Productos de control de RF y MW de silicio

Introducción

Los nuevos interruptores y atenuadores de RF y microondas (MW) de Analog Devices implementados en un proceso de silicio avanzado aprovechan las ventajas inherentes de la tecnología de silicio sobre sus homólogos tradicionales que utilizan arseniuro de galio (GaAs). Este documento establece las características clave de rendimiento y los parámetros clave de los nuevos interruptores y atenuadores.

Analog Devices ofrece más de 1000 componentes que cubren todas las cadenas y aplicaciones de señales de RF y MW. Los interruptores y atenuadores de RF a menudo se usan en la misma aplicación y cumplen requisitos de sistema similares. Están agrupados bajo la misma categoría de productos, productos de control de RF y MW. La figura 1 muestra un transceptor genérico. En la parte inferior está el lado transmisor y en la parte superior está el lado receptor. En el medio está el circuito de retroalimentación preamplificado, así como la generación del reloj. En el diagrama, los interruptores se utilizan en diferentes segmentos. Se utiliza un interruptor unipolar de doble tiro (SPDT) frente al amplificador de bajo ruido para garantizar el nivel necesario de aislamiento contra el exceso de potencia, que puede filtrarse a través del duplexor en el modo de transmisión. Otro interruptor SPDT se usa en el circuito de retroalimentación de predistorsión digital para seleccionar la señal transmitida o reflejada. Luego se usa un polo de cuatro vías (SP4T) para seleccionar entre múltiples transceptores en caso de que se use un detector para todos.

Figura 1. Transceptor genérico. En la parte inferior está el lado transmisor y en la parte superior está el lado receptor. En el medio está el circuito de retroalimentación de predistorsión.

Se utiliza otro interruptor SPDT para enrutar la señal del reloj del oscilador local entre los lados de recepción y transmisión. Los atenuadores digitales (DATT) y los atenuadores variables de voltaje continuamente ajustables (VVA) se utilizan en la cadena de señal donde se requiere un ajuste de ganancia.

Otra aplicación es el repetidor celular. En la Figura 2, los interruptores SPDT se utilizan en la interfaz de la antena. Estos son conmutadores de transmisión y recepción de alta potencia diseñados específicamente para este propósito.

Figura 2. Los SPDT reflectantes de transmisión/recepción de alta potencia se utilizan en la interfaz de la antena.

La figura 3 muestra el uso del producto de control para la generación de reloj o LO. Aquí, la señal es generada por el VCO/PLL o el oscilador, amplificada y luego aplicada a un interruptor. En el diagrama, se usa un interruptor unipolar de tres vías (SP3T) para cambiar entre bancos de filtros. En el lado de salida, se utiliza un interruptor de cuatro vías unipolar y se agrega una ruta adicional para calibración y referencia externa. Se pueden incluir atenuadores digitales o atenuadores de voltaje variable en la ruta de la señal, cuando se requiere un ajuste de ganancia.

Figura 3. Uso del producto de control para generación de reloj u oscilador local (LO).

Un ejemplo final es un diagrama de bloques de la parte frontal de un equipo de prueba de RF (Figura 4). En la primera parte, se utiliza SPDT para seleccionar entre la señal entrante y la señal de calibración. Luego, la señal seleccionada se envía a otro SPDT para enrutar la señal a una ruta de amplificación o derivación. A esto le sigue una sección de mitigación que incorpora DATT y VVA. El atenuador digital se usa para la calibración de la ruta y el atenuador de voltaje variable se usa para el ajuste fino de la ganancia.

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Figura 4. En la etapa de entrada del equipo de prueba, la señal se aplica al equipo y el n pasa por el camino de amplificación o el camino de atenuación.

En estas aplicaciones, se requiere un alto rendimiento y los parámetros clave son baja pérdida de inserción, buena pérdida de retorno, alta linealidad y manejo de alta potencia. Las características de frecuencia plana son muy importantes para el rendimiento del equipo. El ancho de banda de la señal en tales aplicaciones debe ser lo suficientemente amplio para cubrir todo el rango de frecuencia de operación. En tales aplicaciones, es esencial una frecuencia de corte baja de 9 kHz para los analizadores de espectro y de red.

Silicio vs. GaAs

Esta comparación se basa principalmente en las características de diseño. Si el producto requiere un tiempo de configuración rápido y un tiempo de cambio rápido, el proceso de silicio ofrece ventajas sobre GaAs. El proceso de silicio ofrece una mejor capacidad de integración y, para operaciones de baja frecuencia, el silicio tiene ventajas sobre el GaAs. Si el manejo de energía, la pérdida de inserción, el aislamiento y la linealidad son parámetros de diseño, el silicio y el GaAs pueden cumplir con los requisitos. El silicio proporciona una mejor robustez ESD. Para operaciones a alta temperatura, el GaAs sigue siendo una mejor plataforma que el silicio. En el modo de agotamiento de GaAs, generalmente se utilizan dispositivos que permiten la implementación de funciones como la operación a prueba de fallas.

Los dispositivos de GaAs sufren lo que se conoce como efecto de retardo de puerta. Cuando se conmuta el transistor, la carga residual en el canal tarda mucho más en decaer en comparación con el tiempo de conmutación. Es una práctica común para los diseñadores de RF permitir un margen de 10x en el tiempo de establecimiento, pero esto puede no ser suficiente si se requiere una alta precisión. El retraso de la puerta depende de las variaciones del proceso, las condiciones de polarización y los niveles de voltaje de control.

Los dispositivos de silicio muestran una conmutación y estabilización rápidas y fiables. Las características del dispositivo están bien definidas y modeladas. La dependencia de una variedad de condiciones de proceso y sesgo está bien controlada y limitada.

El tiempo de establecimiento rápido es importante en los sistemas de comunicación multiplex por división de tiempo para lograr un buen rendimiento. En la mayoría de los equipos de prueba y medición, un tiempo de configuración rápido es esencial para aumentar la precisión y reducir el tiempo de prueba.

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La Figura 5 muestra una comparación de dos productos: el HMC540 hecho de GaAs y el HMC540S, que tiene características muy similares, pero fue construido utilizando el proceso de silicio. El producto de GaAs, debido al efecto de retardo de puerta, tarda unos 8 μs en estabilizarse en el nivel final de potencia de RF. El producto de silicio se asienta al mismo nivel de RF en menos de ~1 μs.

Figura 5. Comparación de las mediciones del tiempo de sedimentación entre GaAs (izquierda) y silicio.

El proceso de GaAs tiene limitaciones de integración debido a las características del dispositivo. En GaAs, el voltaje de umbral del dispositivo pHEMT varía entre -1 V y -3 V. El diseño de circuitos de interfaz complejos, como las interfaces CMOS de bajo voltaje, no es factible, por lo que se requieren circuitos externos para los dispositivos de GaAs. En el proceso de silicio, los voltajes de umbral son mucho más bajos y consistentes con los voltajes de interfaz CMOS estándar. Las mismas interfaces se pueden implementar con el producto de control o el interruptor atenuador en el mismo chip, y el dispositivo puede interactuar con un dispositivo CMOS estándar.

El alto nivel de integración brinda al diseñador la capacidad de simplificar los diseños, reducir el área de PCB y la cantidad de componentes utilizados, y reducir los costos. La integración en el proceso de silicio se puede ampliar para incorporar funciones complejas y productos ricos en funciones.

Por ejemplo, los atenuadores digitales de GaAs están diseñados como módulos de varios chips que incorporan un controlador CMOS en el mismo paquete. En los atenuadores digitales de silicio, por otro lado, todo el dispositivo está diseñado como un chip monolítico.

Otra ventaja del proceso de silicio es la robustez ESD. En el proceso de GaAs, hay componentes limitados que se pueden usar para implementar la estructura ESD. Se utilizan diodos y técnicas de diseño para lograr cierto nivel de protección ESD. En el proceso de silicio, se pueden implementar circuitos de protección dedicados, como la abrazadera de un disparo y el circuito de disparo.

El esquema a la izquierda de la Figura 6 muestra una celda ESD típica basada en diodo de GaAs. A la derecha hay una típica celda ESD de silicio. Tiene una estructura ESD dedicada para brindar un mayor nivel de protección. La sólida protección ESD garantiza el funcionamiento confiable de los dispositivos en entornos sensibles a ESD, como aplicaciones automotrices, militares y de prueba y mediciones.

Figura 6. En la etapa de entrada del equipo de prueba, la señal se aplica al equipo y el n pasa por el camino de amplificación o el camino de atenuación.

Además de comparar GaAs con el silicio, el silicio permite la integración de múltiples características en el mismo diseño. Por ejemplo, los atenuadores de silicio digital ADI tienen interfaces seriales que pueden manejar transiciones de estado. La transición de estado segura garantiza que el sobreimpulso de la señal de RF se limite durante las transiciones de estado. El funcionamiento sin espurias garantiza que las fluctuaciones en la potencia de la señal de RF se limiten durante las transiciones de estado. Las transiciones de estado confiables simplifican los diseños y protegen otros componentes en la cadena de señal contra sobrecalentamiento o sobrecarga.

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Otra ventaja del proceso de silicio es poder diseñar componentes para operación de baja frecuencia. El proceso GaAs tiene limitaciones debido a la fuga de corriente de la puerta y es casi imposible utilizar un dispositivo GaAs de baja frecuencia. Con el proceso de silicio, no hay fugas en las puertas porque las puertas están completamente aisladas y hay resistencias de alto valor disponibles. El diseño se puede optimizar para la banda de baja frecuencia. El extremo de baja frecuencia cubre la operación de 9 kHz, lo que hace que el silicio sea adecuado para aplicaciones de prueba y medición.

Nuevos productos de interruptores de silicio

ADI ofrece tres nuevos productos de interruptores de silicio:

  • HMC1118, un interruptor no reflectante SPDT de silicio altamente aislado que funciona de 9 kHz a 13 GHz
  • HM8038, un interruptor no reflectante SPDT de silicio altamente aislado que funciona de 0,1 GHz a 6 GHz
  • HMC7992, un conmutador no reflectante de silicio SP4T compacto que funciona de 0,1 GHz a 6 GHz

El HMC1118 está optimizado para operación de baja frecuencia. Tiene un tiempo de estabilización de 7,5 μs para un headroom de 0,05 dB, excelente aislamiento de 56 dB a 8 GHz y una baja pérdida de inserción de 0,6 dB a 8,0 GHz. Ofrece manejo de alta potencia de 36 dBm en la ruta y 27 dBm en la ruta de terminación.

HMC1118

El HM8038 presenta un alto aislamiento de 60 dB típico, baja pérdida de inserción de 0,8 dB típico y un tiempo de establecimiento rápido de 170 ns con un headroom de 0,1 dB. Ofrece un manejo de alta potencia de 34 dBm en la ruta directa y 29 dBm en la ruta de terminación, así como una alta linealidad de 34 dBm para un punto de compresión de 0,1 dB.

HMC8038

El HMC7992 ofrece un alto aislamiento de 45 dB típicos a 2 GHz, baja pérdida de inserción de 0,6 dB a 2 GHz y un tiempo de establecimiento rápido de 320 ns con un headroom de 0,1 dB. Ofrece un manejo de alta potencia de 33 dBm en la ruta de paso y 27 dBm en la ruta de terminación, y una linealidad de punto de compresión alta de 1 dB (P1 dB), con un valor típico de 35 dBm.

Nuevos atenuadores digitales de silicio

Los nuevos atenuadores digitales disponibles en silicio son:

  • HMC1119, atenuador digital de silicio de 0,25 dB, LSB, 7 bits (0,1 GHz a 6 GHz)
  • HMC1122, atenuador digital de silicio de 0,5 dB, LSB, 6 bits (0,1 GHz a 6 GHz)
  • Atenuador digital de silicio HMC305S, 0,5 dB, LSB, 5 bits (0,4 GHz a 7,0 GHz)
  • HMC540S, atenuador digital de silicio de 1 dB, LSB, 4 bits (0,1 GHz a 8 GHz)

Para obtener más información sobre estos y todos los productos ADI, visite www.analog.com.

El HMC1119 y el HMC1122 están diseñados para una alta precisión y el error de fase es inferior a 0,1 dB. Ambas partes tienen un rango de atenuación de 30 dB, una pérdida de inserción de 1,3 dB y un tiempo de conmutación típico de unos 150 ns. Tienen una interfaz de control en serie con una función de transición de estado segura.

El HMC305S tiene un rango de atenuación de 15,5 dB con una pérdida de inserción de 1,1 dB a 2 GHz. La pieza tiene una interfaz de control en serie y transiciones de estado sin complicaciones.

El HMC540S es un atenuador digital de banda ancha, paso de 1dB, 4 bits optimizado para entrada baja de 0,7dB. El punto de compresión de 31 dBm tiene una excelente linealidad de 0,1 dB. El HMC540 viene en un paquete compacto de 3 mm x 3 mm y tiene control paralelo.

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