltraCMOS של הספק המשתמשת במצעי אבן ספיר כדי לספק ביצועים דומים לטכנולוגיות היקרות יותר של סיליקון גרמניום או גליום ארסניד, בעוד שהם גם בעלי יכולת נשיאת הספק ועמידות ESD טובות יותר. חלקים נוספים ממשפחה זו כוללים מתגי RF, מיקסרים ומנחתים.

סוגים סופגים של המתגים יכולים לשמש גם עבור מיתוג Mutually Exclusive ועם עומסים מאוזנים. לדוגמה, ה- 50‎ Ohm SPDT‏ RF3025TR7 מבית RF Micro Devices הוא בעל תחום רחב ביותר מ- MHz ‏10 עד GHz ‏6 עם הפסדי תחיבה נמוכים ביותר של dB ‏1.1 (איור 1). ערך זה יכול להפוך ל- dB ‏0.5 בתדרים של מתחת ל- GHz ‏1, המעניק דרך פתוחה למקלט UHF, לדוגמה, החולק את אותה אנטנה.

איור 1: מתגים סופגים יכולים להיות עם תנאים לא-ממותגים עם סיומות או עמוסים ומסייעים לשמור על עכבות מסלול-אותות עקביות.

בתלות בתדרים בהם מעוניינים, מבחר פסי התדר הוא בתחום של עד MHz ‏86 פעולות. עבור פתרונות MCM, מתג RF ‏86‎ MHz SPDT בפיסת סיליקון מבית Hittite (כיום חלק מ- Analog Devices) יכול לעשות את העבודה. ה- HMC-SDD112 הוא בעל בידוד תדרים נאה של dB ‏30 ב- MHz ‏86 והפסדי תחיבה נמוכים למדי של dB ‏2. בעוד שהשימוש כיום הוא עבור מכ"ם מודרני, ככל שקישורים עם קצב נתונים גבוה יותר ותדרים גבוהים יותר יתבססו יותר, חלקים נוספים עבור יישומים אחרים יהפכו בהכרח לזמינים.

בתמהיל

מיקסרים RF הם מודולטורים עם 3 יציאות או דה-מודולטורים ויכולים להיות אקטיביים או פסיביים. הם יכולים לשמש הן עבור המרה מעלה (בשימוש במשדר) או המרה מטה (בשימוש במקלט) [איור 2]. כניסת RF משולבת עם מתנד מקומי ליצירת תדר ביניים המשמר את האותות בהם מעוניינים בתמהיל של התדר הראשוני, תדר המתנד המקומי ותדרי הסכום וההפרש; בתקווה שלא יהיה היסט פאזה או ניחות.

איור 2: מיקסרים עבור המרה מעלה (ימין) והמרה מטה (שמאל) באופן גם פסיבי וגם אקטיבי מספקים פונקציות מודולציה בסיסיות הנדרשות בתכני רדיו. מיקסרים אקטיביים יכולים להיות חלק מאבות-הטיפוס של הדור הבא בשימוש ברכיבים אקטיביים בדידים, ולעבור על-השבב כאשר הפתרון המונוליתי יתפתח.

מיקסרים פסיביים מציגים בדרך כלל הפסדים, בעוד שמיקסרים אקטיביים יכולים להציג הגבר. בעדו שרכיבים פסיביים יכולים להיות בעלי רוחב-פס רחב ותכונות עיוותים-תוך-מודולציות, מיקסרים אקטיביים יכולים להשתלב טוב יותר לתוך פתרון שבב יחיד ויכולים לספק גם בידוד אותות טוב כמו גם פחות רגישות לתיאום עומס.

בדומה למתגים, המיקסרים נבחרים בהתאם לתכונות תחומי התדר, ההפסדים והפאזה. דוגמה לכך הוא הממיר מוריד-המתח MAX2682EUT+T מבית Maxim במארז SOT23-6 קומפקטי המיועד לתכנים מבוססים של ISM ותקשורת סלולרית או למימוש של כל תכני רדיו חדשים בין MHz ‏400 ו- GHz ‏2.5. מבוסס על תהליך סיליקון גרמניום, הוא עובד היטב עבור GPS משותף וקישורי 2.4‎ GHz ISM. חברת Maxim מספקת מספר דפי יישום הכוללים הנחיות לפרישת לוחות PCB‏¹, קצה-קדמי GPS^‏2 ומקלטים לקווי לוויינים³.

מספר בחירות טובות קיימות גם עבור פסי תדר GHz ‏5, היכולות לשתף חיבוריות עם פסי תדר GHz ‏2.4 עבור חיבורי LAN אלחוטי במהירות גבוהה יותר ועם שני פסי תדר. חלקים כגון HMC557LC4TR מבית Hittite יכולים לתפקד גם כממיר מעלה-מתח וגם כממיר מוריד-מתח בתכן מקמ"ש המתפרש מ- GHz ‏2.4 עד GHz ‏7 עם רוחב-פס DC-3 GHz IF רחב.

חלקים עבור פסי-תדר גבוהים יותר של GHz ‏6 עד GHz ‏10 כגון HMC520LC4TR מבית Hittite הם שימושיים עבור יישומי דימות כגון גלאי חוטים בקיר, קורות ומסמרים. כמו כן, עבור מחשבים לבישים מהדור-הבא, ה- HMC1081 יטפל בפסי-תדר של GHz ‏60 אותם מנסים כעת עבור יישומי PAN. יחידות אולטרה-קטנות אלו ידרשו פתרונות מונוליתיים, כך שחלקי פיסת סיליקון כמו ה- HMC1081 הם אידיאליים לשימוש באב-הטיפוס של MCM שלך.

טרנזיסטורי RF

כאשר נדרשת דחיפה חיצונית כדי להעניק יותר הספק ביציאה מאשר משדר מונוליתי מסוגל בדרך כלל לספק, ניתן להשתמש בטרנזיסטורי RF חיצוניים. ניתן למקם חלקים אלו קרוב יותר לאנטנות הפעילות כדי לשפר את הנצילות ולספק זרם שידור גבוה יותר. טרנזיסטורי RF יכולים גם לשמש כמתגי הספק גבוה יותר כדי לבודד דרגות מקלט רגישות בזמן שמתקיים גם שידור בהספק גבוה יותר.

לעיתים קרובות, דוחפי יציאה משתמשים בטרנזיסטורים NPN ו- PNP מאחר והם חזקים יותר מאשר טרנזיסטורי FET (אך לא תמיד). טרנזיסטורי FET הם אפקטיביים ביותר הודות להתנגדויות מצב-מופעל הנמוכות ביותר שהם מציעים וכתוצאה מכך הם יכולים לשמש באפקטיביות רבה יותר במסלול האותות. ניתן להשתמש בהם לניתוב מסלול אותות, כגון לאנטנה נוספת לדוגמה, או להתחבר לשרשרת אותות לצרכי בדיקה. כצפוי, בחירת הטרנזיסטור תהיה מבוססת בראש ובראשונה על תדר ומתח הפעולה, אך יכולת נשיאת זרם _(DS(ON‏R נמוך והגודל גם הם גורמים חשובים.

ניתן להשתמש בטרנזיסטורים בכל פסי התדר, כולל UHF, ויש בכך יתרונות כאשר חדירת אותות דרך קירות ומבנים היא בעלת חשיבות. חלקים כדוגמת NE68019-A מבית CEL תומכים באותות בתדרי תת-GHz ‏2 במארז קומפקטי SOT 543 עם 3 פינים ויכולים להעניק הספק יציאה גבוה יותר מזה הקיים בדרך כלל בתוך שבב רדיו מונוליתי.

ניתן להשתמש גם ב- (2SC5084-O(TE85L,F מבית Toshiba, שהוא טוב עד GHz ‏7 עם mW ‏150 של יכולת נשיאת הספק יציאה. הוא יכול גם לשאת GHz ‏5 כך שניתן להשתמש בו עבור Wi-Fi עם שני פסי-תדר כמו גם ZigBee, ‏GSM, ‏Bluetooth ופרוטוקולי GHz ‏2.4 אחרים.

חלקים לתדרים נמוכים יותר כדוגמת (2SC2714-O(TE85L,F מבית Toshiba עם כניסה ויציאה של 50 אוהם יכולים לשמש עבור דרגות יציאת FM כמו גם מיתוג IF עם מיקסרים לתדרים גבוהים יותר. מתנדי IF ניתנים-לבחירה יכולים לאפשר את אותם בלוקי מקמ"ש עבור רוחבי-פס שונים. שים לב כי מערכי טרנזיסטורים יכולים לשמש כמו גם לחסוך יותר שטח, אך אתה יכול להפסיד את יתרונות הפרישה של מיקום אלמנטים יחידים בכל מקום שתרצה.

מוצרי פיסת סיליקון

מגוון רחב של מוצרי פיסת סיליקון זמין עבור אבות-טיפוס של MCM או ריצות פיילוט. עם מצעים קרמיים מחושלים-בהבזק, אפילו התקני SMT פסיביים יכולים להתקיים לצד התקני פיסת סיליקון מודבקת. בנוסף, טכנולוגיית שבב-על-לוח יכולה לשמש עם גיבובי RF כדי לכלול אנטנות לוח ו/או שבב.

הפונקציות הבדידות הרבות, כגון מנחתים, מגברים, מיקסרים ומודולטורים, מעניקים חופש רב כאשר בונים תכני רדיו חדשים. ומעבר לכך, הם מעניקים את הרמה הגבוהה ביותר של שילוב פונקציונלי עם הסיכון הקטן ביותר מאחר וכל בלוק פונקציונלי מאופיין היטב ועובד כהלכה מהרגע הראשון.

בין אם זה מגבר עם 3-דרגות לתדרים GHz ‏6-20 כגון AMMC-5618-W10 מבית Avago (איור 3), או מתג SPDT עם סיומת דיודת PIN לתדרים GHz ‏8-10.5 בהספק 20 וואט כגון MASW-010647-13950G מבית MA/Com, כל החלקים קיימים כדי להיות החלוצים בתקנים המתפתחים.

איור 3: שימו לב למורכבות אפילו של פונקציות פשוטות כגון פרישת פיסת סיליקון של מגבר GHz ‏20 זה. השימוש במערכי רכיבים פסיביים ופיסת סיליקון אקטיבית עבור אבות-טיפוס מעניק תכני MCM צפופים ויעילים בשימוש באבני בניין ידועות.

כמה חלקים לא רגילים זמינים גם כן, כגון מכפל תדר 2X עבור פעולה בתדר GHz ‏20-40. פיסת הסיליקון במארז AMMC-6140-W1 מבית Avago היא בעלת עכבת כניסה ויציאה של 50 אוהם תוך הספקת הכפלת תדר ליניארית.

אפשרות אחרת ומעניינת היא פד מנחת ATN3590-10 מבית Skyworks Solutions.

מנחתים עם התנגדות קבועה אלו הם אידיאליים עבור גלבו קופלנרי או נשאי מעגלים Micro-Strip. זמינים בצעדים עם ניחות קבוע, הם יכולים לאפשר כוונונים ברמות-צעד כאשר הם משולבים עם מתגי RF מחזירים.

לסיכום

רובנו הגדול ישתמש בערכות-שבבים משולבות מהיצרנים המובילים ברגע שמאפייני הפרוטוקול והקישור יהפכו לתקן מקובל באופן נרחב. דורות עוקבים יספקו חבילות תוכנה חינמיות ויהפכו את תכנון הרדיו לפעולת חיתוך-והדבקה בלבד.

בכל מקרה, עבור אלו הדוחפים את מעטפת הרדיו הדיגיטלי, המזעור נותר אחד מהגורמים הדוחפים העיקריים - במיוחד עבור יישומים בצמיחה גבוהה כגון מחשבים והתקנים היקפיים לבישים.

לפרטים נוספים אודות החלקים שהוזכרו במאמר זה, השתמש בקישורים לדפי המוצרים שבאתר האינטרנט של DigiKey.

מקורות

1. הנחיות לעריכת מעגלים מודפסים של Maxim
2. דפי יישום לקצה-קדמי GPS של Maxim
3. דפי יישום לחיבוריות לוויינים של Maxim