Фронтально-оконечные микросборки Skyworks

Компания Skyworks Solutions, являющаяся инновационным лидером в области производства полупроводниковых высокочастотных микросхем, изготавливает полупроводниковые приборы на базе кремния и арсенида галлия с применением передовых технологических процессов [1]. Фронтально-оконечные микросборки Skyworks содержат практически всю необходимую ВЧ-обвязку, что значительно упрощает стоящую перед разработчиком задачу. В одном корпусе объединены усилители с высокой линейностью, симметрирующие преобразователи, согласующие цепи, ключи с малыми потерями и возможностью цифрового управления.

Важнейшим преимуществом микросхем Skyworks являются их компактные размеры. Например, в ассортименте компании есть модели, выпускаемые в миниатюрных корпусах QFN размерами 3×3 мм и MCM размерами 1,7×2,3 мм. В дальнейшем в статье будет использоваться термин «фронтально-оконечные микросборки», поскольку они объединяют в себе несколько различных кристаллов, но при этом выпускаются именно в корпусах микросхем.

Цена фронтально-оконечных микросборок значительно ниже, чем беспроводных приемопередатчиков. Для большинства микросхем она составляет примерно $1–2. Еще одним достоинством микросхем Skyworks является то, что они предназначены для использования с конкретными моделями приемопередатчиков Atmel, Silicon Labs, Texas Instruments, STMicroelectronics и других ведущих производителей таких устройств. Это существенно облегчает выбор необходимой фронтально-оконечной микросборки и ускоряет процесс разработки.

В статье рассматриваются типовые схемы и основные характеристики фронтально-оконечных микросборок для технологий ZigBee, Wi-Fi, ГЛОНАСС/GPS, а также для субгигагерцового диапазона.

Фронтально-оконечные микросборки для ZigBee

Основные характеристики наиболее популярных моделей приведены в табл. 1. Представленные микросборки специально разработаны для таких популярных микросхем ZigBee, как EM250, EM351, EM357 (Silicon Labs), AT86RF233, ATmegaXXXRFR2 (Atmel), CC253x (Texas Instruments), STM32W (STMicroelectronics) и др.

Фронтально-оконечная микросборка, предназначенная для приемопередатчиков ZigBee, содержит следующие основные узлы: выходной усилитель мощности, входной малошумящий усилитель (МШУ), антенный переключатель (рис. 1). Для повышения помехоустойчивости маломощные ZigBee-приемопередатчики обычно имеют симметричный выход. Поэтому большая часть представленных в табл. 1 микросборок имеет на входе симметрирующие трансформаторы.

Рис. 1. Схема фронтально-оконечной микросборки для приемопередатчиков ZigBee

Большинство микросборок имеют цифровые управляющие входы, которые позволяют не только конфигурировать высокочастотные узлы, но и программно управлять их режимами. В частности, имеется возможность отключать и включать малошумящий усилитель, а также переводить всю микросборку в режим пониженного энергопотребления. Наличие двух антенных выводов и возможность переключения радиочастотного сигнала между ними открывает богатые возможности для проектирования антенного узла прибора — от создания универсального антенного блока с программным выбором внутренней или внешней антенны до использования технологии пространственно разнесенных антенн.

Важным преимуществом фронтально-оконечных микросборок является высокая эффективность встроенного выходного усилителя мощности. Использование встроенного в микросхемы Skyworks усилителя позволяет не только значительно увеличить дальность действия приемопередатчиков ZigBee, но и понизить потребляемый ток. Например, на рис. 2 приведены графики зависимости тока потребления двух ZigBee-модулей, один из которых использует усилитель мощности, встроенный в приемопередатчик EM357, а другой — усилитель фронтально-оконечной микросборки SE2438T [2]. При значениях мощности выходного сигнала более 5 дБм использование SE2438T позволяет понизить ток потребления системы более чем на 10% по сравнению с автономным применением EM357. Если же в процессе работы планируется передавать сигнал с невысокой мощностью (до 3 дБм), то целесообразнее использовать EM357 без внешнего усилителя.

Рис. 2. Зависимость тока потребления модулей ZigBee от коэффициента усиления

Фронтально-оконечные микросборки для ГЛОНАСС/GPS

В ассортименте компании представлены также микросхемы для навигационных модулей. Эти микросхемы предназначены для обработки сигналов таких глобальных навигационных систем, как ГЛОНАСС, GPS, BeiDou.

Преимуществами фронтально-оконечных микросборок для ГЛОНАСС/GPS являются высокие линейность и коэффициент усиления, а также малый коэффициент шума (табл. 2). Интегрированный в микросборки предфильтр отличается низкими вносимыми потерями и обеспечивает подавление помех, которые могут вызывать устройства GSM и Wi-Fi. Встроенный в микросборки МШУ выполнен на основе GaAs-транзисторов с высокой подвижностью электронов. Все микросборки имеют цифровые входы, предназначенные для включения/выключения встроенного МШУ (рис. 3). Важной характеристикой малошумящего усилителя является точка децибельной компрессии (One-decibel Compression Point). Эта величина определяет амплитуду сигнала на входе МШУ, при превышении которой отклонение амплитуды сигнала на выходе усилителя от линейной зависимости превышает 1 дБ.

Фронтально-оконечные микросборки для субгигагерцового диапазона

Skyworks Solutions производит фронтально-оконечные микросборки для следующих субгигагерцовых диапазонов: 169–170, 400–500, 450–470, 860–930, 890–960 и 902–928 МГц (табл. 3).

Эти микросборки сильно различаются по своей структуре. Они могут в простейшем варианте содержать только усилитель мощности и антенный ключ или иметь достаточно сложную схему, как, например, микросборка SKY65366-11 (рис. 4).

Рис. 4. Схема фронтально-оконечной микросборки SKY65366-11

SKY65366-11 содержит все функциональные блоки передающей и приемной цепей, необходимые для согласования приемопередатчика и антенны. Передающая цепь включает выходной усилитель мощности, выход которого согласован и имеет стандартный импеданс 50 Ом. Сигнал с выхода усилителя мощности подается на фильтр подавления гармоник, после чего коммутируется антенным ключом. Выходная мощность передатчика контролируется входным сигналом модуля VPC. Динамический диапазон изменения коэффициента усиления при этом составляет 50 дБ.

Приемная цепь содержит МШУ с обходным выключателем. Согласующие цепи на входе и выходе МШУ обеспечивают минимальные обратные потери. Выход антенного ключа и вход МШУ выведены на контактные площадки микросборки, что дает возможность установить дополнительный внешний фильтр во входную цепь [3].

Управление микросборкой SKY65366-11 осуществляется с помощью трех цифровых входов. Изменяя состояние этих входов, можно выбрать один из пяти режимов работы: передача, передача с выключенным усилителем мощности, прием, прием с выключенным МШУ и режим остановки, обеспечивающий минимальное энергопотребление.

Фронтально-оконечные микросборки для Wi-Fi

В отличие от технологии ZigBee, приемопередатчики Wi-Fi обычно излучают сигнал значительно большей мощности. Поэтому проблема защиты от помех не стоит так остро, и симметричный интерфейс, как правило, не используется. Основными элементами фронтально-оконечной микросборки для Wi-Fi являются выходной усилитель мощности (может быть двух- или трехкаскадным), согласующие цепи и антенные ключи с возможностью цифрового управления (рис. 5). С помощью входных управляющих сигналов можно коммутировать передаваемый сигнал на любую из двух антенн и, наоборот, коммутировать сигнал с любой антенны на приемный тракт. Это позволяет использовать в конечном изделии две пространственно разнесенные антенны.

Рис. 5. Схема фронтально-оконечной микросборки для Wi-Fi

Характеристики наиболее востребованных моделей для диапазона 2,4 ГГц представлены в табл. 4.Также в ассортименте Skyworks Solutions имеется широкий выбор микросхем для диапазона 5 ГГц и комбинированные варианты, поддерживающие оба диапазона частот [4].

Разработка ВЧ-части с использованием микросхем Skyworks

Рис. 6. Тестовая плата для микросборки SE2621L

Для того чтобы разработчики могли быстро протестировать фронтально-оконечные микросборки, Skyworks предлагает тестовые платы (рис. 6), содержащие уже распаянную микросборку, ВЧ-разъемы для присоединения антенн и приемопередатчика, все необходимые согласующие элементы, а также разъем, на который выведены все низкочастотные цепи. Также производитель предоставляет разработчикам полную конструкторскую документацию на эти платы (принципиальную схему, пример разводки печатной платы, Gerber-файлы, перечень элементов), которую можно использовать в качестве примера при разводке платы своего изделия.

Использование фронтально-оконечных микросборок Skyworks значительно облегчает разработку ВЧ-части, но не освобождает от выполнения общих правил, которых следует придерживаться в любом случае:

• использовать непрерывный «земляной» полигон как можно большей площади;
• избегать разделений «земляного» полигона;
• использовать как можно большее число переходных отверстий в «земляном» полигоне (особенно вблизи заземляющих выводов компонентов) для минимизации паразитных индуктивностей;
• избегать длинных и/или тонких печатных проводников для соединения компонентов (с той же целью);
• использовать последовательность переходных отверстий вдоль краев печатной платы и «земляных» полигонов для уменьшения собственного излучения платы;
• не устанавливать вблизи друг от друга на печатной плате ориентированные в одном направлении катушки индуктивности во избежание возникновения электромагнитных связей между ними;
• использовать печатные проводники конусовидной формы для соединения проводящих дорожек различной ширины с целью уменьшения внутренних отражений сигнала;
• избегать длинных печатных проводников и проводников в форме петли во избежание резонансных явлений;
• устанавливать достаточное количество развязывающих конденсаторов в цепях питания (особенно в рабочем диапазоне частот).

Заключение

Основными преимуществами фронтально-оконечных микросборок Skyworks являются:

• значительное сокращение времени разработки ВЧ-части;
• уменьшение количества используемых компонентов и занимаемой площади на печатной плате;
• увеличение дальности действия беспроводного модуля при одинаковом уровне энергопотребления;
• возможность гибко управлять усилителями мощности, антенными переключателями, а также переводить всю микросхему в спящий режим с помощью цифровых управляющих входов.

В настоящее время на рынке представлено множество недорогих приемопередатчиков для различных беспроводных технологий. Микросхемы Skyworks Solutions могут стать к ним тем необходимым дополнением, которое позволит разрабатывать собственные конкурентоспособные радиомодули для технологий ZigBee, ГЛОНАСС/GPS, Wi-Fi и Bluetooth.