Проблемы проектирования усилителей Rf для новых приложений Iot и M2m

Расширяющаяся роль усилителей РФ в IoT и M2M-подключении

Экосистемы связи Интернета вещей (IoT) и Машины-Машины (M2M) расширяются беспрецедентными темпами. От интеллектуальных датчиков сельского хозяйства и носимых мониторов здоровья до сетей промышленной автоматизации и инфраструктуры умного города миллиарды устройств теперь полагаются на беспроводную связь. В основе каждого беспроводного передатчика лежит усилитель мощности радиочастот (RF) (PA), компонент, который должен обеспечивать надежное усиление сигнала при работе в условиях жестких ограничений по мощности, размеру и стоимости. Поскольку эти приложения мигрируют в новые полосы частот и принимают сложные схемы модуляции, проблемы, стоящие перед разработчиками усилителей RF, становятся все более острыми. В этой статье рассматриваются основные препятствия для проектирования усилителей RF в новых системах IoT и M2M и рассматриваются последние решения и будущие тенденции, которые обещают их преодолеть.

Ключевые проблемы в дизайне усилителей РФ для IoT и M2M

Проектирование радиочастотного усилителя для приложений IoT и M2M является многомерной проблемой оптимизации. В отличие от традиционных сетей с широкими областями, где базовые станции имеют достаточную мощность и охлаждение, конечные точки IoT обычно ограничены временем автономной работы, физическим воздействием и стоимостью единицы. Эти ограничения заставляют инженеров балансировать параметры производительности, которые часто находятся в прямом противостоянии. Следующие подразделы описывают наиболее важные проблемы.

Энергоэффективность

Длительность батареи, возможно, является самым строгим требованием для устройств IoT с батарейным питанием. Усилитель мощности RF может составлять 30-50% от общего энергопотребления системы во время передачи. Поскольку многие устройства IoT проводят большую часть своего времени в спящем режиме, PA должны обеспечивать отличную эффективность во время коротких всплесков работы с высокой мощностью. Традиционные линейные PA (класс A, AB) обеспечивают хорошую линейность, но страдают от плохой эффективности при отключении питания, что распространено в современных схемах модуляции, изменяющих оболочку. Инженеры должны принять такие методы, как отслеживание оболочек, архитектуры Доэрти или топологии коммутационного режима класса E / F, чтобы максимизировать эффективность при сохранении приемлемой линейности. Сочетание выходной мощности (часто необходимо для более длительного диапазона) и эффективности с добавлением мощности (PAE) остается центральным напряжением конструкции. Новые стандарты, такие как NB-IoT, LoRa и Wi-SUN, накладывают конкретные маски выбросов и рабочие циклы, дополнительно ограничивая допустимые подходы повышения эффективности.

Пропускная способность и частотный диапазон

Приложения IoT и M2M фрагментированы по широкому спектру: полосы ISM с частотой до ГГц (например, 868 МГц, 915 МГц), 2,4 ГГц (Zigbee, Thread, BLE), 5 ГГц (Wi-Fi 6E) и даже диапазоны миллиметровых волн для датчиков с высокой частотой. Конструкция одного усилителя частот должна часто охватывать несколько частотных диапазонов или, по крайней мере, быть настраиваемой. Широкополосная или многополосная конструкция PA вводит серьезные проблемы с соответствием импедансу. Оптимальное сопротивление нагрузки транзистора значительно варьируется с частотой, что затрудняет достижение последовательного усиления, эффективности и выходной мощности по всей полосе. Распределенные топологии усилителя и отрицательная обратная связь могут расширять полосу пропускания, но за счет увеличения и эффективности. Другой подход заключается в использовании коммутируемых сетей соответствия или настраиваемых компонентов (например, варакторы BST), но для конструкций с частотой добавляем сложность и потери вставки. Для конструкций

Линейность и целостность сигнала

Современные формы волн IoT — такие как OFDM в Wi-Fi и LTE-M или FSK с гауссовской фильтрацией для узкополосного IoT — предъявляют к PA требовательные требования к линейности. Нелинейности вызывают спектральный рост и искажение интермодуляции, которые увеличивают величину вектора ошибок (EVM) и повышают мощность смежных каналов (ACP). В нелицензированных диапазонах ISM строго соблюдаются нормативные ограничения на ACP, часто заставляя дизайнеров отступать от PA в более линейную работу, что снижает эффективность. Для поддержания как линейности, так и эффективности дизайнеры используют цифровые преискажения (DPD) в базовой полосе, аналоговых сетях преискажения или декартовых обратных связи. Однако эти методы линеаризации добавляют площадь гибки, потребление энергии и стоимость. Для устройств IoT с ультранизким энергопотреблением накладные расходы на цикл DPD могут быть непомерными, поэтому инженеры должны полагаться на тщательное смещение и выбор устройства. Использование расширенных приказов модуляции (например, 256-QAM) в плотных сетях IoT требует PA с высокой

Размер и интеграция

Компактный форм-фактор типичных датчиков IoT оставляет мало места для дискретных компонентов, традиционно используемых в RF-амплификации. Усилители должны быть интегрированы в решения систем на чипе (SoC) или системы в упаковке (SiP) наряду с цифровыми базовыми полосами, памятью, датчиками и управлением мощностью. Индукторы на чипе и трансформаторы страдают от факторов низкого качества, особенно на частотах ниже 6 ГГц, что приводит к более высоким потерям и снижению эффективности. Ко-дизайн с антенной имеет решающее значение; несоответствие импеданса может серьезно ухудшить производительность. Многие дизайнеры обращаются к процессам CMOS SOI или SiGe BiCMOS для интеграции PA с другими RF-блоками, но даже тогда выходная мощность часто ограничивается ~20 дБм, чтобы избежать тепловых проблем. В некоторых приложениях (например, интеллектуальные счетчики) используется отдельный составной полупроводниковый PA (GaAs, GaN), но это увеличивает размер модуля. Передовые методы упаковки, такие как вентиляционная упаковка на уровне пластин (FOWLP)

Термический менеджмент

В крошечных корпусах без активного охлаждения тепло, генерируемое PA, может быстро повышать температуру перехода, ухудшая производительность и надежность. Устройства IoT могут быть развернуты в экстремальных условиях (например, наружные промышленные датчики под прямым солнечным светом или в условиях минусового значения), требуя, чтобы PA работал в широком температурном диапазоне. Тепловой бегство вызывает беспокойство, потому что более горячий транзистор демонстрирует более высокие потери и сниженную подвижность электронов, что может увеличить потребление энергии и генерировать больше тепла. Дизайнеры должны учитывать тепловой импеданс в упаковке, использовать тепловые слизни или тепловые сквозняки и, возможно, реализовывать алгоритмы отключения энергии, когда датчики температуры обнаруживают перегрев. Использование высокотепловых материалов, таких как медные столбы и алмазные подложки, становится все более распространенным для мощных усилителей IoT, хотя стоимость остается барьером. компромисс между выходной мощностью и тепловым запасом является ключевым фактором при установлении максимальной мощности передачи для стандартов, таких как Zigbee и Thread.

Стоимость и доходность

Устройства IoT чувствительны к цене; несколько центов дополнительной стоимости BoM могут определять жизнеспособность рынка. Усилители RF должны быть изготовлены в больших объемах процессов с высокой выходной мощностью. Составные полупроводники (GaAs, GaN) предлагают превосходную производительность, но более дороги и труднее интегрировать с CMOS. С другой стороны, CMOS PAs борются за то, чтобы обеспечить высокую выходную мощность с хорошей эффективностью выше нескольких ГГц. Дизайнеры должны выбирать процесс, который достигает требуемой производительности, оставаясь в строгой оболочке затрат. На урожайность дополнительно влияют изменения процесса в индукторах, конденсаторах и транзисторных моделях. Многие литейные заводы предлагают варианты процесса, специфичные для RF (например, толстый верхний металл для индукторов, конденсаторов MIM), которые улучшают производительность PA, но с премией. Для снижения затрат некоторые конструкции повторно используют одно и то же ядро PA в нескольких продуктах с регулируемыми сетями соответствия, но этот подход ограничивает оптимизацию. Статистическое моделирование дизайна и моделирование Монте-Карло необходимы для обеспечения того, чтобы

Новые решения и будущие тенденции

Несмотря на эти сложные проблемы, волна инноваций в полупроводниковых материалах, архитектуре схем и дизайне на системном уровне позволяет использовать РЧ-усилители следующего поколения для IoT и M2M. В следующих разделах освещаются наиболее перспективные разработки.

Нитрид галлия (GaN) и арсенид галлия (GaAs)

Технологии GaN-on-Si и GaN-on-SiC значительно выросли, предлагая в три-пять раз большую плотность мощности, чем GaAs или кремниевые аналоги. Для приложений IoT, которые требуют высокой выходной мощности в малом объеме, таких как промышленные шлюзы M2M и мощные сенсорные узлы, GaN позволяет PA с выходом 50-100 Вт от одного чипа при сохранении 60-70% PAE. Недавние достижения в GaN-on-Si снижают стоимость подложки и позволяют интегрироваться с схемами управления CMOS. GaAs HBTs остаются рабочей лошадкой для мобильных и устройств меньшей дальности из-за их превосходной линейности и умеренной эффективности при более низких напряжениях питания. Обе технологии видят более широкое внедрение, с GaN, движущейся в модули многодиапазонного PA с частотой суб-6 ГГц. По мере улучшения производительности ожидается, что GaN проникнет в более чувствительные к затратам сегменты IoT.

Цифровое искажение (DPD) для компактных IoT-систем

Хотя DPD был стандартом в базовых станциях и высокопроизводительном Wi-Fi, его реализация в устройствах IoT была непрактичной из-за накладных расходов на электроэнергию и площадь. Однако достижения в маломощных приемниках обратной связи и легких адаптивных алгоритмах теперь позволяют интегрировать DPD в IoT SoC без значительного увеличения разряда батареи. Например, полярная архитектура DPD с использованием небольшого ADC для захвата выходной оболочки может исправить искажение AM-AM и AM-PM в узкополосном PA, позволяя высокоэффективному, но нелинейному PA удовлетворять спектральным маскам. Компании создают ядра интеллектуальной собственности DPD, которые потребляют менее 1 мВт, что делает их пригодными для модулей NB-IoT и LTE-M. Эта тенденция обещает отделить линейность от обратного, позволяя устройствам IoT работать на более высоких уровнях выходной мощности вблизи насыщения.

Методы отслеживания конвертов и доэрти в режимах с низким энергопотреблением

Отслеживание конвертов (ET) модулирует напряжение питания PA в реальном времени, чтобы следовать за оболочкой RF, резко повышая среднюю эффективность. Исторически, ET был зарезервирован для мощных базовых станций, но новые одноиндуктивные многоотводные (SIMO) преобразователи постоянного тока (DC-DC) и высокоскоростные модуляторы оболочки разрабатываются для мобильных и IoT уровней мощности (20-30 дБм). Doherty PA, когда-то считавшиеся слишком громоздкими, реализуются в миниатюрной форме с использованием трансформаторов на чипе и оптимизированных сетей нагрузки. Эти архитектуры могут поддерживать высокую эффективность в диапазоне отключения питания 6-10 дБ, который соответствует типичному рабочему циклу многих приемопередатчиков IoT. В то время как проблемы интеграции остаются, несколько литейных заводов предлагают эталонные конструкции, которые сочетают Doherty или ET со стандартным ядром CMOS PA, обещая значительные улучшения срока службы батареи для беспроводных датчиков следующего поколения.

Расширенная упаковка и гетерогенная интеграция

Для преодоления ограничений по размеру дискретных ПА передовые технологии упаковки позволяют комбинировать оптимальные материалы для отмирания в одном модуле. Упаковка на уровне вентилятора (FOWLP) со встроенными индуктивно-конденсаторными устройствами (TGV) уменьшает количество внешних компонентов, в то время как сквозные стеклопакеты (TGV) улучшают теплораспределение. Гетерогенная интеграция ПА от GaAs с контроллером CMOS в той же упаковке с использованием микро-бампов обеспечивает отличную производительность RF с очень низкими паразитами. Эти методы коммерциализируются для многорежимных модулей IoT, которые работают в диапазонах Sub-GHz, 2,4 ГГц и 5 ГГц. Результатом является модуль PA, который вписывается в пакет 3×3 мм и обеспечивает выходную мощность > 25 дБм с > 40 % PAE.

Программно-определяемые и реконфигурируемые усилители

Поскольку стандарты IoT продолжают фрагментироваться, возможность перенастройки PA для различных диапазонов и уровней мощности очень желательна. Перенастраиваемые сети сопоставления с использованием коммутаторов MEMS, варакторов или коммутаторов CMOS SOI могут настраивать импеданс нагрузки PA для оптимизации эффективности и линейности на каждой рабочей частоте. В сочетании с регулируемым смещением и напряжением питания эти перенастраиваемые PA могут покрывать многооктавный частотный диапазон при сохранении современной производительности. Исследования продемонстрировали PA, которые работают от 0,5 до 3 ГГц с >50% PAE по полосе с использованием коммутируемых выходных трансформаторов. Такие конструкции идеально подходят для многопротокольных IoT-концентраторов, которые должны поддерживать BLE, Zigbee, Wi-Fi и LoRa одновременно.

AI-Driven дизайн и оптимизация

Машинное обучение начинает влиять на конструкцию усилителя RF. Алгоритмы ИИ могут исследовать огромные пространства параметров размера транзистора, сопоставления топологии сети и условий смещения быстрее, чем ручная итерация. Генеративные модели используются для синтеза новых топологий сети соответствия, которые отвечают целям импеданса по частоте. Кроме того, во время работы ИИ может адаптировать смещения и поставки для поддержания линейности в ответ на изменение температуры и процесса. Некоторые коммерческие инструменты EDA теперь предлагают оптимизацию с помощью ИИ, которая сокращает циклы проектирования от недель до часов. В то время как все еще на ранней стадии принятия, эти методы обещают демократизировать высокопроизводительный дизайн PA для небольших групп, ориентированных на IoT.

Заключение

Проектирование радиочастотных усилителей для новых приложений IoT и M2M остается требовательной дисциплиной, которая требует тщательной навигации компромиссов между мощностью, эффективностью, линейностью, размером и стоимостью. Тем не менее быстрое продвижение полупроводниковых материалов, схемных архитектур и методов интеграции раздвигает границы того, что возможно. GaN PA, отслеживание оболочек, топологии Doherty и оптимизация на основе ИИ уже появляются в коммерческих продуктах, и на горизонте находятся дальнейшие инновации. Понимая фундаментальные проблемы и используя новые решения, описанные здесь, проектные команды могут создавать радиочастотные усилители, которые отвечают строгим требованиям следующей волны подключенных устройств, обеспечивая надежную и энергоэффективную беспроводную связь для миллиардов конечных точек по всему миру.

Для дальнейшего чтения по конкретным методам см. следующие ресурсы: