eng
Выпуск #6/2010
Л.Белов.
United Monolithic Semiconductors. Европейские микросхемы на частоту до100 ГГц
United Monolithic Semiconductors. Европейские микросхемы на частоту до100 ГГц
Просмотры: 3759
За последние 10 лет лишь немногие европейские компании вышли в мировые лидеры по разработке и производству новейшей электронной продукции. Это объясняется необходимостью проводить фундаментальные исследования, осваивать новые полупроводниковые материалы, передовые технологии производства и программно-аппаратные средства автоматизированного проектирования в условиях жесточайшей конкурентной борьбы. Тем не менее, на рынке изделий электронной техники действуют и динамично развивающиеся европейские компании. Примером может служить компания United Monolithic Semiconductors (UMS), производящая электронные изделия миллиметрового диапазона волн. Рассмотрим подробнее характеристики разработанных ее специалистами приборов и способы решения возникающих научно-технических и тактических задач.
Структура компании
United Monolithic Semiconductors — совместное французско-германское предприятие, образованное в 1996 году компаниями Thomson-CSF, Daimler-Benz Aerospace и TEMIC с целью продвижения на европейский и мировой рынок перспективных продуктов электроники на основе полупроводниковых соединений А3В5, предназначенных для рынков профессиональной и бытовой аппаратуры. В настоящее время фирма стала одним из ведущих европейских разработчиков и производителей СВЧ-микросхем на частоты до 100 ГГц, применяемых в беспроводных связных, локационных, атомных, космических, военных, автомобильных, медицинских системах и в устройствах безопасности [1]. Объем продаж компании в 2009 году оценивается в 47 млн. евро. Центральный офис расположен в Орсэ (Orsay), Франция. Там же расположено французское промышленное подразделение UMS S.A.S. Другое подразделение — UMS GmbH — находится в Ульме (Ulm), Германия. Оба подразделения тесно сотрудничают, при этом на предприятии UMS GmbH сосредоточены работы по обработке полупроводниковых пластин, а в UMS S.A.S. проводится тестирование структур на пластине, контрольные испытания, резка на кристаллы. В Ловелле (Lowell), США, расположено отделение дизайна и продаж — UMS USA. Компания имеет представительства в Китае, Индии, Японии, Малайзии, на Тайване. Сегодня 50% ее активов принадлежат французской военно-промышленной группе Thales [2] и 50% — германской группе европейского холдинга аэрокосмических исследований EADS Deutschland [3].
Технология
На основе более чем 30‑летнего опыта основателей компании — Thomson и Daimler-Benz — UMS выпускает GaAs- и GaN-приборы. В продукцию компании входят:
Для большинства компонентов UMS предоставляет подробные эквивалентные схемы соответствующего диапазона частот, формируемые типовыми системами автоматизированного проектирования Advanced Design System, Microwave Office, Ansoft Designer (Nexxim), а также детальные результаты измерения их параметров. В качестве опции возможна поставка заведомо исправных кристаллов (Known Good Die — KGD), приборов в различных типах корпусов, в том числе и по спецификации заказчика. Компания проводит стажировку представителей потребителя на предприятии UMS S. A.S.
Обзор продукции
Среди изделий СВЧ- и миллиметрового диапазона, выпускаемых компанией UMS, можно выделить следующие компоненты и узлы: усилители (малошумящие, мощные, с цифровым и аналоговым управлением усилением, суммирующие-разветвляющие); смесители; умножители частоты; повышающие и понижающие преобразователи частоты; малошумящие генераторы с диэлектрическими резонаторами; управляемые напряжением генераторы (ГУН); аттенюаторы; детекторы; ограничительные диоды; фазовращатели; коммутаторы. В одной микросхеме возможно объединение нескольких функциональных узлов. Компания выпускает полный и согласованный ряд компонентов для бесконтактных датчиков систем обнаружения объекта, позиционирования, устройств безопасности на диапазоны частот 5,8; 8–12; 24–26 и 76–77 ГГц, которые применяются в химической, фармацевтической, пищевой, водоснабжающей и утилизирующей промышленности, на транспорте и при производстве товаров широкого потребления.
Компания предлагает три типа микросхем с различным уровнем интеграции для создания подобных устройств:
Компания предлагает услуги по изготовлению бескорпусных или герметизированных функциональных узлов по спецификации заказчика на основе выпускаемых ею заведомо исправных кристаллов, а также по стажировке представителей потребителя на предприятии UMS SAS.
Рассмотрим примеры функциональных узлов фирмы UMS.
Интегральные компоненты
Малошумящие усилители. Здесь следует отметить трехкаскадные GaAs-монолитные широкополосные СВЧ-микросхемы моделей CHA3689‑99F на полосу частот 12,5–30 ГГц и СНА2194 на 36–44 ГГц. Микросхемы выполнены на основе pHEMT с затвором длиной 0,25 мкм, формируемым электронно-лучевой литографией. Коэффициент малосигнального усиления G0 микросхем CHA3689‑99F и СНА2194 составляет 26 и 19 дБ, коэффициент шума — 1,8 и 3 дБ; уровень входной мощности при компрессии 1 дБ Рвх.1дБ не превышает 15 и 10 дБм; потребляемый ток — 90 и 75 мА при напряжении питания 4 В, соответственно. Поставляются обе микросхемы в бескорпусном исполнении размером 2,45×1,21×0,1 мм и 1,67×0,97×0,1 мм, соответственно.
Интерес представляет и четырехкаскадный бескорпусной усилитель модели CHA2159‑99F на диапазон 55–65 ГГц, выполненный на основе pHEMT с затвором длиной 0,15 мкм (рис.2). Его коэффициент малосигнального усиления составляет 20 дБ; коэффициент шума — 4 дБ; Рвх.1дБ — 15 дБм; потребляемый ток — 115 мА при напряжении питания 3,5 В. Размер микросхемы — 2,35×1,11×0,1 мм.
Усилители мощности. К новейшим микросхемам этого класса относятся модели CHA5014‑99F на полосу частот 8,5–11 ГГц и CHA5294‑99F на 30–40 ГГц. Двухкаскадный 1‑Вт усилитель мощности CHA5014‑99F выполнен на основе GaInP HBT. Для стабилизации температурной зависимости выходной мощности в микросхеме предусмотрен специальный блок управления. Малосигнальное усиление микросхемы G0 = 20 дБ; Рвых.1дБ = 29 дБм, мощность насыщения Рвых.нас = 30 дБм; потребляемый ток — 210 мА при напряжении питания 9 В. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 2,87×1,37×0,1 мм.
Четырехкаскадный GaAs-усилитель средней мощности модели CHA5294‑99F выполнен на основе pHEMT с затвором длиной 0,15 мкм. Его усиление составляет 24 дБ; Рвых.1дБ = 23 дБм, Рвых.нас = 24 дБм; потребляемый ток — 500 мА при напряжении 3,5 В (рис.3). Поставляется в бескорпусном исполнении размером 4,1×1,42×0,07 мм.
Интерес представляет и трехкаскадный усилитель мощности — разветвитель модели CHA2296‑99F, выполненный на основе GaAs pHEMT. Его диапазон частот составляет 9—19 ГГц, усиление — 16 дБ; мощность насыщения — 14 дБм в каждом из выходных каналов; потребляемый ток — 190 мА при напряжении 3,5 В. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 2,26×1,33×0,1 мм.
Нельзя не отметить микроволновые микросхемы для промышленных радиолокационных датчиков компании на диапазон 24–26 ГГц. Благодаря малому потребляемому току и высокому уровню интеграции микросхемы этого типа перспективны для радиолокационных датчиков систем трехмерного позиционирования, бесконтактных датчиков уровня и датчиков автоматизированных систем, а также для систем безопасности и обнаружения перемещений. В архитектуру радиолокационных датчиков входят усилители, смесители, приемники, схемы повышения частоты в два раза, управляемые напряжением генераторы и коммутаторы. К числу микросхем для радиолокационных датчиков относится усилитель мощности приемопередатчика CHA2411. Его коэффициент усиления G0 = 24 дБ, Рвых.1дБ = 15 дБм при согласованной с выходной мощностью смесителя CHM1291 входной мощностью -5 дБм. Микросхема отличается малым энергопотреблением в режиме постоянного тока — 45 мА при напряжении 5 В и расширенным диапазоном рабочих температур — -40…105оС. Поставляется в пластмассовом корпусе QFN размером 4×4 мм.
Усилители большой мощности. Среди новейших разработок усилителей этого класса следует отметить трехкаскадный GaAs-усилитель мощности модели СНА7215 на диапазон частот 8,5–11,5 ГГц, выполненный на основе pHEMT по 0,25‑мкм технологии. Его максимальная выходная мощность составляет 9 Вт при КПД 34% и коэффициенте усиления G0 = 28 дБ. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 5×3,31×0,07 мм.
Смесители и преобразователи частоты. К новейшим микросхемам этого типа относится многофункциональная микроволновая монолитная GaAs‑схема на основе pHEMT в диодном исполнении с длиной затвора 0,25 мкм модели CHM1290‑99F. Микросхема объединяет буферный усилитель по входу опорного генератора и диодный смеситель с гармониковой накачкой и выполняет повышающее или понижающее преобразование частоты. Для облегчения процессов сборки с обратной стороны микросхемы возможно заземление по высокой частоте и постоянному току. Частота сигнала радиочастотного порта составляет 20—30 ГГц; опорного генератора — 10–15 ГГц (гармониковый режим), порта промежуточной частоты — 0–6 ГГц. Коэффициент передачи равен 10 дБ, Рвх.1дБ = 1 мВт, потребляемый ток — 33 мА при напряжении 4 В. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 0,86×1,28×0,1 мм.
Среди новых приборов компании UMS следует отметить понижающий преобразователь частоты модели CHR3694‑QDG на частоту 37–40 ГГц. Микросхема содержит балансный смеситель на полевых транзисторах, два удвоителя частоты и малошумящий ВЧ-усилитель с регулировкой усиления на 4 дБ. Частота опорного генератора составляет 17,5—21 ГГц (гармониковый режим) при потребляемой СВЧ-мощности 1 дБмВт, полоса частот выходного сигнала — 0–3,5 ГГц, коэффициент передачи — 12 дБ, потребляемый ток — 150 мА при напряжении 4 В. Поставляется в монтируемом на поверхность 24‑выводном корпусе QFN размером 4×4 мм. Предназначен в основном для коммерческих систем связи.
Микросхема понижающего преобразователя частоты CHR3693‑QDG на диапазон 24–26 ГГц содержит смеситель на полевом транзисторе, умножитель частоты в два раза и малошумящий радиочастотный усилитель. Коэффициент шума микросхемы составляет 3 дБ, мощность опорного генератора — 2 дБм (что соответствует выходной мощности ГУН модели CHV2270 с встроенным удвоителем частоты), коэффициент преобразования мощности входного сигнала на два квадратурных выхода с полосой 0–3,5 ГГц — 14 дБ. Потребляемый ток — 120 мА при напряжении 4 В. Поставляется в монтируемом на поверхность пластмассовом корпусе QFN размером 4×4 мм.
Интерес представляет балансный двухканальный смеситель модели CHM2378a-99F, выполненный по технологии BES, обеспечивающей формирование нелинейных элементов на основе высококачественных диодов Шоттки размером 1 мкм с малыми потерями на преобразование и чрезвычайно малым фликер-шумом. Частота сигналов на радиочастотном и опорном портах микросхемы составляет 76–77 ГГц. Мощность опорного генератора — 7 дБм, полоса промежуточных частот — 0–10 ГГц, коэффициент передачи — 7,5 дБ, уровень собственной спектральной плотности мощности фликер-шума (СПМ ФШ) на квадратурных выходах — 162 дБ / Гц при отстройке на 100 кГц. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 1,98×2,07×0,1 мм.
Умножители частоты в зависимости от модели имеют коэффициенты умножения N = 2, 3, 4 или 6 при входной частоте 6,25–38,5 ГГц и выходную частоту 16,5–77 ГГц. К выпускаемым компанией приборам этого класса относится модель CHX2095‑99F — умножитель частоты в четыре раза, частота входного сигнала которого составляет 6,25–8,25 ГГц при мощности 12 дБм, а частота выходного сигнала — 25–33 ГГц при мощности 11 дБм. Микросхема потребляет 75 мА при напряжении 3,5 В. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 2,02×1,17×0,1 мм.
Модель CHX3377‑98F — умножитель частоты в шесть раз. Микросхема содержит входной буферный усилитель, умножитель частоты в три раза, сигнал которого разветвляется на две параллельные цепи, содержащие умножитель в два раза и усилитель мощности каждый. Умножители частоты выполнены на основе pHEMT с длиной затвора 0,15 мкм (рис.4). Возможна автоматическая сборка микросхемы в систему.
Частота входного сигнала составляет 12,67—12,83 ГГц при мощности 4 дБм, частота выходного сигнала – 76–77 ГГц при мощности 15 дБм. При этом уровень паразитных гармоник на входе и выходе равен 35–50 дБ, спектральная плотность амплитудного шума на выходе — 151 дБн / Гц. Потребляемый ток микросхемы — 210 мА при напряжении 4,5 В и 11 мА при напряжении -4,5 В. Диапазон рабочих температур -40...125оС. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 3,86×1,62×0,1 мм.
Следует отметить и умножитель частоты в два раза модели CHU3277‑98F, частота входного сигнала которого составляет 38—38,5 ГГц при мощности 5 дБм, а частота выходного сигнала — 76—77 ГГц при мощности 18 дБм. В микросхеме интегрированы входной буферный усилитель / делитель мощности и две параллельные цепи, содержащие удвоитель частоты и четырехкаскадный усилитель мощности каждая. Потребляемый ток — 280 мА при напряжении 4,5 В. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 3,9×1,66×0,1 мм.
Интерес представляет и микросхема активного удвоителя модели CHX2090‑QDG, содержащая выходной буферный усилитель, обеспечивающий выходную мощность в широком диапазоне мощности выходных сигналов. Полоса частот микросхемы — 11–13 ГГц, мощность входного сигнала 14 дБм, потребляемый ток 65 мА при напряжении 3,5 В. Поставляется в монтируемом на поверхность пластмассовом 24‑выводном корпусе QFN размером 4×4 мм (версия CHX2090‑99F — в бескорпусном исполнении).
Цифровые фазовращатели. Новейшим GaAs-прибором этого класса является шестиразрядный цифровой фазо-вращатель модели CHP4014‑QEG на полосу частот 5—6 ГГц. Шаг фазового сдвига составляет 5,625o, фазовая погрешность — 8o, Рвых.1дБ = 26 дБм; ослабление мощности — 6 дБ. Поставляется в 24‑выводном монтируемом на поверхность корпусе QFN размером 4×5 мм. Предназначен для фазированных антенных решеток С-диапазона (3,7–4,2 ГГц) промышленных датчиков и радиолокаторов военного назначения.
В номенклатуре изделий компании UMS следует отметить микросхемы управляемых по частоте генераторов с внешним диэлектрическим резонатором. Микросхема генератора модели CHV2240, рассчитанного на частоту 38,2 ГГц, содержит управляемый напряжением генератор K-диапазона (20–40 ГГц), умножитель частоты Q-диапазона (33–50 ГГц) и буферные усилители, которые обеспечивают мощность выходного сигнала 9 дБм. Предусмотрен порт подключения внешнего диэлектрического резонатора с высокой добротностью на частоту 19,1 ГГц, обеспечивающего стабилизацию выходной частоты и малый уровень СПМ ФШ. В стабилизированном режиме спектральная плотность мощности фазового шума СПМ ФШ = -100 дБн / Гц при отстройке на 100 кГц, диапазон электронной перестройки частоты равен 6 МГц. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 2,68×1,4×0,1 мм.
В микросхеме генератора модели CHV2241 нет регулируемого напряжением генератора. В нее входят генератор K-диапазона, удвоитель частоты, смеситель на гармониках Q-диапазона и буферные усилители (рис.5). При мощности сигнала на входе смесителя -13–0 дБм на частоте 37,5–39 ГГц мощность выходного сигнала промежуточной частоты 0,1–1,5 ГГц на 7 дБ ниже входной. В микросхеме имеется дополнительный выход опорного радиосигнала с половинной частотой и мощностью -8 дБм. При использовании внешнего диэлектрического резонатора компании MURATA с добротностью 24000 на частоте 10 ГГц генератор обеспечивает СПМ ФШ = -100дБн / Гц при отстройке на 100 кГц от выходной частоты 38 ГГц. Диапазон рабочих температур микросхемы составляет -40…100оС. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 1,82×0,97×0,1 мм.
Новейшей микросхемой управляемого напряжением генератора является модель CHV3241‑QDG, перестраиваемая в диапазоне частот 24–24,25 ГГц при выходной мощности 16 дБм и уровне СПМ ФШ -94 дБн / Гц при отстройке на 100 кГц. В микросхеме интегрированы двухтактный генератор Х-диапазона (7,0–11,2 ГГц) с возможностью управления частотой за счет изменения емкости переходов база-коллектор InGaP HBT с длиной эмиттера 2 мкм, буферный усилитель K-диапазона и предварительный делитель частоты в 512 раз. Поставляется в монтируемом на поверхность корпусе QFN размером 4×4 мм.
На основе GaAs HBT выполнена микросхема ГУН модели CHV2270‑98F. В ее состав входят ГУН на частоту 6,375 ГГц, удвоитель частоты с выходной частотой 12,75 ГГц и мощностью 5 дБм (ее уровень соответствует параметрам смесителя CHM1291), управляемый делитель частоты в 4; 64 и 128 раз и датчик температуры для компенсации влияния температуры окружающей среды. В микросхему также встроены средства повышения линейности модуляционной характеристики до ±1 %. Выходной сигнал перестраивается в пределах 12,25–13 ГГц при изменении управляющего напряжения в пределах 1–2,5 В, СПМ ФШ составляет -100 дБ / Гц при отстройке на 100 кГц. Потребляемый ток — 150 мА при напряжении 5 В, диапазон рабочих температур — -40…125оС. Поставляется в корпусе QFN размером 4×4 мм.
Интерес представляет микросхема ГУН модели CHV2242c с выходной частотой 38–38,5 ГГц и мощностью 7 дБм. Микросхема содержит генератор Ku-диапазона (12–18 ГГц), перестройка частоты которого осуществляется с помощью используемого в качестве варактора диода Шоттки на основе pHEMT. Кроме того, в схему входят умножитель частоты в три раза Q-диапазона и буферные усилители, а также два порта для подключения внешнего резонатора средней добротности на частоту 12,8 ГГц. Диапазон электронной перестройки по частоте составляет 200 МГц, СПМ ФШ -75 дБн / Гц при отстройке на 100 кГц от несущей частоты 38 ГГц. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 2,41×1,18×0,1 мм.
Подобная микросхема ГУН CHV2243a без внешнего резонатора перестраивается напряжением на 3 ГГц и имеет дополнительный выход сигнала с частотой 12,2–13,2 ГГц, когерентного основному выходному сигналу.
Семейство усилителей с цифровым управляемым усилением можно представить моделью СНА3512. В эту микросхему встроены двухкаскадный усилитель бегущей волны диапазона 6—18 ГГц с выходной мощностью насыщения 23 дБм, коммутируемый аттенюатор на 20 дБ и однополюсный МЭМС-ключ. Коэффициент передачи микросхемы в зависимости от уровня управляющего сигнала (0 или -5 В) составляет 18 или -2 дБ. Потребляемый ток при напряжении 4,5 В — 300 мА. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 6,68×2,46×01 мм.
Микросхема усилителя с аналоговым управлением усилением модели СНА3694 на диапазон 31–40 ГГц изменяет коэффициент передачи на 28 дБ при изменении напряжения управляющих полевых транзисторов (рис.6).
В числе других СВЧ-устройств, выпускаемых компанией UMS, отметим следующие:
аттенюатор модели CHT4694‑QAG на диапазон частот 25–40 ГГц с ослаблением 4–26 дБ, Рвх.1дБ = 22 дБм. Аттенюатор выполнен на основе полевых транзисторов с затвором Шоттки длиной 0,7 мкм. Поставляется в 16‑выводном корпусе QFN размером 3×3 мм;
отражающий четырехпозиционный ключ модели CHS2411‑QDG на диапазон 23–26 ГГц, выполненный по 0,25-мкм технологии pHEMT. Изоляция разомкнутых портов составляет 35 дБ, потери в замкнутом состоянии 3 дБ, время переключения 30 нс;
двойной диод Шоттки модели DBES105a в бескорпусном исполнении (его вольт-амперная характеристика показана на рис.7) с граничной частотой 3 ТГц, добротностью (Ideality Factor) 1,2, напряжением отсечки не более -5 В;
динамический диапазон измеряемой мощности 44 дБ, корпус QFN;
бескорпусной детектор прямой и отраженной волн модели СНЕ1260 диапазона 10–27 ГГц, выполненный на микрополосковых линиях по 1‑мкм технологии, двух детекторных и двух опорных диодах Шоттки (рис.8). Диапазон измеряемой мощности — от -13 до 29 дБм, выходное напряжение — 20–2500 мВ, коэффициент направленности 13 дБ.
Интегрированные радиолокационные датчики и приемопередающие устройства
Микросхема CHR2244‑QDG представляет собой интегральное приемопередающее устройство (транспондер) диапазона 5,725–5,875 ГГц с импульсной модуляцией. Микросхема содержит антенный переключатель с постоянной времени 100 мкс, пассивный отражающий смеситель, амплитудный модулятор, демодулятор с полосой 100 кГц. Все компоненты изготовлены по 0,25‑мкм pHEMT-технологии. Полоса рабочих частот составляет 8–12 ГГц, динамический диапазон линейного усиления приемника — 13,5 дБ, диапазон линейности передатчика — 25 дБ, шаг фазовращателя — 5,625о, шаг аттенюатора — 0,55 дБ. Напряжение питания равно ±5 В. Выходная мощность при 1‑дБ компрессии — 16,5 дБм, выходная мощность в режиме насыщения — 20 дБм; коэффициент шума приемника — 5,8 дБм. Поставляется в 24‑выводном корпусе QFN.
Интегральное ядро приемопередающего устройства модели СHC3014 включает в себя шестиразрядный фазовращатель, шестиразрядный аттенюатор, двухразрядный аттенюатор настройки, буферные каскады с блокировочными элементами, переключатель приема-передачи и ТТЛ‑совместимый параллельный интерфейс. Полоса частот составляет 8–12 ГГц, усиление по каналам прием -передача — 13,5—25 дБ, выходная мощность передатчика — 20 дБм, коэффициент шума приемника — 5,8 дБ, потребляемый ток в режиме передачи — 370 мА.
Компания выпускает многофункциональные передатчики диапазона 77 ГГц. Модель СНU3377 — умножитель частоты в шесть раз. Его входная мощность составляет 0 дБм на частоте 12,8 ГГц, выходная 13–17 дБм на частоте 77 ГГц, амплитудный шум равен -140 дБмВт / Гц при отстройке на 100 кГц. Модель СНU2277 представляет собой удвоитель частоты 38 ГГц с двумя выходами мощностью и 10 дБмВт соответственно. Модель СНU3277 — удвоитель частоты 38 ГГц с выходом мощностью 18 дБмВт.
Анализ продукции и технической политики компании UMS показывает, что в условиях ограниченного доступа к современным ресурсам электроники миллиметрового диапазона целесообразными и реализуемыми направлениями создания устройств на диапазон частот до 100 ГГц являются:
ограничение рабочих частот несколькими интервалами (5,8 ГГц, 24, 38 и 76 ГГц);
создание бескорпусных многофункциональных микросхем;
использование производственных и технологических ресурсов европейских предприятий, освоивших технологию изготовления микросхем миллиметрового диапазона;
всемерное развитие прикладных исследований и создание измерительной аппаратуры указанного диапазона.
Приобрести электронные компоненты фирмы UMS можно в ООО «Радиокомп» [4].
Литература
1. Сайт компании United Monolithic Semiconductors. www.ums-gaas.com
2. Сайт группы Thales (до 2000 года — Thomson-SCF). www.thalesgroup.com
3. Сайт европейского холдинга аэрокосмических исследований. www.eads.com
4. Сайт ООО «Радиокомп». www.radiocomp.net
United Monolithic Semiconductors — совместное французско-германское предприятие, образованное в 1996 году компаниями Thomson-CSF, Daimler-Benz Aerospace и TEMIC с целью продвижения на европейский и мировой рынок перспективных продуктов электроники на основе полупроводниковых соединений А3В5, предназначенных для рынков профессиональной и бытовой аппаратуры. В настоящее время фирма стала одним из ведущих европейских разработчиков и производителей СВЧ-микросхем на частоты до 100 ГГц, применяемых в беспроводных связных, локационных, атомных, космических, военных, автомобильных, медицинских системах и в устройствах безопасности [1]. Объем продаж компании в 2009 году оценивается в 47 млн. евро. Центральный офис расположен в Орсэ (Orsay), Франция. Там же расположено французское промышленное подразделение UMS S.A.S. Другое подразделение — UMS GmbH — находится в Ульме (Ulm), Германия. Оба подразделения тесно сотрудничают, при этом на предприятии UMS GmbH сосредоточены работы по обработке полупроводниковых пластин, а в UMS S.A.S. проводится тестирование структур на пластине, контрольные испытания, резка на кристаллы. В Ловелле (Lowell), США, расположено отделение дизайна и продаж — UMS USA. Компания имеет представительства в Китае, Индии, Японии, Малайзии, на Тайване. Сегодня 50% ее активов принадлежат французской военно-промышленной группе Thales [2] и 50% — германской группе европейского холдинга аэрокосмических исследований EADS Deutschland [3].
Технология
На основе более чем 30‑летнего опыта основателей компании — Thomson и Daimler-Benz — UMS выпускает GaAs- и GaN-приборы. В продукцию компании входят:
- мощные GaAs pHEMT и HBT на частоту до 60 ГГц, изготавливаемые по 0,15–0,25‑мкм технологии;
малошумящие и сверхмалошумящие усилители и смесители на частоту до 70 ГГц;
управляемые напряжением генераторы, ГУН на биполярных InGaP HBT с плотностью мощности до 5 Вт / мм, изготавливаемые по 2‑мкм технологии;
полевые транзисторы с барьером Шоттки (MESFET) с размером элементов 0,7 мкм;
устройства с граничной частотой до 3 ТГц, выполненные с использованием Шоттки-технологии (BES 100) на подложках толщиной 70—100 мкм со сквозными отверстиями.
Для большинства компонентов UMS предоставляет подробные эквивалентные схемы соответствующего диапазона частот, формируемые типовыми системами автоматизированного проектирования Advanced Design System, Microwave Office, Ansoft Designer (Nexxim), а также детальные результаты измерения их параметров. В качестве опции возможна поставка заведомо исправных кристаллов (Known Good Die — KGD), приборов в различных типах корпусов, в том числе и по спецификации заказчика. Компания проводит стажировку представителей потребителя на предприятии UMS S. A.S.
Обзор продукции
Среди изделий СВЧ- и миллиметрового диапазона, выпускаемых компанией UMS, можно выделить следующие компоненты и узлы: усилители (малошумящие, мощные, с цифровым и аналоговым управлением усилением, суммирующие-разветвляющие); смесители; умножители частоты; повышающие и понижающие преобразователи частоты; малошумящие генераторы с диэлектрическими резонаторами; управляемые напряжением генераторы (ГУН); аттенюаторы; детекторы; ограничительные диоды; фазовращатели; коммутаторы. В одной микросхеме возможно объединение нескольких функциональных узлов. Компания выпускает полный и согласованный ряд компонентов для бесконтактных датчиков систем обнаружения объекта, позиционирования, устройств безопасности на диапазоны частот 5,8; 8–12; 24–26 и 76–77 ГГц, которые применяются в химической, фармацевтической, пищевой, водоснабжающей и утилизирующей промышленности, на транспорте и при производстве товаров широкого потребления.
Компания предлагает три типа микросхем с различным уровнем интеграции для создания подобных устройств:
- микросхемы отдельных функциональных узлов;
многофункциональные компоненты, объединяющие, например, смеситель и радиочастотный усилитель;
приемопередающие микросхемы, включающие узлы с цифровым управлением фазой и амплитудой, и МЭМС-коммутаторы.
Компания предлагает услуги по изготовлению бескорпусных или герметизированных функциональных узлов по спецификации заказчика на основе выпускаемых ею заведомо исправных кристаллов, а также по стажировке представителей потребителя на предприятии UMS SAS.
Рассмотрим примеры функциональных узлов фирмы UMS.
Интегральные компоненты
Малошумящие усилители. Здесь следует отметить трехкаскадные GaAs-монолитные широкополосные СВЧ-микросхемы моделей CHA3689‑99F на полосу частот 12,5–30 ГГц и СНА2194 на 36–44 ГГц. Микросхемы выполнены на основе pHEMT с затвором длиной 0,25 мкм, формируемым электронно-лучевой литографией. Коэффициент малосигнального усиления G0 микросхем CHA3689‑99F и СНА2194 составляет 26 и 19 дБ, коэффициент шума — 1,8 и 3 дБ; уровень входной мощности при компрессии 1 дБ Рвх.1дБ не превышает 15 и 10 дБм; потребляемый ток — 90 и 75 мА при напряжении питания 4 В, соответственно. Поставляются обе микросхемы в бескорпусном исполнении размером 2,45×1,21×0,1 мм и 1,67×0,97×0,1 мм, соответственно.
Интерес представляет и четырехкаскадный бескорпусной усилитель модели CHA2159‑99F на диапазон 55–65 ГГц, выполненный на основе pHEMT с затвором длиной 0,15 мкм (рис.2). Его коэффициент малосигнального усиления составляет 20 дБ; коэффициент шума — 4 дБ; Рвх.1дБ — 15 дБм; потребляемый ток — 115 мА при напряжении питания 3,5 В. Размер микросхемы — 2,35×1,11×0,1 мм.
Усилители мощности. К новейшим микросхемам этого класса относятся модели CHA5014‑99F на полосу частот 8,5–11 ГГц и CHA5294‑99F на 30–40 ГГц. Двухкаскадный 1‑Вт усилитель мощности CHA5014‑99F выполнен на основе GaInP HBT. Для стабилизации температурной зависимости выходной мощности в микросхеме предусмотрен специальный блок управления. Малосигнальное усиление микросхемы G0 = 20 дБ; Рвых.1дБ = 29 дБм, мощность насыщения Рвых.нас = 30 дБм; потребляемый ток — 210 мА при напряжении питания 9 В. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 2,87×1,37×0,1 мм.
Четырехкаскадный GaAs-усилитель средней мощности модели CHA5294‑99F выполнен на основе pHEMT с затвором длиной 0,15 мкм. Его усиление составляет 24 дБ; Рвых.1дБ = 23 дБм, Рвых.нас = 24 дБм; потребляемый ток — 500 мА при напряжении 3,5 В (рис.3). Поставляется в бескорпусном исполнении размером 4,1×1,42×0,07 мм.
Интерес представляет и трехкаскадный усилитель мощности — разветвитель модели CHA2296‑99F, выполненный на основе GaAs pHEMT. Его диапазон частот составляет 9—19 ГГц, усиление — 16 дБ; мощность насыщения — 14 дБм в каждом из выходных каналов; потребляемый ток — 190 мА при напряжении 3,5 В. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 2,26×1,33×0,1 мм.
Нельзя не отметить микроволновые микросхемы для промышленных радиолокационных датчиков компании на диапазон 24–26 ГГц. Благодаря малому потребляемому току и высокому уровню интеграции микросхемы этого типа перспективны для радиолокационных датчиков систем трехмерного позиционирования, бесконтактных датчиков уровня и датчиков автоматизированных систем, а также для систем безопасности и обнаружения перемещений. В архитектуру радиолокационных датчиков входят усилители, смесители, приемники, схемы повышения частоты в два раза, управляемые напряжением генераторы и коммутаторы. К числу микросхем для радиолокационных датчиков относится усилитель мощности приемопередатчика CHA2411. Его коэффициент усиления G0 = 24 дБ, Рвых.1дБ = 15 дБм при согласованной с выходной мощностью смесителя CHM1291 входной мощностью -5 дБм. Микросхема отличается малым энергопотреблением в режиме постоянного тока — 45 мА при напряжении 5 В и расширенным диапазоном рабочих температур — -40…105оС. Поставляется в пластмассовом корпусе QFN размером 4×4 мм.
Усилители большой мощности. Среди новейших разработок усилителей этого класса следует отметить трехкаскадный GaAs-усилитель мощности модели СНА7215 на диапазон частот 8,5–11,5 ГГц, выполненный на основе pHEMT по 0,25‑мкм технологии. Его максимальная выходная мощность составляет 9 Вт при КПД 34% и коэффициенте усиления G0 = 28 дБ. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 5×3,31×0,07 мм.
Смесители и преобразователи частоты. К новейшим микросхемам этого типа относится многофункциональная микроволновая монолитная GaAs‑схема на основе pHEMT в диодном исполнении с длиной затвора 0,25 мкм модели CHM1290‑99F. Микросхема объединяет буферный усилитель по входу опорного генератора и диодный смеситель с гармониковой накачкой и выполняет повышающее или понижающее преобразование частоты. Для облегчения процессов сборки с обратной стороны микросхемы возможно заземление по высокой частоте и постоянному току. Частота сигнала радиочастотного порта составляет 20—30 ГГц; опорного генератора — 10–15 ГГц (гармониковый режим), порта промежуточной частоты — 0–6 ГГц. Коэффициент передачи равен 10 дБ, Рвх.1дБ = 1 мВт, потребляемый ток — 33 мА при напряжении 4 В. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 0,86×1,28×0,1 мм.
Среди новых приборов компании UMS следует отметить понижающий преобразователь частоты модели CHR3694‑QDG на частоту 37–40 ГГц. Микросхема содержит балансный смеситель на полевых транзисторах, два удвоителя частоты и малошумящий ВЧ-усилитель с регулировкой усиления на 4 дБ. Частота опорного генератора составляет 17,5—21 ГГц (гармониковый режим) при потребляемой СВЧ-мощности 1 дБмВт, полоса частот выходного сигнала — 0–3,5 ГГц, коэффициент передачи — 12 дБ, потребляемый ток — 150 мА при напряжении 4 В. Поставляется в монтируемом на поверхность 24‑выводном корпусе QFN размером 4×4 мм. Предназначен в основном для коммерческих систем связи.
Микросхема понижающего преобразователя частоты CHR3693‑QDG на диапазон 24–26 ГГц содержит смеситель на полевом транзисторе, умножитель частоты в два раза и малошумящий радиочастотный усилитель. Коэффициент шума микросхемы составляет 3 дБ, мощность опорного генератора — 2 дБм (что соответствует выходной мощности ГУН модели CHV2270 с встроенным удвоителем частоты), коэффициент преобразования мощности входного сигнала на два квадратурных выхода с полосой 0–3,5 ГГц — 14 дБ. Потребляемый ток — 120 мА при напряжении 4 В. Поставляется в монтируемом на поверхность пластмассовом корпусе QFN размером 4×4 мм.
Интерес представляет балансный двухканальный смеситель модели CHM2378a-99F, выполненный по технологии BES, обеспечивающей формирование нелинейных элементов на основе высококачественных диодов Шоттки размером 1 мкм с малыми потерями на преобразование и чрезвычайно малым фликер-шумом. Частота сигналов на радиочастотном и опорном портах микросхемы составляет 76–77 ГГц. Мощность опорного генератора — 7 дБм, полоса промежуточных частот — 0–10 ГГц, коэффициент передачи — 7,5 дБ, уровень собственной спектральной плотности мощности фликер-шума (СПМ ФШ) на квадратурных выходах — 162 дБ / Гц при отстройке на 100 кГц. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 1,98×2,07×0,1 мм.
Умножители частоты в зависимости от модели имеют коэффициенты умножения N = 2, 3, 4 или 6 при входной частоте 6,25–38,5 ГГц и выходную частоту 16,5–77 ГГц. К выпускаемым компанией приборам этого класса относится модель CHX2095‑99F — умножитель частоты в четыре раза, частота входного сигнала которого составляет 6,25–8,25 ГГц при мощности 12 дБм, а частота выходного сигнала — 25–33 ГГц при мощности 11 дБм. Микросхема потребляет 75 мА при напряжении 3,5 В. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 2,02×1,17×0,1 мм.
Модель CHX3377‑98F — умножитель частоты в шесть раз. Микросхема содержит входной буферный усилитель, умножитель частоты в три раза, сигнал которого разветвляется на две параллельные цепи, содержащие умножитель в два раза и усилитель мощности каждый. Умножители частоты выполнены на основе pHEMT с длиной затвора 0,15 мкм (рис.4). Возможна автоматическая сборка микросхемы в систему.
Частота входного сигнала составляет 12,67—12,83 ГГц при мощности 4 дБм, частота выходного сигнала – 76–77 ГГц при мощности 15 дБм. При этом уровень паразитных гармоник на входе и выходе равен 35–50 дБ, спектральная плотность амплитудного шума на выходе — 151 дБн / Гц. Потребляемый ток микросхемы — 210 мА при напряжении 4,5 В и 11 мА при напряжении -4,5 В. Диапазон рабочих температур -40...125оС. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 3,86×1,62×0,1 мм.
Следует отметить и умножитель частоты в два раза модели CHU3277‑98F, частота входного сигнала которого составляет 38—38,5 ГГц при мощности 5 дБм, а частота выходного сигнала — 76—77 ГГц при мощности 18 дБм. В микросхеме интегрированы входной буферный усилитель / делитель мощности и две параллельные цепи, содержащие удвоитель частоты и четырехкаскадный усилитель мощности каждая. Потребляемый ток — 280 мА при напряжении 4,5 В. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 3,9×1,66×0,1 мм.
Интерес представляет и микросхема активного удвоителя модели CHX2090‑QDG, содержащая выходной буферный усилитель, обеспечивающий выходную мощность в широком диапазоне мощности выходных сигналов. Полоса частот микросхемы — 11–13 ГГц, мощность входного сигнала 14 дБм, потребляемый ток 65 мА при напряжении 3,5 В. Поставляется в монтируемом на поверхность пластмассовом 24‑выводном корпусе QFN размером 4×4 мм (версия CHX2090‑99F — в бескорпусном исполнении).
Цифровые фазовращатели. Новейшим GaAs-прибором этого класса является шестиразрядный цифровой фазо-вращатель модели CHP4014‑QEG на полосу частот 5—6 ГГц. Шаг фазового сдвига составляет 5,625o, фазовая погрешность — 8o, Рвых.1дБ = 26 дБм; ослабление мощности — 6 дБ. Поставляется в 24‑выводном монтируемом на поверхность корпусе QFN размером 4×5 мм. Предназначен для фазированных антенных решеток С-диапазона (3,7–4,2 ГГц) промышленных датчиков и радиолокаторов военного назначения.
В номенклатуре изделий компании UMS следует отметить микросхемы управляемых по частоте генераторов с внешним диэлектрическим резонатором. Микросхема генератора модели CHV2240, рассчитанного на частоту 38,2 ГГц, содержит управляемый напряжением генератор K-диапазона (20–40 ГГц), умножитель частоты Q-диапазона (33–50 ГГц) и буферные усилители, которые обеспечивают мощность выходного сигнала 9 дБм. Предусмотрен порт подключения внешнего диэлектрического резонатора с высокой добротностью на частоту 19,1 ГГц, обеспечивающего стабилизацию выходной частоты и малый уровень СПМ ФШ. В стабилизированном режиме спектральная плотность мощности фазового шума СПМ ФШ = -100 дБн / Гц при отстройке на 100 кГц, диапазон электронной перестройки частоты равен 6 МГц. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 2,68×1,4×0,1 мм.
В микросхеме генератора модели CHV2241 нет регулируемого напряжением генератора. В нее входят генератор K-диапазона, удвоитель частоты, смеситель на гармониках Q-диапазона и буферные усилители (рис.5). При мощности сигнала на входе смесителя -13–0 дБм на частоте 37,5–39 ГГц мощность выходного сигнала промежуточной частоты 0,1–1,5 ГГц на 7 дБ ниже входной. В микросхеме имеется дополнительный выход опорного радиосигнала с половинной частотой и мощностью -8 дБм. При использовании внешнего диэлектрического резонатора компании MURATA с добротностью 24000 на частоте 10 ГГц генератор обеспечивает СПМ ФШ = -100дБн / Гц при отстройке на 100 кГц от выходной частоты 38 ГГц. Диапазон рабочих температур микросхемы составляет -40…100оС. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 1,82×0,97×0,1 мм.
Новейшей микросхемой управляемого напряжением генератора является модель CHV3241‑QDG, перестраиваемая в диапазоне частот 24–24,25 ГГц при выходной мощности 16 дБм и уровне СПМ ФШ -94 дБн / Гц при отстройке на 100 кГц. В микросхеме интегрированы двухтактный генератор Х-диапазона (7,0–11,2 ГГц) с возможностью управления частотой за счет изменения емкости переходов база-коллектор InGaP HBT с длиной эмиттера 2 мкм, буферный усилитель K-диапазона и предварительный делитель частоты в 512 раз. Поставляется в монтируемом на поверхность корпусе QFN размером 4×4 мм.
На основе GaAs HBT выполнена микросхема ГУН модели CHV2270‑98F. В ее состав входят ГУН на частоту 6,375 ГГц, удвоитель частоты с выходной частотой 12,75 ГГц и мощностью 5 дБм (ее уровень соответствует параметрам смесителя CHM1291), управляемый делитель частоты в 4; 64 и 128 раз и датчик температуры для компенсации влияния температуры окружающей среды. В микросхему также встроены средства повышения линейности модуляционной характеристики до ±1 %. Выходной сигнал перестраивается в пределах 12,25–13 ГГц при изменении управляющего напряжения в пределах 1–2,5 В, СПМ ФШ составляет -100 дБ / Гц при отстройке на 100 кГц. Потребляемый ток — 150 мА при напряжении 5 В, диапазон рабочих температур — -40…125оС. Поставляется в корпусе QFN размером 4×4 мм.
Интерес представляет микросхема ГУН модели CHV2242c с выходной частотой 38–38,5 ГГц и мощностью 7 дБм. Микросхема содержит генератор Ku-диапазона (12–18 ГГц), перестройка частоты которого осуществляется с помощью используемого в качестве варактора диода Шоттки на основе pHEMT. Кроме того, в схему входят умножитель частоты в три раза Q-диапазона и буферные усилители, а также два порта для подключения внешнего резонатора средней добротности на частоту 12,8 ГГц. Диапазон электронной перестройки по частоте составляет 200 МГц, СПМ ФШ -75 дБн / Гц при отстройке на 100 кГц от несущей частоты 38 ГГц. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 2,41×1,18×0,1 мм.
Подобная микросхема ГУН CHV2243a без внешнего резонатора перестраивается напряжением на 3 ГГц и имеет дополнительный выход сигнала с частотой 12,2–13,2 ГГц, когерентного основному выходному сигналу.
Семейство усилителей с цифровым управляемым усилением можно представить моделью СНА3512. В эту микросхему встроены двухкаскадный усилитель бегущей волны диапазона 6—18 ГГц с выходной мощностью насыщения 23 дБм, коммутируемый аттенюатор на 20 дБ и однополюсный МЭМС-ключ. Коэффициент передачи микросхемы в зависимости от уровня управляющего сигнала (0 или -5 В) составляет 18 или -2 дБ. Потребляемый ток при напряжении 4,5 В — 300 мА. Поставляется в бескорпусном исполнении размером 6,68×2,46×01 мм.
Микросхема усилителя с аналоговым управлением усилением модели СНА3694 на диапазон 31–40 ГГц изменяет коэффициент передачи на 28 дБ при изменении напряжения управляющих полевых транзисторов (рис.6).
В числе других СВЧ-устройств, выпускаемых компанией UMS, отметим следующие:
аттенюатор модели CHT4694‑QAG на диапазон частот 25–40 ГГц с ослаблением 4–26 дБ, Рвх.1дБ = 22 дБм. Аттенюатор выполнен на основе полевых транзисторов с затвором Шоттки длиной 0,7 мкм. Поставляется в 16‑выводном корпусе QFN размером 3×3 мм;
отражающий четырехпозиционный ключ модели CHS2411‑QDG на диапазон 23–26 ГГц, выполненный по 0,25-мкм технологии pHEMT. Изоляция разомкнутых портов составляет 35 дБ, потери в замкнутом состоянии 3 дБ, время переключения 30 нс;
двойной диод Шоттки модели DBES105a в бескорпусном исполнении (его вольт-амперная характеристика показана на рис.7) с граничной частотой 3 ТГц, добротностью (Ideality Factor) 1,2, напряжением отсечки не более -5 В;
динамический диапазон измеряемой мощности 44 дБ, корпус QFN;
бескорпусной детектор прямой и отраженной волн модели СНЕ1260 диапазона 10–27 ГГц, выполненный на микрополосковых линиях по 1‑мкм технологии, двух детекторных и двух опорных диодах Шоттки (рис.8). Диапазон измеряемой мощности — от -13 до 29 дБм, выходное напряжение — 20–2500 мВ, коэффициент направленности 13 дБ.
Интегрированные радиолокационные датчики и приемопередающие устройства
Микросхема CHR2244‑QDG представляет собой интегральное приемопередающее устройство (транспондер) диапазона 5,725–5,875 ГГц с импульсной модуляцией. Микросхема содержит антенный переключатель с постоянной времени 100 мкс, пассивный отражающий смеситель, амплитудный модулятор, демодулятор с полосой 100 кГц. Все компоненты изготовлены по 0,25‑мкм pHEMT-технологии. Полоса рабочих частот составляет 8–12 ГГц, динамический диапазон линейного усиления приемника — 13,5 дБ, диапазон линейности передатчика — 25 дБ, шаг фазовращателя — 5,625о, шаг аттенюатора — 0,55 дБ. Напряжение питания равно ±5 В. Выходная мощность при 1‑дБ компрессии — 16,5 дБм, выходная мощность в режиме насыщения — 20 дБм; коэффициент шума приемника — 5,8 дБм. Поставляется в 24‑выводном корпусе QFN.
Интегральное ядро приемопередающего устройства модели СHC3014 включает в себя шестиразрядный фазовращатель, шестиразрядный аттенюатор, двухразрядный аттенюатор настройки, буферные каскады с блокировочными элементами, переключатель приема-передачи и ТТЛ‑совместимый параллельный интерфейс. Полоса частот составляет 8–12 ГГц, усиление по каналам прием -передача — 13,5—25 дБ, выходная мощность передатчика — 20 дБм, коэффициент шума приемника — 5,8 дБ, потребляемый ток в режиме передачи — 370 мА.
Компания выпускает многофункциональные передатчики диапазона 77 ГГц. Модель СНU3377 — умножитель частоты в шесть раз. Его входная мощность составляет 0 дБм на частоте 12,8 ГГц, выходная 13–17 дБм на частоте 77 ГГц, амплитудный шум равен -140 дБмВт / Гц при отстройке на 100 кГц. Модель СНU2277 представляет собой удвоитель частоты 38 ГГц с двумя выходами мощностью и 10 дБмВт соответственно. Модель СНU3277 — удвоитель частоты 38 ГГц с выходом мощностью 18 дБмВт.
Анализ продукции и технической политики компании UMS показывает, что в условиях ограниченного доступа к современным ресурсам электроники миллиметрового диапазона целесообразными и реализуемыми направлениями создания устройств на диапазон частот до 100 ГГц являются:
ограничение рабочих частот несколькими интервалами (5,8 ГГц, 24, 38 и 76 ГГц);
создание бескорпусных многофункциональных микросхем;
использование производственных и технологических ресурсов европейских предприятий, освоивших технологию изготовления микросхем миллиметрового диапазона;
всемерное развитие прикладных исследований и создание измерительной аппаратуры указанного диапазона.
Приобрести электронные компоненты фирмы UMS можно в ООО «Радиокомп» [4].
Литература
1. Сайт компании United Monolithic Semiconductors. www.ums-gaas.com
2. Сайт группы Thales (до 2000 года — Thomson-SCF). www.thalesgroup.com
3. Сайт европейского холдинга аэрокосмических исследований. www.eads.com
4. Сайт ООО «Радиокомп». www.radiocomp.net
Отзывы читателей
