התקנים משולבים דוחפים את הרדיו בתשתיות

מעגלים באינטגרציה גבוהה אלו משלבים לולאות נעולות פאזה, מתנדים מבוקרי מתח, מאפננים וערבלים באמצעות תהליך SiGe BiCMOS על מנת לחסוך מקום ומבלי לוותר על ביצועים חשמליים.

מאז ומעולם הייתה האינטגרציה קריטית לאלקטרוניקת ת”ר [RF] במערכות יד ניידות, על אף שהיה קשה להשיג אותה בציוד תשתית. הפשרה הקלאסית בהשגת האינטגרציה הייתה תמיד הבחירה בין שימוש ברכיבים בדידים עם הביצועים המעולים שלהם, לבין מעגלים משולבים עם גודלם הקטן. לאחרונה פיתחה חברת Analog Devices סדרה של מעגלי לולאות נעולות פאזה [PLL] באינטגרציה גבוהה, שמשלבים במארז בגודל 6×6 מ”מ מאפנני I/Q, מתנדים מקומיים [LO] ושנאי תיאום עכבות לת”ר במוצא. המעגלים המשולבים לת”ר משפרים את טכנולוגיית SiGe BiCMOS בכך שהם משיגים גודל קטן ואינם מקריבים את הביצועים החשמליים. שמונת ההתקנים במשפחות ADRF660X ו–ADRF670X מספקים יציאות ת”ר מ– 300 ועד 3600 מגה–הרץ בתמיכה בטווח רחב של תקני תקשורת אלחוטית.
התקני ADRF670x משלבים מאפנן במופע ניצב [Quadrature] לולאת PLL עם גורם מכפלה שבר ומתנד VCO משולב. התקני ADRF660x משלבים לולאת PLL עם גורם מכפלה שבר ומתנד VCO משולב עם ערבל ממיר מטה, שמותאם באופטימיזציה לנתיב DPD. השימוש בטכנולוגיית SiGe מסייע להשיג טווח דינמי רחב, הן במאפנן המרובע וגם בערבל, תוך שילוב של מתנד VCO עם רעש פאזה יוצא דופן במחיר תחרותי ובגודל קטן באופן משמעותי מזה של פתרונות חיצוניים. ל–ADRF6701 (שנראה באיור 1) יש טווח LO של 750 עד 1160 מגה–הרץ עם טווח מוצא לת”ר ב– ±1dB של 550 עד 2200 מגה–הרץ וטווח מוצא לת”ר ב– ±3dB של 400 עד 1300 מגה–הרץ. לדגם ADRF6702 יש טווח LO פנימי של 1550 עד 2150 מגה–הרץ עם טווח מוצא לת”ר ב– ±1dB של 1550 עד 2200 מגה–הרץ וטווח מוצא לת”ר ב– ±3dB של 1200 עד 2400 מגה–הרץ. דגם ADRF6703 מתאפיין בטווח LO פנימי של 2100 עד 2600 מגה–הרץ עם טווח מוצא לת”ר ב– ±1dB של 1900 עד 2400 מגה–הרץ וטווח מוצא לת”ר ב– ±3dB של 1600 עד 2600 מגה–הרץ. דגם ADRF6704 פועל עם אותות LO מ– 2500 עד 2900 מגה–הרץ עם טווח מוצא לת”ר ב– ±1dB של 2400 עד 2800 מגה–הרץ וטווח מוצא לת”ר ב– ±3dB של 2200 עד 3000 מגה–הרץ.
לדגם ADRF6601 (שנראה באיור 2) פועל עם אותות LO מ– 750 עד 1160 מגה–הרץ ומספק אותות מוצא ת”ר בטווח 450 עד 1600 מגה–הרץ בתחום ±1dB וטווח ת”ר של 300 עד 2500 מגה–הרץ בתחום ±3dB. דגם ADRF6602 פועל עם אותות LO מ–1550 עד 2150 מגה–הרץ ומספק מוצא ת”ר של 1350 עד 2750 מגה–הרץ בתחום ±1dB ומ–1000 עד 3100 מגה–הרץ בתחום ±3dB. ל–ADRF6603 יש טווח LO של 2100 עד 2600 מגה–הרץ בטווח מוצא לת”ר ב– ±1dB של 1450 עד 2850 מגה–הרץ וטווח ת”ר ב– ±3dB של 1100 עד 3200 מגה–הרץ. לדגם ADRF6604 יש טווח LO מ– 2500 עד 2900 מגה–הרץ, טווח מוצא לת”ר ב– ±1dB של 1600 עד 3200 מגה–הרץ וטווח ת”ר ב– ±3dB של 1200 עד 3600 מגה–הרץ.
היבטי תכנון רבים נלקחו בחשבון בפיתוח המשפחות ADRF670X ו–ADRF660X, בהם גם ניתוח וחלוקת מתנדים מקומיים שהם חשובים לדרגות ההמרה מעלה ומטה במעגל המודפס של המשדר. התכנון של נתיבי אותות המתנדים חייב להתבצע בזהירות רבה מפני שצימוד בלתי רצוי עלול לפגוע בביצועי המשדר. אורכי המסלול מהמתנד ועד לסיומת האחרונה חייבים להיות קצרים ככל האפשר. אחד הפתרונות הוא הזנה של אות משותף לסינטיסייזרי PLL נפרדים בקרבת המתנד, למרות התוספת בשטח המעגל המודפס.
ברוב התכנונים של משדרי תקשורת אלחוטית (ראה איור 3) מגבר ההספק שולט בתקציב העיוותים. כדי להשיג ליניאריות גבוהה, מגברים אלו צורכים לעתים זרם גבוה מהספק. מגברים בעלי ליניאריות גבוהה מהווים חלק חשוב מעלות החומרה של המשדר, וכתוצאה מדרישות הזרם הגבוהות שלהם עלות הפעלתם גבוהה. השימוש ב– DPD כרוך במקלט בחינת שידור [TOR] שמודד את ספקטרום המוצא של המשדר. מקלט TOR קולט את האות שלו ממצמד כיווני במוצא מגבר ההספק. תחנת בסיס מופעלת מלכתחילה במצב המאפשר למקלט TOR לאסוף מידע על מאפייני עיוותים של מגבר ההספק. בליבת העיבוד הספרתי של תחנת הבסיס, משמש מידע זה ליצירת ביטול עיוות מראש של האות המשודר לפיצוי של העיוות במגבר ההספק ולאפשר שימוש במגבר יקר פחות, אך כזה שעדיין עומד בתקציב העיוותים. משפחות ההתקנים ADRF670X ו–ADRF660X פותרות בעיות אינטגרציה רבות עבור נתיב השידור ונתיב אותות DPD.
על מנת ליצור גורם איכות גבוה במשרנים שעל השבב כחלק ממעגל השראה – קיבול [LC] עבור מתנדי VCO, המתנדים של משפחות אלו משתמשים בשכבות מתכת עבות. קבל המתנד נוצר בעזרת קבלי MOS IM שמאפשרים למתנדים לעבור בין תדירויות על פני טווח רחב עם רעש פאזה נמוך (ראה איור 4).
מתנדVCO  נעול על מקור ייחוס חיצוני באמצעות לולאה PLL עם גורם מכפלה שבר (ראה איור 5). הלולאה מאפשרת רמות נמוכות מאוד של רעש פאזה וכתוצאה מכך, רעש השידור משולב ברמה מצוינת וביצועי גודל וקטור שגיאות [EVM] מצוינים בשידור. לולאת PLL מאפשרת לבחור את תדירות הייחוס בכניסה בעזרת מעגל מכפל/מחלק גמיש בכניסה. בנוסף כוללת לולאת PLL גם מאפנן סיגמה–דלתה מסדר שלישי שניתן לתכנות וכן מעגל משאבת מטען שניתן לתכנות.
תכנון לולאת PLL של משפחות ההתקנים ADRF670X ו–ADRF660X מתאים במיוחד ליישומי דור שלישי ודור רביעי, שלהם נדרש רעש פאזה נמוך. באופן מסורתי, לולאות PLL משתמשות במספר שלם קבוע כבגורם הכפלה. על מנת לספק צעדי תדירות בגודל קטן, גורם ההכפלה במספר שלם חייב להיות גדול מאוד, אבל מצב זה מחמיר את בעיית הרעש במוצא לולאת PLL. חלק ניכר של רעש פאזת המתנד המקומי נובע מנתיב מקור הייחוס, אשר מוגבר על ידי גורם מכפלת התדירות של לולאת PLL. עם זאת לולאת PLL עם גורם מכפלה שבר מאפשרת את קיומם של צעדי תדירות קטנים, תוך שימוש בגורם נמוך יחסית להכפלת התדירות, ומכאן מקטינה את רעש הפאזה הכרוך בלולאות PLL עם גורם מכפלה שהוא מספר שלם.
בתנאים של מצב יציב, עם לולאת PLL בעלת גורם מכפלה שהוא מספר שלם, עבור תדירות כניסת ייחוס נתונה, תדירות המתנד VCO יכולה להימצא באחד מבין מספר ערכים בדידים ומספר זה שווה למספר הערכים האפשריים של המחלק שבין מוצא מתנד VCO לבין כניסת גלאי תדירות–פאזה [PFD]. מאחר שערכי המחלק הם כולם מספרים שלמים, תדירות יציאת לולאת PLL יכולה רק להיות כפולה שלמה של תדירות כניסת הייחוס. בשימוש בלולאת PLL עם מכפלת שבר, המחלקים עוברים בין שני יחסים שונים של חלוקה במספר שלם, ובכך מספקים יחס כולל שהוא הממוצע של שניהם. היחס הממוצע יכול בקלות להיות מוגדר למספר שבר. פעולת מסנן מעביר הנמוכים של הלולאה מבטלת את תופעת המעבר שנובעת מהמעבר בין שני היחסים, והמתח הנמצא בכניסה של מתנד VCO מייצג את התדירות שהיא המכפלה בשבר של תדירות כניסת הייחוס.
לולאות PLL במכפלת שבר סובלות לעתים מרמות כוזבות [spurious] בסמוך לתדירות הבסיסית. כדי להתגבר על מגבלה זו משפחות ההתקנים ADRF670X ו–ADRF660X משתמשות במאפנן סיגמה–דלתה כדי לפזר את הערך של השבר מסביב לממוצע. באופן כזה מוקטנים האותות הכוזבים למינימום מבלי שתהיה פשרה משמעותית אחרת על הביצועים. ממשק SPI מאפשר למשתמש לכוונן פונקציות שונות, כגון זרם והקוטביות של ההיסט של משאבת המטען כדי להתאים באופטימיזציה את ביצועי PLL. ליבת מאפנן המופע הניצב בתוך רכיבי משפחת ADRF670X מראה שיפור לעומת מאפננים שכבר פותחו על ידי החברה. במאפננים חדשים אלו כניסות פס הבסיס מומרות ראשית לזרמים ולאחר מכן עוברות ערבול לאותות ת”ר באמצעות טרנזיסטורי NPN בעלי ביצועים גבוהים. זרמי היציאה של הערבל מומרים ליציאת ת”ר מיוחסת [single ended] באמצעות שנאי משולב לתיאום עכבות לת”ר מאוזן– לא מאוזן. ליבת הערבל הפעילה בעלת הביצועים הגבוהים, בשילוב עם השנאי בעל ההפסדים הנמוכים, מביאה לידי ביצועים יוצאי דופן בנקודת OIP3 במוצא, והספק המוצא ב– 1dB עם רעש מוצא נמוך ביותר וטווח דינמי מעולה. השימוש בשנאי תיאום עכבות פסיבי במקום בדרגת מוצא אקטיבית, מוביל לשיפור בנקודת OIP3 ללא הקרבה ברצפת הרעש. על פני טווח התדירויות המוגדר, ארבעת הרכיבים במשפחת ADRF670X מספקים בדרך כלל הספק מוצא בתדר רדיו ב– 1dB של +15 dBm ונקודת OIP3 של +30 dBm . רצפת הרעש בת”ר היא –157 dBm/Hz . מאפנן I/Q כולל מחלק מופע ניצב של מתנד מקומי, שמשתמש במוצא מתנד VCO ומחולל אותות במופע ניצב עבור שני הערבלים. פונקציית המתנד המקומי לחלוקה בשניים שבמאפנן מבטלת את הצורך ברשת סינון פסיבית מרובעת פנימית ומשפרת בכך את ביצועי המאפנן על פני טווח רחב של תדירויות. מגברים מאוזנים בעלי הגבר גבוה בשרשרת המתנד המקומי מפחיתים את ההשפעות של השינויים באמפליטודת המתנד.