Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ВВЕДЕНИЕ
ВЧ ключи являются самыми распространенными компонентами ВЧ микросистем. Ключи и реле — простые, но важные элементы всех автоматизированных систем. Они используются в интерфейсах меж ду микросистемами и другими устройствами и служат для автома тического переключения сигналов, что увеличивает гибкость и рас ширяемость всей системы в целом.
Например, применение ключей для организации двух режимов работы: тестового и измеритель ного, позволяет уменьшить количество элементов системы, и, сле довательно, упростить само устройство тестирования.
Ключ - это устройство, позволяющее замыкать и раз мыкать электрическую цепь.
Всем хороню известно, что токи и напряжения в электрической цепи подчиняются законам Кирхгофа, которые звучат следующим образом:
Эти законы должны выполняться в любых блоках системы и не на рушаться даже при размыкании цепи. Другими словами, если в це пи перестал течь электрический ток, указанные законы все рав но должны продолжать выполняться. При выполнении операции по размыканию цепи всегда возникают переходные процессы переклю чения, и чем выше частота, тем сложнее становится их анализ. При работе с ВЧ сигналами ключи могут вносить в схему допол нительные емкость и сопротивление по сигнальным линиям и цепям заземления, а также устанавливать перекрестные связи. Посколь ку ключи часто являются механическими устройствами, они име ют ограниченный срок службы и подвержены поломкам. Конечное время переключения является серьезным препятствием для исполь зования 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 под ходит 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 объ единяющая часть любой ВЧ системы. Соответствующий выбор ВЧ ключей помогает уйти от работы в предельных режимах и обеспе чить выполнение поставленных задач. При аккуратном подборе ха рактеристик переключения можно реализовать ВЧ ключи, соответ ствующие практически любым приложениям.
1 ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
Электрическая энергия передается через проводники, такие как про вода и шины, а процессом передачи можно управлять при помощи реле и ключей. Основными элементами любой электрической це пи являются: источник электрической энергии, нагрузка или под ключенные устройства и замкнутый контур для обеспечения про текания тока. Если любой из этих элементов отсутствует, тока в цепи не будет, и, следовательно, электрическая энергия от источ ника 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 опреде ляется 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 срабаты вания. 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 пере ключения ключа из одного состояния в другое. Однако здесь при операции включения это время определяется от момента достиже ния 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 пере ключения характеризует реакцию ключа на изменение управляю щего напряжения. К времени, требуемому для механического пере ключения, или времени переходных процессов могут прибавляться различные дополнительные составляющие, например, время задерж ки 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 управляюще го сигнала. Переходные процессы коммутации являются важной ха рактеристикой работы ключей. При измерении спектра выходного сигнала необходимо тестировать все компоненты ВЧ системы, та кие как усилители и ключи. В процессе переключения возникают и электромеханические, и электромагнитные переходные процессы. Электромеханические переходные процессы возникают из-за меха нического перемещения элементов ключа (если они существуют), а электромагнитные — из-за взаимодействия электрических и маг нитных полей электрических компонентов системы.
Коммутируемая мощность ВЧ сигнала — характеристи ка, показывающая насколько эффективно ключ пропускает ВЧ сиг нал. Чаще всего передача мощности определяется точкой компрес сии 1 дБ, что взято из усилительной техники. Предполагается, что мощность выходного и входного сигналов связаны линейной зависи мостью. 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 — характеристи ка, показывающая насколько эффективно ключ пропускает ВЧ сиг нал. Чаще всего передача мощности определяется точкой компрес сии 1 дБ, что взято из усилительной техники. Предполагается, что мощность выходного и входного сигналов связаны линейной зависи мостью. 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 подразуме вается согласование их импедансов, что часто является для ВЧ клю чей непростой задачей. Входные и выходные цепи ключа должны быть согласованы как во включенном, так и отключенном состо яниях. 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 идеаль ного согласования удается достичь очень редко, все же необходимо стремиться удерживать переотражения сигналов в пределах допу стимых уровней.
Ширина полосы пропускания является важной характери стикой ключей. Как правило, ключи не имеют нижнего предела ча стоты рабочего диапазона, а имеют только верхний предел. Для по лупроводниковых устройств этот факт объясняется конечной ско ростью носителей заряда, а для электромеханических ключей — по терями, обусловленными сопротивлениями и паразитными связями, ограничивающими их быстродействие.
Вносимые потери ВЧ устройств показывают эффективность передачи сигналов. Для ключей вносимые потери определяются толь ко для включенного состояния, когда происходит передача сигна ла. 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 пе реключателей вносимые потери уменьшаются с ростом частоты. Поэтому можно разработать ключи для ВЧ микросистем, работаю щие 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 это го коэффициента, измеряемое в дБ, соответствует очень маленькой связи между входом и выходом переключающего устройства. Же лательно, чтобы у ключей этот коэффициент был максимальным. В ВЧ микросистемах значение этого коэффициента может умень шиться 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 со противление, вносимое ключом во время передачи сигнала (во вклю ченном состоянии), вызывает снижение уровня сигнала. На низких частотах такое влияние ключа можно выразить в виде последова тельного сопротивления, играющего роль во время прохождения сигнала. На высоких частотах это влияние часто входит во вно симые потери.
Напряжение срабатывания. Для всех ключей, работающих в автоматических системах, необходим сигнал управления, координи рующий их состояние (вкл/выкл). Уровень напряжения таких сиг налов для разных ключей может сильно различаться. В полупровод никовых переключающих устройствах, как правило, не возникает никаких проблем с обеспечением требуемого напряжения срабаты вания, 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 доста точно важной. Поломки таких частей, вызванные усталостью ма териала 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 ко эффициент упругости. На этих частотах потенциальная и кинети ческая энергии входят в резонанс, что ограничивает максимальную скорость переключения, но никак не влияет на частоту передавае мых ВЧ сигналов.
Согласование по фазе и амплитуде является важной харак теристикой многоканальных ключей, поскольку она определяется конструкцией всего устройства и параметрами отдельных каналов: их длиной и потерями в них. Поэтому, как правило, для каждого ка нала 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, проб ки или переключатели мгновенного действия, либо твердотельные ключи, построенные на полевых транзисторах, монолитных СВЧ микросхемах и т. д.
Рисунок 2 – Типовые схемы подключения ключей.
2.1 Механические переключатели
Примерами механических ключей являются тумблеры, кнопочные переключатели, реле и т. д. В реле электрический ток, протекаю щий через катушку, приводит к появлению электромагнитной си лы, вызывающей физическое замыкание или размыкание металли ческих контактов. Наиболее распространенными переключающими элементами являются якоря, которые бывают разнообразной фор мы, что обеспечивает возможность их применения для решения ши рокого круга задач. Из-за механического перемещения контактов реле страдают от следующих недостатков: короткого срока служ бы, разрушения электрических контактов и низкой износоустойчи вости. Все эти причины ведут к их быстрому выходу из строя.
2.2 Электронные ключи
Для построения схем электронных переключателей применяются раз нообразные элементы, такие как диоды, биполярные и полевые тран зисторы. На рисунке 3 показаны две основные конфигурации схем клю чей на полевых транзисторах (ПТ). Переключение полевого транзи стора из открытого в закрытое состояние и наоборот происходит при подаче соответствующего напряжения на его затвор. Обыч но Rd>>Rds, a Vin меньше 100мВ.
3 ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ И СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ КЛЮЧИ
В устройствах связи ВЧ ключи используются для перенаправления сигналов, в цепях согласования импеданса и для изменения коэффи циента усиления усилителей. Телекоммуникационные системы ра ботают в широком интервале частот, перекрывающем ВЧ и СВЧ диапазоны. Они используют диапазон AM (несколько МГц), ком мерческий 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 разно типных микропроцессорных систем в локальной сети). В дополне ние 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 каче ства. В каждом частотном диапазоне используются ключи, изго товленные 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 транзисто рах с МОП структурой затвора (MOSFET) и регулируемых резистивных диодах (PIN) работают достаточно хорошо на высоких частотах, но только при небольших амплитудах сигнала. Следова тельно, при работе на частоте больше нескольких ГГц твердотель ные 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 переключаю щих устройств в ВЧ и СВЧ микросистемах чаще всего используют ся твердотельные полупроводниковые ключи. Это связано с их технологической совместимостью и низкой стоимостью изготовления.
3.1 Механические высокочастотные переключатели
Электромеханические переключатели широко используются в систе мах, работающих в различных частотных диапазонах радио и те левизионного 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 электро механические ВЧ и СВЧ ключи, обладающие различными характе ристиками и работающие в разных частотных диапазонах, с уровнем мощности от кВт до МВт.
Под механическим пере ключением подразумевает ся разрыв/соединение ли нии передач или электри ческих проводов при помо щи электромагнитного ре ле, управляемого специаль ным сигналом. Существу ют механические ключи с различной схемой включения/отключения.
Типовой электромеханический ключ повышенной надежности сос тоит из электромагнита для воздействия на якорь и пружины, воз вращающей его в исходное положение. Такой ключ всегда находится в нормальном положении (нормально замкнутом или нормально ра зомкнутом) до тех пор, пока через катушку не потечет ток, вызыва ющий его срабатывание. Ключ вернется в исходное положение, как только катушка будет обесточена. Такие переключающие устрой ства находят свое применение в системах, где возможны перебои в линии электропитания.
Во многих системах в случае нахождения ключа в отключен ном 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 электриче ской цепи к выводам ключа присоединяются внутренние нагрузоч ные элементы, как правило, 50-ти омные резисторы.
3.2 Высокочастотные переключатели на основе PIN-диодов
Как указывалось выше, электромеханические ключи обладают пло хим быстродействием. В случаях, где быстродействие более важ но, чем коммутируемая мощность используют твердотельные пере ключатели. Быстродействие электронных ключей на порядок выше, чем у механических. Более того, габариты электронных переключа телей намного меньше размеров механических ключей, работающих на тех же частотах. В электронных ключах в качестве переключа ющих элементов используются полупроводниковые компоненты: ли бо диоды, либо полевые транзисторы. Наиболее распространенными переключающими элементами являются PIN диоды, которые могут подключаться либо параллельно, либо последовательно, либо в ви де последовательно-параллельной комбинации.
Полупроводниковые устройства, к которым относятся и PIN ди оды, строятся на основе управляемого полупроводникового пере хода. Этот переход может быть включен или отключен при помо щи 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 на правления сигнала по требуемому пути, либо для подключения сиг нала к соответствующему выходу. Такой простой переключатель ный механизм используется во многих ВЧ схемах и приложениях. PIN диоды часто применяются при построении ВЧ ключей и фазо вращателей. 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 ши риной обедненной зоны. Чем ниже емкость, тем выше импеданс ди ода при обратном смещении и тем выше коэффициент развязки в выключенном состоянии.
В зависимости от технологии изготовления и структуры PIN ди оды 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 про должительность жизни носителей — 300.. .6000 нс.
В большинстве СВЧ систем управляющее напряжение на ключи подается с выхода схем, построенных на основе ТТЛ элементов. По этому 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 при меняются для:
-переключения линий фа зовращателя внутри фазоуправляемой решетки антенны;
-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.
3.3 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 по явились ключи на GaAs-полевых транзисторах, обладающие боль шим быстродействием, чем PIN ключи, что объясняется более высо кой подвижностью основных носителей в GaAs. В настоящее время разработаны монолитные СВЧ переключатели на основе MOSFET транзисторов. По сравнению с PIN диодами GaAs-полевые транзи сторы обладают более высоким сопротивлением в открытом состоя нии и большей емкостью в закрытом состоянии. Поэтому при разработке ключей и фазовращателей на основе GaAs полевых транзисто рах необходимо принимать во внимание их конечное сопротивление в открытом состоянии.
Ключи на полевых транзисторах имеют три вывода. В качест ве управляющего входа используется затвор ПТ. Для замыкания ключа, т.е. получения состояния с низким импедансом, необходи мо подать на затвор ПТ напряжение, равное нулю, а для размыка ния ключа (высокоимпедансного состояния) — напряжение на за творе ПТ должно быть больше напряжения отсечки. Ключи на полевых транзисторах являются важной частью мо нолитных 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 сосредоточенны ми параметрами и распределенные элементы схем на планарной ли нии передач, обычно микрополосковой, соединяются методом пай ки или скрутки проводами. Однако монолитные СВЧ ИС получи ли более широкое распространение, поскольку в них активные и пассивные компоненты изготавливаются одновременно на полуизо ляционной полупроводниковой подложке (например, GaAs). Такой подход устраняет необходимость крепления дискретных компонен тов и уменьшает потери, связанные с внутренними проводными со единениями.
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 работа ют в более широкой полосе частот, имеют более низкое потребление энергии, большую скорость переключения и меньшую длительность переходных процессов. Но они обладают большими вносимыми по терями.
3.4 Переключатели в ВЧ микросистемах
Прогресс в области технологий обработки кремния во второй поло вине двадцатого века привел к значительному улучшению техниче ских характеристик современных компьютеров. В состав компью теров входят миллион транзисторов, включающихся и выключаю щихся в соответствии с управляющими сигналами. Таким образом, можно сказать, что сам компьютер представляет собой высоко ин тегрированный набор ключей. Но для ВЧ систем такие быстродей ствующие твердотельные ключи не подходят, поскольку не могут работать с мощными сигналами и обладают большими резистивны-ми потерями. Электромеханические ключи, хотя и являются сило выми устройствами, но из-за медленной скорости переключения го дятся для использования в ВЧ системах только в нижнем диапазоне частот. Микропереключатели, используемые в ВЧ микросистемах, объединили в себе достоинства и твердотельных, и электромехани ческих ключей, при этом, избежав многих их недостатков.
Почти все микросистемы используют в качестве основного ма териала кремний, поэтому и большинство технологий изготовле ния микросистем разработаны на базе традиционных технологий обработки кремния. Всем хорошо известно, что кремний облада ет уникальными механическими свойствами, позволяющими изго тавливать миниатюрные высокоточные механические устройства и компоненты. Благодаря прогрессу в области технологий производ ства микросистем в конце двадцатого века, стало возможным изго товление механических микропереключателей (микропереключате лей), которые обладают низкими резистивными потерями, незначи тельным потреблением энергии, хорошей развязкой по входам/вы ходам и большей коммутируемой мощностью по сравнению с по лупроводниковыми ключами. Разработка независимых микропере ключателей позволила СВЧ устройствам и компонентам выйти на потребительский рынок, значительно улучшив технические харак теристики систем при снижении их стоимости.
Для ВЧ ключа самым критичным узлом является исполнитель ный элемент, что объясняется его повышенной механической слож ностью и подверженностью к износу. В микропереключателях ис пользуются следующие принципы действия исполнительных меха низмов: электростатический, электромагнитный, магнитный, пье зоэлектрический и термический. Из-за низкого энергопотребления самым распространенным является электростатический исполни тельный механизм.
По сравнению с ключами на PIN диодах микропереключатели обладают несколькими преимуществами:
-малым потреблением энергии в режиме переключения (в сред нем 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 ми кросистем. Электромеханическими микросистемами до последне го времени считались миниатюрные устройства или комбинирован ные наборы электрических и механических компонентов, изгото вленные по технологиям производства ИС (Bryzek, Petersen, Mc-Culley, 1994). Основным преимуществом микросистем является воз можность быстрого тиражирования и массового производства. Все технологии: и самые ранние, такие как объемные технологии обра ботки кремния, и более поздние, такие как LIGA, применяемые при изготовлении микросистем, имеют свои недостатки, и свои досто инства. Поскольку ВЧ микросистемы находятся на стадии бурно го развития, рано составлять классификацию ВЧ микроустройств. Инженер-разработчик всегда четко разграничивает функциональ ность внутренних элементов ВЧ микросистем. В высокочастотных схемах микропереключатели могут использоваться либо для замены ключей на биполярных или полевых транзисторах, либо для перена правления ВЧ сигнала между различными линиями передач. При разработке ВЧ систем никогда нельзя забывать о реактивных эле ментах: индуктивностях и емкостях, поскольку каждый из них игра ет важную роль в ВЧ схемах. Исполнительные и управляющие цепи не должны нагружать основную схему, а сигналы постоянного на пряжения необходимо надежно изолировать от ВЧ тракта.
4.1 Электростатические исполнительные механизмы
Впервые мир заговорил о кремнии в начале восьмидесятых годов двадцатого века, когда благодаря нему произошла настоящая рево люция в сфере технологий производства ИС. Позже кремний стал использоваться для изготовления прецизионных миниатюрных ме ханических систем. В конце 1970-ых годов Petersen (1978, 1979) раз работал новый класс механических мембранных микропереключа телей, реализованных на подложке из кремния. Такие электроста тические микропереключатели могли работать с низкочастотным электрическим сигналом, и их характеристики представляли собой нечто среднее между параметрами электромагнитных реле и тра диционных ключей на кремниевых транзисторах. Электростатиче ские микропереключатели — очень маленькие устройства, обычно не превышающие 100 мкм в длину, управляемые при помощи элек тростатических полей. В их состав входит тонкая (0.35 мкм) покры тая металлом диэлектрическая мембрана, прикрепленная к кремни евой подложке, нависающая над небольшим прямоугольным углу блением. 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 пласти ны, 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 лини ей передач и фиксированным концом консоли находится металличе ский 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 на пряжения . 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 ста новятся 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 прило женное напряжение станет ниже порогового значения размыкания контактов, которое обычно бывает много ниже напряжения сраба тывания. Такое гистерезисное поведение характерно для всех ми кропереключателей.
Рисунок 8 – Изображение разомкнутого и замкнутого ключа
Последовательные ключи имеют, как правило, металлические кон такты и поэтому обладают малыми вносимыми потерями и отлич ной линейностью. Для многих практических применений важно, что бы у переключателя были минимальные вносимые потери и низкое рабочее напряжение. Чем выше вносимые потери, тем больше по требление 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 ли нейность.
На рисунке 9 показан мембранный переключатель. Входной ВЧ сигнал подается через внутренний соединительный элемент на верх нюю часть мембраны. Выходная линия, расположенная под мембра ной, 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, электроста тические силы заставляют мембрану опускаться вниз. При доста точном напряжении мембрана сильно деформируется и входит в контакт с нижней линией передав, замыкая два полюса, как по казано на рисунке 9 в. Коэффициент развязки ключа в разомкнутом состоянии определяется величиной паразитной емкости между мем браной 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.
4.2 Разработка переключателей с низким напряжением срабатывания
Микропереключатели с высоким напряжением срабатывания несо вместимы с традиционными технологиями изготовления ИС, по скольку для применения в ВЧ и микроэлектронных системах напряжения должны быть не выше 5 В. Напряжение срабатывания (опускания исполнительного механизма) можно уменьшить тремя способами:
Компактность и миниатюрность являются важными показателями микросистем, поэтому метод увеличения площади электродов прак тически никогда не применяется. Во втором случае существуют ограничения на величину зазора, связанные с потерями на отраже ние ВЧ сигнала. Самым гибким является третий подход, поскольку снижение упругости конструкции не влечет за собой значительного изменения размеров, веса и ВЧ характеристик микропереключате лей. Было показано, что при использовании в ключах очень эластич ных складчатых подвесных пружин и увеличении зоны действия электростатического поля значительно снижается напряжение сра батывания. Последние разработки микропереключателей: с исполь зованием серпантинных и консольных пружин, а также подвесных консольных конструкций, продемонстрировали возможность снижения напряже ния срабатывания до уровня 14. ..16 В.
4.3 Переключатели с ртутным контактом
В Центре микроэлектроники в Северной Каролине (MCNC) разра ботано электростатическое механическое микрореле, реализованное на поликремниевой подложке, с микрокаплей ртути на конце кон такта , 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 управляюще го и сигнального электродов.
Рисунок 10 – Микрореле с ртутным контактом.
Балки формируются из поликремния (Poly 1) тол щиной 2 мкм, а сигнальный электрод — из поликремния (Poly 0) толщиной 0.5 мкм. Защитный 2-х микронный оксидный слой вытра вливается 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 получен ная структура подвергается действию паров ртути. Ртуть строго оседает в специально выделенных зонах, выполненных из материа ла, вступающего в реакцию только с ртутью. Размеры получаемо го шарика ртути зависят от времени воздействия паров ртути на структуру и температуры ртутного резервуара.
4.4 Магнитные переключатели
Включение магнитных приводов может выполняться без подачи внеш ней электроэнергии при помощи постоянных магнитов или полу твердых ферромагнитных материалов. Высокая плотность магнит ной энергии позволяет развивать довольно большие усилия и дли тельное время удерживать контакты в замкнутом состоянии. Не смотря на то, что при уменьшении размеров происходит ослабление магнитной силы, при величине зазора более 1 мкм магнитный при вод все же превосходит электростатический по величине произво димых усилий. Поэтому магнитные приводы являются весьма перспективными устройствами для создания ми кроустройств. Высокоэффективные постоянные магниты позволя ют создавать электромагнитные двигатели диаметром менее 1 мм. Также предпринимаются попытки создания планарных электромагнитных приводов на основе применения методов гальва нического нанесения магнитных материалов. При уменьшении размеров электромаг нитных приводов самым сложным является снижение размеров ка тушек, что очень трудно сделать с технологической точки зрения.
4.5 Электромагнитные переключатели
В последние годы все более увеличивается спрос на электромагнит ные реле (ЭМР), включая реле с подвижным якорем, герконовые и твердотельные реле, появившиеся в восьмидесятых годах двадцато го века, поскольку они обладают высокой надежностью, долговечно стью и незначительным механическим износом (Coutrot et al, 2001, Sadler, Liakopoulos, Ahn, 2000). ЭМР по сравнению с традиционны ми твердотельными реле обладают более низкими сопротивлением в замкнутом состоянии и утечками в разомкнутом состоянии, не высокой выходной емкостью и большой электромагнитной защитой. Однако почти все ЭМР, за исключением современных твердотель ных реле, имеют довольно большие размеры и проблемы при инте грации 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 сохра нении всех достоинств традиционных ЭМР.
Основные ограничения традиционных ЭМР связаны с наличи ем в их приводах катушек и ферромагнитных якорей. Микрореле допускают применение других принципов действия приводов, кото рые могут быть электростатическими и электромагнитными. Элек тромагнитные приводы предпочтительнее электростатических, по скольку могут работать с недорогими и низковольтными устрой ствами 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 полу твердые магнитные материалы позволяют создать электромагнит ные реле с функцией самозащелкивания.
4.6 Термические переключатели
Наряду с неоспоримыми достоинствами микрореле имеют и недо статки. Например, изготовление катушек, входящих в состав элек тромагнитных приводов, является довольно сложным технологиче ским процессом, поскольку в микрореле они должны быть планар-ными. Одним из способов упрощения магнитных приводов являет ся устранение катушек, т. е. построение бескатушечных магнитных приводов на кремниевой подложке. Для этого был разработан тер мически управляемый магнитный привод, запускаемый изменени ем локальной намагниченности структуры методом точечного ра зогрева при помощи инфракрасного (ИК) лазерного луча. Устране ние 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 полупровод никовых ключей являются большие вносимые потери во включенном состоянии и плохой коэффициент развязки в выключенном состоя нии. Поэтому в настоящее время активно разрабатываются механи ческие микроключи для переключения ВЧ сигналов. Современный уровень микротехнологий позволяет встраивать такие микропере ключатели в ВЧ микросистемы. Микропереключатели с электроста тическим приводом обладают низкими вносимыми потерями, незначительным энергопотреблением, хорошим коэффициентом развязки и высокой линейностью.
Микропереключатели, как правило, изготавливаются методами поверхностной технологии, при которых происходит вытравлива ние защитных слоев, например, оксидных, для получения структуры ключа. Сложной проблемой является объединение технологий произ водства микропереключателей с традиционными методами изгото вления ИС, таких как КМОП (комплементарные металло-оксидные полупроводниковые) и GaAs структуры.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
2
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
ист
4
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
5
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
6
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
7
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
8
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
9
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
10
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
11
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
12
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
13
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
14
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
15
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
16
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
17
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
18
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
19
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
20
1604 ДФ 201900 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
21
1604 ДФ 201900 ПЗ