№2 / 2018 / статья 6

Выбор ВЧ-диодов и ВЧ-транзисторов для современного беспроводного мира

Клаудия Моска (Infineon Technologies AG)

При организации беспроводных сетей не обойтись без высокочастотных дискретных полупроводниковых приборов. ВЧ ПИН-диоды, ВЧ-диоды Шоттки, ВЧ-транзисторы – широчайшую линейку этих изделий производит и предлагает на рынке компания Infineon.

В современном мире, где огромное число различных устройств постоянно находится «на связи», требуются надежные, высокопроизводительные, энергоэффективные беспроводные подключения. Высокочастотные (ВЧ) полупроводниковые приборы являются необходимыми компонентами, обеспечивающими эффективное функционирование мобильных и беспроводных телефонов, планшетов, игровых и цифровых телевизионных приставок. В области автомобилестроения радиочастотные устройства играют важную роль в различных встраиваемых системах – от контроля давления в шинах и дистанционного управления до навигационных и информационно-развлекательных систем. Средства ВЧ-связи играют также ключевую роль в управлении мультикоптерами, обеспечивая их безопасную эксплуатацию. Основой успешного решения перечисленных выше задач является выбор наиболее подходящих компонентов для беспроводных устройств.

Дискретные ВЧ-диоды и транзисторы – основа беспроводной связи

Согласно прогнозам, к 2020 году к глобальной сети будет подключено свыше 50 миллиардов различных устройств. Трафик сети постоянно поддерживается на высоком уровне как за счет интерактивного общения людей по беспроводным сетям, так и автоматического обмена данными между устройствами Интернета вещей (IoT). С достижением скорости передачи данных 1 Гбит/с наблюдается стремительный рост объема передаваемых данных, обусловленный трансляцией видеофайлов и потоковой передачей данных.

По мере того как мы становимся более зависимыми от беспроводных сетей, возрастают требования к качеству и доступности услуг связи, поэтому устойчивость и надежность систем связи приобретают решающее значение. При объеме рынка в € 345 млн дискретные ВЧ п/п-приборы составляют основу надежных и устойчивых беспроводных сетей в сегментах потребительских товаров, автомобильной электроники, промышленного и телекоммуникационного оборудования (рисунок 1).

Рис. 1. Спектр применений высокочастотных п/п-приборов

Рис. 1. Спектр применений высокочастотных п/п-приборов

К основным дискретным ВЧ п/п-приборам относятся PIN-диоды, диоды Шоттки и ВЧ-транзисторы. При выборе элементной базы разработчики руководствуются рядом критериев – чувствительностью системы, помехоустойчивостью, КПД и другими характеристиками. По мере уменьшения габаритных размеров беспроводных устройств ключевым фактором становится наличие высокоэффективных п/п-приборов, выполненных в различных типах корпусов, что позволяет разработчику разместить устройство в ограниченном объеме.

Другими важными критериями выбора компонентов являются их качество и надежность, что особенно важно для устройств, постоянно работающих в уличных условиях или при неблагоприятных внешних воздействиях, например, на промышленных предприятиях и в автомобильной технике.

PIN-диоды

Структура PIN-диодов подобна структуре обычных диодов, но отличается наличием внутреннего слоя нелегированного кремния между областями с p- и n-проводимостью. Внутренний слой увеличивает толщину изолирующей области и уменьшает емкость p-n-перехода, что дает существенные преимущества в радиочастотных коммутационных устройствах, особенно по сравнению с кремниевыми диодами.

PIN-диоды широко применяются в силовых и высоковольтных каскадах радиочастотных устройств. При смещении в прямом направлении PIN-диод представляет собой резистор, в обратном направлении – разомкнутую цепь, что позволяет использовать PIN-диоды в регулируемых аттенюаторах или коммутаторах. PIN-диоды применяются также в схемах защиты радиочастотных устройств. Коммутаторы на основе PIN-диодов применяются в мобильной радиосвязи (базовых станциях и носимых устройствах), сетях WLAN, цифровых телевизионных приставках и автомобильных мультимедийных системах.

Одной из основных характеристик PIN-диодов являются вносимые потери (RF), которые пропорциональны сопротивлению PIN-диода при его смещении в прямом направлении. Параметр RF обычно задается в милливаттах для определенной величины прямого тока и, в идеале, должен иметь минимальную величину. Однако при уменьшении сопротивления RF увеличивается внутренняя емкость CT, являющаяся фактором, существенно влияющим на характеристики широкополосных коммутаторов на PIN-диодах. По этой причине величина RF выбирается на основе компромисса с учетом допустимой величины емкости CT. Существенными параметрами PIN-диодов являются также линейность, обеспечивающая целостность сигнала, и время переключения, что особенно важно для быстрой коммутации совмещенных приемопередающих антенн.

Вследствие ограниченных габаритов современных мобильных устройств разработчики отдают предпочтение производителям, предлагающим широкую номенклатуру корпусов, что позволяет разместить PIN-диод на ограниченной площади печатной платы. Дополнительное увеличение плотности упаковки можно получить, используя сборки из нескольких PIN-диодов в одном корпусе.

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки характеризуются малым падением напряжения в прямом направлении (типичное значение составляет 0,2 В) и высокой скоростью переключения. Благодаря малому падению напряжения диоды Шоттки широко применяются как в силовой электронике, так и в радиочастотных устройствах, где их основным преимуществом по сравнению с диодами с p-n-переходом является высокая скорость переключения. Диоды Шоттки широко применяются в схемах детекторов, особенно в мобильных телефонах, устройствах сети WLAN и базовых станциях. Они применяются также в схемах смесителей цифровых телевизионных приставок и в аналогичных устройствах.

Диод Шоттки представляет собой полупроводник n-типа с нанесенным на него слоем металла и характеризуется низкой высотой потенциального барьера. Однако высокая напряженность электрического поля на краях металлизированной области приводит к появлению большого тока утечки и создает возможность пробоя. Для устранения данной проблемы по краю металлизированной области в слое полупроводника n-типа создается защитное кольцо с проводимостью p+, а также изолирующий слой диоксида кремния (рисунок 2).

Рис. 2. Структура диода Шоттки с защитным кольцом

Рис. 2. Структура диода Шоттки с защитным кольцом

Основной характеристикой диода Шоттки является обратный ток утечки, который пропорционален сопротивлению при смещении в прямом направлении (RF). Также важным параметром является КПД диодной схемы, особенно в портативных устройствах с батарейным питанием. Разработчикам необходимо обращать внимание и на искажение сигнала и линейность диода, чтобы обеспечить точное воспроизведение сигналов.

ВЧ-транзисторы

Биполярные транзисторы с гетеропереходом (HBT) обладают параметрами, которые делают их идеальными для применения в одно- и двухполосных малошумящих ВЧ-усилителях (МШУ). Транзисторы HBT классифицируются как низкочастотные (до 5 ГГц) и среднечастотные (до 14 ГГц).

МШУ и, соответственно, ВЧ-транзисторы широко применяются в различных типах радиочастотных устройств – системах спутниковой связи, навигационном оборудовании, устройствах мобильной и стационарной радиосвязи (например, WiMAX) и сетях Wi-Fi. Они являются также основными компонентами систем дистанционного управления мультикоптерами.

ВЧ-транзисторы характеризуются набором параметров, важнейшим из которых является коэффициент усиления сигнала (Gmax). Важной характеристикой, особенно в устройствах с батарейным питанием, является также КПД.

Другим существенным параметром МШУ является коэффициент шума (NF), который показывает ухудшение отношения «сигнал/шум» (SNR) реального усилителя по сравнению с идеальным усилителем без вносимых потерь и шума. Коэффициент NF численно равен отношению значения «сигнал/шум» на входе усилителя к значению «сигнал/шум» на его выходе.

Важное влияние на возможность применения транзисторов в конкретных приложениях оказывает технология их изготовления. Например, транзисторы на основе сплава кремния и германия (SiGe) превосходят арсенид-галлиевые транзисторы по ряду параметров, в том числе – имеют более высокий КПД за счет меньшего напряжения «коллектор-эмиттер» VCE и, как правило, меньший коэффициент шума. Биполярные транзисторы на основе SiGe:C (кремний-германий-карбид) так же, как и транзисторы SiGe, имеют отличные шумовые характеристики и высокую линейность, однако позволяют дополнительно встраивать защиту от электростатического разряда (ЭСР) в структуру транзистора, значительно увеличивая тем самым его надежность.

Современный технический уровень ВЧ п/п-приборов

Разработки компании Infineon в области беспроводной связи с поддержкой различных протоколов являются удачным примером развития технологий производства ВЧ п/п-приборов за последние несколько лет. Например, PIN-диод BA592 обеспечивает вносимые потери (RF) 360 мВт, а в PIN-диоде BAR63 внутренняя емкость (CT) снижена до 0,23 пФ. Для устройств с ограниченными габаритами имеется вариант сборки из четырех PIN-диодов BAR90 в сверхминиатюрном корпусе TSSLP8. Характеристики PIN-диодов производства компании Infineon делают их идеальным решением для антенных коммутаторов, а соответствие требованиям стандарта AEC позволяет использовать их в автомобилестроении.

Компания Infineon производит сборки диодов Шоттки с различными вариантами корпусирования, включая схемы с общим анодом и общим катодом, а также конфигурации с последовательным и параллельным включением. Серия BAT15 включает в себя различные конфигурации, в том числе – сдвоенные и счетверенные варианты размещения в корпусе, что, при внутренней емкости 0,26 пФ, делает их идеальным выбором для схем смесителей. Минимальную емкость CT 0,21 пФ обеспечивает диод Шоттки BAT24, что позволяет использовать его в радиолокационных системах на частотах до 24 ГГц.

Линейка ВЧ-транзисторов производства Infineon (в настоящее время – восьмое поколение транзисторов) обеспечивает малый уровень шума и высокую линейность характеристики (рисунок 3).

Рис. 3. Линейка ВЧ-транзисторов Infineon

Рис. 3. Линейка ВЧ-транзисторов Infineon

К основным характеристикам ВЧ-транзисторов восьмого поколения относятся высокая рабочая частота (до 80 ГГц) и малая потребляемая мощность, достигнутая благодаря возможности работы при напряжении питания до 1,2 В.

Биполярные транзисторы с гетеропереходом серии BFx84x являются лучшими п/п-приборами в классе дискретных ВЧ МШУ (рисунок 4) по сравнению с транзисторами седьмого поколения и лучшими аналогами, представленными на рынке. Благодаря особой геометрии в транзисторах серии BFx84x достигнуты коэффициент шума 0,85 дБ на частоте 5,5 ГГц и усиление до 23 дБ, что является лучшим на сегодняшний день набором параметров среди аналогов, представленных на рынке. Как и другие серии ВЧ-транзисторов производства компании Infineon, выполненные по технологии SiGe, транзисторы серии BFx84x содержат встроенную защиту от ЭСР до 1,5 кВ (Human Body Model).

Рис. 4. ВЧ-транзисторы восьмого поколения Infineon обеспечивают наибольшее усиление (а) и наименьший коэффициент шума (б)

Рис. 4. ВЧ-транзисторы восьмого поколения Infineon обеспечивают наибольшее усиление (а) и наименьший коэффициент шума (б)

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее