Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №1

КМОП-ключи от NEC Electronics бросают вызов ключам на основе GaAs

Гримм Джо  
Дмитриев Сергей  

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-диэлектрике 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).

SPDT-ключ на pin-диодах
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

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 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.

SPDT-ключ на основе GaAs
Рис. 2. SPDT-ключ на основе GaAs из-за невозможности принимать управляющие напряжения положительной полярности требует установки разделительных конденсаторов на каждый вывод

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-технология 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 разделительных конденсаторов (рис. 3). Это уменьшает число необходимых компонентов, сокращает занимаемую площадь печатной платы и снижает затраты на производство.

КМОП-ключ — простое решение, не требующее разделительных конденсаторов
Рис. 3. КМОП-ключ — простое решение, не требующее разделительных конденсаторов

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.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке