让我们将仿真电路变成像数字电路一样紧凑

“我们仍旧必须使用电池,但我们正在努力使其不用电池”,
也就是我们所说的“能量采集技术”。

通过开发行业全面支持的高速与高频技术,人们正准备迎来新型无线应用的新时代。

检测所设计的原型芯片的 RF性能

随着移动电话和无线局域网、GPS、蓝牙、ZIGBEE 传感器网络以及无线 USB 等应用越来越多地采用无线技术,高速、高频电路变得日趋重要。然而,如果将各种无线技术集成至一个移动装置之中,不仅会占用较大的电路空间,而且会增加功耗。我们为甚么不将芯片设计得象数字电路那样小,以便能够降低功耗、增加效率和削减成本?东京工业大学综合研究院“绿色 ICT 解决方案研究项目”(项目领导人:Masu Kazuya 教授)的 IshiharaNoboru 教授,正在就能否像数字电路那样减小无线电路的尺寸开展一项研究。

东京工业大学综合研究院
Ishihara Noboru 教授

东京工业大学综合研究院 Ishihara Noboru 教授

Ishihara 教授表示:“我渴望创造一个可用于所有无线器件的RF(高频)电路,可仅用一个简单电路连接。”数字电路的尺寸正在变得越来越小,而仿真电路却因线圈(感应器)等无源电气组件无法减小尺寸。然而,Ishihara 教授不准备接受上述事实。如果仿真电路能够变得像数字电路那样小,它们将更具性价比、更节能且效率更高。如果功耗得以降低,那么电池的使用时间必然会延长。此外,我们还要求甚么?

如果所有的无线设备都能使用普通的 RF 芯片,那么就能极大地降低成本。这可以通过大批量生产来实现。其应用将不同于目前的 RFID(射频识别)。所有产品都带有RF 芯片。在衣服和书中安装这种芯片,不仅能帮助防止被盗,而且能对被盗商品进行跟踪。能够无线下载内容的便携设备将变得非常普及。人们甚至能够用他们的手表观看新闻!医生们将能够随时随地监测病人的体温、血压和心率等。

Ishihara 教授并非仅从事电路方面的研究。他正在开发实际的产品并进行实验。否则,所进行的研究将毫无意义,只能是一种空洞的理论,对行业应用没有任何用处。作为新应用的一部分,Ishihara 教授就小型 PH 传感器进行了一系列试验,这些试验需要与企业合作,让企业使用这种传感器,并以无线方式向接收器发送所测得的数据,然后通过计算机进行处理。

Ishihara 教授表示,“我们仍旧必须使用电池,但我们正在努力使其不用电池”,也就是我们所说的“能量采集技术”。

模拟前端专家

Ishihara 教授是一位无线电路领域的专家,曾在 NTT 电气通信实验室从事移动无线设备的光学通信、卫星通信和仿真前端电路研究。

仿真电路的小型化作为 Ishihara 教授的研究课题在过去一直难以实现。当无线电路,尤其是线圈(感应器)的规格确定之后,其尺寸将无法缩小。Ishihara 教授在探寻能否设计出不使用线圈的无线电路。他想到用 CMOS (互补金属氧化物半导体) 来设计仿真电路,CMOS 常用于数字电路。CMOS 能够从 180nm 减小到130nm、90nm、65nm和45nm,并可以利用整个信号振幅范围。全振幅高压CMOS装置通常被作为首选,因为小型化可以在降低电源电压的情况下降低噪声电阻。

另外,设计仿真电路还必须根据应用需求。在高频电路情况下,可以使用线圈或电容器来实现谐振,无线电收发则使用较窄的固定频带。 Ishihara 教授认为,“如果频带较宽,那么各种应用就可以利用一个单一基本电路来进行无线电收发”,并向宽带放大器的目标努力。

对于基于CMOS反相器配置的宽带放大器,他采用 CMOS 来配置 Cherry-Hooper电路,这种电路传统上使用双极电路制成。但是,这意味着无法从电阻器获得反馈。因此,他安装了一个采用 CMOS 反相器配置的有源反馈电路。当使用有源反馈时,由于在高频条件下晶体管的寄生电容会导致相位发生旋转,从而使负反馈变为正反馈。通常,频率特性会显示高频区的增益减小。但在这种情况下,高频区的增益会因正反馈而增大,从而也会使带宽增加。

此外,外差接收器所需的本地振荡电路也使用 CMOS。然而,谐振电路在传统上一直使用线圈或电容器。如前所述,我们不想使用线圈,因此使用了环形振荡器,但这些环形振荡器显示具有较高的相位噪声。因此,我们改用了常见于数字电路的晶体振荡器注入锁定,相位噪声在试验中减小了 20 - 30dB。

Ishihara 教授所设计的无线电路芯片还包含一个 LDO (低压降)电源电路,可以转换电池电压。由于功率晶体管无需实现小型化,因此需要借助丰富的知识来运用上述概念,例如把反相器CMOS 的栅极长度增加一倍。

作为试验品开发的 CMOS 低噪放大器显示出前所未有的性能。180nm 的 CMOS 规格如下:电源电压:1.8V;频宽:0 – 4.9GHz;功耗:30.6mW;增益:30.6dB;噪声:3.5 – 4.7 dB;电路面积:0.0067mm2。使用 90nm芯片时,电源电压为1.0V,频宽为0 – 6.8 GHz,功耗可降至 14.5mW,增益可降至 18.0dB,噪声基本保持不变(3.0 – 5.5 dB),而电路面积则减小了一半(0.0032 mm2)。

设计硅集成电路

Ishihara 教授的研究小组还利用 EDA 工具设计集成电路,因为他们希望将所设计的高频无线电路安装到硅芯片上,以此来验证他们的实验。他们首先设计了 180nm 的电路,然后设计了90nm、65nm 和 45nm等更小的电路。由外部的专业制造商将这些电路安装到实际的硅芯片上。目前,台湾集成电路制造公司(TSMC)在制造 90nm 芯片。交由 VDEC、e-Shuttle 公司生产的最新的 65nm RF芯片有望于 11 月中旬问世。

这些电路均使用 EDA 工具进行设计,但重要的是“通过制造实际产品来验证电路技术”。由于尚未获得试制服务,他们仍在继续就 45nm 技术寻找代工企业。

Ishihara 认为需要提供包括 LSI、模块级、机架级在内的总体设计,来构建 RF 电路设计平台。他们计划与著名公司合作来构建这样的平台。

光纤、铜线和无线具有相同的原理

据 Ishihara 教授称,光纤、无线电路和铜线电路的收发器电路具有相同的原理。因此,他还希望利用无线射频、光纤和以太网电缆来设计通信电路。如果实验成功,那么基本电路只需稍作改动就能用于各种应用。

在无线电路中,由于数字信息使用较窄的带宽,所以最好通过直流电流来扩展数字信息。随着带宽增加,光纤与射频之间的区别极小。

无线设备的广泛应用

如果 Ishihara 教授的单芯片无线电路能够设计成功,那么移动电话、智能电话和智能本均可以采用单芯片,并且将来还能用于无线软件和感知无线应用。这不仅能扩大全球移动设备的应用范围,而且能够在MP3 播放器和数码相机中使用无线电路。因此,无线电路的应用非常广泛。

如果装在 PH 传感器上,无线电路可用来检测水质

如果装在 PH 传感器上,无线电路可用来检测水质