今日の「常時接続」の世界では、信頼性が高く、高性能で、エネルギー効率の高いワイヤレス接続が求められています。RF通信は、携帯電話、コードレス電話、タブレット、ゲーム機、セットトップ ボックスを正常に動作させるために不可欠です。自動車業界では、タイヤ空気圧の監視やリモートエントリーからナビゲーションやインフォテインメントまで、ワイヤレスはあらゆる場面で役割を果たしています。また、RF通信はマルチコプターの制御において極めて重要な役割を果たし、安全な操作を保証します。
これらのアプリケーションの要件にうまく対応するための鍵は、最も適切なRFコンポーネントを選択することです。この記事では、RF通信の需要の高まりについて概説し、トランジスタやダイオードなどの個別コンポーネントを指定する際に考慮すべき要素について説明し、エンジニアが設計において安定した堅牢で信頼性の高い通信を実装するのに役立つテクノロジを紹介します。
ディスクリートRF – ワイヤレス接続の核心
2020年までに500億台を超えるデバイスが接続されると予測されています。データ トラフィックは、個人間の通信とIoT のマシン間通信によって、過去最高を記録しています。ワイヤレスデータレートが1 Gbpsに達し、ビデオやデータのストリーミングが普及するにつれて、データ量は急速に増加し続けています。
ワイヤレスへの依存度が高まるにつれて、パフォーマンスとシステムの可用性に対する要求も高まり、ネットワークの安定性と信頼性が重要になります。推定市場規模は3億4500万 €ディスクリートRFコンポーネントは、消費者、産業、通信、自動車の各分野のアプリケーションの中核となる、安定した信頼性の高い通信を提供するための基盤となります。
図1: RF製品は、多様な市場のさまざまなアプリケーションで使用されています
最も重要なRFディスクリートには、PINダイオード、ショットキー ダイオード、RFトランジスタがあります。これらのデバイスを選択する場合、エンジニアはパフォーマンス、システム感度、干渉耐性、効率などのさまざまな基準を考慮する必要があります。コンポーネントのパフォーマンスは確かに重要な役割を果たしますが、サイズと汎用性も同様に重要です。最終製品が小型化するにつれて、さまざまなパッケージ タイプで高性能デバイスを利用できることが重要になります。これにより、デザイナーは利用可能な非常に狭いスペースで必要なデザインを実現できます。
コンポーネントの品質と信頼性も重要な選択基準であり、特に屋外で継続的に動作したり、工場や車両内の過酷な環境で動作することが予想されるアプリケーションでは重要です。
PINダイオード
PINダイオードは従来のダイオードに似ていますが、PN層の間に真性層があります。この非ドープ領域により分離が拡大し、特に従来のダイオードと比較した場合の静電容量が低減されるため、RFスイッチング アプリケーションに大きな利点がもたらされます。
PINダイオードは電力や高電圧などの分野で使用でき、RF設計でよく使用されます。順方向バイアスをかけると、PINダイオードは抵抗器のように動作し、逆方向バイアスをかけるとオープン回路になります。これらの独自の特性により、PINダイオードは可変減衰器の可変抵抗器として、またはRFスイッチとして使用できます。PINダイオードはRF保護回路にも実装されています。
PINダイオード スイッチは、モバイル アプリケーション (消費者向け携帯電話や基地局) のほか、WLANデバイス、セットトップ ボックス、自動車用エンターテイメント システムにも使用されています。減衰器として使用する場合、自動車のインフォテインメント アプリケーションで最もよく使用されます。
PINダイオードを指定する際、主な考慮事項の1つは挿入損失であり、これはRに比例します。ふ、順方向直列抵抗。Rふ 通常は、与えられたバイアス電流に対してミリワットで指定され、理想的にはRふ できるだけ低くする必要があります。しかし、いつものようにトレードオフは存在します。この場合、Rふ 減少するので、静電容量C T 増加します。C値が低いT PINダイオードの広帯域絶縁特性を決定する重要な要因です。
信号の整合性を確保するには、PINダイオードの直線性は多くのアプリケーションで重要なパラメータであり、スイッチング時間も同様です。特に、複合RX-TXアンテナ回路で高速スイッチング時間が必要な場合に重要です。
今日のアプリケーションではスペースが限られているため、設計者はPCBレイアウトが制限されている場所で選択できる、さまざまなパッケージ タイプを提供するサプライヤーを探すことになります。複数のPINダイオードを共通のパッケージにパッケージ化することで、さらに凝縮されたパッケージングを実現できます。
ショットキーダイオード
ショットキー ダイオードは、順方向電圧降下が約0.2 Vと低く、スイッチング速度が速いという特徴があります。電圧降下が低いため、RFだけでなく電力アプリケーションでも人気があり、スイッチング速度が速いため、RFアプリケーションでは従来のPNダイオードに比べて大きな利点があります。ショットキー ダイオードは、特に携帯電話、WLANデバイス、基地局の検出回路でよく使用されます。セットトップ ボックスやその他の同様のアプリケーションのミキシング要素としても使用されます。
ショットキー ダイオードは低障壁のN型シリコン デバイスであり、N型材料上に堆積された金属層で構成されています。ただし、金属化領域の端にある強力な電界により、破壊や漏洩の影響が発生する可能性があります。これらの問題は、プレートの端の周囲に酸化物層とともにP+ 半導体のガード リングを拡散させることで克服できます。
図2: ガードリングを示すショットキーダイオードの構造
ショットキー ダイオードを指定する場合、漏れ電流が主な考慮事項となります。これは順方向抵抗Rに比例する。ふ。ダイオードの全体的な効率は、特にバッテリー電力が貴重なポータブル デバイスでは重要です。設計者は、信号が忠実に再現されるように、ダイオードの信号歪みと直線性にも細心の注意を払う必要があります。
RFトランジスタ
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ (HBT) は、RFアプリケーションにおけるシングルバンドおよびデュアルバンドの低ノイズアンプ (LNA) として使用するのに最適なパフォーマンスパラメータを備えています。これらは通常、低周波 (<5 GHz) と中周波 (最大14 GHz) に分類されます。
LNAはRFアプリケーションで広く使用されており、RFトランジスタは衛星通信、ナビゲーション システム、モバイルおよび固定接続 (WiMAXなど)、Wi-Fiシステムに使用されています。これらは、マルチコプターのリモートコントロールにも不可欠です。
RFトランジスタを指定する場合、考慮すべき領域がいくつかあります。RFトランジスタの基本的な役割は信号を増幅することなので、ゲイン（G最大) が重要です。特にバッテリー駆動のアプリケーションでは、デバイスの効率も重要になる可能性があります。
雑音指数 (NF) は重要なパラメータです。これは、理論的に完璧な (損失や雑音のない) アンプと比較した実際のアンプの信号対雑音比 (SNR) の劣化を表します。NFは、単にアンプ入力のSNRと出力のSNRの比です。
基本的な半導体技術は、特定のアプリケーションに対する全体的な適合性に大きな影響を与えます。例えば、シリコンゲルマニウム（SiGe）は、GaAs代替品に比べて、Vが低いため効率が良いなど、多くの利点がある。 CE 一般的に、SiGeデバイスはノイズ指数が優れています。
SiGeデバイスと比較すると、SiGe:C (シリコンゲルマニウムカーバイド) バイポーラデバイスは同様に優れたノイズおよび直線性性能を示し、さらにESD保護をトランジスタに直接統合できるため、デバイスの堅牢性が大幅に向上するという利点もあります。
「最先端」のRFディスクリート
Infineon の補完的なワイヤレス設計向けRFディスクリート ファミリには、近年これらのテクノロジがどのように進化してきたかを示す良い例がいくつかあります。たとえば、PINダイオードの場合、 BA592 は挿入損失 (RF) が360 mWを達成し、 BAR63 はCT が0.23 pFという値を誇ります。アプリケーションでスペースが重要な場合は、 BAR90 が超小型TSSLP8パッケージのクアッド パックとして提供されます。InfineonのPINダイオード製品は、その優れた性能により、アンテナ スイッチング アプリケーションに最適な選択肢となっています。また、AEC認定により、要求の厳しい自動車アプリケーションにも適合することが保証されています。
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ショットキー ダイオードの場合、共通アノードまたはカソード、直列および並列構成など、複数のパッケージ内構成が利用可能です。BAT15 シリーズは、デュアルおよびクアッド オプションを含むさまざまな構成を提供し、CT が0.26 pFであるため、ミキサー アプリケーションに最適です。究極のパフォーマンスを実現するために、 BAT24 はわずか0.21 pFのCT を誇り、最大24 GHzのレーダー システムでの使用に適しています。
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最後に、現在第8世代となるインフィニオンのRFトランジスタ技術は、範囲全体にわたって低ノイズや高直線性などの主要なパフォーマンス値を実現するように設計されています。
図3: インフィニオンのRFトランジスタのラインナップは、継続的なイノベーションによりクラス最高のパフォーマンスを実現
この世代の主な特徴としては、80 GHzの高い遷移周波数 (fT) と、1.2 Vという低い電源電圧で動作できるため消費電力が低いことが挙げられます。
図4: RFゲイン（Gmax）とノイズ関数は、競合デバイスに比べて大幅なパフォーマンス向上を実現します。
主要なHBTデバイスの1つはBFx84xシリーズで、これはディスクリートRF LNAの中で「クラス最高」と考えられています。このデバイスは、特殊なデバイス形状により、最大23 dBのゲインで0.85 dB (@5.5 GHz) のノイズ係数を実現し、市場の他の多くのデバイスよりも優れた性能を発揮します。InfineonのすべてのSiGe:C RFトランジスタと同様に、BFx84xは最大1.5 kV (HBM) までのESD保護機能を内蔵しています。