Commutatori RF a semiconduttore: componenti di circuito di piccole dimensioni ma dalle alte prestazioni

I commutatori RF sono usati per selezionare un segnale desiderato tra più fonti disponibili, oppure per instradare un segnale verso un canale desiderato, in applicazioni quali i sistemi ad antenne multiple, radar e configurazioni di test e misurazione. I commutatori (a volte detti relè) possono essere realizzati utilizzando progetti elettromeccanici (EM) simili a un commutatore non RF, ma sono stati ormai soppiantati da CI commutatori, tranne in applicazioni di potenza superiore in cui i CI sono inadeguati, come pure in alcune situazioni molto particolari o in cui il commutatore richiede più poli (contatti).

Esistono anche commutatori RF basati sulla tecnologia MEMS che replicano il progetto elettromeccanico ma usano le tecniche di fabbricazione di CI. Questo articolo prende in esame i commutatori a stato solido basati su CI, con architettura SPDT (unipolare a due vie) (Figura 1), solitamente realizzati con diodi FET e PIN come elemento di commutazione core.


Figura 1: Un commutatore RF SPDT è concettualmente semplice, con un segnale di controllo che comanda al commutatore di indirizzare l'input a uno dei due output possibili. (Per gentile concessione di Skyworks Solutions)

Questi sono numerosi parametri che definiscono le prestazioni del commutatore RF e la maggior parte di essi deve essere caratterizzata rispetto alla tensione di alimentazione, la temperatura, la frequenza, il livello di potenza e altri fattori. Alcuni sono particolarmente critici in una determinata applicazione, altri potrebbero non essere altrettanto vitali. Tenere presente che la maggior parte dei commutatori RF è progettata per il funzionamento a 50 , ma alcuni sono progettati per i 75  standard della TV via cavo. Date le alte frequenze a cui operano questi commutatori, molti fornitori oggi offrono parametri S e carte di Smith come parte delle proprie specifiche tecniche (per una presentazione vedere l'articolo TechZone "The Smith Chart: An ‘Ancient’ Graphical Tool Still Vital in RF Design"), per aiutare i progettisti a determinare le prestazioni complessive del percorso dei segnali, abbinando le impedenze dei componenti per perdite minime e le prestazioni del sistema di modellazione.

Il primo parametro che i progettisti devono controllare è la copertura del campo di frequenza del commutatore. Ad esempio, le prestazioni di un commutatore possono essere specificate completamente tra 1 e 5 GHz, oppure tra 3 e 10 GHz, oppure solo su una banda limitata come quella Wi-Fi a 2,4 GHz (sebbene il commutatore funzionerà a banda inferiore, non garantita, al di fuori dell'intervallo). Data la fisica di base del semiconduttore, i commutatori RF basati su diodi PIN tendono ad avere prestazioni ridotte a frequenze più basse, mentre i dispositivi basati su FET possono operare a frequenze molto basse e anche in c.c.

La gestione della potenza è l'altro fattore critico. Tuttavia, non si tratta solo di quanta potenza il commutatore è in grado di gestire prima di guastarsi, ma anche delle sue prestazioni a vari livelli di potenza. I complessi schemi di modulazione attuali e gli alti rapporti di potenza dei segnali da media a massima richiedono che il commutatore sia in grado di offrire prestazioni sufficienti in linearità, rapporto di perdita del canale adiacente (ACLR), distorsione, prodotto di intermodulazione del terzo ordine (IP3) e modulo del vettore errore (EVM) in banda ai livelli di potenza desiderati.

In alcune applicazioni anche la velocità di commutazione, che non è correlata al campo di frequenza, è importante. Mentre la definizione cambia a seconda del fornitore, quella più comune del tempo di attivazione è il tempo che l'uscita RF del commutatore impiega per raggiungere il 90% del suo valore finale dopo l'avvio del cambiamento in "posizione" di commutazione; il tempo di disattivazione è il tempo richiesto per scendere al 10% del valore finale. I commutatori in CI hanno tempi di attivazione/disattivazione dell'ordine di microsecondi e addirittura di nanosecondi (rispetto a quelli EM, che sono dell'ordine di millisecondi). Strettamente correlato alle velocità di commutazione, e più importante in molte applicazioni, è il tempo di assestamento, quando l'uscita RF si assesta entro 0,1 dB o addirittura 0,05 dB del valore finale, perché il circuito non può intervenire su un segnale finché non è arrivato molto vicino al suo valore finale corretto in molte applicazioni.

La perdita di inserzione definisce l'attenuazione nel percorso del segnale. Tutti i commutatori CI inducono una qualche perdita nel segnale che instradano a causa della resistenza del canale attivo, dell'aggiunta della loro resistenza nello stato On all'impedenza di carico e alla riflessione del segnale associata, oltre alla perdita per la capacitanza interna. La perdita di inserzione è in genere compresa tra 0,5 e 2 dB e i fornitori possono adattare la resistenza interna e la capacitanza per ridurre al minimo la perdita entro la banda della frequenza operativa specificata, al costo di una minore perdita di inserzione al di fuori di detta banda.

La specifica dell'isolamento definisce la trasmissione del segnale RF alle porte disconnesse (o disinserite) del commutatore. Ancora una volta, i progettisti di commutatori possono realizzare topologie che sfruttino la fisica del dispositivo e che producano compromessi nell'isolamento a frequenze diverse. Pertanto, un commutatore a banda larga può avere un isolamento di 80 o anche 90 dB a frequenze più basse, ma solo tra 30 e 40 dB a frequenze più alte.

Il "video feedthrough" caratterizza i transitori di tensione che appaiono alle uscite del commutatore quando quest'ultimo cambia percorso del segnale anche se in quel momento non c'è un segnale. È importante nella progettazione di amplificatori ad alto guadagno con AGC (controllo automatico del guadagno), destinati a ridurre intenzionalmente il proprio guadagno in risposta agli aumenti nel livello del segnale.

Il consumo di potenza e pilotaggio indicano il tipo e la quantità di segnale elettronico richiesti per gestire la linea di controllo del commutatore e quanta potenza consuma - in quanto dispositivo attivo, diversamente a un interruttore c.c. - anche quando non sta cambiando il suo percorso di instradamento. (Tenere presente che i commutatori EM hanno esigenze di potenza relativamente alte quando commutano ma dissipazione zero a commutazione avvenuta, essendo dei dispositivi passivi.)

Tutti i commutatori hanno problemi di affidabilità. In quanto dispositivi senza parti mobili, i commutatori CI possono operare all'infinito (per centinaia di milioni di cicli) se usati entro i loro valori, mentre un commutatore EM può essere specificato solo per diversi milioni di cicli. Cicli termici e temperatura elevata, tuttavia, possono ridurre la vita del commutatore CI che può essere danneggiato dall'applicazione di una potenza eccessiva o da eventi ESD.

Infine, vediamo la configurazione della terminazione del commutatore. I commutatori RF sono studiati per essere dei dispositivi riflettenti o assorbenti. Un commutatore riflettente non ha un percorso di shunt alla terra di sistema sulla connessione aperta, in tal modo minimizzando il carico sulla porta inutilizzata. Per contro, il commutatore assorbente ha un percorso di terminazione a 50  (shunt) a terra quindi non c'è riflessione sulla linea del segnale. Di conseguenza il ROS in tensione (rapporto d'onda stazionaria in tensione) è basso, indipendentemente dallo stato del commutatore. Molti commutatori sono disponibili in entrambi i formati ma per il resto le specifiche sono quasi identiche.

CI diversi rispondono a esigenze diverse

Hittite Microwave Corp. (ora parte di Analog Devices, Inc.) offre HCM545, un commutatore SPDT GaAs base (Figura 2) specificato per c.c. con funzionamento a 3 GHz, rivolto a infrastrutture cellulari, LAN wireless, progetti per il settore automotive e apparecchiature di test. Ha una perdita tipica di 0,25 dB e IP3 di ingresso di +65 dBm ed è progettato ad assorbimento sulle porte quando è "off". È controllato da un segnale CMOS/TTL (da 0/+3 V a 0/+8 V) ed è alloggiato in un piccolo contenitore in plastica SOT26 a 6 conduttori.


Figura 2: HCM545 di Hittite usa un driver CMOS base della serie 74C per azionare il pin di controllo del percorso del segnale.

Per la copertura di frequenze superiori ma senza prestazioni c.c., il commutatore SPDT GaAs SKY13350-385LF assorbente di Skyworks Solutions copre da 0,01 a 6,0 GHz, con perdita di inserzione tipica di 0,35 dB e isolamento tipico di 25 dB, entrambe misurate a 3 GHz. È in grado di gestire una potenza fino a 32 dBm con una velocità di commutazione 10/90% di 45 ns. Come con quasi tutti i componenti RF, le prestazioni dipendono dalla tensione di alimentazione; la Figura 3 mostra l'EVM rispetto alla potenza di uscita per un intervallo di tensioni di alimentazione, nella banda IEEE 802.11a da 5,2 a 5,8 GHz.


Figura 3: Quasi tutti i componenti RF attivi sono sensibili alla tensione di alimentazione, alla temperatura e al livello di potenza; qui è illustrata la variazione di EVM rispetto sia alla tensione di alimentazione che al livello di potenza per SKY13350-385LF di Skyworks Solutions.

Per progetti a frequenze molto superiori, il commutatore SPDT MASW-002103-1363 di M/A-Com è specificato da 50 MHz a 20 GHz ed è utilizzabile fino a 26 GHz; la capacità di gestione della potenza è di 38 dBm. La perdita di inserzione (Figura 4) è di circa 0,4 dB all'estremità inferiore dell'intervallo e sale a 1,0 dB a 20 GHz e a 1,6 dB a 25 GHz.


Figura 4: La perdita di inserzione di un commutatore aumenta con l'aumentare della frequenza; qui la perdita del commutatore SPDT MASW-002103-1363 di M/A-Com è illustrata da appena sopra c.c. a 26 GHz.

Mentre la maggior parte dei commutatori RF usa la tecnologia GaAs o CMOS, Peregrine Semiconductor usa un processo UltraCMOS proprietario (una variazione brevettata della tecnologia SOI (Silicon-on-insulator) su un substrato di zaffiro) offrendo quelle che asserisce siano le prestazioni di GaAs con l'economia e l'integrazione della CMOS tradizionale. Il commutatore RF ad assorbimento PE42520MLBA-Z è progettato per applicazioni wireless e di test/ATE. Ha un campo di frequenza tra 9 kHz e 13 GHz con un valore di gestione della potenza di 36 dBm CW (onda continua) e una potenza istantanea di 38 dBm a 8 GHz in 50 . La perdita di inserzione è rispettivamente di 0,8, 0,9 e 2,0 dB a 3, 10 e 13 GHz, mentre l'isolamento è di 45, 31 e 18 dB agli stessi punti di frequenza. Come per tutti i commutatori RF, anche la perdita di inserzione dipende dalla temperatura (Figura 5).


Figura 5: Anche la perdita di inserzione, come la maggior parte degli altri parametri del commutatore, dipende dalla temperatura; per SPDT PE42520MLBA-Z di Peregrine Semiconductor aumenta di circa 0,5 dB da -40 a +85 °C.

Riepilogo

Un complesso front-end della catena di segnali può facilmente avere un elevato numero di commutatori tra l'antenna e il processore per supportare più requisiti di banda, funzioni e applicazione. Mentre un commutatore RF è funzionalmente simile a un interruttore c.c. o di alimentazione, il design interno e le specifiche d'interesse sono molto diverse. Ogni commutatore RF è un compromesso tra diverse caratteristiche prestazionali e compensazioni (oltre che problemi di costo), a partire dal campo di frequenza del funzionamento, fino alla perdita di inserzione, la potenza nominale, l'isolamento e la velocità di commutazione, tra molti altri valori. I progettisti devono fare molta attenzione alle specifiche tipiche e anche ai valori massimi/minimi, oltre a esaminare le inevitabili variazioni delle prestazioni rispetto ai livelli di alimentazione, temperatura e potenza.

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine delle informazioni sui prodotti sul sito DigiKey.