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蘋果三星的UWB設(shè)備拆解，看頭部玩家如何玩轉(zhuǎn)超寬帶

2024-5-7 08:01| 發(fā)布者: admin| 查看: 205| 評(píng)論: 0

摘要: 來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自tech insights，謝謝。與藍(lán)牙一樣，UWB 是一種短距離、低功耗、基于無線電的通信技術(shù)，其主要目的是用于位置發(fā)現(xiàn)和設(shè)備測(cè)距。但是，UWB 提供了多種不同的功能，例如 ...

來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自tech insights，謝謝。

與藍(lán)牙一樣，UWB 是一種短距離、低功耗、基于無線電的通信技術(shù)，其主要目的是用于位置發(fā)現(xiàn)和設(shè)備測(cè)距。但是，UWB 提供了多種不同的功能，例如快速可靠的文件共享功能和安全交易。

在這篇博客中，我們有幸看到了從三星 EI-T7300 (SmartTag+) 中提取的 NXP SR040 UWB 收發(fā)器處理器芯片。我們還能看到蘋果AirTag的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

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圖1. 三星 EI-T7300 (SmartTag+)

如圖所示，NXP Semiconductor SR040 采用 QFN 封裝，該封裝由一個(gè)引線鍵合到引線框架的單個(gè)die組成。這些測(cè)量的關(guān)鍵尺寸以及觀察到的晶體管特征表明，SR040 芯片使用的是臺(tái)積電的 40 nm CMOS 工藝。

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圖2. NXP Semiconductor SR040

SR040 芯片由一個(gè) UWB 模擬前端收發(fā)器、幾個(gè)電源管理電路、幾個(gè) SRAM 存儲(chǔ)器、一個(gè) ARM Cortex CPU 和幾個(gè) GPIO 組成。

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圖3. NXP Semiconductor SR040 芯片照片

讓我們更深入地了解一下 UWB 模擬前端收發(fā)器。

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圖4. UWB 模擬前端收發(fā)器

UWB 收發(fā)器宏可分為兩半。在下半部分，我們找到了射頻信號(hào)路徑，而射頻和中頻 PLL 在上半部分。接收器和發(fā)射器之間共享一個(gè)射頻焊盤。

接收路徑包括帶有輸入匹配電路的 LNA、RX 正交下變頻混頻器、一對(duì)無源濾波器、一對(duì)由兩個(gè)二階級(jí)組成的有源濾波器，最后是一對(duì)時(shí)間交錯(cuò) ADC，每個(gè)包括逐次逼近子ADC。

發(fā)射陣容包括由兩個(gè)級(jí)聯(lián)子 DAC 組成的 TX DAC、上變頻 TX 混頻器、功率放大器和 BALUN 變壓器。

RF PLL 包括相同的基于 LC 諧振回路的振蕩器。接收器所需的正交相位在振蕩器附近產(chǎn)生，并使用差分共面?zhèn)鬏斁€發(fā)送到它們的目的地。發(fā)射器使用相同的兩個(gè)相位之一。由于發(fā)射機(jī)的 IF 部分不是正交的，因此必須在 RF PLL 中生成相位調(diào)制，并將其施加在混頻器中的信號(hào)上。RX ADC 和 TX DAC 的時(shí)鐘在 IF PLL 中生成，其中包括一個(gè)三級(jí)差分 CMOS 環(huán)形振蕩器。

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圖5. 電路分析

在看完三星的設(shè)計(jì)以后，我們來看一下蘋果AirTags的設(shè)計(jì)。

在這個(gè)只有 1/4 美分大小的設(shè)備上，可以擁有多個(gè)天線、無線電 IC、一個(gè)電池，并且可以繼續(xù)作為雙向無線電運(yùn)行，在近一整年的時(shí)間里精確定位幾英尺范圍內(nèi)的物體。

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圖6. Apple AirTag 主要組件

例如，設(shè)計(jì)有更小的芯片工藝節(jié)點(diǎn)的 IC。具有更小工藝節(jié)點(diǎn)的die意味著更小的晶體管柵極長(zhǎng)度，允許每個(gè)管芯有更多的晶體管，由于晶體管柵極長(zhǎng)度更短，從而降低了 IC 的功耗。

Apple AirTag 配備Nordic nRF52832，其芯片采用 90nm 工藝節(jié)點(diǎn)制造，比稍舊的 2.4 GHz Noridc 收發(fā)器 IC 中使用的 180nm 工藝有了進(jìn)步。AirTag 中的 nRF52832 是 WLCSP50 封裝，比較大的 48 引腳 6 mm x 6 mm QFN 選項(xiàng)小 75%。選擇 WLCSP50 而不是 QFN 封裝可能有多種原因，其中之一可能很簡(jiǎn)單，例如需要更少的 PCB 空間來使用多功能 Nordic 芯片。

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圖7. Nordic nRF52832 芯片照片

nRF52832 藍(lán)牙 SoC 可以支持多種無線電類型，包括 2.4 GHz 專有無線電（如果需要）。Apple AirTag 中使用的 nRF52832 支持 NFC 標(biāo)簽、藍(lán)牙和藍(lán)牙 Mesh。正是藍(lán)牙 Mesh 功能使 AirTag 能夠連接到 Apple Find My 網(wǎng)絡(luò)中的其他 Apple 設(shè)備。

IC 封裝改進(jìn)的另一個(gè)例子是將多個(gè)組件嵌入到單個(gè) IC 封裝中的能力，其中一個(gè)好處是減少了電路設(shè)計(jì)的 PCB 面積。多芯片、多組件封裝技術(shù)并不新鮮，而且還在不斷改進(jìn)，不僅僅包含芯片。Apple U1 UWB SIP（系統(tǒng)級(jí)封裝）——在一個(gè)總封裝面積為 20.58 平方毫米的單個(gè)封裝內(nèi)包含 Apple UWB 收發(fā)器、嵌入式晶體振蕩器、Sony RF 開關(guān)和更小的分立元件。

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圖8. Apple U1 UWB SiP

對(duì)于與 nRF52832 的芯片尺寸比較，UWB 收發(fā)器芯片是在臺(tái)積電的 16nm 工藝節(jié)點(diǎn)上制造的，允許在與 nRF52832 類似尺寸的芯片上使用更多的晶體管（和電路）。

總而言之，Apple AirTag 的無線電 IC占整個(gè)可用 PCB 面積的不到 30 平方毫米或 6%。

然而，AirTag 的性能，即它在保持連接到 Find My 網(wǎng)絡(luò)方面的成功，不僅在于無線電 IC，而且在很大程度上依賴于它的天線和天線設(shè)計(jì)。

但是 AirTag 的小尺寸不允許像我們?cè)谄渌蟮脑O(shè)備（如手機(jī)）中看到的單獨(dú)的天線部件。相反，AirTag 有一個(gè)框架，上面設(shè)計(jì)了所有三個(gè)天線。

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圖9. Apple AirTag 天線設(shè)計(jì)

蘋果還在 AirTag 中加入了一個(gè)揚(yáng)聲器，它可以針對(duì)各種場(chǎng)景發(fā)出“啁啾聲”。位于 PCB 上的 Maxim D 類音頻放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。

值得注意的不僅僅是 AirTag 的功能和設(shè)計(jì)。AirTag 零售價(jià)低于 30 美元，估計(jì)制造成本為 10 美元（不包括軟件成本和研發(fā)）。

追蹤器并不新鮮，Apple 也不是第一個(gè)提供此類產(chǎn)品的公司。不幸的是，Apple 首當(dāng)其沖地受到了追蹤器如何被用于侵入性目的的社會(huì)反作用力。我們不確定在這些跟蹤器中列出該技術(shù)是否有助于讓任何人放心。

但是對(duì)于技術(shù)來說，現(xiàn)在沒有退路，只有前進(jìn)。我們相信，固態(tài)電池、硅電池和縮小工藝節(jié)點(diǎn)等新電池技術(shù)只會(huì)讓工程師設(shè)計(jì)出更小封裝的無線電設(shè)備。

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除了這兩種設(shè)備具有相似的裸片尺寸并且由臺(tái)積電作為其代工廠這一事實(shí)之外，它們是非常不同的。例如，SR040 的 UWB 收發(fā)器和電源管理占據(jù)了 45% 的芯片，而蘋果 U1 僅占 33%。在處理器和內(nèi)存區(qū)域方面，SR040占37%，蘋果U1占57%。SR040 的工藝代為 40 nm，由 8 個(gè)金屬層形成，而 Apple U1 的工藝代為 16 nm，由 13 個(gè)金屬層形成。

以上就是對(duì)使用用于跟蹤對(duì)象的 UWB 通信標(biāo)準(zhǔn)的兩種設(shè)備的簡(jiǎn)要總結(jié)。

今天，我們?nèi)蕴幱诨?UWB 的技術(shù)發(fā)展的早期階段，需要提高數(shù)據(jù)隱私和效率等問題，今天，我們知道 UWB 用于更換車鑰匙或?qū)ふ椅业腻X包，但在未來它幾乎可以與我們的“更智能”小工具交互和跟蹤重要對(duì)象。

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