Двухполюсный переключатель PE42020 — новинка от фирмы Peregrine Semiconductor

В то же время компания предлагает ряд продуктов, имеющих гражданское назначение. Это СВЧ-переключатели до 40 ГГц, цифровые аттенюаторы до 8 ГГц, ограничители мощности с переменным порогом до 6 ГГц, конденсаторы, перестраиваемые цифрой (DTC), до 3 ГГц.

В настоящей статье пойдет речь о двухполюсном переключателе (SPDT) PE42020, который способен коммутировать как постоянное напряжение (DC), так и СВЧ-сигналы до 8 ГГц.

Из продукции фирмы Peregrine Semiconductor СВЧ-переключатели имеют наиболее широкую номенклатуру — свыше 45 изделий. Компания изготавливает переключатели для космических и высоконадежных применений, широкополосные с полосой до 10 МГц – 40 ГГц, для кабельных сетей с волновым сопротивлением 75 Ом, с расширенным температурным диапазоном –40…+105 °C по автомобильному стандарту AEQ100 Grade2, дифференциальные, многополюсные и т. д. За 2015 год фирма вывела на рынок 12 новых продуктов, восемь из которых составляют переключатели. PE42020 выбран из-за возможности «пощупать руками».

PE42020: технические характеристики и особенности

Микросхема питается от двуполярного напряжения ±15 В и имеет входную логику управления +3 В. Ее структурная схема проста и показана на рис. 1. Технические характеристики PE42020 для температуры +25 °C, VDD = +15 В, VSS = –15 В и LZ = 1 [1] представлены в таблице 1. Параметры состояний цифрового интерфейса приведены в таблице 2. Следует отметить, что при внутреннем терминировании свободного порта на 50 Ом (LZ = 0) параметры значительно лучше.

Рис. 1. Структурная схема PE42020

Первая особенность микросхемы заключается в том, что она способна коммутировать постоянное напряжение ±10 В и ток ±80 мА. А это серьезное достижение! Ведь не секрет, что очень часто обозначение 0–ХХ ГГц вовсе не свидетельствует, что микросхема способна действовать с постоянным напряжением. Как правило, имеется в виду лишь то, что она может работать с достаточно близкими к 0 сигналами в частотной области. Например, 10 кГц отличается от 10 ГГц на шесть порядков и на спектроанализаторе выглядит неотличимой от нуля, но это все-таки не ноль! Чтобы подчеркнуть разницу, фирма Peregrine Semiconductor называет свой PE42020 переключателем True DC, или «настоящим переключателем постоянного напряжения», поскольку эта особенностью значительно расширяет возможности его применения. Так, PE42020 подходит для коммутации скоростных цифровых потоков данных, без необходимости восстановления постоянной составляющей. А переключатель, имеющий почти такую же рабочую полосу — 10 кГц–8 ГГц, — такой возможностью не располагает. Схема эксперимента, когда выходной порт нагружен на 50 Ом, и проходная характеристика представлены на рис. 2 [2]. Тем не менее эта зависимость показана без учета максимального выходного тока ±80 мА и, соответственно, справедлива лишь для кратковременных значений. Следует отметить, что превышение максимального тока ±80 мА не ведет к немедленному отказу микросхемы, но сказывается на ее долговременной надежности. Надежность PE42020 гораздо выше для синусоидальных сигналов. Для примера, время жизни микросхемы составит более 10 лет при пропускании 30 дБм мощности в нагрузку 50 Ом. График максимальной мощности, которую способен пропускать переключатель в зависимости от частоты, изображен на рис. 3.

Рис. 2. Проходная характеристика по напряжению

Рис. 3. Максимально допустимая мощность в зависимости от частоты

Второй важной особенностью является то, что микросхема изготовлена по технологии UltraCMOS. Ранее СВЧ-переключатели выпускались на основе арсенида галлия (GaAs). Фирма Peregrine Semiconductor произвела революцию в этой области [3]. Помимо дешевизны, универсальности и стабильности параметров при вариациях напряжения, UltraCMOS-технология предлагает лучшую линейность, которая теперь характеризуется как уровень мощности при компрессии сигнала 0,1 дБ (P0,1dB) вместо привычной компрессии на 1 дБ (P1dB); повышенную защиту от электростатики (ESD) и простое сопряжение с цифровыми интерфейсами. Компрессия по уровню 0,1 дБ, в зависимости от коммутируемой постоянной составляющей, при напряжении питания ±11 и ±15 В видна на рис. 4. Показатель линейности по входу IIP3 для тех же условий дан на рис. 5. Гармонические искажения вплоть до 5‑й гармоники составляют –84 дБн, как показано на рис. 6. Вносимые переключателем шумы тоже крайне малы. В частности, при наблюдении шумов — 154 дБн на отстройке от несущей 10 МГц не заметно, используется переключатель или нет. Таким образом, PE42020 может использоваться для переключения различных антенн на входе приемного тракта.

Рис. 4. Компрессия сигнала 0,1 дБ в зависимости от постоянной составляющей на входе

Рис. 5. IIP3 в зависимости от постоянной составляющей на входе

Рис. 6. IIP3 в зависимости от постоянной составляющей на входе

Третья особенность состоит в том, что PE42020 может конфигурироваться как отражающий либо поглощающий переключатель с помощью вывода LZ, что добавляет гибкости в его использовании.

Отладочная плата EK42020-02

Для большинства своих продуктов компания Peregrine Semiconductor предоставляет демонстрационные платы, которые позволяют разработчику понять, подходит им микросхема по параметрам или нет, без необходимости проектировать собственную плату. Для PE42020 это EK42020-02, чей внешний вид показан на рис. 7, а схема на рис. 8 [4]. Также на сайте представлены Gerber-файлы и BOM — перечень используемых комплектующих, поэтому при желании можно изготовить подобную плату самостоятельно. Отметим, что 4‑слойная плата выполнена из материала Rogers RO4350B с диэлектрической проницаемостью ε = 3,66 и тангенсом угла потерь δ = 0,0037 на частоте 10 ГГц. Толщина верхнего слоя платы составляет 0,254 мм с фольгой 18 мкн. СВЧ-сигнал передается по копланарной микрополосковой линии, которая имеет толщину дорожки 13 мил и промежутки 10,5 мил. Ширина дорожки 13 мил = 0,3302 мм близко соответствует максимальной ширине вывода микросхемы 0,28 мм. На плате установлены качественные SMA-разъемы фирмы Cinch P/N 142-0761-881, у которых нормирован КСВ как 1,05+0,02×Частота [ГГц] (max) в полосе частот до 18 ГГц. Для учета потерь в СВЧ-материале на плате отдельно выполнена калибровочная линия, подключенная к разъемам J5, J6.

Рис. 7. Внешний вид демонстрационной платы EK42020-02

Рис. 8. Схема демонстрационной платы EK42020-02

Измерение параметров PE42020 на приборе ZVA24

Измерение параметров микросхемы было проведено на 4‑портовом измерителе цепей Rohde & Schwarz ZVA24 (рис. 9). Измерения проводились на базе Санкт-Петербургского представительства компании Rohde & Schwarz. На рис. 10 показаны потери в калибровочной линии в диапазоне частот 10 МГц – 24 ГГц, полученные с помощью данного прибора.

Рис. 9. Внешний вид измерителя цепей Rohde & Schwarz ZVA24

Рис. 10. Коэффициент передачи калибровочной линии на демонстрационной плате EK42020-02

ZVA24 позволяет также получать непосредственно s2p-, s3p-данные для двух- или трехпортовой конфигурации соответственно, с шагом до 10 МГц. Так, по этим данным, потери в калибровочной линии составляют 0,946 дБ на частоте 8 ГГц, что сравнимо с потерями в самой микросхеме и поэтому обязательно должны учитываться. Дополнительно прибор позволяет измерить время задержки в калибровочной линии, которое составляет 263,689 пс.

Для измерения непосредственно параметров микросхемы использована трехпортовая конфигурация, где разъемы J1/2/3 платы подключены к портам ZVA24 Port1/2/3 соответственно. На рис. 11 показаны полученные данные при управляющих сигналах LZ = 1 (нет внутреннего терминирования на 50 Ом), Contrl = 0, LS = 0. На этом рисунке красной линией (S23) указан коэффициент передачи в проводящем плече, а оранжевой — в закрытом (S13). Голубой график (S12) отображает паразитное просачивание из J1 в J2 соответственно. На рис. 12 приведены данные при LZ = 1, Contrl = 1, LS = 0. При этом оранжевая и красная кривая меняются местами, то есть путь J1–J3 на демонстрационной плате EK42020-02 становится проводящим, а J2–J3 — закрытым. Таким образом, плечи меняются местами по управляющему уровню на входе Contrl. Из обоих графиков также видно, что переключатель работоспособен и за пределами своей спецификации, примерно до 12 ГГц. Заметим, что рис. 11, 12 содержат данные без учета потерь в подводящих линиях, которые надо вычесть, чтобы получить параметры самой микросхемы. Это сделано в таблице 3 для условий LZ = 1, LS = 0, Contrl = 0. Полученные экспериментальным путем данные весьма близки к типовым цифрам из спецификации (Data Sheet) на микросхему. Подобная коррекция данных (deembedding) может быть сделана ZVA24 в автоматическом режиме, при подгрузке в прибор s2p-данных.

Рис. 11. Коэффициент передачи в открытом плече S23, коэффициент передачи в закрытом плече S13 и просачивание между плечами S12 для EK42020-02 при LZ = 1, Contrl = 0, LS = 0

Рис. 12. Коэффициент передачи в открытом плече S13, коэффициент передачи в закрытом плече S23 и просачивание между плечами S12 для EK42020-02 при LZ = 1, Contrl = 1, LS = 0

Таким образом, PE42020 является значительным прорывом в твердотельных переключателях, способных работать на постоянной составляющей. Надежность, гибкость в применении и небольшие габариты делают микросхему идеальной для использования в измерительном оборудовании. Это первая достойная альтернатива механическим переключателям и MEMS-устройствам. Переключатель также может предназначаться для коммутации антенн, где присутствуют СВЧ- и постоянная составляющие.

Автор выражает благодарность Санкт-Петербургскому подразделению Rohde & Schwarz за предоставленный анализатор цепей ZVA24 и помощь в проведении измерений.