Монолитные микросхемы коммутаторов СВЧ-сигналов компании Hittite Microwave

Монолитные микросхемы СВЧ-коммутаторов общего назначения

Монолитные и гибридно-пленочные интегральные микросхемы компании построены на основе самых современных интегральных микротранзисторов типа MESFET, PHEMT, MHEMT и HBT, изготавливаемых на GaAs, InGaP/GaAs, InP, SiGe. Сегодня это наиболее высокочастотные из известных транзисторов. По этому параметру они намного превосходят обычные германиевые и кремниевые и позволяют расширить диапазон частот до 100 ГГц.

На рис. 1а показан внешний вид корпуса типа SMT микросхемы H427. Он имеет миниатюрные размеры 2×3 мм и предназначен для поверхностного монтажа на печатную плату. Очень малая паразитная индуктивность выводов такого корпуса обеспечивает высокие частоты переключаемых сигналов — от постоянного тока DC до 8 ГГц. Микросхема выполнена по технологии GaAs MMIC.

Рис. 1. Микросхема H427: а) внешний вид; б) функциональная диаграмма

Функциональная диаграмма микросхемы H427 приведена на рис. 1б. Видно, что микросхема содержит четыре переключателя. Напряжение смещения Vdd = 5 В при токе 10 мкА. Управляющее напряжение низкое (0–0,2 В) при токе 6 мкА и высокое ±Vdc при токе 10 мкА. Описание состояний коммутатора указано в таблице 1.

Основными параметрами коммутаторов СВЧ-сигналов являются потери (ослабление) сигнала во включенном состоянии и потери в режиме выключения. Они измеряются в отрицательных децибелах (дБ) и характеризуют коэффициент передачи микросхемы или ее отдельного участка. Для микросхем коммутаторов желательно иметь малые потери во включенном состоянии (близкие к 0 дБ) и как можно бóльшие в выключенном состоянии (например, –40 дБ соответствует ослаблению сигнала в 100 раз).

У микросхемы H427 потери в режиме включения составляют от –1,2 до –1,6 дБ в диапазоне частот 0–6 ГГц. Частотная зависимость этого параметра во включенном состоянии коммутатора H427 приведена на рис. 2а. Она отличается высокой равномерностью и небольшим спадом после частоты 7 ГГц.

Рис. 2. Зависимости для коммутатора H427:
а) зависимость коэффициента передачи от частоты во включенном состоянии;
б) зависимость коэффициента передачи от частоты в выключенном состоянии;
в) зависимость обратных потерь от частоты в выключенном состоянии

В режиме выключения потери достигают 48 дБ, но сильно зависят от частоты (рис. 2б). Они, естественно, заметно возрастают на сравнительно низких частотах (менее 2 ГГц), но падают на частотах выше 6–7 ГГц. Последнее можно объяснить просачиванием сигнала с выхода на вход через малые проходные емкости структуры микросхемы.

Более полно микросхемы характеризуются S-параметрами. Из них наиболее часто указывают обратные потери. Зависимость обратных потерь от частоты в выключенном состоянии коммутатора H427 представлена на рис. 2в. За пределами рабочего диапазона частот наблюдается рост сигнала отражения, характеризующего обратные потери.

Печатная плата модуля коммутатора с микросхемой H427 показана на рис. 3. Подключение входов и выход осуществляется с помощью согласованных линий передачи. Отрезок такой линии, предназначенный для ее отдельного тестирования, создан в верхней части платы. Входы и выходы имеют бескорпусные разделительные конденсаторы С2–С5 с емкостью по 100 пФ каждый. Емкость конденсатора C1 — 1000 пФ. Номинал бескорпусных резисторов R1 и R2 — 100 Ом. Все компоненты имеют очень малую паразитную индуктивность.

Рис. 3. Монтаж микросхемы коммутатора H427 на печатную плату

Микросхемы многоканальных СВЧ-коммутаторов

Микросхема HP321 — это GaAs MMIC SP8T (рис. 4а) неотражающий (точнее, мало отражающий) переключатель сигналов с полосой частот от постоянного тока DC (0 Гц) до 8 ГГц. Технические характеристики изделия:

• SMT-корпус типа LP4 (LP4E) размером 4×4 мм.
• Управление логическими сигналами с уровнями:
  – низкий (0–0,8 В при типовом токе 5 мкА);
  – высокий (2 и 5 В при типовом токе 25 мкА).
• Температурный диапазон:
  – хранения –85…+150 °C;
  – рабочий –40…+85 °C.
• Максимальная мощность сигнала для каждого «горячего» вывода +26 дБм.

Рис. 4. Микросхема коммутатора HP321LP4: а) внешний вид; б) функциональная диаграмма

Функциональная диаграмма микросхемы показана на рис. 4б. Коммутатор обеспечивает подключение общего радиочастотного вывода RFC на любой из выводов RF1–RF8 в соответствии с расшифровкой диаграммы состояния, представленной в таблице 2. Для уменьшения отражений каждый вывод, отключенный от общего вывода, подключается к конденсатору небольшой емкости, входящему в состав микросхемы (рис. 4б).

Зависимость коэффициента передачи (потерь в дБ) от частоты во включенном состоянии коммутатора HP321 при разных значениях температуры окружающей среды показана на рис. 5а. Потери составляют около –2 дБ на низких частотах и доходят до –2,6 дБ на высоких (до 8 ГГц).

Рис. 5. Зависимость коэффициента передачи от частоты: а) во включенном состоянии; б) в выключенном состоянии

Зависимость коэффициента передачи от частоты для каждого радиочастотного входа (от RF1 до RF8) в выключенном состоянии для коммутатора HP321 приведена на рис. 5б. Очень высокие потери характерны для низких частот, где влияние паразитных емкостей минимально.

Монтаж коммутатора HP321 на печатную микроплату с радиочастотными разъемами показан на рис. 6. Все проводники выполнены в виде микрополосковых линий передачи со стандартным волновым сопротивлением 50 Ом. Конденсаторы С1–С9 бескорпусные с емкостью 100 пФ, ВЧ-разъемы типа SMA RF.

Рис. 6. Печатная микроплата с коммутатором HP321

Сверхширокополосные микросхемы коммутаторов

Более широкополосная микросхема HMC641LP4E (рис. 7) — GaAs MMIC SP4T неотражающий переключатель сигналов с полосой частот 0–20 ГГц. Микросхема также выполнена в SMT-корпусе типа LP4E. Выводы, не подключаемые к общему выводу, подключаются к согласующим резисторам с сопротивлением 50 Ом, что существенно уменьшает отражения по сравнению с ранее описанной микросхемой.

Рис. 7. Функциональная диаграмма широкополосного коммутатора HMC641LP4E

Частотная зависимость коэффициента передачи во включенном состоянии коммутатора HMC641 показана на рис. 8а. Ввиду широкой полосы частот коммутируемого сигнала эта зависимость имеет заметную неравномерность и немонотонный характер, а на частотах выше 20 ГГц демонстрирует довольно резкий спад. В режиме выключения коэффициент передачи во всей полосе частот составляет не более –40 дБ и также сильно зависит от частоты (рис. 8б).

Рис. 8. Зависимость коэффициента передачи коммутатора HMC641: а) во включенном состоянии; б) от частоты в выключенном состоянии

Печатная плата модуля коммутатора с микросхемой HMC641 оказана на рис. 9. Подключение входов и выхода осуществляется с помощью согласованных линий передачи. Отрезок такой линии, предназначенный для ее отдельного тестирования, создан в правой части платы. Плата упрощена и имеет единственный блокирующий конденсатор C1 с емкостью 1000 пФ.

Рис. 9. Монтаж микросхемы коммутатора HMC641 на печатной плате

Многие микросхемы коммутаторов выполняются в бескорпусном исполнении (в виде чипов). Сверхминиатюрные размеры таких микросхем и очень малые паразитные реактивности позволяют расширить диапазон частот коммутируемых сигналов. Микросхема HMC347 (рис. 10а) — это мало отражающий коммутатор класса SPDT Non-Reflective Switch Chip с полосой частот коммутируемых сигналов 0–20 ГГц. Микросхема предназначена для поверхностного монтажа на печатную плату.

Рис. 10. Широкополосный коммутатор HMC347: а) бескорпусная микросхема; б) функциональная диаграмма

Функциональная диаграмма широкополосного коммутатора HMC347 показана на рис. 10б. Из этой диаграммы назначение микросхемы вполне очевидно и в дополнительном описании не нуждается.

Зависимость потерь во включенном состоянии коммутатора HMC641, показанная на рис. 8, свидетельствует о существенно улучшенной равномерности коэффициента передачи этой микросхемы по сравнению с той же зависимостью для микросхемы HMC347, выполненной в миниатюрном корпусе (рис. 11а). В частности, волнистость характеристики полностью отсутствует: виден лишь едва заметный провал в области частот около 12 ГГц.

Рис. 11. Зависимость коэффициента передачи коммутатора HMC641: а) во включенном состоянии; б) в выключенном состоянии от частоты

То же можно сказать в отношении зависимости коэффициента передачи от частоты в выключенном состоянии (рис. 11б). Характерный резкий минимум этой зависимости виден лишь за пределами рабочего диапазона частот — на частоте около 22 ГГц.

Как видно из приведенных примеров, микросхемы коммутаторов на GaAs-транзисторах имеют заметное ослабление при включенном состоянии цепей коммутации. Это связано с работой на низкоомную (обычно 50 или 75 Ом) нагрузку и с конечным сопротивлением включенного транзистора. С другой стороны, ослабление в выключенном состоянии недостаточно велико из-за наличия паразитных емкостей в структуре микросхем. Это говорит о необходимости тщательной оптимизации схем. Она удорожает микросхемы и сужает их диапазон частот.

Микросхемы коммутаторов с улучшенными показателями

Среди микросхем коммутаторов есть ряд образцов с рекордными показателями во включенном и выключенном состоянии. Например, микросхема HMC349 (рис. 12) имеет коэффициент передачи всего в –0,9 дБ на частоте 1 ГГц при частотном диапазоне 0–4 ГГц.

Рис. 12. Функциональная диаграмма широкополосного коммутатора HMC349

Зависимость коэффициента передачи во включенном состоянии коммутатора HMC349 показана на рис. 13а. Она монотонная и не имеет признаков колебаний. Частотные зависимости коэффициента передачи в выключенном состоянии для коммутатора HMC349 показаны на рис. 13б. Потери в этом случае велики и свидетельствуют о высокой степени изоляции отключаемых выводов.

Рис. 13. Зависимость коэффициента передачи коммутатора HMC349: а) во включенном состоянии; б) в выключенном состоянии

В более узком диапазоне частот 0–2,5 ГГц еще лучшие показатели имеет микросхема коммутатора HMC348LP3/HMC348LP3E. Она дает ослабление сигнала во включенном состоянии –0,6 дБ и в выключенном состоянии –55 дБ на частоте 1 ГГц и даже –80 дБ в выключенном состоянии на частоте до 2,5 ГГц. Столь высокое ослабление сигнала достигается в достаточно широкой (хотя и не рекордной для микросхем компании Hittite Microwave) полосе частот.

Микросхемы коммутаторов с повышенной мощностью коммутируемых сигналов

В ряде применений коммутаторов необходимо коммутировать сигналы достаточно высоких уровней — с мощностью, не выводящей приборы из строя, до десятков ватт. Hittite Microwave выпускает ряд микросхем коммутаторов такого рода, именуемых Filesafe Switch.

Функциональная диаграмма одной из таких микросхем GaAs MMIC 40W Filesafe Switch HMC646LP2/646LP2E представлена на рис. 14. Рабочие состояния микросхемы представлены в таблице 3. Напряжение питания микросхем Vdd — +3ѕ+8 В. Управляющее напряжение Vctrl = ± 0,2Vdc. Микросхема имеет сигнальные порты RFC, Tx и Rx.

Рис. 14. Функциональная диаграмма микросхемы HMC646LP2/646LP2E

В отличие от описанных выше апериодических микросхем такие микросхемы имеют LC-резонансные цепи, хорошо согласующие импеданс, но в узком частичном диапазоне частот. Типичная схема включения микросхем HMC646LP2/646LP2E показана на рис. 15. В таблице 4 представлены номиналы ее компонентов на трех частотах при общем диапазоне 0,1–2,2 ГГц. Монтаж микросхемы HMC646LP2/646LP2E на печатную плату представлен на рис. 16.

Рис. 15. Принципиальная схема включения микросхем HMC646LP2/646LP2E

Рис. 16. Монтаж микросхемы HMC646LP2/646LP2E на печатную плату

Зависимости коэффициента передачи (потерь) для микросхем HMC646LP2/646LP2E во включенном и выключенном состоянии показаны на рис. 17.

Рис. 17. Зависимости коэффициентов передачи микросхем HMC646LP2/646LP2E: а) во включенном состоянии; б) в выключенном состоянии

У этой микросхемы не повреждающая ее мощность сигнала достигает 40 Вт. Мощность до 20 Вт обеспечивает микросхема HMC546MS8G/HMC546MS8GE. Диапазон частот коммутируемых сигналов у этой микросхемы 0,2–2,2 ГГц.

Микросхема HMC784MS8GE SPDT, 10W, T/R (рис. 18а) выполнена в миниатюрном корпусе с малоиндуктивными балочными выводами. В полосе частот 0–4 ГГц она обеспечивает коммутацию СВЧ-сигналов с неповреждающей мощностью до 10 Вт.

Рис. 18. Микросхема коммутатора HMC784MS8GE SPDT, 10W, T/R: а) внешний вид; б) типовая схема включения

Типовая схема включения микросхемы представлена на рис. 18б. Она не содержит резонансных цепей с индуктивными элементами, что является ее несомненным достоинством.

На рис. 19 представлены типовые зависимости потерь микросхемы HMC784MS8GE во включенном и выключенном состояниях. Во включенном состоянии потери малы до частоты примерно 3 ГГц. Зависимость потерь от частоты гладкая и резонансных явлений не выявляет. В спецификации микросхемы есть обширные данные по параметрам, характеризующим ее нелинейные свойства при большой мощности коммутируемых СВЧ-сигналов.

Рис. 19. Зависимости потерь микросхемы HMC784MS8GE: а) во включенном состоянии; б) в выключенном состоянии

Монтаж микросхемы на печатную плату представлен на рис. 20. Бескорпусные разделительные конденсаторы C1–C3 имеют номинал емкости в 100 пФ, блокирующий конденсатор C4 — 10 нФ. Применены бескорпусные резисторы с номиналом в 100 Ом.

Рис. 20. Монтаж микросхемы HMC784MS8GE на печатную плату

Микросхемы СВЧ-коммутаторов на p-i-n-диодах

Микросхемы коммутаторов на полевых GaAs-транзисторах имеют важное достоинство: по цепям управления они потребляют очень малый ток. Однако максимальные частоты коммутируемых сигналов у них ограничены примерно 20 ГГц. Существенно более высокие частоты имеют микросхемы коммутаторов на p-i-n-диодах. Такие GaAs-диоды имеют очень малые размеры i-области и малые собственные емкости. При пропускании через них прямого тока дифференциальное сопротивление диодов падает до единиц Ом и менее, что и положено в основу коммутации сигналов.

На рис. 21 показана функциональная диаграмма микросхемы HMC975, которая является коммутатором сверхширокополосных сигналов с полосой частот 2–50 ГГц. Микросхема имеет бескорпусное оформление и очень малые размеры: 1,75×1,1×0,1 мм.

Рис. 21. Функциональная диаграмма микросхемы HMC975

Функциональная схема этой микросхемы представлена на рис. 22. Здесь стоит обратить внимание на организацию радиочастотных выводов. Даже внутри микросхемы она реализована в виде микрополосковых линий передачи, обеспечивающих максимально возможное согласование с расчетными сопротивлениями в 50 Ом.

Рис. 22. Функциональная схема микросхемы HMC975

Микросхема коммутатора подключается к внешним цепям с помощью микрополосковых широкополосных линий передачи. Схема подключения показана на рис. 23. Для уменьшения паразитной индуктивности золотых проводников они выполнены на основе параллельного включения двух проводников.

Рис. 23. Подключение микросхемы HMC975 к микрополосковым линиям передачи

На рис. 24а приведены зависимости коэффициентов передачи при включенном состоянии. На низкочастотной границе рабочего диапазона коммутируемых сигналов коэффициент передачи составляет менее –0,5 дБ и почти монотонно растет с повышением частоты до 50 ГГц.

Рис. 24. Зависимости коэффициентов передачи HMC975: а) при включенном состоянии; б) при выключенном состоянии

Зависимости коэффициентов передачи при выключенном состоянии показаны на рис. 24б. Они различны для левой и правой части функциональной схемы коммутатора.

На рис. 25 показан вид микросхемы HMC971, выполненной в бескорпусном оформлении. Ее размеры 2,21×1,26×0,1 мм (меньше спичечной головки).

Рис. 25. Вид бескорпусной микросхемы HMC971

Функциональная схема микросхемы HMC971 приведена на рис. 26. Здесь радиочастотные выводы также реализованы в виде микрополосковых линий передачи. Подключение микросхемы HMC971 к внешним цепям представлено на рис. 27.

Рис. 26. Функциональная схема микросхемы HMC971

Рис. 27. Подключение микросхемы HMC971

Зависимость коэффициента передачи при включенном состоянии микросхемы HMC971 от частоты показана на рис. 28а при различных значениях температуры окружающей среды, а частотная зависимость в выключенном состоянии — на рис. 28б.

Рис. 28. Зависимость коэффициента передачи микросхемы HMC971: а) при включенном состоянии; б) при выключенном состоянии

Наиболее высокочастотной микросхемой коммутатора SPDT SWITH является HMC SDD112 (полоса частот 55–86 ГГц). Она выпускается в бескорпусном исполнении (рис. 29а) и имеет размеры 2,01×0,975×0,1 мм.

Рис. 29. СВЧ-коммутатор HMC SDD112: а) бескорпусная микросхема; б) функциональная диаграмма

Функциональная диаграмма СВЧ-коммутатора HMC SDD112 приведена на рис. 29б. Управляющее напряжение этой микросхемы –5/+5 В, коэффициент передачи во включенном состоянии –2 дБ, в выключенном — –30 дБ.

Типовые зависимости от частоты потерь при включенном и выключенном состоянии микросхемы HMC971 показаны на рис. 30. Типичное подключение микросхемы к отрезкам линий передачи и к источникам управляющих сигналов приведено на рис. 31.

Рис. 30. Типовые частотные зависимости потерь при включенном и выключенном состоянии микросхемы HMC971

Рис. 31. Подключение микросхемы к отрезкам линий передачи и источникам управляющих сигналов

Заключение

Монолитные микросхемы коммутаторов корпорации Hittite Microwave многократно превосходят коммутаторы на основе обычных коаксиальных конструкций [4] по массо-габаритным показателям и частотному диапазону коммутируемых СВЧ-сигналов. Они не уступают им по коэффициенту передачи во включенном состоянии. В то же время ослабление в выключенном состоянии у них все же меньше, чем у обычных коммутаторов на полевых транзисторах и p-i-n-диодах. Это обусловлено ограниченными возможностями качественного экранирования цепей и отдельных их компонентов в монолитных микросхемах и влиянием паразитных емкостей их структур, расположенных очень близко друг от друга. Тем не менее перспективность монолитных микросхем коммутаторов СВЧ-сигналов очевидна, и продукция корпорации Hittite Microwave является этому наглядным подтверждением.

Литература

1. http://www.hittite.com
2. Дьяконов В. П. Пикосекундные цифровые монолитные микросхемы корпорации Hittite Microwave // Компоненты и технологии. № 9. 2011.
3. Дьяконов В. П. Монолитные СВЧ-микросхемы аттенюаторов и усилителей компании Hittite Microwave // Компоненты и технологии. 2011. № 10.
4. Дьяконов В. П. СВЧ-аксессуары фирмы Agilent Technologies // Компоненты и технологии. 2011. № 9.
5. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Электронные измерения в нанотехнологиях и микроэлектронике. М.: ДМК-Пресс. 2011.