Публикации

Microsemi

Монолитные СВЧ-компоненты Microsemi Corporation для ответственных применений (2016)

     В последнее время монолитные интегральные СВЧ схемы (MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit) благодаря небольшим размерам и высокой надежности получили широкое распространение в аппаратуре как коммерческого, так и военного назначения. Широкополосные малошумящие усилители, смесители, модуляторы, делители частоты и т.д., разработанные с применением данной технологии, позволяют легко построить устройство более высокого уровня с отличной наработкой на отказ, недостижимой при его реализации на дискретных компонентах. В обзорной статье рассмотрены ключевые характеристики и функциональные схемы основных групп MMIC продукции компании Microsemi, доступных для заказа в нынешнем 2016 году.

ВВЕДЕНИЕ
     Бурное развитие полупроводниковых технологий производства монолитных интегральных схем связано с необходимостью совершенствования различных радиоэлектронных и телекоммуникационных устройств СВЧ-диапазона, а также возможности создания и продвижения на рынок новых систем. Монолитные ИС, представляющие собой функционально законченные устройства, чаще всего используются в приложениях, где необходимы небольшие размеры, высокая надежность и низкая себестоимость [1]. Примерами реализации устройств на базе MMIC могут служить приемники и передатчики систем связи, фазированные антенные решетки радиолокационных систем, датчики, работающие на сверхвысоких частотах и т.п. Среди тенденций развития технологий изготовления монолитных СВЧ устройств в настоящее время можно отметить:
     • Постепенный уход с арены классической технологии полевых транзисторов с барьером Шоттки (MESFET). Это связано со сложностью дальнейшего повышения быстродействия MESFET посредством уменьшения длины затвора.
• Существенное снижение стоимости приборов, изготавливаемых по технологии псевдоморфных полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (pHEMT) с размерами затвора 0,1–0,25 мкм. Эта технология стала стандартной, ее использование позволило наладить серийный выпуск монолитных усилителей мощности с малым коэффициентом шума и высоким усилением в диапазоне рабочих частот до 40 ГГц. Внедрение другой технологии GaAs mHEMT позволило не только улучшить характеристики пробивного напряжения и плотности тока стока, но и продвинуться в частотном диапазоне до 160 ГГц.
     • Освоение в производстве технологий на InP с размерами затвора 0,1–0,25 мкм, что дает возможность продвижения монолитных усилителей в диапазон до 200 ГГц.
     • Революционное направление развития – использование для улучшения энергетических показателей широкозонных полупроводниковых материалов, к которым относятся нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC). За счет существенно большей теплопроводности как эпитаксиальных пленок, так и подложки-носителя, а также за счет втрое большей ширины запрещенной зоны в устройствах на основе GaN реализованы удельные мощности транзисторной структуры 30 Вт/мм и более, что на порядок превышает удельную мощность GaAs-приборов. Большое значение теплопроводности GaN приводит к увеличению времени работы устройств и снижению требований к системе охлаждения. Другим принципиальным преимуществом GaN- и SiC-устройств является высокое (20–50 В) напряжение питания стока, что при равных с GaAs-приборами отдаваемых в нагрузку мощностях приводит к значительному облегчению согласования выхода с нагрузкой.

МОНОЛИТНЫЕ СВЧ КОМПОНЕНТЫ MICROSEMI
     Компания Microsemi вышла на MMIC рынок относительно недавно, 29 мая 2014 года был анонсирован выпуск нового продукта – монолитных интегральных схем ВЧ/СВЧ диапазонов, разработанных для применения в коммуникационной и измерительной аппаратуре преимущественно оборонного и авиакосмического назначения. Основанный на богатом опыте создания СВЧ устройств, ассортимент компании первоначально включал 16 изделий (широкополосных усилителей и коммутаторов), охватывающих диапазон DC-40 ГГц.
     Расширение и качественное улучшение линейки произошло в октябре того же года за счет поглощения компании Centellax, общепризнанного лидера в проектировании полупроводниковых изделий для систем оптической связи при скоростях передачи данных до 400 Гбит/с и для ВЧ/СВЧ аппаратуры гражданского и военного использования. В результате в номенклатуру компонентов были добавлены широкополосные высокочастотные усилители с расширенным диапазоном частот (DC-65 ГГц), изготавливаемые на основе арсенида галлия, мощные усилители в модульном исполнении с высоким коэффициентом усиления, целочисленные прескалеры и делители частоты, а также управляемые напряжением аттенюаторы, выполненные в виде бескорпусных микросхем [2].

Доступные варианты конструктивного исполнения MMIC устройств Microsemi
     В настоящее время Microsemi, опираясь на совместный накопленный опыт двух компаний, ведёт активные работы в соответствующей области, направленные на дальнейшее совершенствование и выпуск продукции в соответствии с требованиями потребителей. Компания старается регулярно обновлять линейку компонентов, так, например, в первом квартале 2016 года были представлены 40 ГГц предделитель UXN40M7K и фазочастотный детектор PFD1K, вызвавшие живой интерес у разработчиков СВЧ оборудования. При производстве монолитных СВЧ интегральных схем компании Microsemi используется как традиционная технология на основе арсенида галлия, так и находящаяся на стадии становления GaN технология. Функциональные узлы и интегральные микросхемы имеют бескорпусное исполнение либо монтируются в малогабаритные корпуса для поверхностного монтажа типа QFN, созданные на основе специальных пластмасс или керамики. Мощные усилители выполнены в виде герметизированных модулей с коаксиальными соединителями (рис. 1).
     Типовые области применения включают:
     • Средства радиоэлектронного подавления;
     • Контрольно-измерительную аппаратуру;
     • Оборудование СВЧ связи;
     • Радиолокационную технику;
     • Драйверы оптико-волоконных линий связи и трансимпедансные усилители.

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
     Компания Microsemi в настоящее время выпускает 20 широкополосных и сверхширокополосных усилителей, пять из них относятся к малошумящим. Доступны устройства, рассчитанные на различные диапазоны, старшие модели линейки имеют полосу усиливаемых частот от 0 (напряжение постоянного тока) до 65 ГГц, максимальный коэффициент усиления достигает 19 дБ (таблица 1). Особое внимание (наряду с собственно расширением полосы) уделено деталям организации подключения входа и выхода микросхем к их выводам и ВЧ-разъемам, сигнальные цепи выполняются согласованными с 50-Омными линиями. Для описания усилителей используется система S-параметров, их графическое представление доступно в справочной технической документации на каждую модель.

Основные характеристики широкополосных MMIC-усилителей Microsemi
     Особенностью бескорпусных усилителей общего назначения MMA015AA, MMA016AA и MMA017AA с диапазонами рабочих частот DC-14, DC-15 и 2-16 ГГц соответственно является возможность установки четырех различных уровней выходной мощности [3]. Эта опция позволяет выбрать режим энергопотребления в зависимости от требований конкретных приложений. Регулировка осуществляется путем соединения контактных площадок R1, R2 или R3 (рис. 1) с “землей” при помощи тонкой золотой проволоки. На рис. 2 представлены типовые зависимости выходной мощности P1 (по первой гармонике) от частоты для усилителя MMA015AA, неравномерность характеристики при максимальном значении 18 дБм не превышает ±0,5 дБ. Температурная стабильность малосигнального коэффициента усиления данных моделей достаточно высока, изменение его значения составляет 1-1,4 дБ в диапазоне от -40 до +85°C. Размеры кристалла микросхем – 0,76 x 0,66 x 0,1 мм.

График зависимости выходной мощности Р1 от частоты усилителя MMA015AA
     MMA023AA, MMA024AA, MMA027AA, MMA022AA, MMA025AA и MMA026AA – монолитные микросхемы, каждая из которых объединяет в себе восемь каскадов усилителя бегущей волны (за исключением семикаскадного MMA027AA). Они оптимизированы для эксплуатации в диапазоне рабочих частот DC-30 ГГц [4]. Размеры кристаллов варьируются: 1,64 x 0,84 мм у MMA024AA, MMA026AA, MMA027AA и 2,39 x 0,92 мм у остальных, толщина не более 0,1 мм. Характерной чертой данных ИС являются предельно плоские АЧХ с нулевой нижней граничной частотой. Для примера на рис. 3 приведена частотная характеристика усилителя MMA024AA, на которой нестабильность коэффициента усиления в диапазоне от 0,04 до 30 ГГц не превышает 0,75 дБ.
     Усилитель MMA027AA с выходной мощностью P1, равной 14 дБм, выделяется на фоне остальных низким собственным энергопотреблением, составляющим 85 мА при напряжении питания 4,5 В. Из других особенностей можно отметить возможность динамической регулировки усиления с глубиной более 30 дБ и наличие интегрированного термостабилизированного детектора уровня выходной мощности. Последние три усилителя по классификации Microsemi относятся к малошумящим, коэффициент шума для разных моделей лежит в пределах от 1,9 до 4,5 дБ.

Частотная зависимость коэффициента усиления ИС MMA024AA
     Далее идут компоненты с полосой рабочих частот DC-45. Восьмикаскадные усилители бегущей волны MMA029AA и MMA032AA, а также семикаскадные MMA030AA и MMA033AA с низким собственным потреблением построены на основе технологии пассивного продвижения в область низких частот (PLFX, Passive Low Frequency eXtension). Данная технология позволяет отказаться от внешней катушки индуктивности в цепи питания, необходимый элемент интегрируется в кристалл, тем самым, снижается сложность и стоимость проектируемых устройств [5]. ИС MMA031AA – усилитель средней мощности, обладающий низким уровнем возвратных потерь и плоской частотной характеристикой вплоть до 45 ГГц, предназначен для использования в коммуникационном и тестовом оборудовании. При подключении внешних компонентов требуемых номиналов нижняя граничная частота может быть снижена до 100 кГц. Широкополосные усилители MMA034AA, MMA035AA и MMA036AA с верхней границей частотного диапазона 65 ГГц могут быть полезны при разработке аппаратуры военного назначения, они также выполнены с применением технологии PLFX. Сверхширокополосный малошумящий MMA036AA является практически полным аналогом MMA030AA, отличается он только расширенным до 65 ГГц диапазоном рабочих частот. Собственное энергопотребление составляет 85 мА при напряжении питания 4,5 В, коэффициент шума – не более 2,3 дБ (на 20 ГГц), коэффициент усиления – не менее 11 дБ.
     Также в линейке широкополосных усилителей Microsemi есть два компонента, изготовленных в QFN корпусах – UAS3LK и UA5M15MP. UAS3LK – малогабаритный одноканальный двухкаскадный усилитель, обладающий максимальным среди всех устройств семейства коэффициентом усиления – 19 дБ, доступен в герметичном керамическом корпусе с размерами 7,0 x 7,0 x 1,8 мм [6]. Его упрощенная функциональная схема изображена на рис. 4. Каскады усилителя создаются на основе 0,15 мкм GaAs pHEMT технологии.

Упрощённая блок-схема широкополосного усилителя UAS3LK
     Основные сферы применения UAS3LK – тестовое и измерительное оборудование, коммерческие устройства ВЧ связи и военная аппаратура постановки помех. Для контроля качества функционирования сверхширокополосного UAS3LK используются глазковые диаграммы, построенные при помощи цифровых запоминающих осциллографов фирм Agilent, Tektronix или LeCroy. На рис. 5 показана такая диаграмма, снятая при скорости передачи сигнала 40 Гбит/c. Даже при такой сверхвысокой скорости «глаза» диаграммы «открыты», что указывает на четкую работу микросхемы.
     Двухкаскадный монолитный усилитель UA5M15MP может быть полезен при разработке устройств, работающих в диапазоне рабочих частот 5-18 ГГц. Изготавливается на основе pHEMT транзисторов, доступен в миниатюрном пластиковом корпусе QFN-16 с размерами 3,0 x 3,0 x 0,9 мм. Напряжение питания микросхемы выбирается между 5 и 3,3 В. Второй вариант позволяет снизить собственное потребление с 130 до 100 мА, коэффициент шума с 9 до 7 дБ и получить коэффициент усиления 13±0,4 дБ.

Глазковая диаграмма работы усилителя UAS3LK

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ
     Мощные широкополосные усилители в модульном исполнении компании Microsemi обладают высоким коэффициентом усиления, в настоящее время доступно 5 моделей, предназначенных для военных, лабораторных и других применений (таблица 2). Монолитные СВЧ-интегральные схемы, изготовленные на основе арсенида галлия, гарантируют стабильность характеристик в рабочем температурном диапазоне от -25 до 85˚C. Все модули оснащены необходимыми соединителями и включают в себя требуемые цепи питания (рис. 6).

Основные характеристики широкополосных усилительных модулей Microsemi
     Модули UA0L30VM и UA0L65VM представляют собой широкополосные трехкаскадные усилители общего назначения со схожими характеристиками, они выпускаются в одинаковых герметичных корпусах, но с разными соединителями [7]. Коэффициент усиления обоих моделей составляет 30 дБ при неравномерности частотной характеристики ±2 дБ. Усилитель UA0L30VM обладает частотным диапазоном от 100 кГц до 30 ГГц, малой рассеиваемой мощностью 2,7 Вт, выходной мощностью в режиме насыщения 23 дБм и низким коэффициентом шума – не более 4,5 дБ. Он удовлетворяет требованиям стандарта ESD STM5.1-1998 по электростатической защите. Усилитель UA0L65VM предназначен для использования на частотах до 65 ГГц, его минимальное значение коэффициента шума – 4,2 дБ (на частоте 17 ГГц).

Внешний вид широкополосных модулей Microsemi в модульном исполнении
     ИС UA0U50HM, UA2V50HM и UA2V50LM – широкополосные измерительные усилители для лабораторного тестового оборудования и систем связи, типовые применения включают в себя усилители сигналов синтезаторов, смесителей и модуляторов. Они разработаны с целью обеспечения исключительной равномерности усиления более чем в пяти октавах частотного диапазона. Устройства различаются значением коэффициента усиления: UA2V50LM выполнен по двухкаскадной схеме и имеет средний коэффициент усиления 18 дБ, а UA0U50HM и UA2V50НM – по трехкаскадной схеме, и их коэффициент усиления составляет порядка 30 дБ. Кроме того, усилитель UA0U50HM отличается расширенной полосой рабочих частот за счет снижения нижней границы диапазона до 10 МГц.
     Для точной настройки режимов питания стока и затвора многокаскадных модулей усилителей компанией Microsemi предлагается специальная плата электропитания TE1B, ее внешний вид представлен на рис. 7.

Внешний вид платы TE1B

MMIC ПРЕДДЕЛИТЕЛИ ЧАСТОТЫ MICROSEMI
     Компания Microsemi предлагает на выбор восемь предварительных делителей частоты с регулируемым целочисленным коэффициентом, выполненных в герметичных пластиковых или керамических QFN корпусах (таблица 3). Данные устройства, предназначенные для эксплуатации в диапазоне рабочих температур от -40 до +85˚C, позиционируются для приложений высокоскоростной обработки сигналов, полнофункциональных синтезаторов прямого цифрового синтеза (DDS), генераторов с цифровым программным управлением и т.д. Каждый делитель может функционировать в режимах с несимметричными или дифференциальными входами и выходами, для улучшения системной интеграции управляющие выводы делаются КМОП- и ТТЛ-совместимыми. Для оценки возможности применения конкретного устройства в своих разработках выпускаются демонстрационные платы, имеющие ВЧ-разъемы типа SMA и НЧ-разъемы типа SMB. У многих моделей конструктивно предусмотрено подключение термочувствительного диода для контроля температуры микросхемы, к таковым относятся делители UXM15P, UXC20P, UXD20P, UXD20K и UXN14M32K. Рассмотрим особенности некоторых отдельных представителей семейства.

Основные характеристики MMIC-предделителей частоты Microsemi
     Микросхема UXN14M9P представляет собой конфигурируемый маломощный делитель частоты общего назначения с коэффициентами, лежащими в диапазоне от 8 до 511 (рис. 8). Максимальная рабочая частота – 14 ГГц, выходная мощность составляет 4 дБм, а максимальная рассеиваемая мощность – 1,1 Вт. Требуемый коэффициент, устанавливаемый подачей высокого или низкого уровня на параллельные входы P0-P8, определяется по формуле:


     Быстрое переключение в сочетании с широким диапазоном доступных коэффициентов делают UXN14M9P оптимальным вариантом для ФАПЧ как с целочисленным, так и с дробным коэффициентом деления. Дробное деление может быть достигнуто при подаче на управляющие входы этих делителей необходимой кодовой последовательности, например сигма-дельта модулирующей последовательности.

Функциональная блок-схема делителя частоты UXN14M9P
     Высокоэффективный программируемый делитель UXN14M32K с диапазоном рабочих частот от постоянного тока до 15 ГГц обеспечивает коэффициент деления от 1 до значения (232–1). Устройство позиционируется компанией как наиболее мощный делитель частоты на рынке, который может быть применен в различных высокочастотных синтезаторах [8]. Для работы с делителем используется узел управления, подключаемый к трехпроводной последовательной шине. На входе и выходе делитель оснащен буферными каскадами (рис. 9). Рассеиваемая мощность предделителя, уровень которой зависит от коэффициента деления, составляет 0,3-0,8 Вт, размах выходного напряжения 0,8 В (п-п), напряжение питания – 3,3 В. UXN14M32K выпускается в 24-контактном керамическом корпусе для поверхностного монтажа размером 4×4 мм [8].

Функциональная блок-схема делителя частоты UXN14M32K Microsemi
     Для работы с микросхемой UXN14M32K доступна отладочная плата UXN14M32KE, подключаемая к персональному компьютеру по шине USB (рис. 10). Управление характеристиками делителя (амплитудой выходного сигнала, коэффициентом деления и т.д.) осуществляется при помощи прилагаемого программного интерфейса пользователя.
     ИС UXM15P отличается наличием двух режимов деления, которые позволяют использовать ее в ФАПЧ с целочисленными и дробными коэффициентами деления. В первом режиме доступны коэффициенты 2, 4 или 8, для переключения между ними используются управляющими контакты SelA и SelB. Значение коэффициента во втором режиме (4, 5, 6, 7, 8 или 9) выбирается при помощи управляющих входов MS1, MS2 и MS3 (рис. 11). Также благодаря низкому фазовому шуму UXM15P хорошо подходит для генерирования синхросигналов с низким уровнем джиттера, что особенно важно в телекоммуникационных приложениях. Конструктивное исполнение аналогично микросхеме UXN14M32K, используется 24-выводный керамический корпус поверхностного монтажа с медной площадкой радиатора на его нижней части.

Внешний вид демонстрационной платы UXN14M32KE
     Предделители UXC20P, UXD20P и UXD20K относятся к одной серии и имеют схожие основные параметры. Отличия заключаются в диапазоне рабочих частот (расширенный до 26,5 ГГц у UXD20K) и в типах применяемых корпусов. Все три микросхемы обладают высокой входной чувствительностью, типовая величина выходной мощности составляет 5 дБм, рассеиваемая мощность не более 0,5 Вт, фазовый шум -153 дБн/Гц. Программируемый предделитель UXC20P с коэффициентами 2, 4 или 8 работает на частотах до 20 ГГц. Микросхема UXD20P работает на тех же частотах и имеет коэффициенты деления 1, 2, 4 или 8. В режиме использования с коэффициентом деления 1 она функционирует как широкополосный усилитель-ограничитель с коэффициентом усиления 26-27 дБ в частотном диапазоне до 7 ГГц.
     Программируемый целочисленный предделитель частоты MX1DS10P имеет рабочий частотный диапазон от 0,05 до 15 ГГц и позволяет изменять коэффициент деления в очень широких пределах – от 2 до 220. Микросхема производится с использованием кремний-германиевого (SiGe) технологического процесса, входы и выходы совместимы с логикой CML. MX1DS10P идеально подходит для синтезаторов частот, в которых требуются большие изменяемые коэффициенты деления частоты, а также для тестового оборудования, где необходимы высокая входная чувствительность и широкий частотный диапазон.

Функциональная блок-схема делителя частоты UXM15P компании Microsemi
     Напоследок отметим новинки 2016 года. Главная особенность ИС UXN40M7K – высокая верхняя граница рабочего частотного диапазона (40 ГГц). Ее функциональная схема и способ управления аналогичны микросхеме UXN14M9P. Целочисленный коэффициент деления регулируется в пределах от 1 до 127, уровень фазового шума не превышает -153 дБн/Гц, корпус – керамический QFN с габаритами 4 х 4 мм. В начале мая 2016 компания Microsemi анонсировала новый фазочастотный детектор PFD1K, официальный релиз должен состояться в конце 2 квартала. Данный детектор будет поставляться в РФ без каких-либо ограничений. Его упрощенная структурная схема показана на рис.12, предварительные характеристики следующие:
     • максимальная рабочая частота 40 ГГц;
     • максимальная частота без предделителя 8 ГГц;
     • возможность использования несимметричных или дифференциальных сигналов;
     • коэффициент деления: от 1 до 127;
     • напряжение питания +3,3 В, ток потребления 400 мА;
     • низкие фазовые шумы;
     • инверсный вывод петли ФАПЧ;
     • керамический корпус QFN с размерами 6 х 6 мм.

Внутренняя структура детектора PFD1K Microsemi

АНАЛОГОВЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ
     В радиоприемных устройствах и в измерительных приборах широко применяются управляемые аналоговым напряжением аттенюаторы (Analog VVA). Компания Microsemi в настоящее время предлагает две модели, их основные характеристики представлены в таблице 4.

Основные характеристики MMIC-аттенюаторов Microsemi
     Микросхемы MMS005AA и MMS004AA – аттенюаторы средней и малой мощности, рассчитанные на частотные диапазоны DC-40 и DC-50 соответственно [9]. Они производятся на базе полевых pHEMT транзисторов. К типовым применениям относятся высокочастотные и широкополосные устройства систем связи и радиолокационных установок. Регулировка ослабления осуществляется за счет плавного изменения управляющих напряжений постоянного тока в пределах от  -1 до +0,5 В на выводах Vseries и Vshunt. Оба аттенюатора обладают широким динамическим диапазоном подстройки: 17 дБ у MMS005AA и 27 дБ у MMS004AA. На рис. 13 показаны зависимости различных значений ослабления от частоты аттенюатора MMS005AA. В основном графики имеют вид горизонтальных прямых, при больших ослаблениях характеристики искажаются, но их неравномерность не превышает 1 дБ вплоть до 40 ГГц. Аттенюаторы доступны для заказа в бескорпусном исполнении, размеры кристаллов составляют 1,64 x 0,84 мм.

Зависимость ослабления от частоты MMIC-аттенюатора MMS005AA Microsemi

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
     Отличные массогабаритные показатели, высокая надежность и постоянно уменьшающаяся с развитием технологий производства стоимость способствуют активному применению монолитных СВЧ интегральных схем в оборудовании миллиметрового диапазона длин волн. Линейка MMIC продукции компании Microsemi соответствует современным требованиям, предъявляемым разработчиками к элементам высоконадежной аппаратуры гражданского и военного назначения. Малошумящие усилители, аттенюаторы с аналоговым управлением, программируемые делители частоты – все эти компоненты могут быть полезны при проектировании устройств СВЧ связи, в том числе спутниковой, радаров, автоматизированных тестовых систем и т.д.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Александров Р. Монолитные интегральные схемы СВЧ: взгляд изнутри. // Компоненты и технологии. 2005. №9.
2. MMIC selection guide. // April 2016. //
3. MMA017AA: 2-16 GHz, power selectable wideband amplifier. // Datasheet. Rev. A, 2014. //
4. MMA027AA: DC to 30 GHz broadband MMIC low power amplifier. // Datasheet. Rev. C, 2014. //
5. MMA031AA: DC to 45 GHz MMIC amplifier. // Datasheet. Rev. C, 2014. //
6. UAS3LK: 32 Gb/s broadband 3V driver amplifier. // Datasheet. Rev. D, 2015. //
7. UA0L65VM: 65 GHz broadband amplifier module. // Datasheet. Rev. G, 2014. //
8. Сидорова Т., Дингес С. Компания Centellax – обзор продукции. // Электроника: НТБ. 2014. №1. , с. 151-158.
9. MMS005AA: DC to 40 GHz MMIC medium power voltage controlled attenuator. // Datasheet. Rev. D, 2014. //

ВЧ/СВЧ компоненты Microsemi