Il silicio come valida alternativa al GaAs

La rapida evoluzione delle tecnologie microelettroniche può mettere in discussione alcuni degli approcci alla progettazione ormai consolidati. Fino a poco tempo, i progettisti impegnati nello sviluppo di circuiti a radiofrequenza e microonde per applicazioni come le stazioni base per la telefonia mobile 4G, i ripetitori a larga banda o si sistemi distribuiti di antenne, avrebbero scelto automaticamente transistori in GaAs per ottenere le migliori prestazioni di rumore e linearità. I dispositivi in silicio sarebbero stati presi in considerazione molto raramente. Oggi, invece, il silicio può rappresentare una soluzione migliore, sia perché offrono alcuni vantaggi per affrontare problematiche che stanno diventando sempre più importanti, come dimensioni, costo, affidabilità e tempo di assestamento, sia perché l’evoluzione tecnologica permette di migliorare alcuni parametri critici come il rumore, la distorsione e la risposta in transitorio.

Pregi e difetti del GaAs
La tecnologia dell’arseniuro di gallio è stata un elemento chiave della rivoluzione wireless, offrendo prestazioni di basso rumore ed elevata linearità, superiori alle capacità dell’epoca dei dispositivi in silicio. Dato che il rumore e la linearità rappresentano i fattori principali che determinano la distorsione totale introdotta nel sistema in alcuni blocchi funzionali fondamentali, come gli amplificatori a guadagno variabile, gli attenuatori a passi digitali, i commutatori, i mixer e i modulatori, i dispositivi in GaAs sono stati spesso la scelta obbligata nei casi in cui erano richieste le prestazioni migliori in termini di qualità del segnale. Essendo una tecnologia più specializzata rispetto a quelle basate sul silicio, l’applicazione dell’GaAs è limitata ad applicazioni puramente analogiche. L’aggiunta di circuiti digitali comporta normalmente la progettazione di un modulo ospitante molteplici chip su di un substrato laminato comune. Questa soluzione è costosa e provoca una maggiore sensibilità all’umidità, richiedendo così attenzioni speciali per l’immagazzinamento e la manipolazione. Tipicamente, i moduli basati su GaAs sono caratterizzati da una sensibilità di livello MSL3 e quindi devono essere impiegati entro una settimana dalla sigillatura per garantire che l’assorbimento di umidità non danneggi il dispositivo, portando così a un guasto precoce. Invece, i circuiti integrati di silicio sono tipicamente incapsulati in un package monolitico Qfn e quindi sono caratterizzati da una migliore resistenza all’umidità di livello MSL1 e possono essere distribuiti nelle normali bobine e non richiedono particolari precauzioni. I componenti in silicio in package Qfn offrono anche una resistenza termica inferiore rispetto ai moduli laminati basati su componenti in GaAs, migliorando così l’affidabilità ed aiutando a semplificare la gestione termica e rilassando le specifiche dei dissipatori. Inoltre, i dispositivi in GaAs presentano una minore resistenza alle scariche elettrostatiche con una soglia di solo 500 V, rispetto ai 2 kV tipici dei componenti in silicio. Di conseguenza, i dispositivi in GaAs possono essere facilmente danneggiati da scariche di bassa intensità che possono verificarsi in fase di assemblaggio. Un equivalente dispositivo in silicio richiederebbe precauzioni anti-statiche molto meno stringenti. I commutatori realizzati in tecnologia Silicon-On-Insulator offrono una migliore figura di merito data dal prodotto della resistenza di canale per la capacità parassita in fase di off (Ron x Coff) e quindi introducono una perdita inferiore ed un maggiore isolamento. Infine, i circuiti che contengono dispositivi in GaAs tendono a richiedere più componenti esterni passivi, come induttori e resistori, che occupano spazio aggiuntivo ed incrementano la complessità della soluzione.

Ritardo di gate nei commutatori in GaAs
I sistemi di comunicazione per le infrastrutture cellulari ad alta velocità di generazione 3G e 4G, al pari di altri sistemi industriali, richiedono che i transistori a radiofrequenza si assestino velocemente dopo la commutazione in modo da soddisfare le specifiche di temporizzazione più critiche e mantenere l’integrità del segnale. Il ritardo di gate che si manifesta all’accensione del transistore può essere considerato come la differenza nella resistenza di canale tra il momento in cui si completa il fronte di salita da 10 al 90% ed il momento in cui il commutatore può essere considerato a regime (tipicamente tra il 97,5% ed il 100% del transitorio di accensione). In altri termini, il ritardo di gate può essere visto come il ritardo nella commutazione della potenza all’uscita RF tra quando l’ampiezza è 90% e quando si è stabilizzata al 100%. I dispositivi in GaAs mostrano un ritardo di gate significativo, in particolare quando funzionano a bassa temperatura, limitando così le prestazioni del sistema. Un sistema di comunicazione ad alta velocità deve attendere il tempo di assestamento prima di iniziare la trasmissione. Un tempo di assestamento lungo può limitare la velocità e l’agilità del sistema e può allungare la durata del test in uno scenario di produzione.

Il silicio colma il distacco prestazionale
Nonostante i noti svantaggi del GaAs, le sue prestazioni superiori di rumore e linearità, in particolare in termini di punto di intercetta del terzo ordine, hanno finora prevalso sui limiti. Oggi, tuttavia, grazie alle nuove tecnologie che consentono di superare le limitazioni tradizionali, i dispositivi in silicio rappresentano un’alternativa più interessante per realizzare soluzioni più economiche ed affidabili. La nuova generazione di commutatori RF in tecnologia Soi, come il modello F2912 di Idt, può lavorare in modo affidabile a temperature elevate, tipiche della zona prossima all’amplificatore di potenza. Questi nuovi commutatori in silicio offrono prestazioni eccellenti (0,4 dB di perdita di inserzione, IP3 pari a +65 dBm ed un isolamento di 60 dB) fino a temperature di +120°C. La nuova generazione di amplificatori a guadagno variabile in silicio per frequenza intermedia, come il modello F1240, rappresenta una svolta importante nel migliorando del rapporto segnale/rumore grazie alla tecnologia FlatNoise. Questa garantisce assicura un basso livello di rumore anche per bassi guadagni, a differenza del passato in cui si era costretti ad accettare un peggioramento di 1 dB del rumore per ogni dB di riduzione del guadagno. Di conseguenza, il rapporto segnale/rumore complessivo può essere migliorato fino a 2 dB mantenendo un’ottima linearità. La linearità rappresenta un altro parametro fondamentale che è stato recentemente migliorato in maniera significativa nei dispositivi in silicio. Ad esempio, il componente in silicio F0480 di Idt, Vga RF basato sulla nuova tecnologia Zero-Distortion, è in grado di raggiungere 40 dBm di OIP3 con una banda di 2000 MHz e 23 dB di dinamica con solo 100 mA di corrente di quiescenza. In generale, i miglioramenti di banda passante e linearità del Vga offrono ai progettisti maggiore flessibilità per realizzare il ricevitore. Idt ha superato un importante punto debole degli attenuatori a passi digitali grazie allo sviluppo della tecnologia Glitch-Free. Tale tecnologia riduce la ben nota sovraoscillazione che si verifica nel transitorio di commutazione del bit più significativo, da 10 a 0,5 dB. In applicazioni di precisione come nei trasmettitori, questa tecnologia garantisce che il guadagno possa commutare dolcemente tra valori adiacenti. Storicamente l’intenso glitch dei 10 dB poteva danneggiare l’amplificatore di potenza a valle. Inoltre, gli attenuatori tradizionali richiedono un elevato tempo di assestamento, limitando le prestazioni bidirezionali come nei sistemi Tdd (Time-domain duplex). Eliminando le sovraoscillazioni, la transizione priva di glitch incrementa significativamente l’affidabilità del sistema e consente la realizzazione di sistemi Tdd più agili.

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