UltraCMOS от Peregrine Semiconductor — новая технология создания смесителей на Si

№ 1’2016
PDF версия
Компания Peregrine Semiconductor уже более четверти века специализируется на развитии технологии КНС (кремний на сапфире), которая обладает повышенной радиационной стойкостью и в терминологии компании называется UltraCMOS. Развитие технологии идет по пути уменьшения проектных норм, а значит, и постоянной времени Ron*Coff, что позволяет увеличивать рабочую частоту и степень интеграции разрабатываемых микросхем. В данной статье речь пойдет о смесителях PE4140/PE4141, PE4151/PE4152 и PE41901, последний из которых имеет рабочий диапазон 10–19 ГГц.

Со времен изобретения супергетеродинного приема смесители находят широкое применение в различных радиоприемных и радиопередающих устройствах. Как правило, они изготавливаются по GaAs-технологии. Компания Peregrine Semiconductor совершила революцию в области построения высокочастотных смесителей [1], изготовив их на основе кремния (Si). Достоинствами последней технологии UltraCMOS11 являются дешевизна, расширенный до +105 °C диапазон рабочих температур, высокая линейность и встроенная защита от ESD.

 

Смесители на счетверенных КМОП-транзисторах

Основные параметры смесителей приведены в таблице.

Таблица. Основные параметры смесителей

Микросхема

Буфер гетеродина

Рабочая частота (RF), МГц

Мощность гетеродина (LO), дБм

Промежу-точная частота (IF), МГц

Потери, дБ

IP3 по входу, дБм

P1dB, дБм

Корпус

Мин.

Макс.

Мин.

Макс.

PE4140

нет

0,01

6000

0

20

70

8–8,5

36

13–22

DFN-32, 3×3 мм

PE4141

нет

0,01

1000

0

20

 

33

MSOP-8, 3×3 мм

PE4151

есть

136

520

–10

–6

44,85–109,65

5,5–8

26

14–15

MSOP-10, 3×3 мм

PE4152

отключаемый

136

941

–10

23

109,65

5,8–7,5

26

QFN-20, 4×4 мм

При этом PE4140/PE4141 представляют собой четыре КМОП-транзистора в мостовой конфигурации, как показано на рис. 1. Смесители PE4151/PE4152 дополнительно содержат буферный усилитель в цепи гетеродина, что позволяет уменьшить мощность гетеродина до 0 дБм и при этом получать высокую линейность. Смеситель PE4152 дополнительно содержит переключатель, который позволяет буфер гетеродина отключать. При этом уменьшается энергопотребление и улучшается линейность смесителя, что важно для ряда приложений. Таким образом, достигается гибкость в применении PE4152. Особенности применения этой микросхемы при выключенном буферном усилителе описаны в AN‑52 [2], а ее структурная схема показана на рис. 2. Для всех перечисленных смесителей выпускаются демонстрационные платы. Одна из них, для PE4152, показана на рис. 3.

 

PE41901 — смеситель с подавлением зеркальной частоты

 При использовании обычного двойного балансного смесителя есть две существенные проблемы: просачивание гетеродина и наличие зеркального канала. Особенно это критично при преобразовании вверх, т. к. излучаемый сигнал обычно жестко нормируется по отсутствию побочных составляющих. Отфильтровать же полезный сигнал по выходу часто затруднительно, так как в частотной области он находится очень близко к несущей частоте, что требует применения фильтра высокого порядка. Для решения этой задачи как раз и служит смеситель с подавлением зеркальной частоты, который на самом деле представляет собой сложное устройство из двух смесителей, с параметрами, близкими к идентичным. Разницу при использовании этих двух типов смесителей иллюстрирует рис. 4. Заметим, что реализация смесителя с подавлением зеркальной частоты в одном корпусе требует большой степени интеграции, которую стало возможно получить лишь недавно, благодаря технологии UltraCMOS11.

Структурная схема смесителя PE41901 для полосы частот 10–19 ГГц (RF) фирмы Peregrine Semiconductor показана на рис. 5. Он содержит два балансных смесителя, симметрирующие трансформаторы, мост Ланга для сдвига фазы на 90° и разветвления мощности и сумматор. Типовая изоляция «гетеродин–СВЧ» (LO–RF) у PE41901 составляет 38 дБ, а подавление зеркального канала 20–25 дБ, что значительно облегчает построение выходного фильтра в случае преобразования вверх. Потери преобразования смесителя составляют 8 дБ при мощности гетеродина 17 дБм, полоса промежуточной частоты 0–4 ГГц, IP3 по входу 21 дБм, что говорит о его высокой линейности. Микросхема выпускается в корпусе QFN‑24 (3х3 мм) и имеет встроенную защиту от электростатики (HBM) 1 кВ.

Заметим также, что полезный сигнал на выходе смесителя будет определяться соотношением фаз на входах ПЧ (IF1, IF2). Так, при IF1 = 0° и IF2 = 90° полезным сигналом будет верхняя составляющая (LO+IF), как показано на рис. 6. При IF1 = 90° и IF2 = 0°, наоборот, полезным сигналом будет нижняя составляющая (LO–IF) (рис. 7). Стоит добавить, что при отсутствии постоянной составляющей на выводах RF и LO блокировочные конденсаторы не требуются. Демонстрационная плата для PE41901 показана на рис. 8.

Кроме того, смеситель PE41901 совместим по выводам с микросхемами на основе GaAs: HMC527LC4 (8,5–13,5 ГГц) и HMC528LC4 (11–16 ГГц) производства фирмы ADI (Hittite).

Таким образом, фирма Peregrine Semiconductor активно наращивает линейку смесителей, которые находят применение в СВЧ-системах связи «точка–точка», спутниковой связи, портативном радио, кабельных сетях и измерительном оборудовании. На данный момент верхняя рабочая частота для смесителей Peregrine Semiconductor составляет 19 ГГц. Компанией активно ведутся работы по расширению частотного диапазона до 43 ГГц, так что стоит ожидать выпуска новых смесителей UltraCMOS.

Литература
  1.  http://www.psemi.com/products/mixers
  2. http://www.psemi.com/pdf/app_notes/an52.pdf

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.