Компоненты STMicroelectronics и ST-Ericsson для беспроводных приложений

Рис. 1. Паскуале Писторио

STMicroelectronics была образована в 1987 г. путем слияния SGS Microelettronica (Италия) и Thomson Semiconducteurs (Франция). Обе компании-прародительницы имеют давнюю историю: Societa General Semiconduttori (SGS) в 1957 г. основал Адриано Оливетти, а Thomson Semiconducteurs явилась результатом широкой национализации французским правительством в 1982 г. ряда отраслей промышленности. Большую роль в становлении STMicroelectronics (STMicro) сыграл Паскуале Писторио (Pasquale Pistorio, рис. 1). Будучи инженером по электротехнике, он начал свою деятельность с постов директора по маркетингу и вице-президента корпорации Motorola, а в 1980 г. вернулся в Италию и возглавил группу SGS, затем SGS-Thomson Microelectronics, впоследствии STMicro, которыми руководил в течение 25 лет. Под его руководством компания вошла в пятерку ведущих мировых производителей полупроводниковых приборов и микросхем [1, 2].

В настоящее время в компании заняты свыше 50 000 человек (включая персонал ST-Ericsson), ей принадлежит более 21 000 патентов и патентных заявок, около 12 000 исследователей работают в дизайн-центрах, расположенных в 10 странах, продукция производится на 12 основных фабриках, выручка за 2011 г. составила $9,73 млрд, около 24% дохода компания тратит на развитие технологий и исследования (R&D) [3]. Структура продукции по отраслям применения приведена на рис. 2, в общем объеме выручки компании за 2011 г. доля компонентов для беспроводных приложений составила 16%.

Рис. 2. Структура продукции STMicro

В феврале 2009 г. STMicroelectronics и Ericsson завершили слияние своих подразделений ST-NXP Wireless и Ericsson Mobile Platform (группа по разработке технологических платформ для мобильных приложений, EMP) и образовали совместное предприятие ST-Ericsson (Женева) с участием в равных долях. Фирма является одним из ключевых поставщиков продукции и технологий для операторов мобильной связи и производителей мобильных устройств, поддерживает комплексные решения для GSM, EDGE, WCDMA, HSPA, LTE и других технологий доступа [4].

Продукты для беспроводных приложений STMicroelectronics

В ассортименте компании 2012 г. более 20 микросхем и модулей, предназначенных для систем телекоммуникаций и связи. Номенклатура устройств категорий Wireless Communication&Connectivity ICs/Modules, Wireless Infrastructure ICs из каталога компании приведена в таблице 1 [5]. Рассмотрим особенности некоторых микросхем и модулей, документация на которые относится к нынешнему году.

SPIRIT1

SPIRIT1 — маломощный приемопередатчик, предназначенный для беспроводных приложений субгигагерцового диапазона. Он может быть использован в безлицензионных полосах частот 169, 315, 868, 915 МГц (диапазоны ISM, SRD) со скоростями потока данных 1–500 кбит/с; возможно его перепрограммирование для дополнительных диапазонов 300–348 МГц, 387–470 МГц, 779–955 МГц. Частотный разнос каналов 12,5 и 25 кГц соответствует стандарту EN 300 220, управление данными осуществляется в соответствии со стандартом шины M-Bus (EN 13767-x), используемым для систем считывания показаний счетчиков по проводным и беспроводным (868 МГц) каналам связи. SPIRIT1 может выполнять циклическую проверку избыточности данных, а также файловое кодирование/декодирование пакетов (File Encryption Key, FEC). Кроме того, прибор обеспечивает автоматическое подтверждение получения данных и их ретрансляцию, поддерживает режим многостанционного доступа с контролем несущей и предотвращением конфликтов (CSMA/CA) и 128-разрядное AES- шифрование для безопасной передачи данных. В микросхему интегрирован ВЧ-переключатель для обеспечения согласования с антеннами различных типов. Поддерживаются различные виды модуляции: 2-FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK, ACK. Переданные/принятые данные сохраняются в дифференциальных трехуровневых буферах TX FIFO, RX FIFO, доступных через интерфейс SPI для хост-обработки.

Микросхема выполнена в миниатюрном корпусе QFN20 размерами 4×4 мм и удовлетворяет требованиям директивы RoHS. Основные области применения прибора: AMR (Automatic meter reading — автоматическое считывание показаний со счетчиков и т. п.); автоматизация жилых помещений и зданий; промышленный мониторинг и управление; беспроводные системы пожарной сигнализации и охраны; беспроводные сети «точка–точка». Структура микросхемы приведена на рис. 3, поясним назначения ее основных выводов:

• GPIO_0–GPIO_3 — двунаправленные порты ввода/вывода;
• MISO/MOSI — выходы/входы данных интерфейса SPI;
• SCLK, CSn — входы тактовых импульсов и селектора чипов интерфейса SPI;
• XIN — вход для подключения кварцевого резонатора или внешнего источника тактовых импульсов;
• XOUT — выход для подключения кварцевого резонатора (при использовании внешнего источника тактовых импульсов вывод не задействован);
• VBAT — напряжение питания 1,8–3,6 В;
• RXp/RXn — дифференциальные входы МШУ;
• ТХ — ВЧ-выход передатчика;
• SMPS Ext2/SMPS Ext1 — вход/выход импульсного преобразователя напряжения;
• SDN — вход выключения (Shutdown Input), при лог. «1» микросхема полностью выключена, регистры обнулены.

Рис. 3. Структура микросхемы SPIRIT1

Для реализации беспроводных устройств на SPIRIT1 требуется минимальное число внешних компонентов, типовая схема включения микросхемы приведена на рис. 4. В схеме применены: кварцевый резонатор XTAL (на частоты 24/26/48/52 МГц); диапазонный фильтр передатчика (С1–С3, С14, С15, L1–L3, L9); входной фильтр приемника (С4–С6, L4–L6); дроссели развязки в цепях питания (L0, L7, L8); конденсаторы фильтров в цепях питания (С0, С11–С13). Приведем основные особенности и параметры микросхемы:

• Программируемый цифровой фильтр в приемнике — полоса пропускания 6–800 кГц.
• Высокая чувствительность (–120 дБм).
• Программируемая выходная мощность в диапазоне –30…+11 дБм (шаг 0,5 дБ).
• Установка частоты настройки 6 мкс.
• Цифровой выход RSSI:
  • определение занятости канала связи — программируемый индикатор несущей (CS);
  • автоматическое определение чистоты канала связи (ССА) и качества канала связи (PQI);
  • индикатор качества соединения (LQI).
• Диапазон температур окружающей среды –40…+85 °С.
• Напряжение питания 1,8–3,6 В.
• Малый ток потребления в различных режимах:
  • в выключенном 2,5 нА;
  • в дежурном 650 нА;
  • в спящем 950 нА;
  • в режиме готовности 400 мкА;
  • в режиме настройки 4,5 мА;
  • в режиме приема 9 мА;
  • в режиме передачи 6/22 мА (при Р_вых = –7/+11 дБм).

Рис. 4. Типовое включение микросхемы SPIRIT1

ST21NFCA

ST21NFCA — микропроцессор для систем связи малого радиуса действия на частоте 13,5 МГц, включая NFC (Near Field Communication). Микросхема обеспечивает три режима работы: эмуляция карт, запись/считывание и пиринговая связь (непосредственная связь между абонентами сети). Основное назначение устройства — расширение функциональных возможностей сотовых телефонов. Особенности и параметры микросхемы:

• ВЧ-связь в соответствии со стандартами:
  • ISO/IEC 14443A&B в режимах PICC (Proximity Card), PCD (Proximity Coupling Device);
  • ISO 15693 в режиме VCD (Vicinity Coupling Device);
  • ISO 18092 (NFCIP-1);
  • теги NFC-форума типов Topaz, MIFARE Ultralight, Jewel, FeliCa Open Tag, ST23YR18/80.
• Программные возможности:
  • драйверы, поддерживающие множество протоколов для контактных и бесконтактных интерфейсов;
  • конфигурирование продуктов через I²C, SPI;
  • автоматическая идентификация режимов.
  • Высокоинтегрированная аналоговая входная часть (Analog Front End, AFE) для передачи и приема данных на ВЧ.
• 112 кбайт ПЗУ, 4 кбайт ОЗУ, 36 кбайт ЭСППЗУ.
• Оптимизация токопотребления.
• Поддержка карт UICC (Universal Integrated Circuit Card).
• Поддержка протокола обмена связи SIM-карт и NFC-интерфейса SWP (Single Wire Protocol).

SPBT2632C2A

SPBT2632C2A — простой в использовании модуль Bluetooth v3.0, обеспечивающий беспроводную связь. Он выполнен в самом маленьком форм-факторе (рис. 5) и может быть легко интегрирован в конечные изделия. Модуль разработан для достижения максимальной производительности устройств в минимальном объеме, оснащен высокоскоростным UART и семью портами входов/выходов общего назначения. При использовании модуля в мобильных системах рекомендуется использовать внешний генератор малой мощности LPO (Low Power Oscillator) на частоту 32 кГц. Перепрограммируемое flash-ЗУ соответствует профилю Bluetooth SPP и содержит микропрограммное обеспечение для последовательной обработки данных, а также дружественное ПО команд AT2 Command firmware. Поддерживаются смартфоны на базе Android и AppleiOS Bluetooth enabled, IPhone, iPod, iPad. Особенности модуля:

• ВЧ-конструкция, полностью готовая для интеграции в конечные изделия;
• 128-разрядная система шифрования канала связи;
• интегрированная антенна;
• возможность использования в многоточечных системах (Multipoint);
• микропроцессор STMicro Cortex-M3 с тактовой частотой до 72 МГц;
• flash-ЗУ объемом 256 кбайт, ОЗУ 48 кбайт;
• скорость потока данных до 1,5 Мбит/с;
• последовательные интерфейсы UART, SPI, пользовательские интерфейсы АТ2 command set (abSerial), встроенное ПО на основе UART;
• напряжение питания 2,5 В;
• рабочий диапазон температур –40…+85 °С.

Рис. 5. Внешний вид модуля SPBT2632C2A

Рекомендованные области применения модуля: промышленное М2М-оборудование; оборудование для сбора данных; блоки управления станками; мониторинг датчиков; системы безопасности; мобильные системы (Mobile health); системы на основе последовательных каналов связи (Serial cable replacement). Обобщенная структура модуля, а также габаритные размеры и назначения выводов показаны на рис. 6, 7.

Рис. 6. Структура модуля SPBT2632C2A

Рис. 7. Габаритный чертеж модуля SPBT2632C2A

SPZB32W1A2.4, SPZB32W1C2.4

Модули SPZB32W1A2.4, SPZB32W1C2.4 соответствуют стандарту IEEE RF 802.15.4 и оптимизированы для встраиваемых приложений. Приборы очень компактны и позволяют производителям легко добавить беспроводные возможности в свои изделия. Внешний вид устройств показан на рис. 8. Модули базируются на микропроцессоре STM32W108CB производства STMicro на ядре ARM Cortex-M3, объединенном с трансивером на диапазон 2,4 ГГц и высокостабильным резонатором на частоту 24 МГц, обеспечивающими совместимость со спецификациями ZigBee. Кроме того, дополнительно в режиме малого энергопотребления используется резонатор на частоту 32,768 кГц. Модули могут работать при напряжении питания 2,1–3,6 В. Модуль SPZB32W1A2.4 укомплектован встроенной керамической антенной, внешняя антенна подключается к модулю SPZB32W1C2.4 через ВЧ-разъем UFL.

Рис. 8. Внешний вид модулей SPZB32W1x2.4

Рекомендованные области применения модулей: энергоэффективные приложения; промышленные М2М-системы управления; сети с беспроводными датчиками; автоматизация зданий и жилых помещений; беспроводные системы безопасности; беспроводной мониторинг. Особенности модулей:

• встроенные flash-ЗУ объемом 128 кбайт и ОЗУ 8 кбайт;
• интегрированный шифратор данных (AES-128);
• выходная мощность передатчика +3 дБм (+8 дБм в режиме Boost);
• чувствительность приемника –99 дБм;
• совместимость с Wi-Fi и Bluetooth;
• 16 каналов (по стандарту IEEE 802.15.4 каналы 11–26);
• 24 порта входов/выходов (все GPIOs);
• стандартное промышленное JTAG-программирование;
• минимальный ток потребления в спящем режиме (менее 1 мкА);
• диапазон рабочих температур –40…+85 °С;
• размеры 26,5×16,4×3,9 мм.

Структура SPZB32W1A2.4 приведена на рис. 9, модуль SPZB32W1C2.4 отличается отсутствием встроенной антенны.

Рис. 9. Структура модуля SPZB32W1A2.4

STW82100B, STW82101B, STW82102B

Интегральные понижающие преобразователи с очень высокой линейностью, обеспечиваемой за счет применения пассивного смесителя. Возможно использование микросхем как в приемниках, так и в передатчиках инфраструктурного оборудования сотовой связи. В состав микросхем входят два широкодиапазонных ГУН с автокалибровкой, синтезатор частоты типа integer-N, ВЧ-балун, согласующее устройство с волновым сопротивлением 50 Ом. Микросхемы выполнены по 0,35-мкм BiCMOS SiGe технологии и заменяют несколько дорогостоящих дискретных узлов. Микросхемы предназначены для построения инфраструктурных узлов беспроводных сетей передачи данных, в том числе сотовых. Особенности микросхемы STW82100B:

• высокая линейность по входу (IIP3 — +25,5 дБм, подавление побочных каналов приема 2FRF-2FLO — 77 дБм);
• коэффициент преобразования/фактор шума — 8/10,5 дБ;
• диапазон частот — 1620–2400 МГц;
• широкий диапазон значений центральной частоты усилителя ПЧ — 70–400 МГц;
• встроенный ЦАП с двойным токовым выходом;
• напряжение питания 3,3–5 В — аналоговые узлы, 3,3 В — цифровые;
• интерфейсы управления SPI, I²C;
• диапазон рабочих температур –40…+80 °С;
• корпус VFQFPN-44 размерами 7×7×1 мм.

Структура и типовая схема включения микросхемы STW82100B показаны на рис. 10, 11. В таблице 2 приведены номиналы элементов, используемых в схеме. Структуры микросхем STW82101B, STW82102B практически не отличаются от структуры, приведенной на рис. 10. Основные элементы микросхем:

• два малошумящих ГУН с буферными каскадами;
• малошумящий фазовый детектор;
• прецизионный генератор подкачки заряда (СНР) схемы ФАПЧ;
• 10-разрядный программируемый образцовый делитель частоты;
• два программируемых счетчика и Dual-modulus прескалер;
• высоколинейный пассивный КМОП-смеситель с интегрированным ВЧ симметрирующим трансформатором (балун);
• усилитель ПЧ;
• 10-разрядный токовый ЦАП со сдвоенным выходом.

Рис. 10. Структура микросхемы STW82100B

Рис. 11. Типовое включение микросхемы STW82100B

Большинство узлов микросхемы запитано напряжением 3,3 В, для повышения динамического диапазона усилитель ПЧ питается напряжением 5 В.

Предусмотрена работа микросхемы в ведущем или ведомом режимах, для этого используются выходы OUTBUFN, OUTBUFP и входы EXTVCO_INN, EXTVCO_INP. Для реализации таких режимов нужны две одинаковые микросхемы, сконфигурированные соответствующим образом. В схеме, приведенной на рис. 11, установлены согласующие цепи на входах и выходах микросхемы, через которые проходят LO-сигналы, что позволяет использовать схему как в ведущем, так и в ведомом режимах. Частота сигнала f_LO (Loop Oscillator — входной или выходной сигнал ГУН с частотой, поделенной на 2) может лежать в пределах 1650–1950 или 2050–2370 МГц.

Приведем отличающиеся параметры микросхемы STW82101B (в скобках указаны значения для STW82102B):

• параметры линейности по входу IIP3 — +24,5 дБм, 2FRF-2FLO — 75 дБм (85 дБм);
• коэффициент преобразования/фактор шума — 8,5/9,5 дБ;
• диапазон частот 695–960 МГц (1425–1910 МГц).

Все микросхемы имеют небольшую неравномерность коэффициентов преобразования, на рис. 12 а–в приведены их зависимости от частоты при уровне входных сигналов 1 мВт.

Рис. 12. Зависимости коэффициента преобразования микросхем от частоты:
а) STW82100B;
б) STW82101B;
в) STW82102B

Продукты ST-Ericsson

В настоящее время совместное предприятие ST-Ericsson предлагает три основные платформы для беспроводных приложений:

• NovaThor — комплексные решения (платформы) для смартфонов и планшетных компьютеров, состоящие из систем на кристалле (SoC) и модемов. Возможны отдельные поставки SoC (Nova) и модемов (Thor). Высоко интегрированные решения NovaThor обеспечивают оптимальное сочетание производительности мобильных устройств, высокой эффективности систем питания и широкой функциональности для работы с мощными средствами мультимедиа, широкополосного доступа и связи. Платформы предоставляют полный набор интерфейсов, включая WLAN, Bluetooth, GPS, HDMI и очень высокий уровень программного обеспечения, поддерживают несколько операционных систем. Варианты решений: NovaThor L9540, U9500, L8540.
• Nova — решения на основе последних многоядерных ARM-процессоров, сочетающих высокую производительность графических ядер с минимальной потребляемой мощностью. Варианты решений: Nova A9540, Nova A9500.
• Thor — миниатюрные модемы THI MODEMS с поддержкой всех основных технологий доступа, в том числе LTE/HSPA+/TD, обеспечивающие минимальную мощность потребления. Типы моделей: Thor M7400LTE, Thor M7300 HSPA+, Thor M57x0 HSPA+, Thor M6718 TD-HSPA.

Рис. 13. Внешний вид демонстрационной платы AV5230/M01

Кроме того, ST-Ericsson выпускает однокристальные, экономически оптимальные решения для GSM/GPRS (2G/3G), варианты 6710 HSDPA, E4910, G4852 и TD-SCDMA (LTE TDD/FDD/LTE TD-SDMA). Компания также предлагает следующие решения (микросхемы) для беспроводных приложений:

• Звуковые ЦАП и кодеки (AV2001, AV5230, AV5205, STw5098, STw5095):
  • AV2001 — усилитель звуковых частот класса D для мобильных телефонов и планшетных компьютеров (2,2 Вт на 8 Ом, КНИ+шум — –75 дБ, программируемая АРУ).
  • AV5230 — экономичный ЦАП для применения в мобильных устройствах с системой РТЕ (Playback Time Extender) и усилителем для головных телефонов класса G (на рис. 13 показана демонстрационная плата AV5230/M01).
• Устройство управления общим питанием РМ4210 — микросхема для оптимизации питания устройств на базе ARM9, ARM11, Cortex A8 в корпусе TFLGA-60 размерами 7×7×0,8 мм, предназначенная для применения в мобильных телефонах, навигационных приборах и других мобильных устройствах.
• Устройства управления питанием ВЧ-узлов PM3110, PM3533, PM3160. PM3533 — микросхема для оптимизации питания ВЧ-узлов портативного телекоммуникационного оборудования, выполненная в корпусе VFBGA размерами 3,4×3,4×0,4 мм. Упрощенная схема включения микросхемы приведена на рис. 14, на рис. 15 показан участок печатной платы с установленной микросхемой.
• Решения GPS/Bluetooth/FM (CG2905, CG2900, GNS7560, STLC2584, STLC2690, TEA5891). CG2905 — комплексное однокристальное решение для Bluetooth, GNSS (Glonass/GPS), FM, выполненное по 40-нм технологии, интерфейсы UART, PCM, I²S.
• Wi-Fi-решения CW1250, CW1150, CW1100 [6].

Рис. 14. Включение микросхемы РМ3533

Рис. 15. Внешний вид участка печатной платы