Lựa chọn RF riêng biệt Điốt và Transistor dành cho một Thế giới ‘Luôn kết nối’ 

Chìa khóa để giải quyết thành công các yêu cầu của các ứng dụng này là lựa chọn các bộ phận RF phù hợp nhất. Bài viết này nêu ra nhu cầu ngày càng tăng về giao tiếp RF, xem xét các yếu tố cần xem xét khi xác định các bộ phận riêng biệt như transistor và điốt, và giới thiệu các công nghệ giúp các kỹ sư thực hiện truyền tin ổn định, mạnh mẽ và tin cậy trong các thiết kế của họ.

Người ta ước tính rằng có hơn 50 tỷ thiết bị sẽ được kết nối vào năm 2020. Lưu lượng dữ liệu luôn ở mức cao – được thúc đẩy bởi giao tiếp cá nhân và giao tiếp từ máy đến máy của IoT. Khối lượng dữ liệu tiếp tục phát triển nhanh chóng khi tốc độ dữ liệu không dây đạt 1 Gbps, với việc truyền dữ liệu và video đang trở nên ngày càng phổ biến hơn.

Khi chúng ta càng phụ thuộc vào thiết bị không dây, chúng ta cũng đòi hỏi ngày càng nhiều hơn về hiệu suất và tính khả dụng của hệ thống – sự ổn định và độ tin cậy của mạng đều rất quan trọng. Với quy mô thị trường dự tính 345 triệu €, các bộ phận RF riêng biệt là cơ sở để cung cấp các thông tin ổn định và tin cậy, là trọng tâm của các ứng dụng trong ngành tiêu dùng, công nghiệp, Giao tiếp và ô tô.

Trong số đó, các bộ phận RF riêng biệt cần thiết nhất là điốt PIN, điốt Schottky và transistor RF. Khi lựa chọn các thiết bị này, các kỹ sư cần phải cân nhắc nhiều tiêu chí khác nhau như hiệu suất, độ nhạy của hệ thống, khả năng chống nhiễu và hiệu quả. Mặc dù hiệu suất của bộ phận đóng vai trò quan trọng, nhưng kích thước và sự linh hoạt cũng quan trọng không kém. Khi các sản phẩm cuối cùng nhỏ hơn, sự sẵn có của các thiết bị hiệu suất cao trong các loại gói sản phẩm khác nhau là yếu tố quan trọng. Điều này cho phép các nhà thiết kế đáp ứng được các yêu cầu về thiết kế tất cả trong không gian nhỏ hẹp.

Chất lượng và độ tin cậy của các bộ phận cũng là các tiêu chí lựa chọn quan trọng, đặc biệt là trong các ứng dụng được thiết kế để hoạt động liên tục ngoài trời hoặc trong điều kiện khắc nghiệt trong các nhà máy hoặc phương tiện.

Điốt PIN tương tự như các điốt thông thường, nhưng chúng có một lớp thuần giữa các lớp PN. Khu vực không pha tạp này làm tăng sự tách biệt và làm giảm điện dung – đặc biệt khi so sánh với một điốt thông thường – mang lại những lợi ích đáng kể trong các ứng dụng chuyển mạch RF.

Điốt PIN có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như điện và điện áp cao và thường được tìm thấy trong các thiết kế RF. Khi chuyển tiếp bất đối xứng, điốt PIN hoạt động giống như một điện trở và, khi đảo ngược bất đối xứng, nó sẽ trở thành một mạch hở. Những đặc tính độc đáo này cho phép điốt PIN được sử dụng làm điện trở biến đổi trong các bộ biến đổi suy hao hoặc làm công tắc RF. Điốt PIN cũng được sử dụng trong mạch bảo vệ RF.

Các công tắc điốt PIN được tìm thấy trong các ứng dụng di động (thiết bị cầm tay và trạm cơ sở) cũng như các thiết bị WLAN, hộp đổi tín hiệu cáp TV và hệ thống giải trí dành cho ô tô. Khi được sử dụng như một bộ suy hao, chúng thường được tìm thấy trong các ứng dụng giải trí dành cho ô tô.

Khi xác định điốt PIN, một trong những điều quan tâm chính là sự suy hao tiếp xúc, tỷ lệ thuận với RF, điện trở nối tiếp chuyển tiếp. RF thường được xác định bằng đơn vị milioat cho một dòng phân cực cho trước và, lý tưởng nhất RF phải càng thấp càng tốt. Tuy nhiên, luôn có sự cân bằng. Trong trường hợp này, khi RF giảm, vì vậy điện dung CT tăng lên. Giá trị CT thấp là một yếu tố quyết định đáng kể về các đặc tính cách điện băng thông rộng của một điốt PIN.

Để đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu, độ tuyến tính của điốt PIN là một tham số quan trọng trong nhiều ứng dụng – cũng giống như thời gian chuyển mạch – đặc biệt khi cần thời gian chuyển mạch nhanh cho các mạch anten RX-TX kết hợp.

Do những hạn chế về không gian trong các ứng dụng ngày nay, các nhà thiết kế sẽ tìm kiếm các nhà cung cấp cung cấp nhiều loại gói khác nhau cho phép lựa khi bố trí PCB bị hạn chế. Có thể đạt được đóng gói nhỏ gọn hơn bằng cách gói nhiều điốt PIN trong một gói chung.

Điốt Schottky có điện áp chuyển tiếp thấp giảm khoảng 0,2 V và tốc độ chuyển đổi nhanh. Việc giảm điện áp thấp làm cho chúng phổ biến trong các ứng dụng năng lượng cũng như RF, đồng thời tốc độ chuyển đổi nhanh mang lại lợi ích đáng kể so với các điốt PN thông thường trong các ứng dụng RF. Điốt Schottky thường được sử dụng trong các mạch bộ tách sóng, đặc biệt là trong các thiết bị cầm tay di động, các thiết bị WLAN và các trạm cơ sở. Chúng cũng được sử dụng như các yếu tố kết hợp trong hộp đổi tín hiệu cáp TV.

Điốt Schottky là thiết bị silicon loại N rào cản thấp và bao gồm một lớp kim loại lắng đọng trên vật liệu loại N. Tuy nhiên, có thể xảy ra hiệu ứng hỏng hóc hoặc rò rỉ do các điện trường mạnh tại các cạnh của khu vực kim loại. Có thể khắc phục được những vấn đề này bằng cách khuếch tán một vòng tròn bảo vệ của chất bán dẫn P+ cùng với một lớp ôxit xung quanh mép của tấm.

Khi xác định điốt Schottky, rò điện là điều cần xem xét chính. Tỷ lệ thuận điện trở thuận RF. Hiệu quả tổng thể của điốt là rất quan trọng, đặc biệt là trong các thiết bị di động khi năng lượng pin ở mức giá quá cao. Các nhà thiết kế cần đặc biệt chú ý đến sự biến dạng tín hiệu và độ tuyến tính của điốt để đảm bảo rằng tín hiệu được sao chép trung thực.

Transistor lưỡng cực có tiếp giáp không đồng nhất (HBT) có các thông số về hiệu suất làm cho chúng trở nên lý tưởng để sử dụng như các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) đơn và hai băng tần trong các ứng dụng RF. Chúng thường được phân loại thành tần số thấp (<5 GHz) và tần số trung bình (tối đa 14 GHz).

Các LNA được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng RF và các transistor RF được tìm thấy trong Giao tiếp vệ tinh, hệ thống định vị, kết nối di động và cố định (ví dụ: WiMAX) và các hệ thống Wi-Fi. Chúng cũng là bộ phận cơ bản để điều khiển từ xa của máy bay trực thăng.

Khi xác định các transistor RF, có một số phần cần xem xét. Vì vai trò cơ bản của transistor RF là khuyếch đại các tín hiệu, độ phóng đại (Gmax) của thiết bị là rất quan trọng. Hiệu suất của thiết bị cũng rất quan trọng, đặc biệt là trong các ứng dụng chạy bằng pin.

Hệ số tạp âm (NF) là một tham số quan trọng – điều này đặc trưng cho sự suy giảm Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của một bộ khuếch đại thực tế so với bộ khuếch đại hoàn hảo về mặt lý thuyết (không tổn thất và không tạp âm). NF chỉ đơn giản là tỷ số SNR ở đầu vào của bộ khuếch đại đến SNR ở đầu ra.

Công nghệ bán dẫn cơ bản sẽ có tác động đáng kể đến độ phù hợp tổng thể cho một ứng dụng nhất định. Ví dụ: silic germanium (SiGe) mang lại nhiều lợi ích hơn các giải pháp thay thế của GaAs, bao gồm hiệu suất tốt hơn do VCE thấp hơn, và nói chung, các thiết bị SiGe có hệ số tạp âm tốt hơn. 

So với các thiết bị SiGe, các thiết bị lưỡng cực SiGe:C (silicon-germanium-carbide) cho thấy hiệu suất tạp âm và hiệu năng tuyến tính tương tự, với lợi ích bổ sung mà chức năng bảo vệ ESD có thể được tích hợp trực tiếp vào transistor, do đó làm gia tăng đáng kể sức mạnh của thiết bị.

Dòng sản phẩm RF riêng biệt của Infineon dành cho các thiết kế không dây bổ sung, có một số ví dụ điển hình về sự phát triển của những công nghệ này trong những năm gần đây. Ví dụ: trong trường hợp điốt PIN, BA592 đạt được sự tổn hao tiếp xúc (RF) 360 mW trong khi BAR63 có giá trị 0,23 pF đối với CT. Nếu không gian là yếu tố quan trọng trong một ứng dụng, thì BAR90 có sẵn như một gói chập bốn trong một gói TSSLP8 siêu nhỏ. Hiệu suất của dãy điốt PIN của Infineon làm cho chúng trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng chuyển mạch ăng-ten, đồng thời tiêu chuẩn AEC cũng đảm bảo tính phù hợp cho các ứng dụng ô tô có nhu cầu.

Khi nói đến các điốt Schottky, nhiều cấu hình trong gói có sẵn bao gồm cả cực dương và cực âm chung cũng như các cấu hình song song và nối tiếp. Dòng sản phẩm BAT15 cung cấp một số cấu hình, bao gồm cả hai tùy chọn kép và chập bốn, với một CT 0,26 pF làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng kết hợp. Để đạt được hiệu suất tối ưu, BAT24 sử dụng CT chỉ 0,21 pF và phù hợp để sử dụng trong hệ thống radar lên đến 24 GHz.

Cuối cùng, công nghệ transistor RF của Infineon – hiện đang ở thế hệ thứ 8 – được thiết kế để cung cấp các giá trị hiệu suất quan trọng như tạp âm thấp và độ tuyến tính cao trong toàn bộ phạm vi.

Các tính năng chính của thế hệ này bao gồm tần số chuyển đổi cao (fT) 80 GHz và mức tiêu thụ điện năng thấp do khả năng làm việc với điện áp cung cấp thấp tới 1,2 V.

Một trong những thiết bị HBT hàng đầu là dòng BFx84x, được xem là “tốt nhất” trong số các RF LNA riêng biệt. Với hệ số tiếng tạp âm 0,85 dB (@ 5,5 GHz) với độ lợi lên đến 23 dB, thiết bị này hoạt động tốt hơn nhiều so với các thiết bị khác trên thị trường nhờ hình dạng đặc biệt của thiết bị. Phổ biến với tất cả các transistor RF SiGe:C của Infineon, BFx84x cung cấp chức năng bảo vệ ESD tích hợp lên đến 1,5 kV (HBM).