eng
Рассмотрены общие сведения о твердотельных СВЧ-переключателях и технологии, применяемые для создания этих устройств. Отмечены особенности переключателей, созданных на основе различных технологий.
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.171.10.92.97
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.171.10.92.97
Теги: insertion loss microwave switch switching time вносимые потери время переключения свч-переключатель
Одни из наиболее востребованных ВЧ/СВЧ-компонентов – твердотельные переключатели, которые используются при создании фазовращателей, аттенюаторов, фильтров, приемопередающих модулей, средств мобильной связи, а также в других приложениях. Первыми в качестве твердотельных переключателей стали применяться модульные устройства на кремниевых pin-диодах, а впоследствии получили развитие арсенид-галлиевые (GaAs) на pin-диодах и полевых транзисторах. Затем при создании интегральных переключателей миллиметрового диапазона стали широко использовать GaAs полевые транзисторы с затвором Шоттки (MESFET) и транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT). Относительно недавно для переключения СВЧ-сигналов начали применять активные элементы с использованием технологий SiGe, GaN и КМОП. О различных типах СВЧ-переключателей рассказывается в статье.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ[1]
Основные определения
Вносимые потери (IL) – это максимальные потери в децибелах при прохождении сигнала со входа на выход переключателя во включенном состоянии при условии 50-Ом согласования.
Развязка (Iso) – это отношение мощностей на выходе переключателя во включенном и выключенном состояниях.
КСВН – мера согласования импедансов переключателя с импедансами входной и выходной цепей. Обычно стремятся обеспечить 50-Ом согласование переключателя по входу и выходу.
Время переключения Tп – время, требуемое для перехода из состояния "включено" в состояние "выключено" и обратно. Для оценки этих времен вводят понятия времени нарастания Tн, времени спада Tс, а также включения Tвкл. и выключения Tвыкл..
Видеопросачивание (video leakage) – паразитные сигналы, появляющиеся на портах переключателя при подаче на него управляющей команды в отсутствие на входе ВЧ-сигнала.
Допустимая входная мощность Pдоп. (power handling). Существуют два определения понятия: максимальная мощность, при которой переключатель еще функционирует без деградации своих характеристик (full perfomance); максимальная мощность, при которой переключатель не выходит из строя, но характеристики его деградируют (no damage).
Для оценки линейности переключателей вводят показатели P0,1дБ и P1дБ, фиксирующие значения входных мощностей, при которых вносимые потери увеличиваются относительно своих паспортных малосигнальных значений ILном. на 0,1 и 1 дБ соответственно (рис.1). Контролировать рост нелинейных эффектов можно также посредством измерения интермодуляционных искажений.
Холодное и горячее переключение (cold and hot switching). В первом случае переключение из одного состояния в другое выполняется при отсутствии на входе сигнала, во втором – при наличии сигнала. При холодном переключении уровень допустимой входной мощности оказывается выше, чем при горячем.
Типы переключателей
Переключатели классифицируются по числу входов и выходов (рис.2). Большая часть из них имеет один вход и различается количеством выходов: один (single pole single throw, 1P1T), два (single pole double throw, 1P2T) и более (single pole multiple throw, 1PMT). Наряду с одновходовыми переключателями часто применяются трансферные (transfer) переключатели типа 2P2T. Для переключателей 1P1T, 1P2T, 2P2T численные обозначения часто заменяются буквенными: 1P1T → SPST, 1P2T → SPDT, 2P2T → DPDT. Переключатели с N > 2 и M > 2 классифицируются как переключательные матрицы NPMT.
Отражательные и поглощающие переключатели
Переключатели могут быть как отражательными (рис.2), так и поглощающими (рис.3). Отражательные переключатели обеспечивают меньший (0,2–0,5 дБ) уровень вносимых потерь, который зависит от значений входной частоты и рабочей полосы изделия. Во многих случаях из-за неприемлемо высоких значений КСВН невозможно использовать отражательные переключатели.
Конфигурации переключателей
Возможны три конфигурации переключателей: последовательная, параллельная и последовательно-параллельная, которые представлены в трех вариантах реализации: на диодах, на полевых и КМОП-транзисторах (рис.4). При параллельной конфигурации переключателей один канал имеет высокий импеданс, а другой – низкий. Включение 50-Ом четвертьволновой линии трансформирует низкий импеданс в высокий входной. Таким образом, четвертьволновая линия уменьшает влияние низкого импеданса на входной импеданс переключателя и обеспечивает 50-Ом согласование по входу в состояниях "Включено/Выключено".
Из трех конфигураций переключателей (см. рис.4) последовательно-параллельная применяется чаще всего. В положении "Вкл." последовательно включенные активные элементы имеют низкий импеданс, а параллельно включенные – высокий. В положении "Выкл." ситуация обратная: последовательные активные элементы имеют высокий импеданс, а параллельные – низкий.
Развязка в переключателях последовательно-параллельной конфигурации существенно лучше, чем при использовании последовательной или параллельной конфигурации по отдельности. Вносимые потери в переключателях параллельно-последовательной конфигурации ниже, чем в переключателях параллельной конфигурации, но выше, чем в переключателях последовательной конфигурации. Кроме того, при использовании последовательно-параллельной конфигурации нет необходимости вводить в схему переключателя четвертьволновые линии, что улучшает частотные характеристики переключателя.
Амплитудное и фазовое согласование
При необходимости в переключателях может быть обеспечено амплитудно-фазовое согласование:
|Θi, j| < ϕдоп., ILi, j < αдоп.,
где Θi, j и ILi, j соответственно – расхождения по фазе и амплитуде между входным сигналом с i-го порта и выходным сигналом с j-го порта (i = 1, 2,…, N; j = 1, 2,…, M). Аналогичные неравенства действительны и для сигналов на выходных портах переключателей:
|Θj, k| < ϕдоп., ILj, k < αдоп..
Здесь k ≠ j, k = 1, 2,…, M.
Характерные значения амплитудных и фазовых ошибок в модульных переключателях ±0,75 дБ и ±15 град соответственно.
Драйверы
Характеристики переключателей, особенно при реализации их предельных возможностей, в значительной степени зависят от используемых драйверов, обеспечивающих преобразование поступающих логических команд в напряжения и токи смещения, управляющие работой входящих в переключатель диодов или транзисторов. От того, как реализован драйвер, во многом зависят время и предельная частота переключения. Драйверы могут входить в состав переключателей или поставляться отдельно с учетом пожеланий заказчиков. Сказанное относится и к интегральным переключателям, для которых многие компании выпускают широкую номенклатуру драйверов.
ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СВЧ-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ
pin-диоды, MESFET-, HEMT- и КМОП-транзисторы широко применяются при создании СВЧ-изделий с регулируемыми характеристиками. Наряду с аттенюаторами, фазовращателями и ограничителями их активно используют при разработке СВЧ-переключателей как в модульном, так и в интегральном исполнениях.
pin-диодные переключатели отличаются низкими потерями, большой входной мощностью по сравнению с переключателями на полевых транзисторах. В свою очередь MESFET- и КМОП-переключатели способны работать от нулевых частот, допускают интеграцию в одном кристалле с другими, в том числе цифровыми, компонентами и имеют малую мощность потребления. Использование GaN HEMT транзисторов позволяет создавать переключатели, рассчитанные на большие входные мощности.
С 50-х годов прошлого столетия и по настоящее время дискретные pin-диоды широко используются при создании модульных переключателей. Высокие значения достигаемой в них мощности, рабочей частоты, развязки и относительно низкие вносимые потери позволяют этим устройствам и сегодня успешно конкурировать с интегральными переключателями на полевых транзисторах.
Кремниевые pin-диоды получили название благодаря своей конструкции (рис.5), включающей сильно легированные p- и n-области, разделенные тонкой высокорезистивной i-областью, толщина которой находится в пределах от 10 до 300 мкм для кремниевых pin-диодов и от 1 до 10 мкм – для арсенид-галлиевых pin-диодов.
В зависимости от используемой технологии и конструкции pin-диода его сопротивление может меняться от нескольких долей ома, когда диод включен, до 10 000 Ом в выключенном состоянии. Благодаря этой особенности pin-диод является уникальным резистором, служащим основой для построения переключателей.
Кремниевые pin-диоды уже несколько десятилетий используются при создании переключателей прежде всего модульного исполнения. Эти диоды характеризуются напряжением пробоя Ub (breakdown voltage), переходной емкостью Cj (junction capacitance) и последовательным сопротивлением Rs (series resistance). Диоды с высокими значениями Ub и малыми значениями Rs используются при разработке мощных переключателей, а диоды с низкими значениями Ub и Cj востребованы в широкополосных переключателях.
Нижняя граница рабочих частот pin-диодов Fмин. связана с временем рекомбинации носителей τврн в i-области соотношением:
Fмин. >> 1 / τврн.
Значения Fмин. для pin-диодов находятся в пределах от единиц килогерц до 1 МГц.
Время обратного восстановления pin-диода Tов обычно определяет быстродействие переключателя и связано с временем рекомбинации носителей, а также с прямым Iп и обратным Iо токами соответственно:
Tов = ln (1 + Iп/Iо) τврн.
Арсенид-галлиевые pin-диоды отличаются очень малыми размерами i-области и соответственно малыми собственными емкостями. При пропускании через них прямого тока дифференциальное сопротивление диодов падает до единиц ома и менее.
Кремниевые pin-диоды в основном используются при создании гибридных схем. Для интегральных pin-диодных переключателей обычно характерны меньшие вносимые потери по сравнению с гибридными СВЧ-переключателями на чип- или корпусированных диодах, а также с монолитными переключателями на FET / HEMT-транзисторах, выполненных по арсенид-галлиевой технологии.
Монолитные СВЧ-переключатели на арсенид-галлиевых pin-диодах по многим параметрам особенно на частотах в десятки гигагерц по достижимым значениям вносимых потерь, развязки и времени переключения превосходят устройства, выполненные на кремниевых диодах и арсенид-галлиевых FET / HEMT-транзисторах.
При создании переключателей используются также pin-диоды, реализованные по технологии IBM 5HP SiGe HBT. Переключатели этого типа обеспечивают на достаточно высоких частотах приемлемый уровень вносимых потерь и развязки, а кроме того в них реализуются меньшие по сравнению с кремниевыми pin-диодными переключателями значения нижней границы рабочего диапазона частот.
pin-диодные переключатели создаются также с использованием технологии GaAs HBT, позволяющей в рамках одного монолитного чипа реализовать по HBT-технологии и другие СВЧ-компоненты.
Основной недостаток pin-диодных переключателей – значительный ток управления. Однако достижимая в них большая входная мощность, высокие рабочие частоты, большие реализуемые значения развязки и низкие вносимые потери позволяют этим устройствам и сегодня конкурировать с другими типами переключателей в военных применениях, спутниковой связи и при создании базовых станций.
При разработке pin-диодных переключателей используются три конфигурации: последовательная, параллельная и последовательно-параллельная (см. рис.4). Последняя из них (рис.4в) обычно выбирается для достижения приемлемых значений вносимых потерь и развязки.
Уровни входных мощностей, достигаемые в pin-диодных переключателях, в первую очередь зависят от величины напряжения пробоя в pin-диодах. Наибольших успехов в создании pin-диодов с большими напряжениями пробоя достигли компании Aeroflex/Metelics, Skyworks и MACOM, выпускающие pin-диоды в различных форм-факторах (чип, с балочными выводами (beam-lead), а также в пластиковых и керамических корпусах для поверхностного монтажа).
В последние годы наряду с модульными переключателями на дискретных элементах интенсивно развиваются интегральные переключатели. При их создании используются pin-диоды, выполненные по кремниевой и арсенид-галлиевой технологиям, а также полевые и биполярные транзисторы на основе технологий GaAs MESFET, GaAs pHEMT, Si MESFET, КМОП, GaN HEMT, SiGe БиКМОП.
Каждая из этих технологий имеет свои достоинства и недостатки, которые со временем могут меняться в процессе совершенствования той или иной технологии.
Наряду с созданием pin-диодных модульных переключателей ряд компаний в последние десятилетия разрабатывали интегральные pin-диодные переключатели, в которых количество интегрируемых компонентов на одной подложке зависело от числа использованных pin-диодов, резисторов, конденсаторов, индуктивностей и определялось выбранными схемотехническими решениями и типом переключателя (SPST, SPDT, SPMT, DPDT и др.).
С 80-х годов прошлого столетия компанией MACOM при создании интегральных pin-диодных переключателей было освоено несколько технологий: Glass Microwave Integrated Circuits (GMIC), Heterolithic Microwave Integrated Circuit (HMIC), а также технология AlGaAs PIN diode HMIC, позволившая реализовать переключатели с непрерывной входной мощностью 50 Вт, вносимыми потерями менее 2 дБ и развязкой более 30 дБ в диапазоне частот от 1 МГц до 75 ГГц при скорости переключения менее 500 пс.
Значительных успехов добилась также компания TriQuint (сейчас Qorvo), ее вертикальная pin-технология (VPIN) позволила создать семейство переключателей, в том числе многопозиционных, рассчитанных на очень большие частоты (до нескольких десятков ГГц) при малых (порядка 10 мА на 1 положение) токах управления, вносимых потерях 0,6 дБ и развязке 40 дБ.
Дальнейшее развитие технологий интегральных pin-переключателей было приостановлено как из-за объективных трудностей совершенствования этих процессов, так и в связи с появлением других более перспективных технологий.[2]
Благодаря выполненным в 80-е годы исследованиям по программе DARPA, нацеленным на продвижение экономичных GaAs-технологий, начала активно развиваться FET-технология. В отличие от pin-диодных переключателей, управляемые напряжением устройства на полевых транзисторах позволили обеспечить существенно меньшую мощность управления и уменьшить размеры подложек. Пришедшая на смену технологии GaAs FET технология СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) на базе MESFET и ее улучшенная версия GaAs pHEMT позволили компании MACOM создать семейство переключателей с нулевыми значениями рабочих частот.
Последовательное совершенствование технологий GaAs pHEMT компаниями Qorvo, Skyworks, Analog Devices и MACOM дало возможность преодолеть многие присущие переключателям этого типа недостатки, в частности, разместить на одной подложке не только СВЧ, но и цифровые компоненты, включая логические схемы и схемы памяти. Переключатели, выполненные по этим технологиям, заняли значительную часть рынка, включая коммерческие и военные применения. Основные производители этой продукции – Skyworks, Qorvo, Analog Devices, CEL, Mini-Circuits и MACOM – выпускают широкую линейку СВЧ-переключателей, характеристики которых постепенно совершенствуются. Однако революционных изменений в этих технологиях не предвидится.
На рынке мощных твердотельных переключателей, где до недавнего времени доминировали модульные pin-диодные изделия, в последние годы появились конкурентные решения, базирующиеся на технологиях GaN HEMT. Эти технологии интенсивно развиваются применительно к усилителям, мощность и рабочая частота которых постоянно увеличиваются.
Переключатели на основе GaN-технологии, реализуемые на подложках из карбида кремния (SiC), могут работать при напряжениях пробоя 100 В и более в условиях высоких температур. Уже сейчас представленные на рынке (Qorvo, Analog Devices) переключатели работают на частотах до 18 ГГц, обеспечивая мощности до нескольких десятков ватт. С учетом низких значений вносимых потерь (менее 1 дБ), времени переключения 15 нс и уровня точки пересечения интермодуляции третьего порядка по входу (input third-order intercept point, IIP3) более 70 дБм, эти переключатели становятся весьма интересными для военных и космических применений, спутниковых систем связи, РЛС, средств РЭБ и др. Существенный недостаток GaN-переключателей – дороговизна, ограничивающая их коммерческое применение.
Стандартные кремниевые КМОП-технологии на полевых транзисторах до последнего времени большого интереса не представляли из-за значительных вносимых потерь, низких развязок и малых напряжений пробоя, связанных и использованием подложек с высокой проводимостью. Однако переход на подложки "кремний на сапфире" (КНС) и "кремний на изоляторе" (КНИ) позволил КМОП-переключателям занять существенную часть рынка. Эти технологии позволили значительно улучшить практически все характеристики переключателей, включая их линейность, по сравнению со стандартными КМОП-решениями. В качестве примера можно привести достижения компании Peregrine Semiconductor, работающей по технологии КМОП КНС, позволившие реализовать входную мощность 50 Вт и IIP3 порядка 80 дБм. Запатентованный компанией Peregrine Semiconductor UltraCMOS технологический процесс и сложившееся в последние годы технологическое партнерство с IBM и e2v позволили этим компаниям перейти к совершенствованию технологии UltraCMOS, занять новые позиции уже в X-диапазоне.
Быстрое совершенствование технологий КНС и КНИ уже сейчас делает их наиболее перспективными по показателю качества FOM = Rвкл. · Cвыкл. (где Rвкл. – сопротивление замкнутых контактов переключателя, а Cвыкл. – емкость разомкнутых контактов) в сравнении с другими технологиями (табл.1). Эти технологии превосходят другие также по стойкости к электростатическим разрядам. Стандартные значения HBM (Human Body Model) для переключателей находятся в пределах от 1 до 10 кВ.
По экономическим показателям предпочтительной является КНИ-технология. GaAs технология может конкурировать с КНС- и КНИ-технологиями только при малых объемах производства.
Продолжение следует.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ[1]
Основные определения
Вносимые потери (IL) – это максимальные потери в децибелах при прохождении сигнала со входа на выход переключателя во включенном состоянии при условии 50-Ом согласования.
Развязка (Iso) – это отношение мощностей на выходе переключателя во включенном и выключенном состояниях.
КСВН – мера согласования импедансов переключателя с импедансами входной и выходной цепей. Обычно стремятся обеспечить 50-Ом согласование переключателя по входу и выходу.
Время переключения Tп – время, требуемое для перехода из состояния "включено" в состояние "выключено" и обратно. Для оценки этих времен вводят понятия времени нарастания Tн, времени спада Tс, а также включения Tвкл. и выключения Tвыкл..
Видеопросачивание (video leakage) – паразитные сигналы, появляющиеся на портах переключателя при подаче на него управляющей команды в отсутствие на входе ВЧ-сигнала.
Допустимая входная мощность Pдоп. (power handling). Существуют два определения понятия: максимальная мощность, при которой переключатель еще функционирует без деградации своих характеристик (full perfomance); максимальная мощность, при которой переключатель не выходит из строя, но характеристики его деградируют (no damage).
Для оценки линейности переключателей вводят показатели P0,1дБ и P1дБ, фиксирующие значения входных мощностей, при которых вносимые потери увеличиваются относительно своих паспортных малосигнальных значений ILном. на 0,1 и 1 дБ соответственно (рис.1). Контролировать рост нелинейных эффектов можно также посредством измерения интермодуляционных искажений.
Холодное и горячее переключение (cold and hot switching). В первом случае переключение из одного состояния в другое выполняется при отсутствии на входе сигнала, во втором – при наличии сигнала. При холодном переключении уровень допустимой входной мощности оказывается выше, чем при горячем.
Типы переключателей
Переключатели классифицируются по числу входов и выходов (рис.2). Большая часть из них имеет один вход и различается количеством выходов: один (single pole single throw, 1P1T), два (single pole double throw, 1P2T) и более (single pole multiple throw, 1PMT). Наряду с одновходовыми переключателями часто применяются трансферные (transfer) переключатели типа 2P2T. Для переключателей 1P1T, 1P2T, 2P2T численные обозначения часто заменяются буквенными: 1P1T → SPST, 1P2T → SPDT, 2P2T → DPDT. Переключатели с N > 2 и M > 2 классифицируются как переключательные матрицы NPMT.
Отражательные и поглощающие переключатели
Переключатели могут быть как отражательными (рис.2), так и поглощающими (рис.3). Отражательные переключатели обеспечивают меньший (0,2–0,5 дБ) уровень вносимых потерь, который зависит от значений входной частоты и рабочей полосы изделия. Во многих случаях из-за неприемлемо высоких значений КСВН невозможно использовать отражательные переключатели.
Конфигурации переключателей
Возможны три конфигурации переключателей: последовательная, параллельная и последовательно-параллельная, которые представлены в трех вариантах реализации: на диодах, на полевых и КМОП-транзисторах (рис.4). При параллельной конфигурации переключателей один канал имеет высокий импеданс, а другой – низкий. Включение 50-Ом четвертьволновой линии трансформирует низкий импеданс в высокий входной. Таким образом, четвертьволновая линия уменьшает влияние низкого импеданса на входной импеданс переключателя и обеспечивает 50-Ом согласование по входу в состояниях "Включено/Выключено".
Из трех конфигураций переключателей (см. рис.4) последовательно-параллельная применяется чаще всего. В положении "Вкл." последовательно включенные активные элементы имеют низкий импеданс, а параллельно включенные – высокий. В положении "Выкл." ситуация обратная: последовательные активные элементы имеют высокий импеданс, а параллельные – низкий.
Развязка в переключателях последовательно-параллельной конфигурации существенно лучше, чем при использовании последовательной или параллельной конфигурации по отдельности. Вносимые потери в переключателях параллельно-последовательной конфигурации ниже, чем в переключателях параллельной конфигурации, но выше, чем в переключателях последовательной конфигурации. Кроме того, при использовании последовательно-параллельной конфигурации нет необходимости вводить в схему переключателя четвертьволновые линии, что улучшает частотные характеристики переключателя.
Амплитудное и фазовое согласование
При необходимости в переключателях может быть обеспечено амплитудно-фазовое согласование:
|Θi, j| < ϕдоп., ILi, j < αдоп.,
где Θi, j и ILi, j соответственно – расхождения по фазе и амплитуде между входным сигналом с i-го порта и выходным сигналом с j-го порта (i = 1, 2,…, N; j = 1, 2,…, M). Аналогичные неравенства действительны и для сигналов на выходных портах переключателей:
|Θj, k| < ϕдоп., ILj, k < αдоп..
Здесь k ≠ j, k = 1, 2,…, M.
Характерные значения амплитудных и фазовых ошибок в модульных переключателях ±0,75 дБ и ±15 град соответственно.
Драйверы
Характеристики переключателей, особенно при реализации их предельных возможностей, в значительной степени зависят от используемых драйверов, обеспечивающих преобразование поступающих логических команд в напряжения и токи смещения, управляющие работой входящих в переключатель диодов или транзисторов. От того, как реализован драйвер, во многом зависят время и предельная частота переключения. Драйверы могут входить в состав переключателей или поставляться отдельно с учетом пожеланий заказчиков. Сказанное относится и к интегральным переключателям, для которых многие компании выпускают широкую номенклатуру драйверов.
ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СВЧ-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ
pin-диоды, MESFET-, HEMT- и КМОП-транзисторы широко применяются при создании СВЧ-изделий с регулируемыми характеристиками. Наряду с аттенюаторами, фазовращателями и ограничителями их активно используют при разработке СВЧ-переключателей как в модульном, так и в интегральном исполнениях.
pin-диодные переключатели отличаются низкими потерями, большой входной мощностью по сравнению с переключателями на полевых транзисторах. В свою очередь MESFET- и КМОП-переключатели способны работать от нулевых частот, допускают интеграцию в одном кристалле с другими, в том числе цифровыми, компонентами и имеют малую мощность потребления. Использование GaN HEMT транзисторов позволяет создавать переключатели, рассчитанные на большие входные мощности.
С 50-х годов прошлого столетия и по настоящее время дискретные pin-диоды широко используются при создании модульных переключателей. Высокие значения достигаемой в них мощности, рабочей частоты, развязки и относительно низкие вносимые потери позволяют этим устройствам и сегодня успешно конкурировать с интегральными переключателями на полевых транзисторах.
Кремниевые pin-диоды получили название благодаря своей конструкции (рис.5), включающей сильно легированные p- и n-области, разделенные тонкой высокорезистивной i-областью, толщина которой находится в пределах от 10 до 300 мкм для кремниевых pin-диодов и от 1 до 10 мкм – для арсенид-галлиевых pin-диодов.
В зависимости от используемой технологии и конструкции pin-диода его сопротивление может меняться от нескольких долей ома, когда диод включен, до 10 000 Ом в выключенном состоянии. Благодаря этой особенности pin-диод является уникальным резистором, служащим основой для построения переключателей.
Кремниевые pin-диоды уже несколько десятилетий используются при создании переключателей прежде всего модульного исполнения. Эти диоды характеризуются напряжением пробоя Ub (breakdown voltage), переходной емкостью Cj (junction capacitance) и последовательным сопротивлением Rs (series resistance). Диоды с высокими значениями Ub и малыми значениями Rs используются при разработке мощных переключателей, а диоды с низкими значениями Ub и Cj востребованы в широкополосных переключателях.
Нижняя граница рабочих частот pin-диодов Fмин. связана с временем рекомбинации носителей τврн в i-области соотношением:
Fмин. >> 1 / τврн.
Значения Fмин. для pin-диодов находятся в пределах от единиц килогерц до 1 МГц.
Время обратного восстановления pin-диода Tов обычно определяет быстродействие переключателя и связано с временем рекомбинации носителей, а также с прямым Iп и обратным Iо токами соответственно:
Tов = ln (1 + Iп/Iо) τврн.
Арсенид-галлиевые pin-диоды отличаются очень малыми размерами i-области и соответственно малыми собственными емкостями. При пропускании через них прямого тока дифференциальное сопротивление диодов падает до единиц ома и менее.
Кремниевые pin-диоды в основном используются при создании гибридных схем. Для интегральных pin-диодных переключателей обычно характерны меньшие вносимые потери по сравнению с гибридными СВЧ-переключателями на чип- или корпусированных диодах, а также с монолитными переключателями на FET / HEMT-транзисторах, выполненных по арсенид-галлиевой технологии.
Монолитные СВЧ-переключатели на арсенид-галлиевых pin-диодах по многим параметрам особенно на частотах в десятки гигагерц по достижимым значениям вносимых потерь, развязки и времени переключения превосходят устройства, выполненные на кремниевых диодах и арсенид-галлиевых FET / HEMT-транзисторах.
При создании переключателей используются также pin-диоды, реализованные по технологии IBM 5HP SiGe HBT. Переключатели этого типа обеспечивают на достаточно высоких частотах приемлемый уровень вносимых потерь и развязки, а кроме того в них реализуются меньшие по сравнению с кремниевыми pin-диодными переключателями значения нижней границы рабочего диапазона частот.
pin-диодные переключатели создаются также с использованием технологии GaAs HBT, позволяющей в рамках одного монолитного чипа реализовать по HBT-технологии и другие СВЧ-компоненты.
Основной недостаток pin-диодных переключателей – значительный ток управления. Однако достижимая в них большая входная мощность, высокие рабочие частоты, большие реализуемые значения развязки и низкие вносимые потери позволяют этим устройствам и сегодня конкурировать с другими типами переключателей в военных применениях, спутниковой связи и при создании базовых станций.
При разработке pin-диодных переключателей используются три конфигурации: последовательная, параллельная и последовательно-параллельная (см. рис.4). Последняя из них (рис.4в) обычно выбирается для достижения приемлемых значений вносимых потерь и развязки.
Уровни входных мощностей, достигаемые в pin-диодных переключателях, в первую очередь зависят от величины напряжения пробоя в pin-диодах. Наибольших успехов в создании pin-диодов с большими напряжениями пробоя достигли компании Aeroflex/Metelics, Skyworks и MACOM, выпускающие pin-диоды в различных форм-факторах (чип, с балочными выводами (beam-lead), а также в пластиковых и керамических корпусах для поверхностного монтажа).
В последние годы наряду с модульными переключателями на дискретных элементах интенсивно развиваются интегральные переключатели. При их создании используются pin-диоды, выполненные по кремниевой и арсенид-галлиевой технологиям, а также полевые и биполярные транзисторы на основе технологий GaAs MESFET, GaAs pHEMT, Si MESFET, КМОП, GaN HEMT, SiGe БиКМОП.
Каждая из этих технологий имеет свои достоинства и недостатки, которые со временем могут меняться в процессе совершенствования той или иной технологии.
Наряду с созданием pin-диодных модульных переключателей ряд компаний в последние десятилетия разрабатывали интегральные pin-диодные переключатели, в которых количество интегрируемых компонентов на одной подложке зависело от числа использованных pin-диодов, резисторов, конденсаторов, индуктивностей и определялось выбранными схемотехническими решениями и типом переключателя (SPST, SPDT, SPMT, DPDT и др.).
С 80-х годов прошлого столетия компанией MACOM при создании интегральных pin-диодных переключателей было освоено несколько технологий: Glass Microwave Integrated Circuits (GMIC), Heterolithic Microwave Integrated Circuit (HMIC), а также технология AlGaAs PIN diode HMIC, позволившая реализовать переключатели с непрерывной входной мощностью 50 Вт, вносимыми потерями менее 2 дБ и развязкой более 30 дБ в диапазоне частот от 1 МГц до 75 ГГц при скорости переключения менее 500 пс.
Значительных успехов добилась также компания TriQuint (сейчас Qorvo), ее вертикальная pin-технология (VPIN) позволила создать семейство переключателей, в том числе многопозиционных, рассчитанных на очень большие частоты (до нескольких десятков ГГц) при малых (порядка 10 мА на 1 положение) токах управления, вносимых потерях 0,6 дБ и развязке 40 дБ.
Дальнейшее развитие технологий интегральных pin-переключателей было приостановлено как из-за объективных трудностей совершенствования этих процессов, так и в связи с появлением других более перспективных технологий.[2]
Благодаря выполненным в 80-е годы исследованиям по программе DARPA, нацеленным на продвижение экономичных GaAs-технологий, начала активно развиваться FET-технология. В отличие от pin-диодных переключателей, управляемые напряжением устройства на полевых транзисторах позволили обеспечить существенно меньшую мощность управления и уменьшить размеры подложек. Пришедшая на смену технологии GaAs FET технология СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) на базе MESFET и ее улучшенная версия GaAs pHEMT позволили компании MACOM создать семейство переключателей с нулевыми значениями рабочих частот.
Последовательное совершенствование технологий GaAs pHEMT компаниями Qorvo, Skyworks, Analog Devices и MACOM дало возможность преодолеть многие присущие переключателям этого типа недостатки, в частности, разместить на одной подложке не только СВЧ, но и цифровые компоненты, включая логические схемы и схемы памяти. Переключатели, выполненные по этим технологиям, заняли значительную часть рынка, включая коммерческие и военные применения. Основные производители этой продукции – Skyworks, Qorvo, Analog Devices, CEL, Mini-Circuits и MACOM – выпускают широкую линейку СВЧ-переключателей, характеристики которых постепенно совершенствуются. Однако революционных изменений в этих технологиях не предвидится.
На рынке мощных твердотельных переключателей, где до недавнего времени доминировали модульные pin-диодные изделия, в последние годы появились конкурентные решения, базирующиеся на технологиях GaN HEMT. Эти технологии интенсивно развиваются применительно к усилителям, мощность и рабочая частота которых постоянно увеличиваются.
Переключатели на основе GaN-технологии, реализуемые на подложках из карбида кремния (SiC), могут работать при напряжениях пробоя 100 В и более в условиях высоких температур. Уже сейчас представленные на рынке (Qorvo, Analog Devices) переключатели работают на частотах до 18 ГГц, обеспечивая мощности до нескольких десятков ватт. С учетом низких значений вносимых потерь (менее 1 дБ), времени переключения 15 нс и уровня точки пересечения интермодуляции третьего порядка по входу (input third-order intercept point, IIP3) более 70 дБм, эти переключатели становятся весьма интересными для военных и космических применений, спутниковых систем связи, РЛС, средств РЭБ и др. Существенный недостаток GaN-переключателей – дороговизна, ограничивающая их коммерческое применение.
Стандартные кремниевые КМОП-технологии на полевых транзисторах до последнего времени большого интереса не представляли из-за значительных вносимых потерь, низких развязок и малых напряжений пробоя, связанных и использованием подложек с высокой проводимостью. Однако переход на подложки "кремний на сапфире" (КНС) и "кремний на изоляторе" (КНИ) позволил КМОП-переключателям занять существенную часть рынка. Эти технологии позволили значительно улучшить практически все характеристики переключателей, включая их линейность, по сравнению со стандартными КМОП-решениями. В качестве примера можно привести достижения компании Peregrine Semiconductor, работающей по технологии КМОП КНС, позволившие реализовать входную мощность 50 Вт и IIP3 порядка 80 дБм. Запатентованный компанией Peregrine Semiconductor UltraCMOS технологический процесс и сложившееся в последние годы технологическое партнерство с IBM и e2v позволили этим компаниям перейти к совершенствованию технологии UltraCMOS, занять новые позиции уже в X-диапазоне.
Быстрое совершенствование технологий КНС и КНИ уже сейчас делает их наиболее перспективными по показателю качества FOM = Rвкл. · Cвыкл. (где Rвкл. – сопротивление замкнутых контактов переключателя, а Cвыкл. – емкость разомкнутых контактов) в сравнении с другими технологиями (табл.1). Эти технологии превосходят другие также по стойкости к электростатическим разрядам. Стандартные значения HBM (Human Body Model) для переключателей находятся в пределах от 1 до 10 кВ.
По экономическим показателям предпочтительной является КНИ-технология. GaAs технология может конкурировать с КНС- и КНИ-технологиями только при малых объемах производства.
Продолжение следует.
Отзывы читателей
