eng
Рассмотрены интегральные СВЧ-переключатели на основе pin-диодов. Приведена информация о параметрах и особенностях таких переключателей, выпускаемых рядом производителей.
УДК 621.389 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.175.4.122.127
УДК 621.389 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.175.4.122.127
Теги: insertion loss microwave switch switching time вносимые потери время переключения свч-переключатель
ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ НА ОСНОВЕ PIN-ДИОДОВ[1]
Переключатели на основе дискретных pin-диодов нашли очень широкое применение при решении многих практических задач. Долгие годы кремниевые, а затем и арсенид-галлиевые pin-диоды в чип-исполнении, в виде изделий с балочными выводами (beam lead), в керамических корпусах и корпусах для поверхностного монтажа служили основой для построения многих модульных переключателей [1]. Вследствие значительного числа используемых диодов и пассивных компонентов трудоемкость изготовления, а значит, и стоимость модульных переключателей были высокими, что стимулировало создание интегральных pin-переключателей на кремниевых и арсенид-галлиевых подложках.
Простейшие SPST-переключатели на основе кремниевых pin-диодов (рис. 1) разработала компания Microsemi (ранее Aeroflex / Metelics). Реализованные в микросхемном исполнении для поверхностного монтажа (рис. 2) SPST-переключатели стали основой для построения более сложных типов переключателей: SPDT, SP3T, SP4T, DPDT (рис. 3). Максимальные значения рабочих частот подобного рода переключателей, как правило, не превышают 6 ГГц. Наибольших успехов в создании интегральных pin-диодных переключателей на кремниевой подложке к настоящему времени добились компании KCB Solutions, Microsemi и Skyworks Solutions. Их изделия отличаются прежде всего большими (до 100–250 Вт) значениями допустимой входной мощности (табл. 1, микросхемы SKY12212-478LF, MSW2001-200, MSW3200-320, KS03R2-22, KS03R3-22).
Широкую линейку SPST-SP6T pin-диодных переключателей с входной мощностью 50–200 Вт производит компания KCB Solutions. Изделия доступны в стандартных QFN-корпусах и в герметичном исполнении. При входных мощностях, превышающих 50 Вт, применяются фланцевые корпуса. При создании переключателей в основном используются последовательная и последовательно-параллельная конфигурации (рис. 4). Действующая на предприятии система качества гарантирует высокие характеристики выпускаемых переключателей, предназначенных в первую очередь для портативных военных применений.
Одной из прорывных технологий для создания pin-диодных переключателей на кремниевой подложке стала запатентованная компанией MACOM технология HMIC (Heterolithic MIC), положившая начало линейке изделий с конкурентными по отношению к модульным переключателям характеристиками, прежде всего в части больших значений развязки. Переключатели по технологии HMIC выпускаются компанией MACOM в различных конфигурациях. Во многих изделиях на подложке расположены только pin-диоды, а драйвер, обеспечивающий подачу управляющих напряжений, реализуется по рекомендациям, приведенным в технических описаниях, либо приобретается в виде специализированных интегральных микросхем. Широкую линейку таких драйверов производит компания MACOM, например изделия MA4BN1840-1 и MA4BN1840-2. Однако среди переключателей, выпускаемых MACOM, есть и такие, в которых драйвер включен в состав микросхемы. Допустимая входная мощность в переключателях, созданных по технологии HMIC, обычно не превышает 30 Вт.
Так, реализованный по этой технологии в X-диапазоне SPDT-переключатель обеспечивает на частоте 9,5 ГГц входную мощность P0,1дБ = 28 Вт при вносимых потерях и развязке 0,8 и 35–40 дБ соответственно. Переключатель выполнен по параллельной схеме, в каждое из плеч которой включены два pin-диода и столько же 50-Ом линий передачи. Средняя наработка на отказ (Mean time between failures, MTBF) такого переключателя превышает 1 млн ч [2].
Переключатели на основе арсенид-галлиевых pin-диодов при умеренных значениях допустимой входной мощности отличаются достаточно высокими значениями верхних границ частотного диапазона (см. табл. 1, микросхемы AP640R2-00, HMC975, HMC-SDD112). Для микросхемы AP640R2-00, выпускаемой компанией Alpha Industries, характерны потери 0,9 дБ, развязка 32 дБ и допустимая входная мощность 2 Вт, при этом время переключения составляет 2 нс. В техническом описании микросхемы представлены зависимости вносимых потерь, развязки, входных и выходных обратных потерь от рабочей температуры основания (рис. 5). Высокий уровень развязки (45 дБ на 26 ГГц) достигается в отражательных арсенид-галлиевых SPDT-переключателях HMC975 последовательно-параллельной конфигурации (рис. 6). На очень высокие частоты (55–86 ГГц) рассчитан GaAs SPDT-переключатель HMC-SDD112 с внутренними блокировочными конденсаторами. Переключатели выпускаются в виде кристаллов размерами 1,75 Ч 1,10 Ч 0,10 мм (HMC975) и 2,01 Ч 0,975 Ч 0,10 мм (HMC-SDD112).
Освоение MACOM технологии AlGaAs в сочетании с HMIC-процессом позволило создать интегральные переключатели с низкими значениями вносимых потерь и высокими развязками на частотах до 50 ГГц (см. табл. 1). Широкий диапазон рабочих частот обеспечивается благодаря значительному улучшению характеристик реализованных по этой технологии pin-диодов, а именно – существенному снижению сопротивления переключателя во включенном состоянии Ron и емкости в выключенном состоянии Coff. Произведение FOM = Ron · Coff, выраженное в фемтосекундах, служит индикатором качества переключателей. Для лучших монолитных pin-диодных переключателей FOM = Ron · Coff = 100–200 фс [3]. Два SPST-переключателя, выполненные по этой технологии – отражательного (MA4AGSW1) и поглощающего (MA4AGSW1A) типов – обеспечивают во всем диапазоне частот приемлемые значения вносимых потерь и развязки (рис. 7). Оба переключателя включают в себя внешние драйверы (рис. 8). Трех- и четырехпозиционные переключатели MA4AGSW3 и MA4AGSW4, созданные на базе этой же технологии по схемам, представленным на рис. 3б, в, требуют подключения внешнего драйвера. Как и SPST-переключатели, данные микросхемы работают в диапазоне частот 50 МГц – 50 ГГц и характеризуются высокой скоростью переключения (см. табл. 1).
Дальнейшее совершенствование характеристик интегральных переключателей было связано с освоением компанией TriQuint (сейчас Qorvo) технологии VPIN (vertical PIN), позволившей снизить сопротивление Ron и емкость Coff и, как следствие, повысить рабочую частоту переключателей почти до 100 ГГц (см. табл. 1). Многие переключатели компании (TGS2302, TGS2313, TGS4305-FC, TGS4306-FC), выполненные с применением VPIN-технологий, содержат внутренний драйвер (рис. 9). В состав других микросхем (например, TGS4302, TGS4301, TGS2304-SCC) включены блокировочные конденсаторы и резисторы, обеспечивающие необходимое смещение. Широкополосный (0,2–20,0 ГГц) SP4T-переключатель TGS2304-SCC выпускается без драйверов (рис. 10) на кристаллах размером 2,5 Ч 3,6 Ч 0,1 мм. Два переключателя SP3T- и SP4T-типа (микросхемы TGS4305-FC и TGS4306-FC) работают соответственно на частотах 60–90 ГГц и 70–90 ГГц. На их кристаллах размером 1,69 Ч 1,37 Ч 0,38 мм, выпускаемых в исполнении flip-chip, помимо pin-диодов, расположены блокировочные конденсаторы. Представляют интерес зависимости вносимых потерь IL от мощности Pвх и 1-дБ точки компрессии P1дБ от частоты, приведенные в технических описаниях, например микросхем TGS4301 и TGS2304-SCC (рис. 11).
Отметим, что как кремниевым, так и арсенид-галлиевым переключателям на основе pin-диодов свойственны высокие значения развязки и низкие значения вносимых потерь. Оба вида переключателей работоспособны в диапазоне температур от –65… –55 °C до 125 °C. Наименьшие значения рабочих частот реализуются в переключателях, выполненных на основе кремниевых pin-диодов. Стоит отметить, что именно эти переключатели в меньшей степени, чем GaAs pin-переключатели, чувствительны к электростатическим разрядам (ESD). Среди возможных вариантов реализации интегральных pin-переключателей наиболее высокие рабочие частоты достигаются в изделиях, созданных по технологиям GaAs, AlGaAs и GaAsVPIN.
В научных публикациях встречаются упоминания и о других технологиях, используемых при создании pin-диодных переключателей. Так, в [4] сообщается, что SPDT-переключатель на основе pin-диодов по SiGe 8HP 130-нм технологии обеспечил в диапазоне частот 51–78 ГГц вносимые потери 2,0–2,7 дБ, развязку от 25 до 35 дБ и обратные потери меньше 12 дБ. Для построения мощных высоколинейных переключателей применяются также нитрид-галлиевые pin-диоды [5].
Продолжение следует
ЛИТЕРАТУРА
1. Кочемасов В.Н., Кирпиченков А. И. Твердотельные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 10, 2018. № 1–2.
2. Brogle J. J., Rozbicki A., Boles T. E. 28 Watt X-band Silicon P-I-N Diode RFIC Switches. – Proc. of the 9th European Microwave Integrated Circuits Conference, 2014, PP. 69–72.
3. Hindle P. The State of RF / Microwave Switches // Microwave Journal. 2010. № 11. PP. 20–36.
4. Lam K., Ding H., Lin X. et al. Wideband Millimeter Wave PIN Diode SPDT Switch Using IBM 0.13 μm SiGe Technology. – Proc. of the 2nd European Microwave Integrated Circuits Conference, 2007, PP. 108–111.
5. Yang J.G., Yang K. High-Linearity K-Band Absorptive-Type MMIC Switch Using GaN PIN-Diodes // IEEE Microwave Wireless Components Letters. 2013. V. 23. № 1. PP. 37–39.
Переключатели на основе дискретных pin-диодов нашли очень широкое применение при решении многих практических задач. Долгие годы кремниевые, а затем и арсенид-галлиевые pin-диоды в чип-исполнении, в виде изделий с балочными выводами (beam lead), в керамических корпусах и корпусах для поверхностного монтажа служили основой для построения многих модульных переключателей [1]. Вследствие значительного числа используемых диодов и пассивных компонентов трудоемкость изготовления, а значит, и стоимость модульных переключателей были высокими, что стимулировало создание интегральных pin-переключателей на кремниевых и арсенид-галлиевых подложках.
Простейшие SPST-переключатели на основе кремниевых pin-диодов (рис. 1) разработала компания Microsemi (ранее Aeroflex / Metelics). Реализованные в микросхемном исполнении для поверхностного монтажа (рис. 2) SPST-переключатели стали основой для построения более сложных типов переключателей: SPDT, SP3T, SP4T, DPDT (рис. 3). Максимальные значения рабочих частот подобного рода переключателей, как правило, не превышают 6 ГГц. Наибольших успехов в создании интегральных pin-диодных переключателей на кремниевой подложке к настоящему времени добились компании KCB Solutions, Microsemi и Skyworks Solutions. Их изделия отличаются прежде всего большими (до 100–250 Вт) значениями допустимой входной мощности (табл. 1, микросхемы SKY12212-478LF, MSW2001-200, MSW3200-320, KS03R2-22, KS03R3-22).
Широкую линейку SPST-SP6T pin-диодных переключателей с входной мощностью 50–200 Вт производит компания KCB Solutions. Изделия доступны в стандартных QFN-корпусах и в герметичном исполнении. При входных мощностях, превышающих 50 Вт, применяются фланцевые корпуса. При создании переключателей в основном используются последовательная и последовательно-параллельная конфигурации (рис. 4). Действующая на предприятии система качества гарантирует высокие характеристики выпускаемых переключателей, предназначенных в первую очередь для портативных военных применений.
Одной из прорывных технологий для создания pin-диодных переключателей на кремниевой подложке стала запатентованная компанией MACOM технология HMIC (Heterolithic MIC), положившая начало линейке изделий с конкурентными по отношению к модульным переключателям характеристиками, прежде всего в части больших значений развязки. Переключатели по технологии HMIC выпускаются компанией MACOM в различных конфигурациях. Во многих изделиях на подложке расположены только pin-диоды, а драйвер, обеспечивающий подачу управляющих напряжений, реализуется по рекомендациям, приведенным в технических описаниях, либо приобретается в виде специализированных интегральных микросхем. Широкую линейку таких драйверов производит компания MACOM, например изделия MA4BN1840-1 и MA4BN1840-2. Однако среди переключателей, выпускаемых MACOM, есть и такие, в которых драйвер включен в состав микросхемы. Допустимая входная мощность в переключателях, созданных по технологии HMIC, обычно не превышает 30 Вт.
Так, реализованный по этой технологии в X-диапазоне SPDT-переключатель обеспечивает на частоте 9,5 ГГц входную мощность P0,1дБ = 28 Вт при вносимых потерях и развязке 0,8 и 35–40 дБ соответственно. Переключатель выполнен по параллельной схеме, в каждое из плеч которой включены два pin-диода и столько же 50-Ом линий передачи. Средняя наработка на отказ (Mean time between failures, MTBF) такого переключателя превышает 1 млн ч [2].
Переключатели на основе арсенид-галлиевых pin-диодов при умеренных значениях допустимой входной мощности отличаются достаточно высокими значениями верхних границ частотного диапазона (см. табл. 1, микросхемы AP640R2-00, HMC975, HMC-SDD112). Для микросхемы AP640R2-00, выпускаемой компанией Alpha Industries, характерны потери 0,9 дБ, развязка 32 дБ и допустимая входная мощность 2 Вт, при этом время переключения составляет 2 нс. В техническом описании микросхемы представлены зависимости вносимых потерь, развязки, входных и выходных обратных потерь от рабочей температуры основания (рис. 5). Высокий уровень развязки (45 дБ на 26 ГГц) достигается в отражательных арсенид-галлиевых SPDT-переключателях HMC975 последовательно-параллельной конфигурации (рис. 6). На очень высокие частоты (55–86 ГГц) рассчитан GaAs SPDT-переключатель HMC-SDD112 с внутренними блокировочными конденсаторами. Переключатели выпускаются в виде кристаллов размерами 1,75 Ч 1,10 Ч 0,10 мм (HMC975) и 2,01 Ч 0,975 Ч 0,10 мм (HMC-SDD112).
Освоение MACOM технологии AlGaAs в сочетании с HMIC-процессом позволило создать интегральные переключатели с низкими значениями вносимых потерь и высокими развязками на частотах до 50 ГГц (см. табл. 1). Широкий диапазон рабочих частот обеспечивается благодаря значительному улучшению характеристик реализованных по этой технологии pin-диодов, а именно – существенному снижению сопротивления переключателя во включенном состоянии Ron и емкости в выключенном состоянии Coff. Произведение FOM = Ron · Coff, выраженное в фемтосекундах, служит индикатором качества переключателей. Для лучших монолитных pin-диодных переключателей FOM = Ron · Coff = 100–200 фс [3]. Два SPST-переключателя, выполненные по этой технологии – отражательного (MA4AGSW1) и поглощающего (MA4AGSW1A) типов – обеспечивают во всем диапазоне частот приемлемые значения вносимых потерь и развязки (рис. 7). Оба переключателя включают в себя внешние драйверы (рис. 8). Трех- и четырехпозиционные переключатели MA4AGSW3 и MA4AGSW4, созданные на базе этой же технологии по схемам, представленным на рис. 3б, в, требуют подключения внешнего драйвера. Как и SPST-переключатели, данные микросхемы работают в диапазоне частот 50 МГц – 50 ГГц и характеризуются высокой скоростью переключения (см. табл. 1).
Дальнейшее совершенствование характеристик интегральных переключателей было связано с освоением компанией TriQuint (сейчас Qorvo) технологии VPIN (vertical PIN), позволившей снизить сопротивление Ron и емкость Coff и, как следствие, повысить рабочую частоту переключателей почти до 100 ГГц (см. табл. 1). Многие переключатели компании (TGS2302, TGS2313, TGS4305-FC, TGS4306-FC), выполненные с применением VPIN-технологий, содержат внутренний драйвер (рис. 9). В состав других микросхем (например, TGS4302, TGS4301, TGS2304-SCC) включены блокировочные конденсаторы и резисторы, обеспечивающие необходимое смещение. Широкополосный (0,2–20,0 ГГц) SP4T-переключатель TGS2304-SCC выпускается без драйверов (рис. 10) на кристаллах размером 2,5 Ч 3,6 Ч 0,1 мм. Два переключателя SP3T- и SP4T-типа (микросхемы TGS4305-FC и TGS4306-FC) работают соответственно на частотах 60–90 ГГц и 70–90 ГГц. На их кристаллах размером 1,69 Ч 1,37 Ч 0,38 мм, выпускаемых в исполнении flip-chip, помимо pin-диодов, расположены блокировочные конденсаторы. Представляют интерес зависимости вносимых потерь IL от мощности Pвх и 1-дБ точки компрессии P1дБ от частоты, приведенные в технических описаниях, например микросхем TGS4301 и TGS2304-SCC (рис. 11).
Отметим, что как кремниевым, так и арсенид-галлиевым переключателям на основе pin-диодов свойственны высокие значения развязки и низкие значения вносимых потерь. Оба вида переключателей работоспособны в диапазоне температур от –65… –55 °C до 125 °C. Наименьшие значения рабочих частот реализуются в переключателях, выполненных на основе кремниевых pin-диодов. Стоит отметить, что именно эти переключатели в меньшей степени, чем GaAs pin-переключатели, чувствительны к электростатическим разрядам (ESD). Среди возможных вариантов реализации интегральных pin-переключателей наиболее высокие рабочие частоты достигаются в изделиях, созданных по технологиям GaAs, AlGaAs и GaAsVPIN.
В научных публикациях встречаются упоминания и о других технологиях, используемых при создании pin-диодных переключателей. Так, в [4] сообщается, что SPDT-переключатель на основе pin-диодов по SiGe 8HP 130-нм технологии обеспечил в диапазоне частот 51–78 ГГц вносимые потери 2,0–2,7 дБ, развязку от 25 до 35 дБ и обратные потери меньше 12 дБ. Для построения мощных высоколинейных переключателей применяются также нитрид-галлиевые pin-диоды [5].
Продолжение следует
ЛИТЕРАТУРА
1. Кочемасов В.Н., Кирпиченков А. И. Твердотельные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 10, 2018. № 1–2.
2. Brogle J. J., Rozbicki A., Boles T. E. 28 Watt X-band Silicon P-I-N Diode RFIC Switches. – Proc. of the 9th European Microwave Integrated Circuits Conference, 2014, PP. 69–72.
3. Hindle P. The State of RF / Microwave Switches // Microwave Journal. 2010. № 11. PP. 20–36.
4. Lam K., Ding H., Lin X. et al. Wideband Millimeter Wave PIN Diode SPDT Switch Using IBM 0.13 μm SiGe Technology. – Proc. of the 2nd European Microwave Integrated Circuits Conference, 2007, PP. 108–111.
5. Yang J.G., Yang K. High-Linearity K-Band Absorptive-Type MMIC Switch Using GaN PIN-Diodes // IEEE Microwave Wireless Components Letters. 2013. V. 23. № 1. PP. 37–39.
Отзывы читателей
