Neue Technologie für neue Anforderungen

Redakteur: Jan Vollmuth

Eine komplexe Angelegenheit: GSM-Handys können bis zu vier Sende-(Tx-) und vier Empfangs-(Rx-)Pfade aufweisen. Die Erweiterung um Single- oder Dual-WCDMA-Bänder erfordert einen oder

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( Archiv: Vogel Business Media )

Aktuelle Mobiltelefone bieten bis zu vier zusätzliche Frequenzbänder und erreichen damit die Grenzen der Leistungsfähigkeit herkömmlicher Technologien. Die Switching-Funktion, die diese Frequenzpfade mit der Antenne verbindet, ist aufgrund der zunehmenden Komplexität und anspruchsvollen HF-Leistungsanforderungen an Systeme der nächsten Generation von besonderem Interesse. UltraCMOS, eine Silizium-auf-Saphir-Technologie, bietet vielversprechende Vorteile bei der Entwicklung neuer komplexer Switching-Bausteine.

Eine komplexe Angelegenheit: GSM-Handys können bis zu vier Sende-(Tx-) und vier Empfangs-(Rx-)Pfade aufweisen. Die Erweiterung um Single- oder Dual-WCDMA-Bänder erfordert einen oder zwei zusätzliche Tx/Rx-Pfade. Aufgrund der Nähe der angrenzenden Tx-Bänder verarbeitet ein Leistungsverstärker (PA) das GSM-Band, während für jedes WCDMA-Band ein weiterer PA erforderlich ist. Die Konfiguration für ein Quad-Band-GSM-Handy mit einem WCDMA-Band erfordert einen einpoligen (Single-Pole) 6-fach-Hub (Six-Throw) SP6T-Switch. Alternative Konfigurationen lassen sich zwar ebenfalls verwenden, ergeben aber unterschiedliche Leistungsresultate: Ein Diplexer und zwei SP3T-Switches würden z.B. eine höhere Einfügungsdämpfung verursachen als ein einziger SP6T-Switch.

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Triple- und Quad-Band-GSM-Systeme stellen eine besondere Herausforderung dar, da das GSM-Sendeband mit dem GSM850-Empfangsband und das PCS-Sendeband mit dem DCS-Empfangsband überlappt. Beim Senden dämpft der Rx-Bandwahlfilter das gesendete Signal nicht, das durch den Switch streut. Um die Low Noise Amplifier (LNAs) hinter den Empfangsfiltern zu schützen, muss der Switch mindestens 35 dB Isolation bieten.

Technologien zum Verkleinern der Antennen-Switch-Module werden dringend benötigt

Erschwerend kommt hinzu, dass der Frontend-Switch direkt mit der Antenne verbunden ist, sodass er eine hohe Toleranz gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD) aufweisen muss – entweder von Natur aus oder durch zusätzliche Schutzschaltkreise. Mobiltelefon-Designs müssen +/-8 kV Kontaktentladung und +/-16 kV Luftentladung nach IEC-1000-4-2-Spezifikation widerstehen. Darüber hinaus müssen die Platz- und Kostenfragen geklärt werden. Heute sollte ein Front-End unter 1,4 mm hoch sein. Daher sind Technologien dringend nötig, mit denen sich die Antennen-Switch-Module (ASMs) verkleinern lassen. Verschiedene Switching-Technologien für GSM- und WCDMA-Handys stehen zur Verfügung, wobei jede ihre eigenen Vor- und Nachteile mit sich bringt.

PIN-Dioden stellen noch immer die dominierende Technologie bei ASMs dar. Sie bieten eine niedrige Einfügungsdämpfung und geringe harmonische Verzerrung. Zum Vorspannen (Bias) der Dioden muss das Modul jedoch Blockkondensatoren und Speiseinduktivitäten enthalten. Um einen Switch mit Mehrfachhub zu entwickeln, werden Serien- und Nebenschlussdioden über Viertelwellenleitungen (Bild 1a) miteinander verbunden. Die Leitungen bestimmen dabei die Größe diodenbasierter ASMs.

HF-CMOS-Switches genügen den GSM-Anforderungen

GaAs-pHEMT-Switches (Bild 1b) sind ein brauchbarer Ersatz für PIN-Dioden und verringern die Größe und Komplexität von ASMs. Herausforderungen ans Design bleiben jedoch bestehen: So verwenden GaAs-Switches mehrere FETs pro Switching-Pfad und erfordern eine Steuerleitung pro Pfad, und im Gegensatz zu PINs vertragen pHEMT-FETs das GSM-Signal mit 17,8 V Spitze nicht. Zu den weiteren Nachteilen zählen die niedrige ESD-Toleranz (typ. 250 bis 500 V HBM) und der Bedarf an zusätzlichen Dekodier- und DC-Sperr-Schaltkreisen.

Seit kurzem macht sich HF-CMOS-Technologie einen Namen bei Lösungen für Frontend-Switching (Bild 1c). Diese Technologie wurde bislang nur für Low-Voltage-Applikationen benutzt. Neue Errungenschaften in der Bauteil- und Schaltkreistechnologie führten jedoch zu HF-CMOS-Switches, die den GSM-Anforderungen gerecht werden. So wurden SP6T- und SP7T-Switches für Mobiltelefone (Bild 2) in UltraCMOS implementiert. Dieser Prozess basiert auf Standard-HF-CMOS, und die Bauteile werden direkt auf Saphir gefertigt. Diese HF-Switches wurden in Reihen-Nebenschlusskonfiguration für eine verbesserte Einfügungsdämpfung und Isolation entwickelt (Bild 3). Sie bieten einen integrierten Dekoder, so dass keine zusätzlichen Steuersignale mehr erforderlich sind. Blockkondensatoren erübrigen sich, da die Switches einen Negativspannungsgenerator zum Abschalten der FETs enthalten. Die Nebenschlussbausteine sind direkt mit Masse verbunden und stellen damit einen Pfad für ESD-Ströme bereit. Eine niedrige Impedanz im Isolierzustand macht die Switches immun gegen Load-Pulling an isolierten Ports. Bild 2 zeigt einen Switch mit integrierten ESD-Schutzschaltkreisen auf den digitalen Steuerleitungen (HBM-Toleranz 1500 V; Antennenknoten-Toleranz 4000 V HBM).

Linearität: Eine große Herausforderung für GSM-Switches

UltraCMOS-Switches können als Flip-Chips auf ein Low-Temperature-Cofired-Ceramic-(LTCC-)Substrat ohne Unterfüllung montiert werden. Damit erübrigt sich der Flächenbedarf, der vorher für die Drahtanschlüsse (Wirebonding) erforderlich war. Derzeit befindet sich das Wafer-Level Chip-Scale Packaging (CSP) in der Entwicklung, mit dem sich Switches wie Standard-SMT-Bauteile (Surface Mount Technology) einhäusen lassen.

Eine weitere Herausforderung bei GSM-Switches ist deren Linearität. Der Switch in Bild 3 verarbeitet +38,5 dBm Ausgangsleistung bei 0,1 dB Kompression und +41 dBm Ausgangsleistung bei 1 dB Kompression. Bei +35 dBm bietet der UltraCMOS-Switch 20 dB Spielraum gegenüber der GSM-Spezifikation mit –30 dBm. Bild 4 zeigt das Verhalten der Oberwellen gegen Eingangsleistung und Kompression: Die zweite Oberwelle ist in UltraCMOS-Technologie gering, da die Verzerrung bei positiven und negativen Spannungsschwankungen symmetrisch ist. Die Leistungscharakteristik lässt sich verbessern, indem UltraCMOS um HaRP-Technologie ergänzt wird. Switches mit HaRP-erweiterter UltraCMOS-Technologie weisen Intercept-Punkte dritter Ordnung (IP3) auf, die größer als +70 dBm sind. Dies spielt beim Erreichen der Intermodulations-Spezifikationen des 3GPP-Standards für WCDMA-Handys eine wichtige Rolle. Demnach muss der Switch einen IP3 über +65 dBm aufweisen.

Mit UltraCMOS erübrigen sich der Dekoder, Blockkondensatoren und der Diplexer, wie sie bei anderen Switch-Technologien erforderlich sind. In Kombination mit der CSP-Technologie lassen sich die Größe und Höhe von ASMs verringern. Integrierte ESD-Toleranz und eine monolithische CMOS-Schnittstelle vereinfachen die Implementierung und Anwendung. Der hohe Ertrag der UltraCMOS-Prozesse und die Skalierbarkeit für zusätzliche Switch-Hubzahlen ermöglicht eine Roadmap für noch höhere Integration in Mobiltelefonen der Zukunft.

Peregrine Semiconductor, Tel. +33(0)4 4239 3361

*Rodd Novak ist VP Marketing bei Peregrine Semiconductor in San Diego

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