Interruptores CMOS de banda ancha | Analog Devices

P: ¿Qué es un interruptor CMOS de banda ancha?

Alos conmutadores CMOS de banda ancha están diseñados principalmente para cumplir los requisitos de los dispositivos que transmiten en ISM (industrial, científica y médica) en la banda (900 MHz y superior). La baja pérdida de inserción, el alto aislamiento de los puertos, la baja distorsión y el bajo consumo de corriente de estos dispositivos los convierten en una solución excelente para muchas aplicaciones de alta frecuencia que requieren un bajo consumo de energía y la capacidad de manejar una potencia de transmisión de hasta 16 dBm. Algunos ejemplos de aplicaciones que se mencionan más adelante en este artículo son las radios de los coches, la conmutación de antenas, los contadores inalámbricos, el filtrado y enrutamiento de datos de alta velocidad, las redes domésticas, los amplificadores de potencia y la conmutación PLL.

P: ¿Cómo pueden ser estos interruptores tan rápidos como los típicos interruptores CMOS analógicos?

Apara mejorar su ancho de banda, los interruptores de banda ancha sólo utilizan MOSFETs de canal N en la ruta de la señal. Un interruptor sólo NMOS tiene un ancho de banda típico de -3 dB de 400 MHz, casi el doble del rendimiento del ancho de banda de un interruptor estándar con FETs NMOS y PMOS en paralelo. Esto se debe al menor tamaño del interruptor y a la gran reducción de la capacitancia parásita debido a la eliminación del MOSFET del canal P. Los MOSFET del canal N actúan esencialmente como resistencias controladas por la tensión. Los interruptores funcionan de la siguiente manera:

V_gs > V_t → Encender
V_gs < V_t → Interruptor de apagado

Donde V_gs es la tensión de la fuente de la red y V_t se define como el tensión de umbral-tensión por encima de la cual se forma un canal conductor entre los terminales de fuente y drenaje.

Cuando la frecuencia de la señal aumenta a más de varios cientos de megahercios, las capacitancias parásitas tienden a dominar. Por lo tanto, para lograr una alta aislamiento en interruptores en-estado y fondo pérdida de inserción en el en la necesidad de una pérdida de inserción de baja frecuencia para aplicaciones de banda ancha es un verdadero reto para los diseñadores de interruptores. La resistencia de canal de un conmutador debe limitarse a menos de unos 6 ohmios para conseguir una pérdida de inserción de baja frecuencia inferior a 0,5 dB en una línea con impedancias coincidentes de 50 ohmios en la fuente y la carga.

Al apartarse de la topología de conmutación habitual, la inserción de una vía de derivación a tierra para el fuera de-y su señal parásita asociada- permite el diseño de interruptores con mayor aislamiento de apagado a altas frecuencias. Los FET tienen un dedo del pestillo una disposición que reduce la capacitancia parásita entre la entrada (RFx) y la salida (RFC), aumentando así el aislamiento de alta frecuencia y mejorando el rechazo de la diafonía. Por ejemplo, cuando MN1 es a para formar el camino conductor de RF1, MN2 es fuera de y MN4 es enderivando los parásitos RF2 a tierra, como se muestra en la Figura 1.

P: Mencionas el aislamiento fuera de tensión y la pérdida de inserción. ¿Puedes explicar qué son?

Así, los dos parámetros más importantes que describen el rendimiento de un conmutador de RF son pérdida de inserción en estado cerrado y el aislamiento en estado abierto.

Cierre del aislamiento se define como la atenuación entre los puertos de entrada y salida del conmutador cuando éste está fuera de Diafonía es una medida de aislamiento entre canales.

Por ejemplo, el interruptor SPDT ADG919 proporciona unos 37 dB de aislamiento a 1 GHz, como se muestra en la Figura 2. El mismo dispositivo, utilizando el paquete a escala de chip (CSP) -propuesto para aplicaciones inalámbricas con limitaciones de espacio, como la conmutación de antenas- ofrece una mejora de 6 dB (43 dB a 1 GHz).

Pérdida de inserción es la atenuación entre los puertos de entrada y salida del conmutador cuando éste está en. El conmutador suele ser uno de los primeros componentes que se encuentran en la ruta de la señal de un receptor, por lo que se requiere una baja pérdida de inserción para garantizar una mínima pérdida de señal. La baja pérdida de inserción de los interruptores también es importante para los sistemas que requieren una baja cifra de ruido global.

Para conseguir el mejor rendimiento de pérdida de inserción de la familia de interruptores ADG9xx, el componente debe funcionar con la máxima tensión de alimentación permitida de 2,75 V. La razón de ello se explica en la Figura 3, que muestra los gráficos de pérdida de inserción frente a la frecuencia del ADG919 con tres valores diferentes de tensión de alimentación.

P: ¿Qué relación existe entre la pérdida de inserción y la especificación de resistencia de conexión de un interruptor analógico estándar?

Ala pérdida de señal viene determinada esencialmente por la atenuación introducida por la resistencia del interruptor en el en condición, R_enen serie con la resistencia de la fuente y de la carga, medidos a las frecuencias de funcionamiento más bajas. La figura 4 muestra un perfil típico de resistencia de estado activado frente a la tensión de la fuente para un dispositivo MOSFET de canal N.

P: ¿Qué tecnologías se utilizan habitualmente en el diseño de interruptores de alta frecuencia?

A: Tradicionalmente, sólo se disponía de unos pocos procesos para desarrollar buenos interruptores de banda ancha/RF. Los transistores de efecto de campo de arseniuro de galio (GaAs), los diodos PIN y los relés electromecánicos han dominado el mercado, pero el CMOS estándar está entrando con fuerza.

Los diodos PIN son dispositivos muy lineales con buenas características de distorsión, pero tienen muchos inconvenientes ante los requisitos actuales de alto rendimiento. Tienen tiempos de conmutación muy lentos (microsegundos, en comparación con los nanosegundos de los interruptores CMOS); consumen mucha energía, lo que los hace inadecuados para muchos dispositivos que funcionan con baterías; y, a diferencia de los interruptores CMOS, cuya respuesta va de la RF a la CC, existe un límite práctico de baja frecuencia para el uso de los diodos PIN como interruptores lineales.

El GaAs ha sido popular debido a su bajo en resistencia, baja frente a la costa de y una gran linealidad a altas frecuencias. Sin embargo, a medida que las geometrías del proceso CMOS siguen reduciéndose, el rendimiento de los interruptores CMOS ha aumentado hasta el punto de que pueden alcanzar frecuencias de -3-dB de hasta 4 GHz y son capaces de competir con los interruptores de GaAs. Diseñados para maximizar el ancho de banda manteniendo una alta linealidad y un bajo consumo, los interruptores CMOS ofrecen ahora una alternativa práctica a los interruptores de GaAs en muchas aplicaciones de baja potencia.

P: ¿Cuáles son las principales ventajas de las soluciones de conmutación de banda ancha CMOS respecto al arseniuro de galio?

Alos conmutadores, como la familia de piezas ADG9xx, tienen un controlador TTL incorporado que permite una fácil interconexión con otros dispositivos CMOS, ya que el CMOS es compatible con los niveles lógicos LVTTL. El pequeño tamaño de los dispositivos con controladores integrados es una solución para muchas aplicaciones con limitaciones de espacio.

Los interruptores de GaAs, como tales, necesitan condensadores de bloqueo de CC en serie con los puertos de RF, que hacen flotar el dado con respecto a la tierra de CC, para que los interruptores puedan ser controlados con tensiones de control positivas. Los conmutadores de banda ancha, como los de la familia ADG9xx, no tienen este requisito, lo que elimina la preocupación por la reducción del ancho de banda, el impacto de los condensadores en el rendimiento general del sistema y el espacio y el coste adicionales de las soluciones de GaAs. La eliminación de los condensadores de bloqueo permite que las piezas ADG9xx mantengan su baja pérdida de inserción (0,5 dB) hasta la CC. Además de ofrecer una solución de diseño más pequeña y eficiente, la familia ADG9xx consume menos energía, menos de 1 μA en todas las condiciones de tensión y temperatura.

P: ¿Qué pasa con el rendimiento de la ESD (descarga electrostática) en comparación con el GaAs?

Ala familia de piezas ADG9xx supera el ESD HBM de 1 kV (modelo de cuerpo humano). Los circuitos de protección ESD se integran fácilmente en estos dispositivos CMOS para proteger los pines de RF y digitales. Esto hace que los interruptores sean ideales para todas las aplicaciones sensibles a la ESD, y ofrecen una alternativa fiable a los dispositivos de GaAs con capacidades de ESD de hasta 200 V.

P: ¿Cuáles son las otras especificaciones importantes de estos interruptores?

A Reproducción del vídeo (Figura 5) es el transitorio de CC parásito presente en los puertos de RF del interruptor cuando la tensión de control cambia de alta a baja, o de baja a alta, sin que haya una señal de RF. Esto es análogo a inyección de carga de un interruptor analógico típico. Se mide en una configuración de prueba de 50 ohmios, con pulsos de 1 ns (tiempo de subida) y un ancho de banda de 500 MHz.

P1dB (punto de compresión de 1 dB) es el nivel de potencia de entrada de RF en el que la pérdida de inserción del conmutador aumenta en 1 dB con respecto a su valor de nivel bajo. Es una medida de la capacidad de manejo de la potencia de RF del interruptor. Como se muestra en la Figura 6, el ADG918 tiene un P1dB de 17 dBm a 1 GHz, con V_DD = 2.5 V.

P: ¿Qué significa esto?

Aesto significa que si el pérdida de inserción a 1 GHz era de 0,8 dB con una entrada de bajo nivel, sería de 1,8 dB con una entrada de 17 dBm [Note: dBm is the dB (logarithmic) measure of the ratio of power to 1 mW, or voltage to 224 mV in 50 ohms. 17 dBm corresponds to 50 mW, or 1.6 V rms or 4.5 V p-p].

P: La capacidad de manejo de energía parece disminuir significativamente en las frecuencias más bajas de la figura 6. ¿Por qué?

Aen funcionamiento normal, los interruptores pueden manejar una señal de entrada de 7 dBm (5 mW). Para una carga de 50 ohmios, esto corresponde a una señal de 0,5 V rms, o 1,4 V pico a pico para las ondas sinusoidales [V _p-p = V_rms × 2 × √2].

La capacidad de manejo de la potencia se reduce en las frecuencias más bajas por dos razones:

Como se muestra en la figura 7, la estructura física NMOS está formada por dos regiones de material de tipo N en un sustrato de tipo P. Entre las regiones N y P se forman diodos parásitos fuente del transistor, y V_gs es lo suficientemente grande como para encender el transistor (V_gs > V_t), los diodos parásitos pueden estar polarizados hacia delante durante parte del semiciclo negativo de la forma de onda de entrada. Esto ocurre si la onda sinusoidal de entrada cae por debajo de unos -0,6 V, y el diodo empieza a iluminarse, provocando el recorte (compresión) de la señal de entrada, como se muestra en la figura 8. El gráfico muestra una señal de entrada de 100 MHz y 10 dBm y la correspondiente señal de salida de 100 MHz. Es fácil ver que la señal de salida se ha truncado.

A bajas frecuencias, la señal de entrada está por debajo del nivel de -0,6 V durante más tiempo, lo que tiene un mayor impacto en el punto de compresión de 1 dB (P1dB).

La segunda razón por la que las piezas pueden manejar menos potencia a frecuencias más bajas es el encendido parcial del dispositivo de derivación NMOS cuando se supone que está fuera de. Esto es muy similar al mecanismo descrito anteriormente, en el que se produjo un encendido parcial del diodo parásito. En este caso, el transistor NMOS está en la posición fuera de condición, con V_gs < V_t. Con una señal alterna en la fuente del dispositivo de derivación, habrá un momento en el semiciclo negativo de la forma de onda en el que V_gs > V_tque activa parcialmente el dispositivo de derivación. Esto comprimirá la forma de onda de entrada desviando parte de su energía a tierra.

Los dos mecanismos anteriores pueden superarse aplicando una pequeña polarización de CC (unos 0,5 V) a la señal de entrada de RF cuando el conmutador se utiliza a bajas frecuencias (<30 MHz) y a alta potencia, superior a 7 dBm (o 5 mW, 1,4 V p-p en 50 ohmios). Esto aumentará el nivel mínimo de la señal de entrada sinusoidal y, por tanto, garantizará que los diodos parásitos estén continuamente en polarización inversa y que el transistor en derivación, nunca vea V_gs > V_tpermanece en estado desactivado durante todo el periodo de la señal de entrada. La figura 9 muestra de nuevo un gráfico de las señales de entrada y salida a 100 MHz y una potencia de entrada de 10 dBm (unos 2 V p-p en 50 ohmios), pero esta vez con una polarización de 0,5 V cc. Se ve claramente que el recorte o la compresión ya no se producen a 100 MHz.

P: ¿Cómo se aplica una polarización de CC a las entradas de RF?

Apara minimizar cualquier drenaje de corriente a través de la resistencia de terminación del lado de entrada, es mejor añadir la polarización del lado de salida (RFC). Esta es la mejor práctica, sobre todo para aplicaciones portátiles de baja potencia, pero puede ser necesario aplicar condensadores de bloqueo de CC a las salidas de RF si los circuitos descendentes no pueden manejar la polarización de CC.

P: ¿Pueden estos interruptores funcionar con una alimentación negativa?

Apueden funcionar con una señal negativa en GND (suelo) siempre que respete el valor máximo absoluto de -0,5 V a +4 V para V_DD a GND. Ten en cuenta que el funcionamiento de la pieza de este modo sitúa las terminaciones internas en este nuevo potencial de GND, un efecto no deseado en algunas aplicaciones.

P: ¿Qué pasa con el rendimiento de la distorsión de estos interruptores?

Acuando los tonos de frecuencias muy espaciadas pasan por un conmutador, la no linealidad del conmutador da lugar a la generación de tonos falsos, lo que provoca salidas no deseadas en otras frecuencias. En los sistemas de comunicación, en los que los canales están cada vez más cerca, es esencial minimizar esta distorsión por intermodulación (IMD) para garantizar una interferencia mínima. Aplicando dos señales de igual potencia muy próximas entre sí y con una separación de frecuencias definida (por ejemplo, 900 MHz y 901 MHz) a la entrada de un dispositivo bajo prueba (DUT), se obtiene el espectro de salida que se muestra en la Figura 10. Los 3^rd-el armónico de tercer orden, normalmente expresado en dBc, es el logaritmo de la relación entre la potencia del armónico de tercer orden y la potencia del fundamental. Cuanto mayor sea el valor (negativo), menor será la distorsión. Al enviar estos tonos a través del ADG918, utilizando un combinador con una potencia de entrada de 4 dBm, se obtuvo un IP3 de 35 dBm, como se muestra en la Figura 11 [Note: an excellent discussion of various types of distortion can be found in “Ask The Applications Engineer—13”]

IP3-Punto de intercepción de tercer orden. Se mide el DMI y a partir de él se calcula el valor del IP3. IP3 es una cifra de mérito -en dBm- para el dispositivo. El IP3, especificado en la hoja de datos, es una medida de la distorsión causada por el interruptor debido a la potencia de esos tonos falsos. Cuanto mayor sea el valor de IP3, menores serán los tonos en los canales adyacentes, lo que indica que el interruptor tiene un buen rendimiento armónico.

P: ¿Qué configuraciones están disponibles en la familia ADG9xx?

Ala familia ADG9xx incluye SPSTs (unipolar, unidireccional), SPDT (unipolar, de doble punta), y doble-Interruptores SPDT y unipolares 4:1 multiplexores (SP4T). Están disponibles en dos versiones absorbente y reflector versiones, para satisfacer todas las necesidades de las aplicaciones.

P: ¿Qué es un interruptor absorbente?

Alas piezas ADG901 (SPST), ADG918 (SPDT), ADG936 (SPDT doble) y ADG904 (SP4T) se describen como sigue absorbente (emparejados), ya que tienen patas de derivación con terminación de 50 ohmios en el chip.

P: ¿Qué es un interruptor reflectante?

Ael ADG902 (SPST), el ADG919 (SPDT), el ADG936-R (SPDT doble) y el ADG904-R (SP4T) se describen como interruptores de reflexión porque tienen derivaciones de 0 ohmios a tierra.

P: ¿En qué casos utilizaría un interruptor absorbente en lugar de uno reflectante?

Aa absorbente el conmutador tiene una buena adaptación de impedancia, o relación tensión-onda (VSWR), en cada puerto, independientemente del modo de conmutación. Debe utilizarse cuando se requiera una buena terminación trasera en el fuera de canal, para mantener una buena VSWR. Por lo tanto, un conmutador absorbente es ideal para las aplicaciones que requieren reflexiones mínimas hacia la fuente de RF. También garantiza que se transfiera la máxima potencia a la carga en un sistema de 50 ohmios.

A reflector es adecuado para aplicaciones en las que fuera de-la VSWR del puerto no es importante y el conmutador tiene otra característica de rendimiento deseada. Los interruptores reflectantes se suelen utilizar en aplicaciones en las que la adaptación se realiza en otras partes del sistema. En la mayoría de los casos, se puede utilizar un interruptor absorbente en lugar de uno reflectante, pero no a la inversa.

P: ¿Cómo puedo determinar la VSWR de estos conmutadores?

A VSWR-La relación de onda estacionaria -la relación entre la suma de las tensiones directa y reflejada y la diferencia de las tensiones directa y reflejada- indica el grado de adaptación de la impedancia presente en el puerto de RF del conmutador. Cuando se trata de medir, es más fácil describir la adaptación de la impedancia en términos de pérdida de retornola cantidad de potencia reflejada en relación con la potencia incidente en un puerto.

Simplemente midiendo la potencia incidente y reflejada, es posible determinar la pérdida de retorno y, a partir de ella, calcular la VSWR utilizando tablas de conversión VSWR/pérdida de retorno fácilmente disponibles. La figura 13 muestra una curva de pérdida de retorno típica del ADG918 en el sobre- y fuera de condiciones. Ten en cuenta que el ADG918, un conmutador absorbente, tiene un buen rendimiento de pérdidas de retorno para fuera deasí como el eninterruptor. La versión ADG919, que no incluye resistencias de terminación, no tendría un buen rendimiento en términos de pérdida de retorno en fuera de condición.

P: Ahora que has explicado cómo funcionan estas piezas, dime dónde y cómo se utilizan.

Agracias a su baja pérdida de inserción hasta 1 GHz y a su amplio ancho de banda de -3 dB (hasta 4 GHz), los interruptores de esta familia son ideales para muchos entretenimiento en el automóvil sistemas.

Encontraron brotes en módulos sintonizadores y decodificadores para cambiar entre la entrada de TV por cable y la antena fuera del aire entrada. Otro ámbito en el que se adaptan estas piezas es en interruptor de la antena de la radio del coche. Como generalmente se trata de sistemas de impedancia de 50 ohmios, las terminaciones internas de 50 ohmios propuestas por absorbente las versiones ADG901, ADG918 y ADG904 de estos interruptores proporcionan una excelente adaptación de la impedancia y mínimas reflexiones.

La variedad de topologías disponibles hace que estas piezas sean muy fáciles de diseñar en interruptor de diversidad de antenas aplicaciones, permitiendo al usuario cambiar de varias antenas a un solo sintonizador en radios multibanda.

Estas piezas también son adecuadas para conteo inalámbrico sistemas, asegurando el aislamiento necesario entre transmite y recibir señales (Figura 14).

Estas piezas son perfectas para selección de filtros y enrutamiento de datos de alta velocidadel ADG904 puede utilizarse como un 4:1 demultiplexor para conmutar las señales de alta frecuencia entre diferentes filtros y también para multiplexar la señal a la salida. Para selección de filtros diferenciales y el enrutamiento de los datos, el ADG936 doble SPDT (unipolar, de doble arranque) es una solución ideal. Conmutación de datos en tarjetas de módem para sistemas inalámbricos punto a puntocomo los radioenlaces de microondas para aplicaciones militares y de aviónica, requieren el rendimiento de alta frecuencia que ofrece la familia de piezas ADG9xx.

También son adecuados para red doméstica aplicaciones del sistema para el control remoto inalámbrico de muchas funciones diferentes, como la apertura y el cierre de persianas, el control de la iluminación (encendido, apagado o atenuación), en el que la información se transmite a través de un enlace inalámbrico. El excelente rendimiento del aislamiento de alta frecuencia y el bajo consumo de energía preservan el presupuesto de corriente de un sistema, lo que lo convierte en una aplicación ideal.

Gracias a su alto rango de frecuencias (hasta 4 GHz), esta familia de piezas también es adecuada para muchas aplicaciones Bluetooth tecnologías para la comunicación inalámbrica en la banda de frecuencia ISM de 2,5 GHz.

Los interruptores de banda ancha pueden utilizarse en el diseño de amplificadores de potencia (PAs) con frecuencias de 800, 900, 1900 y 2100-MHz para aplicaciones celulares CDMA y GSM. El conmutador se utiliza en el bucle de corrección de potencia ascendente alrededor del amplificador principal, lo que permite conmutar las vías de potencia ascendente y descendente activas y pasivas, y comprobar los niveles de distorsión del amplificador. El interruptor permite corregir la ganancia y la fase en el sistema. El alto aislamiento, la baja pérdida de inserción y la baja distorsión a 900 MHz hacen que la familia ADG9xx sea ideal para el diseño de megafonía en este rango de frecuencias.

El ADG918 puede utilizarse para implementar Conmutación del PLL para el salto de frecuencia en aplicaciones GSM.

P: ¿Qué es la conmutación PLL y por qué utilizar el ADG918?

A: Cambio entre dos bucles de bloqueo de fase (PLL) -conocida comúnmente como técnica de ping-pong- permite al diseñador conseguir tiempos de asentamiento del sistema más rápidos. El bajo consumo de energía del ADG918 y su sencillo control de un solo pin lo convierten en una solución fácil de integrar.

Al conmutar entre dos osciladores, el rendimiento de aislamiento deseado se puede conseguir conectando en cascada, es decir, conectando varios interruptores en cascada. Se trata de una forma muy sencilla de proporcionar una especificación de alto aislamiento a un sistema, evitando las interferencias a frecuencias más altas. La conexión en cascada de cinco ADG918 proporciona un aislamiento de 130 dB a 1 GHz, con un pérdida de inserción de 3 dB. En esta aplicación, ese aumento de la pérdida de inserción no es importante, ya que la principal preocupación son los niveles de señal en relación con los demás.

Una característica interesante del ADG918 en esta aplicación es que actúa como un amplificador integrado filtro pasa-bajos integradoeliminando los armónicos no deseados creados por los dos PLL. Debido al aumento natural de la pérdida de inserción a altas frecuencias, evita fácilmente que los armónicos no deseados se propaguen a través de los interruptores, como se muestra en las figuras 15 y 16.

P: Entonces... ¿resumiendo?

Aen resumen, los conmutadores CMOS de banda ancha, especialmente los de la familia ADG9xx, son opciones excelentes para todas las aplicaciones de la banda ISM que requieran un alto aislamiento y una baja pérdida de inserción para dispositivos que funcionen con baterías y tengan limitaciones de espacio. Analog Devices dispone de kits de evaluación para que el diseño de estas piezas sea rápido y sin problemas, ¡un sueño para el diseñador!