Conmutadores semiconductores de RF: componentes de circuito pequeños pero de alto rendimiento

Los conmutadores de RF se utilizan para seleccionar una señal deseada de entre varias fuentes disponibles, o para dirigir una señal a un canal que se desee, en aplicaciones tales como sistemas de antena de diversidad, radar y configuraciones de prueba y medición. Los interruptores (a veces llamados relés) pueden ser construidos utilizando diseños electromecánicos (EM) similares a los de un conmutador sin RF, pero estos ya han sido reemplazados por CI interruptores, excepto en aplicaciones de alta potencia en las que los CI no son aptos, así como algunas situaciones muy especializadas o donde el interruptor necesita muchos polos (contactos). 

También hay conmutadores de RF basados en tecnología MEMS que replican el diseño electromecánico pero usan técnicas de fabricación de CI. Este artículo se centra en los interruptores de estado sólido basados en CI, que comienzan con un SPDT (polo único/posición doble) (Figura 1), y generalmente se construyen con FET y diodos PIN como su principal elemento de conmutación. 


Figura 1: Un interruptor SPDT de RF es conceptualmente simple, con una señal de control del interruptor para dirigir la entrada a una de las dos posibles salidas. (Cortesía de Skyworks Solutions)

Existen muchos parámetros que definen el rendimiento de un conmutador de RF, y la mayoría deben caracterizarse en comparación con el voltaje de alimentación, la temperatura, la frecuencia, el nivel de energía y otros factores. Algunos son especialmente importantes para una determinada aplicación, mientras que otros pueden no ser tan vitales. Tenga en cuenta que la mayoría de los interruptores están diseñados para operación a 50 Ω, pero algunos están diseñados para la televisión por cable estándar a 75 Ω. Dadas las altas frecuencias en la que estos interruptores funcionan, muchos proveedores ofrecen ahora parámetros S y gráficos Smith como piezas para sus especificaciones de hoja de datos (para mayor información, consulte el artículo de TechZone " El gráfico Smith: Una 'antigua' herramienta gráfica que sigue siendo vital para el diseño de RF " ), para ayudar a los ingenieros a la hora de determinar el rendimiento de ruta de señales, las impedancias de componentes acoplados con objeto de determinar la pérdida mínima, y el rendimiento del sistema de modelación. 

El primer parámetro que los ingenieros deben verificar es la gama de frecuencias que cubre el interruptor. Por ejemplo, el rendimiento de un interruptor puede ser especificado por completo desde 1 a 5 GHz, o de 3 a 10 GHz, o solamente sobre una banda limitada, como la banda Wifi de 2.4 GHz (a pesar de que el interruptor funcionará a un grado menor, no garantizado fuera del rango). Debido a la física subyacente de semiconductores, los conmutadores de RF basados en diodos PIN tienden a ofrecer un menor rendimiento en las frecuencias más bajas, mientras que los dispositivos basados en FET pueden funcionar a muy bajas frecuencias e incluso a CC. 

El manejo de potencia es el siguiente factor crítico. Sin embargo, no es sólo la cantidad de energía que el interruptor puede manejar antes de que falle, sino lo bien que funciona en diferentes niveles de potencia. Los complejos esquemas de modulación de la actualidad y una alta tasa de potencia de señal media a máxima implican que el interruptor debe ofrecer suficiente rendimiento de linealidad, de tasa de fuga de canal adyacente (ACLR), de distorsión, de producto de intermodulación de tercer orden (IP3), y magnitud del vector de error en banda (EVM) a los niveles de potencia de interés. 

La velocidad de conmutación, que no está relacionada con el rango de frecuencia, también es importante para algunas aplicaciones. Si bien la definición varía entre los proveedores, la definición más común de tiempo de encendido es el momento en que la salida del interruptor de RF alcanza al 90 por ciento de su valor final después de iniciar el cambio en la "posición" del interruptor; la hora de apagado es el momento de reducir a 10 por ciento del valor final. Los interruptores de CI tienen tiempo de encendido/apagado en el orden de microsegundos e incluso nanosegundos (si se comparan con los interruptores EM, que están en el rango de los milisegundos). Estrechamente relacionado con las velocidades de conmutación y el elemento más importante en muchas aplicaciones, es el tiempo de fijación, cuando la salida de RF se establece dentro de 0.1 dB o incluso 0.05 dB del valor final, porque el circuito no puede actuar sobre una señal hasta que ha llegado muy próximo a la válvula correcta final en muchas aplicaciones. 

La pérdida de inserción define la atenuación en el recorrido de la señal. Todos los interruptores de CI inducen cierta pérdida de la señal que direccionan debido a la resistencia sobre el canal, la adición de su resistencia de encendido a la impedancia de carga y la reflexión de la señal asociada, así como la fuga a través de la capacitancia interna. La pérdida de inserción es normalmente entre 0.5 y 2 dB, y los proveedores pueden adaptar la resistencia interna y la capacitancia para minimizar la pérdida dentro de la banda de frecuencia de funcionamiento especificada, a expensas de una reducción de pérdida de inserción fuera de esa banda. 

La especificación de aislamiento define la transmisión de la señal de RF a la posición desconectada del conmutador. Una vez más, los diseñadores pueden diseñar topologías de dispositivos que aprovechen la física del dispositivo y que puedan ofrecer un intercambio en el aislamiento a distintas frecuencias. Por lo tanto, un interruptor de banda ancha puede tener un aislamiento 80 o incluso 90 dB en las frecuencias más bajas, pero sólo de 30 a 40 dB en las frecuencias más altas. 

La alimentación directa de video caracteriza los transitorios de voltaje que aparecen en la salida del interruptor cuando el interruptor cambia recorrido de la señal, incluso si no hay señal en ese momento. Es importante en el diseño de amplificadores de alta ganancia con AGC (control de ganancia automática), con las que se pretende disminuir intencionalmente su ganancia en respuesta a un aumento en el nivel de la señal. 

El impulso y el consumo de energía indican qué clase y cuánta señal electrónica es necesaria para manejar la línea de control del conmutador, y la cantidad de energía que consume el propio interruptor, como dispositivo activo, a diferencia de un interruptor de CC, incluso cuando no cambia su ruta. (Debe tenerse en cuenta que los interruptores EM tienen necesidades relativamente altas de energía al conmutar pero disipación cero cuando se activan, ya que son dispositivos pasivos.) 

Todos los interruptores tienen problemas de fiabilidad. Como los dispositivos sin partes móviles, los interruptores de CI puede funcionar "indefinidamente" (cientos de millones de ciclos) si se utilizan dentro de sus calificaciones, mientras que un interruptor EM se puede especificar sólo para varios millones de ciclos. Los elevados ciclos moderados y térmicos, sin embargo, pueden reducir la vida útil de los interruptores CI y se puede dañar el interruptor por el exceso de energía aplicada o por eventos ESD. 

Por último, existe una configuración de terminación del interruptor. Los conmutadores de RF están diseñados para ser dispositivos, o bien abiertos reflexivos o bien cortos reflexivos (a veces llamado absorbentes). Un interruptor abierto reflexivo no tiene una ruta de derivación de acceso al sistema de puesta a tierra de la instalación en la conexión abierta, y por lo tanto minimiza la carga en el puerto no utilizado. En contraste, la configuración del corto reflexivo tiene un recorrido de terminación de 50 Ω (derivación) a tierra para que no se produzcan reflejos en la línea de la señal y, por tanto, hay una baja VSWR (relación de ondas estacionarias verticales) independientemente del estado del interruptor. Muchos interruptores están disponibles en ambos formatos pero con aproximadamente idénticas características. 

Diferentes CI responden a diferentes necesidades

Hittite Microwave Corp. (ahora parte de Analog Devices, Inc.) ofrece el HCM545 que es un interruptor básico SPDT de GaAs, (Figura 2), especificado para CC mediante operación a 3 GHz, pensado para infraestructura celular, redes LAN inalámbricas, diseños de automóviles y equipos de prueba. Ofrece 0.25 dB de pérdida típica y entrada IP3 de +65 dBm, y está diseñado con cortos reflexivos en sus puertos cuando está en "apagado". Es controlado por una señal CMOS/TTL (0/+3 V a 0/+8 V) y está alojado en un pequeño paquete SOT26 de plástico de 6 conductores. 


Figura 2: El dispositivo HCM545 de Hittite utiliza un controlador básico CMOS de la serie 74C para operar la clavija de control de paso de la señal. 

Para una mayor cobertura de frecuencia pero sin el rendimiento de CC, el interruptor SPDT de corto reflexivo de GaAs SKY13350-385LF de Skywork Solutions cubre 0.01 a 6.0 GHz, con pérdida típica de inserción de 0.35 dB y 25 dB de aislamiento típico, ambos medidos a 3 GHz. Puede administrar hasta 32 dBm de potencia con un porcentaje de 10/90 de velocidad de conmutación de 45. Como con casi todos los componentes de RF, el rendimiento es una función del voltaje de alimentación; en la figura 3 se muestra el EVM en comparación con la potencia de salida para una gama de voltajes de alimentación, en el estándar IEEE 802.11a desde 5.2 a 5.8 GHz de banda. 


Figura 3: Casi todos los componentes de RF activos son sensibles al voltaje de alimentación, la temperatura y el nivel de potencia; aquí se observa la variación de EVM en comparación con el voltaje y el nivel de alimentación para el dispositivo SKY13350-385LF de Skyworks Solutions. 

Para los diseños que van a frecuencias mucho más altas, el interruptor SPDT MASW-002103-1363 de M/A-Com está especificado desde 50 MHz a 20 GHz y se puede utilizar hasta 26 GHz, con capacidad de manejo de potencia de 38 dBm. La pérdida de inserción (Figura 4), es de aproximadamente 0.4 dB en el extremo inferior de la gama, que aumenta hasta 1.0 dB a 20 GHz y 1.6 dB a 25 GHz. 


Figura 4: La pérdida de inserción de un conmutador sube con el aumento de la frecuencia; en este caso, la pérdida del interruptor SPDT  MASW-002103-1363 de M/A-Com aparece por encima del CC a 26 Ghz.

Mientras que la mayoría de los conmutadores de RF utilizan GaAs o tecnología CMOS, Peregrine Semiconductor utiliza un proceso UltraCMOS patentado (una variación patentada de la tecnología de silicio sobre aislante (SOI) de zafiro como sustrato) con lo que afirman ofrecer el rendimiento de GaAs con la economía y la integración de los CMOS convencionales. Su interruptor absorbente de RF PE42520MLBA-Z está diseñado para aplicaciones inalámbricas de prueba y ATE. Dispone de una gama de frecuencias de 9 kHz a 13 GHz con un manejo de potencia de 36 dBm de onda continua (CW) y 38 dBm de potencia instantánea @ 8 GHz en 50 Ω. La pérdida de inserción es de 0.8, 0.9 y 2.0 dB a 3, 10 y 13 GHz, respectivamente, mientras que el aislamiento es de 45, 31 y 18 dB en los mismos puntos de frecuencia. Al igual que con los conmutadores de RF, la pérdida de inserción es también una función de la temperatura (Figura 5). 


Figura 5: La pérdida de inserción, al igual que la mayoría de los otros parámetros del conmutador, también es función de la temperatura; para el interruptor SPDT PE42520MLBA-Z de Peregrine Semiconductor, la misma aumenta de 0.5 dB de -40º C a +85º C. 

Resumen 

Una complicada cadena de señal front-end puede tener fácilmente un número de interruptores de dos dígitos entre la antena y el procesador para admitir múltiples bandas, funciones, y requisitos de la aplicación. Mientras que un conmutador de RF es funcionalmente similar a un interruptor de alimentación CC, el diseño interno y las especificaciones de interés son muy diferentes. Cada conmutador RF debe nivelar una amplia variedad de características de rendimiento, con ventajas y desventajas (así como los temas de costos), comenzando con el rango de frecuencia de funcionamiento y continuando con la pérdida de inserción, la potencia nominal, el aislamiento y la velocidad de conmutación, entre muchas otras. Los diseñadores deben examinar cuidadosamente las especificaciones típicas, así como los valores mínimos y máximos, y también examinar las variaciones de rendimiento inevitables en comparación con la alimentación, la temperatura, y los niveles de potencia. 

Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de información del producto en el sitio web de DigiKey.