Table of Contents

Растущий спрос на более мелкие и умные носимые устройства

Носимая технология вышла за рамки простого подсчета шагов, чтобы стать краеугольным камнем личного мониторинга здоровья, отслеживания фитнеса и даже раннего медицинского вмешательства. Поскольку потребители ожидают больше функций от устройств, которые должны оставаться ненавязчивыми, давление на разработчиков компонентов усилилось. Среди наиболее важных компонентов в любом беспроводном носимом устройстве является усилитель радиочастот (RF). Этот элемент схемы усиливает слабые сигналы, принимаемые или передаваемые на другие устройства, обеспечивая надежную связь для Bluetooth, Wi-Fi, GPS и сотовых линий. Стремление сократить эти усилители без ущерба для производительности вызвало волну инноваций, которая затрагивает каждый угол носимой экосистемы. Последние достижения в материалах, процессах изготовления и архитектуре схемы позволяют использовать радиочастотные усилители, которые значительно меньше, более энергоэффективны и способны обрабатывать требовательные полосы частот, используемые современными носимыми устройствами. Эти улучшения не только делают более гладкие конструкции продуктов, но также продлевают срок службы батареи и улучшают пользовательский опыт в реальных условиях.

Миниатюризация усилителей RF - это не просто упражнение по уменьшению существующих конструкций. Это требует переосмысления фундаментальных компромиссов между коэффициентом усиления, шумом, линейностью и энергопотреблением. Меньшие усилители должны управлять тепловым рассеиванием в плотно упакованных корпусах, поддерживать постоянную производительность по сравнению с температурой и изменениями процесса и интегрироваться с другими миниатюрными компонентами, такими как антенны, фильтры и микроконтроллеры. Результатом является новый класс усилителей RF, которые специально созданы для уникальных ограничений носимой технологии.

Роль усилителей РФ в носимых устройствах

Чтобы понять, почему миниатюрные усилители RF имеют значение, помогает рассмотреть, что делает усилитель RF в типичном носимом устройстве. Каждая беспроводная связь состоит из передатчика и приемника. На стороне передачи усилитель мощности (PA) повышает модулированный сигнал до уровня, достаточного для надежной передачи в заданном диапазоне. На стороне приема усилитель с низким уровнем шума (LNA) усиливает крошечный сигнал, подхваченный антенной, добавляя как можно меньше шума. Обе функции необходимы: без адекватной мощности передачи носимый не может общаться с телефоном или базовой станцией; без чувствительной LNA слабые входящие сигналы теряются в шуме.

Например, в умных часах PA должен обеспечивать достаточную выходную мощность для поддержания соединения Bluetooth через комнату или через карман, в то время как LNA должна обнаруживать сигналы со спутника GPS или маршрутизатора Wi-Fi, которые могут находиться на расстоянии десятков метров. Все это должно происходить при извлечении всего нескольких миллиамперов из небольшой батареи и при установке в пакет, который может быть не больше, чем зерно риса. Проблема усиливается, поскольку носимые устройства принимают более высокочастотные полосы, такие как используемые для 5G, радар миллиметровой волны или новые стандарты связи ближнего поля.

Почему размер имеет значение: ограничения носимого дизайна

Носимые устройства принципиально отличаются от смартфонов или ноутбуков. Они должны быть удобными, легкими и достаточно ненавязчивыми, чтобы их можно было носить часами или днями. Это накладывает жесткие ограничения на объем, доступный для электроники. Фитнес-трекер может иметь внутренний объем всего в несколько кубических сантиметров, совместно используемый между датчиками, батареей, дисплеем, микроконтроллером, памятью и беспроводной подсистемой. Каждый компонент должен быть как можно меньше, и усилитель радиочастот не является исключением.

Помимо физического размера, бюджет мощности часто является самым ограниченным ресурсом. Носимая батарея может работать на батарее размером до 100 мАч, а усилитель радиочастотной связи может быть одним из крупнейших потребителей тока. Плохо оптимизированный усилитель, который потребляет 50 мА во время GPS-фикса или передачи Bluetooth, может разряжать батарею за несколько часов. Поэтому миниатюризация - это не просто сокращение площади - это достижение более высокой эффективности на меньшей площади. Недавние прорывы поставили усилители, которые сочетают субмиллиметровые размеры с эффективностью с добавлением мощности, превышающей 40% в определенных диапазонах.

Управление теплом - еще одна проблема. Усилители высокой мощности генерируют тепло, и в плотно герметичном носимом устройстве это тепло может повышать внутренние температуры, ухудшая срок службы батареи и точность датчика. Миниатюрные усилители, которые разработаны с передовыми тепловыми путями (такими как медные столбы или сквозные кремниевые сквозняки), помогают более эффективно рассеивать тепло, позволяя носимым устройствам работать в более высоких рабочих циклах без перегрева.

Технологические прорывы в управлении миниатюризацией

Нитрид галлия (GaN) и технологии кремния-германия (SiGe)

Наиболее значительные достижения в области материалов были достигнуты благодаря нитриду галлия (GaN) и силикону-германию (SiGe). GaN предлагает более высокую подвижность электронов и более широкий диапазон, чем традиционный кремний, что позволяет транзисторам, которые работают на более высоких частотах и напряжениях, но при этом выдерживают более высокие температуры. Для носимых устройств усилители GaN могут обеспечить высокий прирост в очень маленькой площади кристалла, уменьшая общий размер упаковки. Ранние усилители мощности GaN часто составляли несколько квадратных миллиметров, но недавние усовершенствования процессов производили устройства GaN, которые помещаются в пакеты размером 1,5 & nbsp; × & nbsp; 1,5 мм, с выходной мощностью в сотни милливатт — более чем достаточно для большинства носимых приложений.

SiGe, с другой стороны, изготовлен на стандартной кремниевой платформе с модификациями, которые вводят германий в базовую область. Это дает усилителям на основе SiGe отличную высокочастотную производительность - значения fT, превышающие 300 ГГц - при сохранении преимуществ по стоимости и возможностей интеграции обычных комплементарных процессов полупроводникового металлооксида (CMOS). SiGe LNA особенно привлекательны для носимых устройств, поскольку они могут достигать очень низких показателей шума (менее 1 дБ при 5 ГГц) и могут быть монолитно интегрированы с базовой полосой и цифровой схемой, уменьшая количество отдельных чипов, необходимых.

Продвинутые процессы CMOS и BiCMOS

Стандартные CMOS исторически боролись с производительностью RF, но передовые узлы (28 нм и ниже) изменили это. При этих размерах частоты транзита могут превышать 200 ГГц, а тщательные методы компоновки могут производить LNA и PA, которые конкурируют с специализированными технологиями III-V. Преимущество CMOS заключается в способности комбинировать RF, аналоговые и цифровые блоки на одном кристалле, резко сокращая общий размер модуля. Такие компании, как Texas Instruments и Qualcomm, представили RF фронтальные модули, которые интегрируют усилитель мощности, LNA, переключатель и фильтр в пакет меньше 3 × 4 мм, специально предназначенные для носимых устройств.

Процессы BiCMOS, сочетающие биполярные транзисторы с CMOS, добавляют дополнительную гибкость. Биполярные устройства обеспечивают превосходную линейность и усиление на высоких частотах, в то время как CMOS обрабатывает логику управления и обработку базовой полосы. Этот гибридный подход позволяет конструкторам сокращать секцию RF без ущерба для производительности.

Интеграция On-Chip и In-Package

Еще одна важная тенденция - это переход к высокоинтегрированным модулям RF. Вместо того, чтобы размещать отдельные усилители, фильтры и переключатели бок о бок, производители укладывают штампы или встраивают их в ламинированную подложку. Например, Avago (теперь Broadcom) разработала пленочные акустические резонаторы для массовых акустических резонаторов (FBAR), которые можно размещать непосредственно поверх PA-диапазона с использованием упаковки на уровне пластин. Эта трехмерная интеграция экономит пространство на плате и уменьшает паразитные потери, которые в противном случае ухудшали бы производительность.

Аналогичным образом, передовые методы упаковки, такие как упаковка на уровне вентилятора (FOWLP) и система в упаковке (SiP), позволяют инкапсулировать несколько функциональных блоков (PA, LNA, антенный интерфейс, управление питанием) в одном модуле, который измеряет всего несколько миллиметров с каждой стороны. Эти интегрированные модули теперь стандартны во многих премиальных смарт-часах и фитнес-трекерах.

Задачи и решения в области проектирования миниатюрных РЧ усилителей

Даже при использовании более качественных материалов и упаковки, сокращение РЧ-усилителя создает фундаментальные инженерные препятствия. Одним из наиболее устойчивых является поддержание высокой эффективности и линейности при низких напряжениях питания. Носимые батареи обычно выдают 3,7 В или менее, и по мере их разрядки напряжение может опускаться ниже 3 В. Традиционные топологии усилителей, которые хорошо работают при 5 В борьбе при этих пониженных напряжениях. Дизайнеры приняли такие методы, как отслеживание огибающей (динамическая настройка напряжения питания в соответствии с сигнальной оболочкой) и оптимизация линии нагрузки, чтобы выжать больше производительности из 3 В рельса.

Еще одна проблема заключается в управлении паразитическими элементами. По мере сокращения размеров паразитные емкости и индуктивности межсоединений, проводов связи и паяльных бугорков становятся большей частью общего импеданса цепи. Эти паразиты могут смещать резонансные частоты, уменьшать усиление и вызывать проблемы с стабильностью. Современные инструменты моделирования (такие как решатели электромагнитного поля) используются для моделирования этих эффектов на ранних этапах цикла проектирования, а такие методы, как нейтрализация (конденсаторы перекрестного соединения), помогают отменить нежелательную обратную связь.

Широкополосная работа также сложнее в миниатюрных пакетах. Носимые устройства часто нуждаются в поддержке нескольких полос — Bluetooth в полосе ISM 2,4 ГГц, GPS около 1,5 ГГц, Wi-Fi на частоте 2,4 и 5 ГГц, а иногда и сотовых диапазонах LTE или 5G. Очень желателен один усилитель, который может покрывать все эти полосы без нескольких настроенных сетей согласования. Распределенные топологии усилителей, коммутируемая настройка и широкополосные сети согласования с использованием трансформаторов на кристалле доказали свою эффективность, хотя они добавляют сложность. Усилители GaN и SiGe последнего поколения могут покрывать полосы пропускания в несколько гигагерц в одном кристалле, упрощая общий передний конец RF.

Приложения в носимом спектре

Здоровье и медицинские мониторы

Непрерывный мониторинг состояния здоровья является одним из наиболее перспективных приложений для носимой технологии. Устройства, отслеживающие частоту сердечных сокращений, насыщение крови кислородом, уровень глюкозы в крови или даже электрокардиограммы (ЭКГ), полагаются на беспроводную передачу для отправки данных на смартфон или облачный сервер. Усилитель радиочастот в таком устройстве должен быть чрезвычайно надежным, поскольку потерянное соединение может означать пропущенные критические данные. Миниатюрные усилители с высокой чувствительностью (низкий уровень шума) обеспечивают, чтобы даже слабые сигналы от имплантированных или контактных датчиков кожи передавались без ошибок. Например, непрерывный монитор глюкозы в стиле пластыря может передавать каждые несколько минут по Bluetooth Low Energy; усилитель должен поддерживать связь даже тогда, когда телефон пациента находится в другой комнате, что требует как хорошей выходной мощности, так и чувствительности приемника.

В больничных условиях носимые мониторы жизненно важных показателей, которые передают данные на центральную станцию медсестры, нуждаются в надежной связи. Недавние усилители радиочастот, предназначенные для телеметрии медицинского диапазона (например, служба связи медицинских имплантатов с частотой 2,4 ГГц, MICS, полоса), достигают показателя шума ниже 0,8 дБ при рисовании менее 2 мА из источника 1,8 В - впечатляющая комбинация, которая была невозможна десять лет назад.

Фитнес-носимые и трекеры активности

Фитнес-трекеры и спортивные часы требуют точного GPS и надежного подключения Bluetooth к смартфону для уведомлений и синхронизации данных. GPS-приемник особенно требователен: сигналы от спутников чрезвычайно слабы (около −130 дБм) и должны усиливаться LNA с минимальным дополнительным шумом. Миниатюрные LNA на основе процессов SiGe или GaAs pHEMT теперь достигают показателей шума до 0,5 дБ в пакетах меньше 1 мм2. Это позволяет GPS быстро блокироваться даже в городских каньонах или под древесным покровом, в то время как общий бюджет мощности подсистемы GPS остается ниже 20 мВт.

Усилители питания Bluetooth в фитнес-носимых устройствах также выиграли. Современные конструкции PA обеспечивают выходную мощность до +8 дБм с эффективностью 40%, обеспечивая надежные соединения при использовании доли емкости батареи, используемой предыдущими поколениями. Производители устройств могут, таким образом, включать более крупные дисплеи или дополнительные датчики без ущерба для срока службы батареи.

Смарт-часы и универсальные носимые устройства

Смарт-часы, такие как Apple Watch и Samsung Galaxy Watch, сталкиваются с самыми строгими ограничениями по размеру, поскольку они должны упаковать полнофункциональный беспроводной стек (Wi-Fi, Bluetooth, GPS, сотовая связь) в тонкий корпус. Передний конец RF в сотовых умных часах также должен обрабатывать несколько полос (например, полоса LTE 1, 2, 3, 4, 5, 7 и т. Д.), Каждый из которых требует своего собственного усилителя или очень широкополосного решения. Здесь переход к высокоинтегрированным модулям антенны-интерфейса (AIM), которые включают как PA, так и LNA для всех поддерживаемых полос, имеет решающее значение. Эти модули измеряют примерно 4 & nbsp; × & nbsp; 6 мм и содержат до десятка усилителей, коммутаторов и фильтров - все инкапсулированы в одном пакете. Без достижений миниатюризации последних пяти лет такая интеграция была бы невозможной.

Помимо подключения, некоторые умные часы теперь включают радар ближнего радиуса действия (например, для обнаружения жестов или обнаружения падения) с использованием полосы 60 ГГц. Усилители для частот миллиметровых волн представляют дополнительные проблемы из-за очень малых длин волн и высоких потерь. Тем не менее, исследовательские группы продемонстрировали усилители мощности GaN на 60 ГГц с выходной мощностью выше 20 дБм в области чипа всего 0,5 мм2, открывая дверь для новых методов зондирования в носимых устройствах.

Гарнитуры дополненной реальности (AR) и виртуальной реальности (VR)

Хотя гарнитуры AR/VR не всегда классифицируются как носимые в традиционном смысле, гарнитуры AR/VR все чаще носят в течение длительных периодов времени и требуют очень миниатюрной электроники. Эти гарнитуры должны передавать видео высокой пропускной способности и данные датчиков (например, отслеживание снаружи) на главный компьютер или облачный сервер, часто используя проприетарные ссылки Wi-Fi 6E или 60 ГГц. Усилители RF в таких гарнитурах должны обеспечивать высокую линейность, чтобы избежать искажения сложных схем модуляции (например, 64- или 256-QAM), все еще работая в условиях ограниченного энергопотребления и теплового бюджета. Недавние усилители SiGe BiCMOS достигли величины вектора ошибок (EVM) −30 дБ при 7 ГГц с потреблением энергии всего 30 мВт, подходящие для гарнитур следующего поколения.

Будущие направления и текущие исследования

Искусственный интеллект и адаптивные усилители

Одним из захватывающих рубежей является использование машинного обучения для динамической оптимизации параметров усилителя в режиме реального времени. Путем мониторинга условий сигнала, напряжения батареи и температуры контроллер, управляемый ИИ, может регулировать точки смещения, соответствующие сети или даже напряжение питания для поддержания оптимальной производительности при изменении условий. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировали адаптивную LNA, которая уменьшает свой ток на 40%, когда принимаемый сигнал силен, не ухудшая показатель шума. Такой интеллект станет стандартом в будущих носимых передних концах радиочастот, поскольку он напрямую отвечает конкурирующим требованиям производительности и срока службы батареи.

Уборка энергии и сверхнизкая мощность

Носимые устройства, которые никогда не нуждаются в изменениях батареи, - давняя мечта. Усвоение энергии из окружающей среды RF, движение или тепло тела может питать небольшие датчики, но усилители RF в таких устройствах должны работать на бюджетах микроватт. Недавние работы над субпороговыми CMOS LNA показали показатели шума около 3 дБ с потреблением энергии ниже 10 мкВт, хотя и при умеренном увеличении. Для передачи методы обратного рассеяния (где носимый отражает или модулирует падающий носитель) могут полностью устранить необходимость в усилителе мощности. Эти подходы все еще находятся на стадии исследования, но обещают расширить охват носимой технологии в действительно не требующие обслуживания приложения.

Интеграция с сетями 5G и 6G

По мере того, как 5G расширяется в более высокие частотные диапазоны (mmWave, выше 24 ГГц), и по мере того, как исследования 6G нацелены на субтерагерцовую связь (100 ГГц и выше), носимым устройствам понадобятся радиочастотные усилители, способные работать на этих частотах. Миниатюризация в этих диапазонах еще более сложна, потому что физические размеры линий передачи и соответствующих сетей становятся значительной частью длины волны, что делает обычные конструкции с комбинацией элементов неэффективными. Распределенные архитектуры и антенны на чипе изучаются. Например, команда в Техасском университете построила усилитель мощности 140 ГГц в 45 нм CMOS, который вписывается в 0,25 мм2 и обеспечивает выход 15 дБм - многообещающий шаг к носимым устройствам, которые могут общаться через огромные полосы пропускания.

Гибкие и растягиваемые RF-циркуты

Еще одним рубежом является разработка РЧ-усилителей на гибких подложках с использованием тонкопленочных транзисторов или печатной электроники. Они могут быть встроены непосредственно в одежду или повязки, предлагая максимальную свободу форм-фактора. В то время как современные гибкие усилители имеют ограниченную частоту и производительность усиления (обычно ниже 2 ГГц и менее 10 дБ усиления), исследователи неуклонно улучшают их. Интеграция жестких мини-усилителей на небольших гибких платах является более непосредственным решением, которое уже используется в некоторых интегрированных в спортивную одежду датчиках.

Заключение

Достижения в миниатюрных усилителях RF за последнее десятилетие были не чем иным, как преобразующими для носимых технологий. Используя новые материалы, такие как GaN и SiGe, передовые узлы CMOS и высокоинтегрированную упаковку, дизайнеры теперь могут упаковывать беспроводное подключение в устройства, которые тоньше, легче и удобнее, чем когда-либо прежде. Эти усилители позволяют осуществлять надежный мониторинг здоровья, точное отслеживание активности и бесшовную связь - все это при соблюдении жестких ограничений мощности и размера носимых устройств. В будущем сочетание адаптивного управления ИИ, схем сверхнизкой мощности и все более высокочастотной работы будет еще больше раздвигать границы того, что возможно. Результатом будет новое поколение носимых устройств, которые не только меньше и более способны, но и более интуитивно понятны и интегрированы в нашу повседневную жизнь.

Для тех, кто интересуется более глубокими техническими деталями, IEEE публикует многочисленные статьи о миллиметровом диапазоне волн и миниатюрном радиочастотном дизайне, в то время как такие компании, как FLT: 2 Аналоговые устройства FLT: 3 предлагают примечания к приложениям, характерные для выбора носимых усилителей. Дополнительные ресурсы доступны от FLT: 4 Qorvo и Texas Instruments FLT: 5, которые предоставляют справочные конструкции и белые бумаги, адаптированные к компактным беспроводным системам.