CC BY
4822 www.finestreet.ru компоненты ВЧ/СВЧ-элементы
КМОП-ключи для диапазона СВЧ от МЕС Е^с^ошсБ
бросают вызов ключам на основе GaAs
Joe GRIMM Перевод: Сергей ДМИТРИЕВ
sergey@eltech.spb.ru
Есть много причин, по которым КМОП-ключи привлекают внимание инженеров СВЧ-техники. Первая из них — невысокая цена. Они проще в управлении — не требуется двух управляющих напряжений или сложной периферийной схемотехники, выполненной по другой технологии.
Но определенные ограничения до недавних пор сужали диапазон применений КМОП-ключей. Их допустимая входная мощность в точке компрессии 1 дБ сравнительно ниже, чем у ключей на основе GaAs. К тому же до недавних пор они были ограничены применением в диапазоне частот до 1 ГГц.
Но такие новшества, как Silicon-on-Insulator (SOI — кремний-на-диэлектрике), почти удвоили рабочую частоту этих компонентов. Технологический процесс кремний-на-ди-электрике исключает зоны обеднения истока и стока на подложке, давая в результате уменьшенную емкость.
Кроме того, структуры РМОП и NМОП размещаются ближе друг к другу, увеличивая плотность упаковки и уменьшая емкость металлизации.
В результате приборы имеют более высокое быстродействие и пониженное энергопотребление и, следовательно, способность иметь вносимое затухание, изоляцию и скорость переключения, позволяющие им конкурировать с другими технологиями коммутации в диапазоне частот до 2,5 ГГц.
Старые методы коммутации СВЧ-сигналов
Первоначально в качестве СВЧ-ключа использовался pin-диод, требующий большого числа дискретных компонентов (рис. 1).
Типичный ключ SPDT (одно направление, два положения) требует пару pin-диодов, два разделительных конденсатора, три индуктивности смещения и три конденсатора развязки по постоянному току плюс внешний драйвер для управления скоростью переключения. Несмотря на то, что это явно не простая и не компактная схема, ключи на pin-диодах имеют и свои преимущества. Они имеют высокую линейность и могут коммутировать высокие уровни входной мощности.
Pin-диоды имеют несколько недостатков. Чтобы улучшить изоляцию, приходится
11управления1 11управления2
о. - -
І5* I------
S s-L вход
Т
о V Bblx(ÿ 11
разделительный pin-конденсатор диод
Рис. 1. SPDT-ключ на pin-диодах требует использования двух pin-диодов, двух развязывающих конденсаторов, трех катушек индуктивности, трех разделительных конденсаторов и внешнего драйвера.
Не совсем простая и компактная конструкция
соединять последовательно два или более диодов, а это приводит к соответствующему увеличению вносимого затухания.
В своей основе pin-диоды — это резисторы, управляемые током. Чтобы уменьшить вносимое затухание, они требуют больших токов потребления, позволяющих уменьшить сопротивление в области Intrinsic (внутренней).
Очевидно, что это сокращает время жизни аккумулятора в мобильных приложениях. Эта особенность, а также большое число компонентов в схеме на pin-диоде делают эти компоненты малопригодными для портативных приборов.
Нынешний фаворит — ключи на основе GaAs
Благодаря низкому энергопотреблению, малым размерам и сравнительной простоте схемы GaAs-ключи являются в настоящее время самыми распространенными в мире коммутации СВЧ-сигналов. Они пригодны для широкого применения в диапазоне частот от 50 МГц до 6 ГГц и предлагаются многими производителями в самых разнообразных корпусах.
В своей основе GaAs-ключи — это резисторы, управляемые напряжением, и обычно требуют для работы два комплементарных управляющих напряжения. При подаче этих
напряжений внутренний массив транзисторов действует как резистор либо с малым, либо с большим сопротивлением, открывая или закрывая ключ.
Но есть одна внутренняя проблема. GaAs-ключи не могут работать от низковольтных источников питания положительной полярности. Поэтому они требуют применения разделительных конденсаторов (рис. 2) на входе и выходе ключа.
ІІуправления 1 1 конденсатор . развязки
вход—I
<£
1 р Æ г £ И То, о с fit к
Рис. 2. SPDT-ключ на основе GaAs из-за невозможности принимать управляющие напряжения положительной полярности требует установки разделительных конденсаторов на каждый вывод
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 ’2006
ВЧ/СВЧ-элементы
Несмотря на то, что эти дополнительные компоненты позволяют управлять ключом с помощью напряжений положительной полярности, они ограничивают рабочий диапазон частот и увеличивают вносимое затухание. Плюс к тому, они занимают дополнительную площадь платы.
КМОП — реальный претендент
Существует множество причин, по которым КМОП-технология привлекает все больше внимания разработчиков СВЧ-техники. Первая и самая важная — цена. КМОП-техно-логия по своей сути более дешевая, чем GaAs, поэтому сами компоненты тоже дешевле.
Кроме того, КМОП-технология позволяет изготовить драйвер и схему управления в одном кристалле вместе с ключом и управлять им через единственный вход управления. Это упрощает процесс разработки и уменьшает число компонентов.
В отличие от ключей на основе GaAs, КМОП-ключи используют единственное управляющее напряжение положительной полярности, поэтому им не требуется раздели-
11управления1
ВХОД
иуправления2 '
конденсатор
развязки
-А
■
■-V
- конденсатор
- развязки
- Выход 1 ~ Выход 2
Рис. 3. КМОП-ключ — простое решение, не требующее разделительных конденсаторов
тельных конденсаторов (рис. 3). Это уменьшает число необходимых компонентов, сокращает занимаемую площадь печатной платы и снижает затраты на производство.
Плюс к этому устраняются проблемы, сопутствующие применению разделительных
конденсаторов — сужение диапазона частот, увеличение вносимого затухания и увеличение уровня шумов.
Кроме того, МОП-ключи имеют низкое энергопотребление. Все это, включая миниатюрные размеры и отсутствие дополнительных периферийных компонентов, делает их идеально подходящими для компактных переносных устройств с батарейным питанием.
До недавнего времени применение КМОП-ключей ограничивалось их частотным диапазоном и максимально допустимой входной мощностью. С появлением таких новых КМОП-ключей производства NEC Electronics, как UPD5710TK, диапазон их применений быстро расширяется.
UPD5710TK может коммутировать сигналы в диапазоне частот от постоянного тока до 2,5 ГГц, что позволяет успешно использовать его в мобильных радиостанциях, измерительных устройствах и множестве других СВЧ-применений.
Этот прибор — первый представитель нового поколения недорогих, высокочастотных и высококачественных КМОП-ключей, разрабатываемых компанией NEC Electronics. ■
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № і '2006
