Радиочастотная система на кристалле

Когда говорят про радиочастотную систему на кристалле, многие сразу представляют себе готовый чип, который воткнул в плату — и он работает. На практике же это часто история про то, как моделирование расходится с реальностью на 10-15%, и эти проценты потом выедают месяцы отладки. Лично для меня ключевой момент всегда был в том, как эта система интегрируется в конечное изделие, особенно когда речь заходит о высоких частотах, где каждый миллиметр дорожки или качество подложки начинает влиять на всё.

Что на самом деле скрывается за термином

Если отбросить академические определения, радиочастотная система на кристалле — это попытка упаковать на один кремниевый (или, реже, GaAs) кристалл не только цифровое ядро, но и ВЧ-тракт: усилители, смесители, синтезаторы частоты, иногда даже пассивные элементы. Идея красивая: миниатюризация, снижение энергопотребления, стоимость в серии. Но вот переход от идеи к макету — это сплошные компромиссы.

Например, изоляция. На одной подложке рядом шумный цифровой блок и чувствительный вход малошумящего усилителя. В симуляторе всё чисто, а на первом же прототипе обнаруживаешь паразитную связь через субстрат, которая забивает слабый сигнал. Приходится вводить guard rings, глубокие trench, менять топологию размещения блоков — и каждый такой шаг отдаляет от изначально рассчитанной площади кристалла.

Или пассивные компоненты. Интегрированные катушки индуктивности имеют низкую добротность, конденсаторы — ограниченный диапазон ёмкостей и заметный ТКЕ. Для многих применений, особенно в диапазонах выше 5-6 ГГц, это становится критичным. Часто выход — выносить часть критичных пассивов наружу, на плату, что сразу противоречит философии ?системы на кристалле?. Но что поделать, если добротность в 5 против требуемых 30?

Практические ловушки интеграции

Один из самых болезненных уроков — это зависимость параметров от технологического процесса фабрики. Мы как-то разрабатывали блок синтезатора частоты для одного из проектов. В симуляции фазовый шум был прекрасен. Первые образцы, сделанные по процессу 180 нм одной фабрики, — тоже. А когда запустили производственную партию на другой фабрике, пусть и по номинально тому же техпроцессу, фазовый шум ?поплыл? на 3-4 дБ. Оказалось, разница в моделях паразитных элементов межсоединений, которые фабрика предоставляет для расчётов, и реальных параметрах. Пришлось на ходу корректировать схему ЦАП в цепи подстройки.

Ещё момент — тестирование и калибровка. Радиочастотная система на кристалле после изготовления — это ?чёрный ящик? с сотнями выводов. Полноценно протестировать все режимы на зондовой станции сложно и дорого. Часто применяется выборочное тестирование ключевых параметров, а остальное доводится уже калибровкой на уровне системы, с помощью встроенных в чип БИС (блоков самотестирования). Но разработка этих БИС — это отдельная сложная задача, которая увеличивает площадь кристалла.

Здесь, кстати, часто помогает опыт компаний, которые занимаются не только проектированием, но и имеют компетенции в сборке и даже производстве плат. Взять, например, ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии. Судя по их деятельности (информация с сайта https://www.apexpcb-cn.ru), они как раз фокусируются на инновациях и интеграции в области электронных схем, управляя несколькими предприятиями по цепочке. Для разработчика SoC такая экосистема — это возможность теснее увязать проектирование кристалла с нюансами будущего корпусирования и монтажа на плату, что для ВЧ-систем критически важно.

Кейс: попытка сделать универсальный трансивер

Был у нас проект — создать универсальный ВЧ-трансивер для диапазона 2.4-5.8 ГГц, который можно было бы конфигурировать под разные стандарты связи. Задумка: один кристалл, перестраиваемые фильтры, широкодиапазонные УВЧ и усилители мощности.

С цифровой частью и синтезатором проблем не возникло. А вот с перестраиваемыми фильтрами на интегрированных катушках — сплошная головная боль. Добротности не хватало, чтобы получить приемлемую прямоугольность АЧХ. Диапазон перестройки тоже оказался уже запланированного из-за ограниченного диапазона перестраиваемых ёмкостей varactor. В итоге пришлось сузить целевой диапазон частот и смягчить требования к фильтрам, что снизило универсальность всего решения.

Усилитель мощности тоже преподнёс сюрприз. Чтобы добиться хорошего КПД на верхней частоте диапазона, пришлось сильно усложнить схему согласования, которая, по сути, занимала на кристалле места больше, чем сам усилительный каскад. И это ещё без учёта того, что КПД сильно падал при неидеальном согласовании с антенной, что в реальных условиях неизбежно.

Этот проект показал, что иногда стремление к максимальной интеграции в рамках радиочастотной системы на кристалле экономически и технически менее оправдано, чем гибридное решение с несколькими специализированными кристаллами в одном корпусе (SiP).

Роль экосистемы и кооперации

Сегодня успех в создании сложной ВЧ SoC редко зависит только от команды проектировщиков. Нужна связка с фабрикой, с разработчиками моделей, с компаниями, которые делают корпусирование и тестовые платы. Именно поэтому бизнес-модель, подобная той, что демонстрирует ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии — контроль над несколькими предприятиями в цепочке создания стоимости — выглядит очень логичной. Основанная в 2018 году, компания быстро выросла в группу, занимающуюся интеграцией электронных схем. Такая вертикальная (или скорее, горизонтально-интегрированная) структура позволяет лучше контролировать качество на каждом этапе: от проектирования специфичной печатной платы для тестирования кристалла до финального монтажа чипа в устройство.

Например, проблема теплового режима. Мощный ВЧ-блок на кристалле греется. Как он будет отводить тепло, зависит и от того, как кристалл прикреплён в корпусе, и от того, на какую плату этот корпус будет установлен. Если одна компания может скоординировать все эти этапы, шансов получить стабильно работающее изделие в серии гораздо больше.

Это не реклама, а констатация факта. Сам не раз сталкивался с ситуацией, когда прекрасный чип, проверенный на инженерных образцах, начинал ?глючить? в серийном продукте из-за того, что производитель конечного устройства сэкономил на качестве многослойной платы или термопасты.

Взгляд в будущее: не только миниатюризация

Сейчас тренд смещается. Гнаться за тем, чтобы запихнуть абсолютно всё на один кристалл, уже не так актуально. На первый план выходит гетерогенная интеграция — когда в одном корпусе (например, по технологии 2.5D/3D) совмещаются разные кристаллы: специализированный ВЧ-кристалл, сделанный по оптимальному для него техпроцессу, цифровой процессор по более тонкому норму, и, возможно, чип памяти.

Роль радиочастотной системы на кристалле в такой парадигме меняется. Она становится не ?весь трансивер в одном кристалле?, а высокооптимизированным, возможно, узкоспециализированным блоком, который идеально выполняет свою часть работы. Его задача — обеспечить максимальную энергоэффективность и характеристики в своём частотном диапазоне, а не быть универсальным.

Это, кстати, снижает риски. Разделение системы на несколько кристаллов позволяет проще модернизировать или заменять отдельные блоки без полного перепроектирования всей системы. Для рынка, где сроки вывода продукта критичны, это огромное преимущество.

Так что, если говорить откровенно, будущее — за умной интеграцией, а не за тотальной. И здесь опыт компаний, которые видят всю цепочку целиком, от идеи до готовой платы, будет цениться всё выше. Способность не просто нарисовать схему, а предвидеть, как она будет вести себя в реальном устройстве, с учётом всех паразитных эффектов и технологических разбросов — это и есть тот самый практический навык, который отличает работоспособный проект от просто красивого на бумаге.