Высокочастотные ключи в современных ВЧ и СВЧ интегральных схемах
Введение
ВЧ ключи являются самыми распространенными
компонентами ВЧ микросистем. Ключи и реле - простые, но важные элементы всех
автоматизированных систем. Они используются в интерфейсах между микросистемами
и другими устройствами и служат для автоматического переключения сигналов, что
увеличивает гибкость и расширяемость всей системы в целом.
Например, применение ключей для организации двух
режимов работы: тестового и измерительного, позволяет уменьшить количество
элементов системы, и, следовательно, упростить само устройство тестирования.
Ключ - это устройство, позволяющее замыкать и
размыкать электрическую цепь.
Всем хороню известно, что токи и напряжения в
электрической цепи подчиняются законам Кирхгофа, которые звучат следующим
образом:
1. В любом замкнутом контуре сумма
произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура
равна сумме приложенных к нему э.д.с;
2. Сумма сил токов, сходящихся в одном
узле, равна нулю.
Эти законы должны выполняться в
любых блоках системы и не нарушаться даже при размыкании цепи. Другими словами,
если в цепи перестал течь электрический ток, указанные законы все равно должны
продолжать выполняться. При выполнении операции по размыканию цепи всегда
возникают переходные процессы переключения, и чем выше частота, тем сложнее
становится их анализ. При работе с ВЧ сигналами ключи могут вносить в схему
дополнительные емкость и сопротивление по сигнальным линиям и цепям заземления,
а также устанавливать перекрестные связи. Поскольку ключи часто являются механическими
устройствами, они имеют ограниченный срок службы и подвержены поломкам.
Конечное время переключения является серьезным препятствием для использования
ключей во многих ВЧ устройствах. В зависимости от типа ключа это время
находится в диапазоне от миллисекунд до сотен наносекунд.
Рисунок 1 - Применение ВЧ ключей.
На рисунке 1 представлены варианты применения ВЧ
ключей. На рисунке 1 а ключ может использоваться для подключения антенны то к
приемнику, то к передатчику сигналов. При цифровой модуляции в системах связи
рисунок 1 б ключ выполняет работу разрешающего устройства, которое может либо
пропускать либо останавливать сигнал. На рисунке 1 в показана схема
широкополосного генератора сигналов. Вариант использования ключей для выбора
каналов широкополосного приемника представлен на рисунке 1 г. Для организации
организации одновременного мониторинга показаний измерителя мощности и
спектрального анализатора подходит схема на рисунок 1 д. Применение ключей в
радарной системе показано на рисунке 1 е.
ВЧ ключи - это не просто последовательное или
параллельное соединение диодов или монолитных ВЧ интегральных схем, это
объединяющая часть любой ВЧ системы. Соответствующий выбор ВЧ ключей помогает
уйти от работы в предельных режимах и обеспечить выполнение поставленных задач.
При аккуратном подборе характеристик переключения можно реализовать ВЧ ключи,
соответствующие практически любым приложениям.
1. Параметры переключения
Электрическая энергия
передается через проводники, такие как провода и шины, а процессом передачи
можно управлять при помощи реле и ключей. Основными элементами любой
электрической цепи являются: источник электрической энергии, нагрузка или
подключенные устройства и замкнутый контур для обеспечения протекания тока.
Если любой из этих элементов отсутствует, тока в цепи не будет, и,
следовательно, электрическая энергия от источника не дойдет до подключенных
устройств. При разработке ВЧ ключей существенными являются следующие параметры:
длительность переходных
процессов,
время переключения,
переходные процессы при
коммутации,
коммутируемая мощность ВЧ
сигнала,
согласование входных/выходных
цепей,
- ширина полосы пропускания,
вносимые потери,
развязка входа от выхода,
последовательное сопротивление,
напряжение срабатывания,
срок службы,
резонансная частота,
перекрестные наводки и уровень
искажений,
согласование по амплитуде и
фазе.
Длительность переходных процессов зависит от
скорости изменения состояния ключа. Для операции включения она определяется как
время нарастания выходного ВЧ сигнала с 10% до 90% от его значения, а для
операции выключения - как время спада выходного сигнала с уровня 90% до уровня
10%. Другими словами, длительность переходных процессов - это время,
необходимое для изменения выходного напряжения на 1 дБ от состояния срабатывания.
Для простого механического ключа это время определяется от момента отрыва
подвижного контакта от одного стационарного контакта до момента его
соприкосновения с другим стационарным контактом.
Время переключения также определяется скоростью
переключения ключа из одного состояния в другое. Однако здесь при операции
включения это время определяется от момента достижения управляющим напряжением
уровня 50% до момента перехода выходным ВЧ сигналом уровня 90%. Аналогично, при
выключении ключа время измеряется до момента достижения ВЧ сигналом 10% Уровня
от первоначального значения. Следовательно, время переключения характеризует
реакцию ключа на изменение управляющего напряжения. К времени, требуемому для
механического переключения, или времени переходных процессов могут прибавляться
различные дополнительные составляющие, например, время задержки иди нарастания
управляющего сигнала. Очевидно, что полупроводниковые ключи имеют лучшее
быстродействие по сравнению с механическими. Время переключения всегда больше
длительности переходных процессов ключа.
Переходные процессы при коммутации ключа - это
экспоненциальное убывающие всплески ВЧ напряжений во входных и/или выходных
цепях ключа, вызванные изменением управляющего сигнала. Переходные процессы
коммутации являются важной характеристикой работы ключей. При измерении спектра
выходного сигнала необходимо тестировать все компоненты ВЧ системы, такие как
усилители и ключи. В процессе переключения возникают и электромеханические, и
электромагнитные переходные процессы. Электромеханические переходные процессы
возникают из-за механического перемещения элементов ключа (если они
существуют), а электромагнитные - из-за взаимодействия электрических и
магнитных полей электрических компонентов системы.
Коммутируемая мощность ВЧ сигнала -
характеристика, показывающая насколько эффективно ключ пропускает ВЧ сигнал.
Чаще всего передача мощности определяется точкой компрессии 1 дБ, что взято из
усилительной техники. Предполагается, что мощность выходного и входного
сигналов связаны линейной зависимостью. Но на практике это условие выполняется
только до какого-то уровня мощности, называемой максимальной. Точка компрессии
1 дБ определяется как максимальный уровень входной мощности, при котором
выходная мощность становится на 1 дБ меньше, чем в линейной области. Передача
мощности ВЧ сигнала для многих устройств, таких как PIN
диоды и ряд ИС, зависит от частоты.
Коммутируемая мощность ВЧ
сигнала - характеристика, показывающая насколько эффективно ключ пропускает ВЧ
сигнал. Чаще всего передача мощности определяется точкой компрессии 1 дБ, что
взято из усилительной техники. Предполагается, что мощность выходного и
входного сигналов связаны линейной зависимостью. Но на практике это условие
выполняется только до какого-то уровня мощности, называемой максимальной. Точка
компрессии 1 дБ определяется как максимальный уровень входной мощности, при
котором выходная мощность становится на 1 дБ меньше, чем в линейной области.
Передача мощности ВЧ сигнала для многих устройств, таких как PIN
диоды и ряд ИС, зависит от частоты.
Под согласованием входных/выходных цепей
подразумевается согласование их импедансов, что часто является для ВЧ ключей
непростой задачей. Входные и выходные цепи ключа должны быть согласованы как во
включенном, так и отключенном состояниях. Это необходимо для снижения влияния
ключей на работу всей системы. Неправильное согласование иногда приводит к
нежелательным переотражениям сигналов внутри цепи, которые могут стать причиной
выхода системы из строя. Хотя на практике идеального согласования удается
достичь очень редко, все же необходимо стремиться удерживать переотражения
сигналов в пределах допустимых уровней.
Ширина полосы пропускания является важной
характеристикой ключей. Как правило, ключи не имеют нижнего предела частоты рабочего
диапазона, а имеют только верхний предел. Для полупроводниковых устройств этот
факт объясняется конечной скоростью носителей заряда, а для электромеханических
ключей - потерями, обусловленными сопротивлениями и паразитными связями,
ограничивающими их быстродействие.
Вносимые потери ВЧ устройств показывают
эффективность передачи сигналов. Для ключей вносимые потери определяются только
для включенного состояния, когда происходит передача сигнала. Они выражаются
через коэффициент передачи 5*21, измеряемый в дБ, между входными и выходными
выводами переключающего устройства. На практике желательно, чтобы вносимые
потери ВЧ ключей были минимальными. Для большинства твердотельных
переключателей вносимые потери уменьшаются с ростом частоты. Поэтому можно разработать
ключи для ВЧ микросистем, работающие на частотах несколько ГГц при низком
уровне вносимых потерь.
Развязка входа от выхода определяется в момент
отсутствия передачи сигнала. Ее мерой также является коэффициент S21
между входными и выходными выводами переключателя в выключенном состоянии, т.
е. когда нет передачи сигнала. Большое значение этого коэффициента, измеряемое
в дБ, соответствует очень маленькой связи между входом и выходом переключающего
устройства. Желательно, чтобы у ключей этот коэффициент был максимальным. В ВЧ
микросистемах значение этого коэффициента может уменьшиться из-за возникновения
связи между механическими частями и линиями передач, что вызывает появление
токов утечки.
Последовательное сопротивление. На практике ключ
часто включается последовательно с линией передачи сигнала. Любое
сопротивление, вносимое ключом во время передачи сигнала (во включенном
состоянии), вызывает снижение уровня сигнала. На низких частотах такое влияние
ключа можно выразить в виде последовательного сопротивления, играющего роль во
время прохождения сигнала. На высоких частотах это влияние часто входит во
вносимые потери.
Напряжение срабатывания. Для всех ключей,
работающих в автоматических системах, необходим сигнал управления,
координирующий их состояние (вкл/выкл). Уровень напряжения таких сигналов для
разных ключей может сильно различаться. В полупроводниковых переключающих
устройствах, как правило, не возникает никаких проблем с обеспечением
требуемого напряжения срабатывания, тогда как в современных электромеханических
ключах это напряжение желательно снизить до уровня, на котором работают
остальные компоненты схемы.
Срок службы не является значимым для
полупроводниковых ключей. Однако для переключающих устройств, в состав которых
входят механические части, эта характеристика становится достаточно важной.
Поломки таких частей, вызванные усталостью материала или неблагоприятными
окружающими условиями, снижает срок службы всей системы.
Резонансная частота. Все движущиеся части
механических ключей имеют свою собственную резонансную частоту, которую можно
выразить через их резонирующую массу и эффективный коэффициент упругости. На
этих частотах потенциальная и кинетическая энергии входят в резонанс, что
ограничивает максимальную скорость переключения, но никак не влияет на частоту
передаваемых ВЧ сигналов.
Согласование по фазе и амплитуде является важной
характеристикой многоканальных ключей, поскольку она определяется конструкцией
всего устройства и параметрами отдельных каналов: их длиной и потерями в них. Поэтому,
как правило, для каждого канала определяются свои фазовые и амплитудные
характеристики.
2. Принципы переключения
На рисунке 2 показаны две основные схемы
подключения ключей. Для обеспечения электрического контакта могут
использоваться либо механические ключи, такие как реле, галетные переключатели,
пробки или переключатели мгновенного действия, либо твердотельные ключи,
построенные на полевых транзисторах, монолитных СВЧ микросхемах и т. д.
Рисунок 2 - Типовые схемы подключения ключей.
.1 Механические переключатели
Примерами механических ключей
являются тумблеры, кнопочные переключатели, реле и т. д. В реле электрический
ток, протекающий через катушку, приводит к появлению электромагнитной силы,
вызывающей физическое замыкание или размыкание металлических контактов.
Наиболее распространенными переключающими элементами являются якоря, которые
бывают разнообразной формы, что обеспечивает возможность их применения для
решения широкого круга задач. Из-за механического перемещения контактов реле
страдают от следующих недостатков: короткого срока службы, разрушения
электрических контактов и низкой износоустойчивости. Все эти причины ведут к их
быстрому выходу из строя.
2.2 Электронные ключи
Для построения схем электронных
переключателей применяются разнообразные элементы, такие как диоды, биполярные
и полевые транзисторы. На рисунке 3 показаны две основные конфигурации схем
ключей на полевых транзисторах (ПТ). Переключение полевого транзистора из
открытого в закрытое состояние и наоборот происходит при подаче
соответствующего напряжения на его затвор. Обычно Rd>>Rds,
a Vin
меньше 100мВ.
электронный
высокочастотный переключатель микросхема
3. Высокочастотные и
сверхвысокочастотные ключи
В устройствах связи ВЧ ключи используются для
перенаправления сигналов, в цепях согласования импеданса и для изменения
коэффициента усиления усилителей. Телекоммуникационные системы работают в
широком интервале частот, перекрывающем ВЧ и СВЧ диапазоны. Они используют
диапазон AM (несколько
МГц), коммерческий диапазон FM
(88... 108МГц), диапазон для работы военных радиостанций и диапазон мобильной
связи (900 МГц и 2.4 ГГц), а также частоту 2.45 ГГц (для обеспечения работы
устройств по технологии Bluetooth,
обеспечивающей беспроводную связь разнотипных микропроцессорных систем в
локальной сети). В дополнение к этому существует несколько разработок систем,
работающих в Ки-диапазоне (12.4... 18 ГГц) и в W-диапазоне
(75... 110 ГГц), для которых необходимо применение ВЧ ключей очень высокого
качества. В каждом частотном диапазоне используются ключи, изготовленные по
разным технологиям.
Рисунок 3 - Схемы ключей на полевых транзисторах
ВЧ и СВЧ ключи должны выполнять требования не
только по частоте, но и по коммутируемой мощности. Например, ключи на
кремниевых ПТ обладают отличной коммутируемой мощностью на низких частотах, а
при повышении частоты этот параметр резко ухудшается. Ключи на GaAs-полевых
транзисторах с МОП структурой затвора (MOSFET)
и регулируемых резистивных диодах (PIN)
работают достаточно хорошо на высоких частотах, но только при небольших
амплитудах сигнала. Следовательно, при работе на частоте больше нескольких ГГц
твердотельные ключи имеют большие вносимые потери (порядка 1...2дБ) и плохой
коэффициент развязки (- 20.
..25дБ).
Выбор ключа сильно зависит от уровня сигнала и
требуемого быстродействия. И механические, и электронные ключи имеют как свои
преимущества, так и свои недостатки. В качестве переключающих устройств в ВЧ и
СВЧ микросистемах чаще всего используются твердотельные полупроводниковые
ключи. Это связано с их технологической совместимостью и низкой стоимостью
изготовления.
.1 Механические высокочастотные переключатели
Электромеханические переключатели широко
используются в системах, работающих в различных частотных диапазонах радио и
телевизионного вещания, для передачи сигналов высокой мощности. Такие
устройства, как правило, снабжаются либо волноводом, либо портом с
коаксиальными выводами.
Ряд фирм (www.microlab.rxr.com,
www.mcibroadcast.com,
www.elmika.net,
www.walmba.org,
www.dowkey-com,
www.astswitcli.com,
www.macom/products)
предлагают электромеханические ВЧ и СВЧ ключи, обладающие различными
характеристиками и работающие в разных частотных диапазонах, с уровнем мощности
от кВт до МВт.
Под механическим переключением подразумевается
разрыв/соединение линии передач или электрических проводов при помощи
электромагнитного реле, управляемого специальным сигналом. Существуют
механические ключи с различной схемой включения/отключения.
Типовой электромеханический ключ повышенной
надежности состоит из электромагнита для воздействия на якорь и пружины,
возвращающей его в исходное положение. Такой ключ всегда находится в нормальном
положении (нормально замкнутом или нормально разомкнутом) до тех пор, пока
через катушку не потечет ток, вызывающий его срабатывание. Ключ вернется в
исходное положение, как только катушка будет обесточена. Такие переключающие
устройства находят свое применение в системах, где возможны перебои в линии электропитания.
Во многих системах в случае нахождения ключа в
отключенном состоянии (электрическая линия разорвана) не существует
альтернативного пути для распространения ВЧ сигнала. Для предотвращения
переотражения ВЧ сигнала обратно к источнику в схему вводятся специальные
устройства, например, циркуляторы, перенаправляющие энергию ВЧ сигнала по
искусственно созданному пути. Для поглощения мощности ВЧ сигнала во время
разрыва электрической цепи к выводам ключа присоединяются внутренние
нагрузочные элементы, как правило, 50-ти омные резисторы.
.2 Высокочастотные переключатели на основе PIN-диодов
Как указывалось выше, электромеханические ключи
обладают плохим быстродействием. В случаях, где быстродействие более важно, чем
коммутируемая мощность используют твердотельные переключатели. Быстродействие
электронных ключей на порядок выше, чем у механических. Более того, габариты
электронных переключателей намного меньше размеров механических ключей,
работающих на тех же частотах. В электронных ключах в качестве переключающих
элементов используются полупроводниковые компоненты: либо диоды, либо полевые
транзисторы. Наиболее распространенными переключающими элементами являются PIN
диоды, которые могут подключаться либо параллельно, либо последовательно, либо
в виде последовательно-параллельной комбинации.
Полупроводниковые устройства, к
которым относятся и PIN
диоды, строятся на основе управляемого полупроводникового перехода. Этот
переход может быть включен или отключен при помощи соответствующего напряжения
смещения. PIN диод при
прямом смещении выполняет роль низкоомного резистора, а при обратном смещении
превращается в конденсатор с низким уровнем потерь. Таким образом, меняя
напряжение смещения, можно использовать PIN
диод в качестве ВЧ переключающего устройства, либо для направления сигнала по
требуемому пути, либо для подключения сигнала к соответствующему выходу. Такой
простой переключательный механизм используется во многих ВЧ схемах и
приложениях. PIN диоды часто
применяются при построении ВЧ ключей и фазовращателей. Они также используются в
фазоуправляемых антенных решетках.
PIN диоды
похожи на обычные р-п диоды, но в отличии от них обладают малой емкостью
перехода, что объясняется большей шириной обедненной зоны. Чем ниже емкость,
тем выше импеданс диода при обратном смещении и тем выше коэффициент развязки в
выключенном состоянии.
В зависимости от технологии изготовления и
структуры PIN диоды
делятся на две категории: объемные и эпитаксиальные диоды. В объемных диодах
сверху и снизу слабо легированной подложки из кремния n-типа
методом диффузии наносятся слои материала р-и n-типа.
Таким образом формируется PIN
структура. Типичная толщина i-зоны
объемного диода составляет 100. ..250 нм, а продолжительность жизни носителей -
300.. .6000 нс.
В большинстве СВЧ систем управляющее напряжение
на ключи подается с выхода схем, построенных на основе ТТЛ элементов. Поэтому
быстродействие диода определяется быстродействием ТТЛ схем и величиной
управляющего напряжения. Хотя длительность переходных процессов в PIN
диодах составляет порядка 5 нс, из-за задержек, связанных с работой схем
управления, обычно равных рз 30
не, время переключения таких ключей будет гораздо выше, чем время
нарастания/спада сигнала в самом ключе.
Ключи на PIN
диодах применяются для:
-защиты приемника от
передатчика в радарных системах. Здесь ключ используется в качестве изолятора;
соединения нескольких
узкополосных устройств для создания широкополосной системы;
-управления прохождением сигнала в цифровых
модуляторах.
.3 Полевые транзисторы с МОП структурой затвора
(MOSFET) и монолитные СВЧ
интегральные схемы (MMIC)
До середины 80-х годов двадцатого века в
быстродействующих СВЧ системах использовались только ключи на PIN
диодах. Далее появились ключи на GaAs-полевых
транзисторах, обладающие большим быстродействием, чем PIN
ключи, что объясняется более высокой подвижностью основных носителей в GaAs.
В настоящее время разработаны монолитные СВЧ переключатели на основе MOSFET
транзисторов. По сравнению с PIN
диодами GaAs-полевые
транзисторы обладают более высоким сопротивлением в открытом состоянии и
большей емкостью в закрытом состоянии. Поэтому при разработке ключей и
фазовращателей на основе GaAs
полевых транзисторах необходимо принимать во внимание их конечное сопротивление
в открытом состоянии.
Ключи на полевых транзисторах имеют три вывода.
В качестве управляющего входа используется затвор ПТ. Для замыкания ключа, т.е.
получения состояния с низким импедансом, необходимо подать на затвор ПТ
напряжение, равное нулю, а для размыкания ключа (высокоимпедансного состояния)
- напряжение на затворе ПТ должно быть больше напряжения отсечки. Ключи на
полевых транзисторах являются важной частью монолитных СВЧ ИС, которые
применяются в переключаемых линиях, в нагруженных линиях, в проходных
фазовращателях, в приемниках/передатчиках и в однополюсных двунаправленных
переключателях.
В гибридных СВЧ ИС активные
компоненты с сосредоточенными параметрами и распределенные элементы схем на
планарной линии передач, обычно микрополосковой, соединяются методом пайки или
скрутки проводами. Однако монолитные СВЧ ИС получили более широкое
распространение, поскольку в них активные и пассивные компоненты
изготавливаются одновременно на полуизоляционной полупроводниковой подложке
(например, GaAs). Такой
подход устраняет необходимость крепления дискретных компонентов и уменьшает
потери, связанные с внутренними проводными соединениями.
Достоинствами монолитных СВЧ ИС
являются низкая стоимость, миниатюрные размеры, простота корпуса, надежность,
возможность автоматизированного тиражирования и многофункциональность. По
сравнению с ключами на PIN
диодах монолитные СВЧ ИС работают в более широкой полосе частот, имеют более
низкое потребление энергии, большую скорость переключения и меньшую
длительность переходных процессов. Но они обладают большими вносимыми потерями.
.4 Переключатели в ВЧ микросистемах
Прогресс в области технологий обработки кремния
во второй половине двадцатого века привел к значительному улучшению технических
характеристик современных компьютеров. В состав компьютеров входят миллион
транзисторов, включающихся и выключающихся в соответствии с управляющими
сигналами. Таким образом, можно сказать, что сам компьютер представляет собой
высоко интегрированный набор ключей. Но для ВЧ систем такие быстродействующие
твердотельные ключи не подходят, поскольку не могут работать с мощными
сигналами и обладают большими резистивны-ми потерями. Электромеханические
ключи, хотя и являются силовыми устройствами, но из-за медленной скорости
переключения годятся для использования в ВЧ системах только в нижнем диапазоне
частот. Микропереключатели, используемые в ВЧ микросистемах, объединили в себе
достоинства и твердотельных, и электромеханических ключей, при этом, избежав
многих их недостатков.
Почти все микросистемы используют в качестве
основного материала кремний, поэтому и большинство технологий изготовления
микросистем разработаны на базе традиционных технологий обработки кремния. Всем
хорошо известно, что кремний обладает уникальными механическими свойствами,
позволяющими изготавливать миниатюрные высокоточные механические устройства и
компоненты. Благодаря прогрессу в области технологий производства микросистем в
конце двадцатого века, стало возможным изготовление механических
микропереключателей (микропереключателей), которые обладают низкими
резистивными потерями, незначительным потреблением энергии, хорошей развязкой
по входам/выходам и большей коммутируемой мощностью по сравнению с
полупроводниковыми ключами. Разработка независимых микропереключателей
позволила СВЧ устройствам и компонентам выйти на потребительский рынок,
значительно улучшив технические характеристики систем при снижении их
стоимости.
Для ВЧ ключа самым критичным узлом является
исполнительный элемент, что объясняется его повышенной механической сложностью
и подверженностью к износу. В микропереключателях используются следующие
принципы действия исполнительных механизмов: электростатический,
электромагнитный, магнитный, пьезоэлектрический и термический. Из-за низкого
энергопотребления самым распространенным является электростатический
исполнительный механизм.
По сравнению с ключами на PIN
диодах микропереключатели обладают несколькими преимуществами:
-малым потреблением энергии в
режиме переключения (в среднем несколько микроджоулей),
-очень высоким отношением емкостей во включенном
и выключенном состоянии.
Рисунок 5 - Сравнение переключателей по
стоимости мощности и потерям.
4. Исполнительные механизмы микросистем
Прогресс в микро- и нанотехнологиях сказался и
на развитии микросистем. Электромеханическими микросистемами до последнего
времени считались миниатюрные устройства или комбинированные наборы
электрических и механических компонентов, изготовленные по технологиям
производства ИС (Bryzek,
Petersen, Mc-Culley,
1994). Основным преимуществом микросистем является возможность быстрого
тиражирования и массового производства. Все технологии: и самые ранние, такие
как объемные технологии обработки кремния, и более поздние, такие как LIGA,
применяемые при изготовлении микросистем, имеют свои недостатки, и свои
достоинства. Поскольку ВЧ микросистемы находятся на стадии бурного развития,
рано составлять классификацию ВЧ микроустройств. Инженер-разработчик всегда
четко разграничивает функциональность внутренних элементов ВЧ микросистем. В
высокочастотных схемах микропереключатели могут использоваться либо для замены
ключей на биполярных или полевых транзисторах, либо для перенаправления ВЧ
сигнала между различными линиями передач. При разработке ВЧ систем никогда
нельзя забывать о реактивных элементах: индуктивностях и емкостях, поскольку
каждый из них играет важную роль в ВЧ схемах. Исполнительные и управляющие цепи
не должны нагружать основную схему, а сигналы постоянного напряжения необходимо
надежно изолировать от ВЧ тракта.
.1 Электростатические исполнительные механизмы
Впервые мир заговорил о кремнии в начале
восьмидесятых годов двадцатого века, когда благодаря нему произошла настоящая
революция в сфере технологий производства ИС. Позже кремний стал использоваться
для изготовления прецизионных миниатюрных механических систем. В конце 1970-ых
годов Petersen
(1978, 1979) разработал новый класс механических мембранных
микропереключателей, реализованных на подложке из кремния. Такие
электростатические микропереключатели могли работать с низкочастотным
электрическим сигналом, и их характеристики представляли собой нечто среднее
между параметрами электромагнитных реле и традиционных ключей на кремниевых
транзисторах. Электростатические микропереключатели - очень маленькие
устройства, обычно не превышающие 100 мкм в длину, управляемые при помощи
электростатических полей. В их состав входит тонкая (0.35 мкм) покрытая
металлом диэлектрическая мембрана, прикрепленная к кремниевой подложке,
нависающая над небольшим прямоугольным углублением. Углубление выполняется
методом строго контролируемого вытравливания кремния из-под осажденной
диэлектрической пленки. Совместимость таких ключей с традиционными кремниевыми
ИС привела к дальнейшему их совершенствованию. Современные последовательные
микропереключатели обладают в СВЧ диапазоне более хорошими характеристиками и
бывают консольными, емкостными и мембранными.
Консольная структура состоит из
тонкой металлической пластины, зафиксированной на одном конце и свободно
нависающей над металлической линией передач на расстоянии несколько микрон.
Консоль может быть соединена последовательно с линией передач, как это показано
на рисунке 6, или металлический контакт может располагаться сверху линии
передач, как на рисунке 7. Между линией передач и фиксированным концом консоли
находится металлический электрод, выполняющий роль тянущего вниз механизма.
Рисунок 6 - консольный ключ в
линии передач
Рисунок 7 -консольный ключ с включающим
электродом
Консольные переключатели имеют в своем составе
два важных механических элемента, обеспечивающих работоспособность всего
Устройства. Первый - тонкая балка, закрепленная в анкере слева от нижнего
электрода, используемого для подачи управляющего напряжения . Второй важный
элемент - широкая консоль, подвешенная над электродом, направленная к ВЧ линии
передач.
Как только приложенная сила достигает порогового
значения срабатывания, что происходит, когда электростатические силы становятся
больше сил упругости, консоль резко падает на нижний электрод, замыкая при этом
электрические контакты (рис. 8 а). Консоль возвращается в исходное положение
после того, как приложенное напряжение станет ниже порогового значения
размыкания контактов, которое обычно бывает много ниже напряжения срабатывания.
Такое гистерезисное поведение характерно для всех микропереключателей.
Рисунок 8 - Изображение разомкнутого и
замкнутого ключа
Последовательные ключи имеют,
как правило, металлические контакты и поэтому обладают малыми вносимыми
потерями и отличной линейностью. Для многих практических применений важно,
чтобы у переключателя были минимальные вносимые потери и низкое рабочее
напряжение. Чем выше вносимые потери, тем больше потребление энергии, и тем
хуже коэффициент шума системы. Ключи с металлическими мембранами имеют небольшие
вносимые потери, уровни напряжения переключения, совместимые с твердотельными
переключателями, высокую скорость переключения и хорошую линейность.
На рисунке 9 показан мембранный
переключатель. Входной ВЧ сигнал подается через внутренний соединительный элемент
на верхнюю часть мембраны. Выходная линия, расположенная под мембраной,
крепится при помощи тонкой металлической полоски.
Рисунок 9 - Простой мембранный
переключатель
На рисунке 9 б показан вид
мембранного переключателя сверху. Когда на управляющий электрод подается
напряжение, электростатические силы заставляют мембрану опускаться вниз. При
достаточном напряжении мембрана сильно деформируется и входит в контакт с
нижней линией передав, замыкая два полюса, как показано на рисунке 9 в.
Коэффициент развязки ключа в разомкнутом состоянии определяется величиной
паразитной емкости между мембраной в верхнем положении и нижней линией передач.
Развязка между входом/выходом может быть улучшена при помощи дополнительного диэлектрического
слоя, нанесенного на линию передач, который одновременно с этим снижает
залипание между контактами.
.2 Разработка переключателей с
низким напряжением срабатывания
Микропереключатели с высоким
напряжением срабатывания несовместимы с традиционными технологиями изготовления
ИС, поскольку для применения в ВЧ и микроэлектронных системах напряжения должны
быть не выше 5 В. Напряжение срабатывания (опускания исполнительного механизма)
можно уменьшить тремя способами:
(1)
увеличением
площади электродов;
(2)
уменьшением
зазора между исполнительным механизмом (бал кой, мембраной) и нижним
электродом;
(3)
уменьшением
упругости структуры.
Компактность и миниатюрность
являются важными показателями микросистем, поэтому метод увеличения площади
электродов практически никогда не применяется. Во втором случае существуют
ограничения на величину зазора, связанные с потерями на отражение ВЧ сигнала.
Самым гибким является третий подход, поскольку снижение упругости конструкции
не влечет за собой значительного изменения размеров, веса и ВЧ характеристик
микропереключателей. Было показано, что при использовании в ключах очень
эластичных складчатых подвесных пружин и увеличении зоны действия
электростатического поля значительно снижается напряжение срабатывания. Последние
разработки микропереключателей: с использованием серпантинных и консольных
пружин, а также подвесных консольных конструкций, продемонстрировали
возможность снижения напряжения срабатывания до уровня 14. ..16 В.
.3 Переключатели с ртутным
контактом
В Центре микроэлектроники в
Северной Каролине (MCNC)
разработано электростатическое механическое микрореле, реализованное на
поликремниевой подложке, с микрокаплей ртути на конце контакта , Консоль,
сформированная на поликремнии, имеет следующие параметры: толщину 2мкм, ширину
2... Змкм, длину 300... 500 мкм. На рис. 10 приведена схема реле, состоящая из
поликремниевой балки и фиксированных управляющего и сигнального электродов.
Рисунок 10 - Микрореле с
ртутным контактом.
Балки формируются из
поликремния (Poly 1) толщиной
2 мкм, а сигнальный электрод - из поликремния (Poly
0) толщиной 0.5 мкм. Защитный 2-х микронный оксидный слой вытравливается с
помощью HF. Для
высвобождения балок используется один из следующих методов: сушки при помощи CO2
, травления в парах HF
или сублимации в р-дихлорбензоле. После этого полученная структура подвергается
действию паров ртути. Ртуть строго оседает в специально выделенных зонах,
выполненных из материала, вступающего в реакцию только с ртутью. Размеры
получаемого шарика ртути зависят от времени воздействия паров ртути на
структуру и температуры ртутного резервуара.
.4 Магнитные переключатели
Включение магнитных приводов
может выполняться без подачи внешней электроэнергии при помощи постоянных
магнитов или полутвердых ферромагнитных материалов. Высокая плотность магнитной
энергии позволяет развивать довольно большие усилия и длительное время
удерживать контакты в замкнутом состоянии. Несмотря на то, что при уменьшении
размеров происходит ослабление магнитной силы, при величине зазора более 1 мкм
магнитный привод все же превосходит электростатический по величине производимых
усилий. Поэтому магнитные приводы являются весьма перспективными устройствами
для создания микроустройств. Высокоэффективные постоянные магниты позволяют
создавать электромагнитные двигатели диаметром менее 1 мм. Также
предпринимаются попытки создания планарных электромагнитных приводов на основе
применения методов гальванического нанесения магнитных материалов. При
уменьшении размеров электромагнитных приводов самым сложным является снижение
размеров катушек, что очень трудно сделать с технологической точки зрения.
.5 Электромагнитные
переключатели
В последние годы все более
увеличивается спрос на электромагнитные реле (ЭМР), включая реле с подвижным
якорем, герконовые и твердотельные реле, появившиеся в восьмидесятых годах
двадцатого века, поскольку они обладают высокой надежностью, долговечностью и
незначительным механическим износом (Coutrot
et al,
2001, Sadler, Liakopoulos,
Ahn, 2000). ЭМР по
сравнению с традиционными твердотельными реле обладают более низкими
сопротивлением в замкнутом состоянии и утечками в разомкнутом состоянии,
невысокой выходной емкостью и большой электромагнитной защитой. Однако почти
все ЭМР, за исключением современных твердотельных реле, имеют довольно большие
размеры и проблемы при интеграции с электронными устройствами, подвержены
влиянию ударов и вибрации, обладают большим энергопотреблением и производят при
работе высокий акустический шум. В современных микрореле устранены практически
все перечисленные недостатки при сохранении всех достоинств традиционных ЭМР.
Основные ограничения
традиционных ЭМР связаны с наличием в их приводах катушек и ферромагнитных
якорей. Микрореле допускают применение других принципов действия приводов,
которые могут быть электростатическими и электромагнитными. Электромагнитные
приводы предпочтительнее электростатических, поскольку могут работать с
недорогими и низковольтными устройствами управления. В то время как
электростатическим приводам требуется низкий ток, но сравнительно высокое
напряжение 5... 100 В, что влечет за собой создание специальных управляющих
устройств и цепей высоковольтной изоляции. Постоянные магниты или полутвердые
магнитные материалы позволяют создать электромагнитные реле с функцией
самозащелкивания.
.6 Термические переключатели
Наряду с неоспоримыми
достоинствами микрореле имеют и недостатки. Например, изготовление катушек,
входящих в состав электромагнитных приводов, является довольно сложным
технологическим процессом, поскольку в микрореле они должны быть планар-ными.
Одним из способов упрощения магнитных приводов является устранение катушек, т.
е. построение бескатушечных магнитных приводов на кремниевой подложке. Для
этого был разработан термически управляемый магнитный привод, запускаемый
изменением локальной намагниченности структуры методом точечного разогрева при
помощи инфракрасного (ИК) лазерного луча. Устранение катушки не только упрощает
магнитный привод, но и позволяет при его изготовлении использовать
микротехнологии.
Рисунок 11 - Принцип действия
термического реле
Заключение
Ключи на полевых транзисторах и PIN-диодах
являются наиболее распространенными переключающими элементами в современных ВЧ
и СВЧ интегральных схемах. Недостатками многих полупроводниковых ключей
являются большие вносимые потери во включенном состоянии и плохой коэффициент
развязки в выключенном состоянии. Поэтому в настоящее время активно
разрабатываются механические микроключи для переключения ВЧ сигналов.
Современный уровень микротехнологий позволяет встраивать такие
микропереключатели в ВЧ микросистемы. Микропереключатели с электростатическим
приводом обладают низкими вносимыми потерями, незначительным энергопотреблением,
хорошим коэффициентом развязки и высокой линейностью.
Микропереключатели, как правило, изготавливаются
методами поверхностной технологии, при которых происходит вытравливание
защитных слоев, например, оксидных, для получения структуры ключа. Сложной
проблемой является объединение технологий производства микропереключателей с
традиционными методами изготовления ИС, таких как КМОП (комплементарные
металло-оксидные полупроводниковые) и GaAs структуры.