UltraCMOS Фирмы «Peregrine Semiconductor»: СВЧ возможности КМОП-технологии

^[1]

Полагаю, что у большинства аббревиатура КНС ^[2] – Кремний На Сапфире (Si & Al2O3) более 25 лет, компания «Peregrine Semiconductor» ^[3] создала технологию UltraCMOS 11 ^[4], которая по показателю Ron*Coff обладает лучшими ^[5] параметрами, чем доминирующая на рынке десятилетиями технология GaAs.

Толчком к развитию технологии КНС послужила ее повышенная радиационная стойкость, которая необходима для космических (Space) и высоконадежных (Hi-Rel) применений. Так, например, полностью отсутствует «тиристорный эффект» (подразделение компании E2V ^[6]. Фирма «Peregrine Semiconductor» поставляет гражданскую продукцию — в данный момент до 40 ГГц – и продолжает повышать планку!

На данный момент компания «Peregrine Semiconductor» производит для высоконадежного рынка: переключатели до 8.5 ГГц, цифровые аттенюаторы до 4 ГГц, преобразователи вторичного питания, микросхемы ФАПЧ до 5 ГГц и предделители частоты до 13.5 ГГц.

Для гражданского рынка: переключатели до 40ГГц, цифровые аттенюаторы до 8 ГГц, конденсаторы перестраиваемые цифрой до 3ГГц, ограничители мощности с переменным порогом до 6ГГц, смесители, монолитные контроллеры амплитуды и фазы и GaN FET драйверы.

По ряду параметров микросхемы фирмы «Peregrine Semiconductor» успешно конкурируют с такими известными производителями, как Skyworks, RFMD (Qorvo), Hittite (ADI). Рассмотрим наиболее удачные из них.

1. СВЧ переключатели (RF Switches ^[7])

СВЧ переключатели производятся с момента основания компании и имеют наиболее широкую номенклатуру – более 50 изделий. Они находят применение в сотовой связи, радио- и измерительном оборудовании, антенных системах и кабельных сетях.

Достоинствами переключателей фирмы «Peregrine Semiconductor» является их низкая стоимость, низкое энергопотребление, высокая линейность и для многих — расширенный рабочий диапазон температур. Из недостатков – они далеко не самые быстрые и мощные. Лучшее время переключения составляет 145 нс, самая большая коммутируемая мощность – 18 Вт. Максимальное число полюсов – 5 (SP5T). На частоте порядка 200 МГц лучшие потери 0.1 дБ, а изоляция – 94 дБ.

PE42020 – уникальный “True DC” здесь ^[8].

PE42723 – 75-Ом-ный SPDT переключатель 5-1794 МГц, суперлинейный с IP3 = 88 дБм @ (17 МГц & Pin= 18 дБм) по входу, с очень низкими гармониками, которые характеризуются как 3fo = -140 дБн @ 17 МГц. Потери на проход составляют 0.3 дБ, изоляция между портами RFC-RFX 54 дБ @ 204 МГц. Имеет встроенную защиту от электростатики 3 кВ (HBM). На данный момент это единственный переключатель в мире, соответствующий стандарту DOCSIS 3.0/3.1 для кабельных сетей.

PE42524 – это широкополосный SPDT переключатель 0.01-40 ГГц в корпусе flip-chip. Рекомендации по монтажу такого корпуса с примерами даны в AN42 ^[9].

Переключатель характеризуется: высокой изоляцией 50 дБ @ 26.5 ГГц, 51 дБ @ 40 ГГц; отличной линейностью – 31.5 дБм @ 26.5 ГГц и низкими потерями – 1.8 дБ @ 26.5 ГГц, 3.1 дБ @ 35 ГГц. Имеет встроенную защиту от электростатики 2 кВ (HBM). Это единственный КМОП переключатель, который забрался так высоко! Среди остальных широкополосных переключателей следует отметить также PE42522, который работоспособен до 26.5 ГГц и PE42542/PE42543 — до 18 ГГц.

PE423422 — SPDT переключатель 100-6000 МГц с расширенным температурным диапазоном -40°…+105°С по автомобильному стандарту AEQ100 Grade2 (105°С). Потери – 0.25 дБ @ 1 ГГц, изоляция 41 дБ @ 1 ГГц; для 6 ГГц -0.9 дБ и 16 дБ соответственно.

PE42920 – сдвоенный дифференциальный переключатель 10 – 6000 МГц. Потери – 1 дБ @ 1 ГГц, изоляция 26 дБ в том же канале и 30 дБ – между разными каналами. Имеет встроенную защиту от электростатики 2 кВ (HBM). Потребляет всего лишь 100 мкА @ 3.3 В

2.Цифровые аттенюаторы (DSA ^[10])

Гражданская линейка содержит более 20 микросхем PE43XXX, как 50-ти, так и 75-ти Ом-ных. Верхним в линейке продуктом является PE43705 с диапазоном рабочих частот от 9кГц до 8 ГГц, вносимым ослаблением до 31.75 дБ с минимальным шагом 0.25 дБ, что соответствует 128 комбинациям или 7-ми битному управлению.

Для высоконадежных применений выпускается лишь PE94302 с диапазоном рабочих частот 0.25-4000 МГц, вносимым ослаблением до 31.5 дБ с минимальным шагом 0.5 дБ, что соответствует 6-ти битному управлению.

Одним из недостатков цифровых аттенюаторов являются выбросы в момент их переключения, из-за несинхронной работы внутренних ключей. Фирма «Peregrine Semiconductor» разработала семейство аттенюаторов PE43711/PE43712/PE43713 (glitchless), которое практически полностью свободно от этого недостатка. Вдобавок, эти микросхемы совместимы по выводам с предыдущими поколениями цифровых аттенюаторов, что позволяет легко произвести их замену.

3. Конденсаторы перестраиваемые цифрой (DTC ^[11]) и настроечные переключатели (TCS ^[12]).

В своем роде уникальные микросхемы. Линейка DTC содержит 8 микросхем PE64X0X с диапазоном рабочих частот 100-3000 МГц. Такая микросхема содержит набор переключаемых конденсаторов с 4-х или 5-ти битным управлением, что дает 16 или 32 различных состояния. Максимальный диапазон емкости: 1.88-14 пФ с шагом 391 фемтофарад, минимальный: 0.6-2.35 пФ с шагом 117 фемтофарад. Управляются эти микросхемы по SPI или I2C интерфейсу. Их удобно использовать для перестройки антенн, подстройки, коррекции и оптимизации различных СВЧ цепей.

Настроечные переключатели (TCS) PE613010/PE613050 предназначены для коммутации внешних цепей коррекции для тех же частот.

4. Ограничители мощности (Power Limiters ^[13])

Используются для защиты чувствительных цепей в импульсных системах. Производится два ограничителя. Топовый PE45450 имеет диапазон рабочих частот от 9 кГц до 6 ГГц и порог ограничения 25-35 дБм. Характеризуются высокой линейностью по входу IP3 = 70 дБм @ 915 МГц. Постоянная допустимая мощность – 10 Вт, импульсная – 50 Вт. Имеет встроенную защиту от электростатики 8 кВ (HBM). Важное преимущество, помимо регулируемого порога ограничения — высокая скорость реакции – порядка 1 нс!

5. Смесители (Mixers ^[14])

Текущая линейка состоит из 5-ти микросхем. В настоящий момент наиболее высокочастотным является смеситель с подавлением зеркальной составляющей PE41901 для диапазона частот 10-19 ГГц. Потери преобразования составляют 8 дБ при мощности гетеродина 17 дБм, промежуточная частота составляет 0-4 ГГц. Имеет встроенную защиту от электростатики 1 кВ (HBM). Микросхема полностью совместима по выводам со смесителями HMC527LC4 (8.5-13.5ГГц) и HMC528LC4 (11-16ГГц) производства фирмы ADI (Hittite).

6. Предделители частоты (Prescalers ^[15])

Для гражданского рынка производится лишь PE35400 – делитель на 4 для частот 3-13.5 ГГц в виде кристалла. Остальные 7 микросхем – делители на 2, 4 и 8 до 13.5 ГГц предназначены для высоконадежного рынка.

7. Микросхемы ФАПЧ (PLL ^[16])

Для гражданского рынка производится лишь PE83336: целочисленный ФАПЧ для частот 0.5-3 ГГц. Точнее, это микросхема в керамическом корпусе CQFJ-44 и военного диапазона температур -55..+125°С

Остальные 11 микросхем — 3 дробных и 8 целочисленных ФАПЧ — предназначены для высоконадежного рынка. Лучшими параметрами в своем классе обладает целочисленный радстойкий ФАПЧ PE97240: рабочая частота 800-5000 МГц, опорная частота 100 МГц, нормированные фазовые шумы -230 дБн/Гц. Микросхема производится в керамическом корпусе CQFP-44. Ее типовые фазовые шумы на частоте 3 ГГц (питание 2.7 В, предделитель 5/6, +25 градусов С, полоса фильтрации 500 кГц) показаны ниже.

8. Фазовращатели и Монолитные Контроллеры Амплитуды и Фазы (MPAC ^[17])

Этим микросхемам посвящена обзорная статья ^[18]. На данный момент фазовращатель выпускается только один: PE44820 — для диапазона частот 1.7-2.2 ГГц, который перекрывает все 360° с разрешением по фазе 1.4°. При работе в узкой полосе он может использоваться для частот 1-3 ГГц.

MPAC'и – это 3-и более сложные микросхемы PE461X0 для построения составных усилителей Doherty ^[19] и PE19601 которая предназначена для использования в антенных решетках и измерительном оборудовании. PE46120/PE46130/PE46140 работают в частотных диапазонах 1.8-2.2/2.3-2.7/3.4-3.8 ГГц соответственно и помимо фазовращателя, который перекрывает 90° с шагом 2.8° содержат еще и аттенюатор 7.5 дБ с шагом 0.5 дБ. PE19601 помимо фазовращателя, который перекрывает 360° с шагом 5.6° и аттенюатора 31.5 дБ с шагом 0.5 дБ содержит еще и переключатели для разных режимов работы. Эта микросхема работает в частотном диапазоне 8-12 ГГц (X-band).

9. Микросхемы для преобразования мощности (Power Management ^[20])

Сюда относятся высокоэффективные (выше 93%) преобразователи напряжения для высоконадежного рынка PE99151/PE99152/PE99153 на 2/6/10 А соответственно. Они используются для вторичного электропитания вычислителей (FPGA, DSP). Входное напряжение для всех преобразователей 4.6-6 В, выходное 1-3.6 В. Микросхемы выпускаются либо в корпусе CQFP-32, либо в форме кристалла (суффикс DIE).

Для гражданского рынка выпускается самый быстрый ^[21] в мире драйвер полевого транзистора GaN PE29100. Он выпускается в корпусе flip-chip размером 2х1.6 мм, имеет частоту переключения 33 МГц, задержку распространения 8 нс и время включения/выключения 1 нс.

Для всех изделий фирма «Peregrine Semiconductor» производит демонстрационные платы (EVK). На сайте компании размещены также дополнительные материалы по каждой микросхеме: схемы и перечень элементов EVK, S2P файлы, рекомендации по применению (AN), декларация о материалах.

Компания публикует список снимаемых в текущем году и уже снятых с производства микросхем (Discontinued Products ^[22]).
Фирма «Peregrine Semiconductor» имеет сертификаты AS9100C ^[23], ISO9001:2008 ^[24], ISO/TS16949:2009 ^[25] и уделяет большое внимание качеству выпускаемой продукции. На сайте компании существует соответствующий раздел ^[26], где публикуется «Ежеквартальный Отчет о Качестве» (Quarterly Reliability Report), который содержит данные об уровне отказов: EDH, FIT, MTTF как по разным технологиям, так и по группам микросхем.

Фирма «Peregrine Semiconductor» развивается, расширяя номенклатуру изделий и совершенствуя технологию, идя по пути уменьшения проектных норм и увеличения рабочих частот. Начиналось все с технологии UltraCMOS2 и проектных норм 500 нм, современная СВЧ технология UltraCMOS11 использует проектные нормы 130 нм и пластины диаметром 300 мм. Применение лишь широко распространенных химических элементов: Si и Al, делает ее недорогой и перспективной.

Автор: ЭФО

Источник ^[27]