Commutateurs RF à semi-conducteurs : des composants de circuits de petite taille mais très performants

Les commutateurs RF sont utilisés pour sélectionner le signal voulu à partir de plusieurs sources disponibles ou pour acheminer un signal vers le canal voulu dans les applications telles que les systèmes d'antennes en diversité, les radars et les installations de test et mesure. Les commutateurs (parfois appelés relais) peuvent être construits à l'aide de conceptions électromécaniques (EM) similaires à un commutateur non RF, mais celles-ci sont désormais supplantées par les circuits de commutation, sauf dans les applications haute puissance où les circuits intégrés sont inadéquats, dans certaines situations très spécialisées, ou encore lorsque le commutateur exige de nombreux pôles (contacts).

Il existe également des commutateurs RF basés sur la technologie MEMS qui répliquent la conception électromécanique, mais utilisent des techniques de fabrication de circuit intégré. Cet article s'intéresse aux commutateurs à semi-conducteurs sur circuits imprimés, qui commencent par une configuration SPDT (unipolaire bidirectionnelle) (Figure 1), et dont l'élément de commutation principal est généralement un transistor à effet de champ (FET) ou une diode PIN.


Figure 1 : Un commutateur RF unipolaire bidirectionnel est conceptuellement simple, avec un signal de contrôle acheminant l'entrée vers l'une des deux sorties possibles via le commutateur (avec l'autorisation de Skyworks Solutions).

De nombreux paramètres définissent les performances des commutateurs RF, et la plupart doivent être caractérisés par rapport à la tension d'alimentation, la température, la fréquence, le niveau de puissance et d'autres facteurs. Certains sont particulièrement critiques dans une application donnée, tandis que d'autres le sont moins. Notez que la plupart des commutateurs RF sont conçus pour fonctionner à 50 Ω, mais que certains sont destinés à la norme 75 Ω de la télévision câblée. Étant donné les hautes fréquences de fonctionnement de ces commutateurs, de nombreux fabricants offrent maintenant des paramètres S et des abaques de Smith dans leurs spécifications de fiche technique (pour plus d'informations, voir l'article TechZone relatif à l'abaque de Smith : un outil graphique ancien toujours vital dans la conception RF), afin d'aider les ingénieurs à déterminer les performances signaux-trajet globales, à établir une correspondance entre les impédances des composants pour minimiser les pertes, et à définir les performances modélisation-système.

Le premier paramètre à vérifier est la couverture de la plage de fréquences du commutateur. Par exemple, la performance d'un commutateur peut être entièrement définie de 1 à 5 GHz, ou de 3 à 10 GHz, ou encore sur une bande limitée comme la bande Wi-Fi de 2,4 GHz (le commutateur pouvant néanmoins fonctionner, dans une moindre mesure et sans garantie d'aucune sorte, en dehors de la plage). En raison de la physique propre aux semi-conducteurs, les commutateurs RF basés sur des diodes PIN ont tendance à présenter des performances réduites à basses fréquences, tandis que les dispositifs basés sur FET peuvent fonctionner à des fréquences très basses, voire CC.

La tenue en puissance est un autre facteur critique. Cependant, il ne s'agit pas uniquement de savoir quelle puissance le commutateur peut supporter avant de tomber en panne, mais comment il se comporte à différents niveaux de puissance. La complexité actuelle des schémas de modulation et les rapports de puissance élevés du signal moyen à maximum signifient que le commutateur doit offrir des performances suffisantes en termes de linéarité, de taux de fuite entre canaux adjacents (ACLR), de distorsion, de produit d'intermodulation de troisième ordre (IP3) et de magnitude de vecteur d'erreur (EVM) en bande aux niveaux de puissance souhaités.

La vitesse de commutation, qui n'est pas liée à la plage de fréquences, est également importante dans certaines applications. Bien qu'elle varie parmi les fabricants, la définition la plus courante du délai d'activation est le délai nécessaire à la sortie du commutateur RF pour atteindre 90 % de sa valeur finale une fois la « position » du commutateur modifiée ; le délai de désactivation est le temps nécessaire pour diminuer de 10 % la valeur finale. Les commutateurs de circuits intégrés ont des délais d'activation et de désactivation de l'ordre des microsecondes, voire des nanosecondes (par rapport aux commutateurs EM qui sont dans la plage des millisecondes). Le temps de stabilisation, quant à lui, est lié aux vitesses de commutation et est plus important dans de nombreuses applications. Il est atteint lorsque la sortie RF se stabilise autour de 0,1 dB, voire 0,05 dB de la valeur finale, car le circuit ne peut pas agir sur un signal jusqu'à ce qu'il soit proche de sa valeur finale correcte, et ce dans de nombreuses applications.

La perte d'insertion définit l'atténuation dans le trajet du signal. Tous les commutateurs de circuits intégrés induisent des pertes dans le signal qu'ils acheminent en raison de la résistance sur le canal, l'addition de leur résistance à l'état passant à l'impédance de charge et la réflexion de signal associée, ainsi que les fuites au niveau de la capacité interne. La perte d'insertion est généralement comprise entre 0,5 et 2 dB, et les fabricants peuvent personnaliser la résistance et la capacité internes afin de minimiser la perte dans la bande de fréquences de fonctionnement spécifiée, au détriment d'une perte d'insertion réduite en dehors de cette bande.

Les spécifications d'isolement définissent la transmission du signal RF aux pôles déconnectés (ou désengagés) du commutateur. Là encore, les concepteurs de commutateurs peuvent élaborer des topologies qui tiennent compte de la physique du dispositif et qui offrent des compromis en termes d'isolement selon les fréquences. Par conséquent, un commutateur large bande peut avoir un isolement de 80 ou même 90 dB à des fréquences plus basses, mais de seulement 30 ou 40 dB à des fréquences supérieures.

Le flux vidéo caractérise les surtensions transitoires qui apparaissent au niveau des sorties du commutateur lorsque celui-ci modifie le trajet du signal, même s'il n'y a pas de signal à ce moment-là. Il est important dans la conception d'amplificateurs à gain élevé avec commande automatique de gain (CAG), qui sont conçus pour diminuer leur gain en réponse à une augmentation du niveau du signal.

La consommation énergétique et la commande indiquent le type et la quantité de signal électronique nécessaire pour gérer la ligne de commande du commutateur, ainsi que la consommation énergétique du commutateur lui-même (en tant que dispositif actif, contrairement à un commutateur CC) même lorsqu'il ne change pas son trajet de routage. (Notez que les commutateurs EM ont des besoins en puissance relativement élevés lors de la commutation, mais une dissipation nulle une fois la commutation terminée car il s'agit de dispositifs passifs.)

Tous les commutateurs posent des problèmes de fiabilité. Dépourvus de pièces mobiles, les commutateurs de circuits intégrés peuvent opérer « indéfiniment », c'est-à-dire pendant des centaines de millions de cycles, s'ils sont exploités dans leurs limites, tandis qu'un commutateur EM peut être spécifié pour quelques millions de cycles uniquement. Des cycles thermiques et tempérés élevés peuvent néanmoins réduire la durée de vie du commutateur de circuit intégré, et celui-ci peut être endommagé par l'application d'une puissance excessive ou des événements DES.

Enfin, il y a la configuration des terminaisons du commutateur. Les commutateurs RF sont conçus en tant que dispositifs à réflexion ouverts ou en tant que dispositifs à réflexion courts (parfois appelés dispositifs absorptifs). Un commutateur à réflexion ouvert ne présente pas de chemin de shunt vers la masse du système sur la connexion ouverte, et minimise donc la charge sur le port inutilisé. Par contraste, la configuration d'un commutateur à réflexion court possède un chemin de terminaison (shunt) de 50 Ω à la masse. Il n'y a donc pas de réflexion sur la ligne du signal et le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) reste faible quel que soit l'état du commutateur. De nombreux commutateurs sont disponibles dans les deux formats, mais avec des spécifications presque identiques.

Divers circuits intégrés répondent à des besoins différents

Le dispositif de Hittite Microwave Corp. (maintenant Analog Devices, Inc.), le HCM545, est un commutateur SPDT GaAs basique (Figure 2), spécifié pour un fonctionnement de CC à 3 GHz et destiné à l'infrastructure cellulaire, aux réseaux locaux sans fil, aux conceptions automobiles et à l'équipement de test. Il présente une perte typique de 0,25 dB et un point IP3 d'entrée de +65 dBm, et il est conçu avec des dispositifs à réflexion courts sur ses ports lorsqu'il est « désactivé ». Il est contrôlé par un signal CMOS/TTL (0/+3 V à 0/+8 V) et est fourni dans un boîtier plastique SOT26 compact à 6 broches.


Figure 2 : Le HCM545 de Hittite utilise un circuit d'attaque CMOS série 74C basique pour faire fonctionner la broche de commande signal-trajet.

Pour une couverture haute fréquence mais sans performances CC, le commutateur SPDT GaAs SKY13350-385LF à réflexion court de Skywork Solutions couvre la plage de 0,01 à 6 GHz, avec une perte d'insertion typique de 0,35 dB et un isolement typique de 25 dB, tous deux mesurés à 3 GHz. Il peut supporter jusqu'à 32 dBm de puissance avec une vitesse de commutation 10/90 % de 45 ns. Comme pour la plupart des composants RF, les performances sont fonction de la tension d'alimentation ; la Figure 3 montre la magnitude EVM par rapport à la puissance de sortie pour une plage de tensions d'alimentations, dans la bande IEEE 802.11a de 5,2 à 5,8 GHz.


Figure 3 : Presque tous les composants RF actifs sont sensibles à la tension d'alimentation, à la température et au niveau de puissance ; voici la variation EVM par rapport à la tension d'alimentation et au niveau de puissance pour le SKY13350-385LF de Skyworks Solutions.

Pour les conceptions qui vont dans des fréquences bien plus élevées, le commutateur SPDT MASW-002103-1363 de M/A-Com est spécifié de 50 MHz à 20 GHz, et peut être utilisé jusqu'à 26 GHz ; sa capacité de tenue en puissance est de 38 dBm. La perte d'insertion (Figure 4) est d'environ 0,4 dB à l'extrémité inférieure de la plage, puis passe à 1 dB à 20 GHz et à 1,6 dB à 25 GHz.


Figure 4 : La perte d'insertion d'un commutateur augmente avec la fréquence ; ici, la perte du commutateur SPDT MASW-002103-1363 de M/A-Com est représentée de CC à 26 GHz.

Tandis que la plupart des commutateurs RF utilisent les technologies GaAs ou CMOS, Peregrine Semiconductor utilise un processus propriétaire UltraCMOS (une variation brevetée de la technologie silicium sur isolant (SOI) sur un substrat de saphir) qui offre, selon eux, les performances de la technologie GaAs avec l'économie et l'intégration de la technologie CMOS conventionnelle. Leur commutateur RF absorbant PE42520MLBA-Z est destiné aux applications sans fil et de test/ATE. Il présente une plage de fréquences de 9 kHz à 13 GHz avec une tenue en puissance de 36 dBm en onde entretenue et de 38 dBm en puissance instantanée à 8 GHz dans 50 Ω. La perte d'insertion est de 0,8, 0,9 et 2,0 dB à 3, 10 et 13 GHz, respectivement, tandis que l'isolement est de 45, 31 et 18 dB aux mêmes points de fréquence. Comme avec tous les commutateurs RF, la perte d'insertion est aussi fonction de la température (Figure 5).


Figure 5 : La perte d'insertion, comme la plupart des autres paramètres de commutation, est aussi fonction de la température ; pour le commutateur SPDT PE42520MLBA-Z de Peregrine Semiconductor, elle augmente d'environ 0,5 dB entre -40⁰C et +85⁰C.

Résumé

Un circuit d'entrée de chaîne de signaux compliqué peut facilement compter un nombre de commutateurs à deux chiffres entre l'antenne et le processeur afin de prendre en charge diverses exigences de bandes, de fonctions et d'applications. Bien qu'un commutateur RF soit fonctionnellement similaire à un commutateur CC ou d'alimentation, la conception interne et les spécifications d'intérêt sont très différentes. Chaque commutateur RF présente de nombreuses caractéristiques de performances et des compromis (ainsi que des problèmes de coût), à commencer par la plage de fréquences de fonctionnement, la perte d'insertion, la puissance nominale, l'isolement et la vitesse de commutation, entre autres. Les concepteurs doivent soigneusement examiner les spécifications standard, ainsi que les valeurs minimales/maximales, sans oublier les inévitables variations de performance par rapport à l'alimentation, à la température et aux niveaux de puissance.

Pour plus d'informations sur les composants mentionnés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder à la page d'informations produits sur le site Web de DigiKey.