Satellitenkommunikation ist wohl die anspruchsvollste Mixed-Signal-Anwendung, die höchste Zuverlässigkeit erfordert. Die in Satelliten eingesetzten Komponenten müssen nicht nur einem breiten Temperatur- und Strahlungsbereich standhalten, sondern auch hohe Leistung und Zuverlässigkeit bieten. Da sich Weltraumanwendungen derzeit im kommerziellen Segment etablieren, sind Preis und Größe entscheidende Faktoren für die in diesem Markt eingesetzten Geräte und Komponenten.
Die größte Herausforderung ist wohl der Stromverbrauch. Durch den Einsatz von Bauelementen auf Basis der UltraCMOS™-Technologie – einer kostengünstigen Silizium-auf-Isolator-Technologie (SOI) auf Saphirsubstrat – erzielen Entwickler von Satellitensystemen bereits eine beispiellose Designflexibilität sowie Leistungs- und Energieeinsparungen im Vergleich zu den sperrigeren GaAs- und CMOS-Alternativen.
Mehrere wichtige Mixed-Signal-Bauelemente (analog oder HF und digital) werden derzeit in Weltraumanwendungen eingesetzt, darunter Phasenregelschleifen (PLLs), integrierte Zwischenfrequenz-Subsysteme (ZF) und Frequenzteiler. In UltraCMOS implementiert, ebnen diese Bauelemente den Weg für die Entwicklung leichterer, kleinerer, leistungsstärkerer und kostengünstigerer Satellitensysteme, deren Startkosten ebenfalls sinken.
Das Potenzial von CMOS nutzen
Die Vorteile von CMOS hinsichtlich geringem Stromverbrauch und einfacher Integration sind bekannt. UltraCMOS, eine Weiterentwicklung von CMOS, ist eine vollständig verarmte CMOS-Technologie, die auf einem 50–100 nm dicken Siliziumfilm basiert, der direkt auf ein Saphirsubstrat aufgebracht wird. Durch die Verwendung von Saphir, einem nahezu perfekten Isolator, benötigen UltraCMOS-Wafer einen Standard-CMOS-Prozess mit geringer Defektdichte, was eine einfache und leistungsstarke Fertigung ermöglicht. Sie erlauben die Herstellung dielektrisch isolierter Transistoren und verbessern so die Belastbarkeit im Vergleich zu anderen Prozesstechnologien. Da es sich um eine CMOS-Technologie handelt, bietet sie die für CMOS typischen Logikpegel und eignet sich daher hervorragend für integrierte Mixed-Signal-Schaltungen.Tatsächlich bietet der UltraCMOS-Prozess zahlreiche Vorteile und neue Impulse für HF- und Mixed-Signal-Designs. Für Satellitenanwendungen weist er mehrere bemerkenswerte Eigenschaften auf. Die Technologie bietet eine geringe Kapazität, die hohe Geschwindigkeiten bei niedrigem Stromverbrauch ermöglicht. Ihr vollständig verarmter Betrieb verbessert Linearität, Geschwindigkeit und Niederspannungsverhalten im Vergleich zu anderen alternativen Technologien. UltraCMOS-Bauelemente sind von Natur aus strahlungsgeschützt und bieten einen ESD-Schutz bis zu 2 kV HBM bei geringen parasitären Effekten. Da sie in Standard-CMOS-Fertigungsanlagen auf großen Wafern hergestellt werden, bieten sie die gleichen Kostenvorteile wie herkömmliche CMOS-Technologie. Die UltraCMOS-Technologie wurde bereits früh in ihrer Entwicklung für Weltraumanwendungen eingesetzt und trägt weiterhin zu Verbesserungen bei den komplexen Designs bei, die für Systeme der nächsten Generation erforderlich sind.
PLL-Fortschritt
Ein kritisches Bauteil im Signalweg eines Satelliten ist die PLL (Plug-Line-Layer). Diese Bauteile verarbeiten typischerweise sehr schwache Signale im Bereich von -30 dBm und erzeugen daraus ein komplexes digitales Signal zur Steuerung des Lokaloszillators (LO). Da es sich um ein Mixed-Signal-Bauteil handelt, kann die Leistung der PLL durch eine Verbesserung der Spezifikation um nur ein dB, beispielsweise des Phasenrauschens, entscheidend beeinflusst werden.Früher mussten strahlungsgeschützte PLLs mit exzellentem Phasenrauschen aus diskreten Bauteilen aufgebaut werden. Diese schweren, leistungsintensiven Schaltungen begrenzten die Anzahl der auf einem Satelliten einsetzbaren PLLs. Die Entwicklung von Single-Chip-PLLs ermutigte Entwickler, deren Einsatz auf fortschrittliche Satellitensysteme auszuweiten, da deren Phasenrauschen die Systemanforderungen erfüllte und die Bauteile die Anforderungen und Zuverlässigkeitsstandards auf Satellitenebene sogar übertrafen.
UltraCMOS-PLLs bieten die Vorteile einer Single-Chip-Lösung hinsichtlich Größe und Stromverbrauch sowie ein im Vergleich zu diskreten Lösungen verbessertes Phasenrauschen. Frühe UltraCMOS-PLL-Implementierungen erreichten die besten Phasenrauschwerte auf dem Markt und waren die ersten strahlungsgeschützten Single-Chip-PLLs. Kürzlich wurden diese Phasenrauschwerte mit der Einführung des PE97632 weiter verbessert. Dieser bietet ein Phasenrauschen von -216 dBc/Hz, normiert auf 1 Hz (entspricht einem Offset von -103 dBc/Hz; siehe Abbildung 1a). Diese Spezifikation ist 4 bis 10 dB besser als die vorheriger UltraCMOS-Bausteine, die einen Marktanteil von 100 % erreichten (Abbildung 1b). Mit einer Verbesserung von nur 3 dB können Satellitenentwickler ihre Nutzlastkapazität effektiv verdoppeln.
Die außergewöhnlichen Phasenrauschwerte dieser PLLs sind eine direkte Folge der inhärenten Eignung der UltraCMOS-Technologie für Mixed-Signal-HF-Anwendungen. Beispielsweise enthält eine moderne Single-Chip-PLL zwischen 5.000 und 10.000 Logikgatter sowie wichtige analoge Elemente wie Ladungspumpen, Referenzpuffer und Eingangsverstärker. Um eine integrierte PLL zu implementieren, muss jede dieser Funktionen mit einer einzigen Technologie entworfen und optimiert werden, um ihren Beitrag zum Phasenrauschen im Signalpfad zu minimieren.
Hinsichtlich der Integration ist CMOS nach wie vor die bevorzugte Wahl. Bei HF-Anwendungen konnte CMOS jedoch nicht immer die geforderten Leistungsanforderungen erfüllen. Dank seines isolierenden Saphirsubstrats ist die UltraCMOS-Technologie von Natur aus strahlungs- und hochtemperaturbeständig. Der UltraCMOS-Prozess ist vollständig für den Einsatz im Weltraum qualifiziert und bietet Immunität gegen Single-Event-Latch-Up (SEL), eine hervorragende Resistenz gegen Single-Event-Upset (SEU) mit weniger als 10⁻⁹ Fehlern pro Bit und Tag sowie eine Strahlungstoleranz von 100 krad. Abbildung 2 zeigt die vernachlässigbaren Auswirkungen von Strahlung auf das Phasenrauschen der UltraCMOS-PLL.
Aufgrund dieser beispiellosen Verbesserung durch UltraCMOS-Bauelemente überarbeiten Satellitenentwickler ihre Satellitenarchitekturen grundlegend. Beispielsweise ermöglicht eine integrierte Single-Chip-PLL mit extrem niedrigem Phasenrauschen deren Integration an mehr Stellen im Design. Infolgedessen verfügen einige der neuesten Satelliten mittlerweile über Hunderte von UltraCMOS-PLLs pro Satellit. Da nun jeder Kommunikationskanal kostengünstig mit einer eigenen PLL ausgestattet werden kann, lässt sich jeder Kanal separat abstimmen. Diese Verbesserung kann den Satellitenkommunikationsmarkt um Hunderte Millionen Dollar an zusätzlichen Einnahmen beeinflussen und die Kapazität eines Satelliten für Dienste wie Fernsehübertragung und Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mehr als verdoppeln.
Vereinfachung von Teilsystemen
Kürzlich wurde auf Kundenwunsch ein neues UltraCMOS-Subsystem entwickelt, das drei ZF-Verstärker und drei digitale Stufendämpfungsglieder auf einem einzigen Chip integriert. Dieses Produkt, IF on chip (IFOC) genannt, ist ein digital gesteuerter Verstärker mit variabler Verstärkung, der im Frequenzbereich von 60 bis 200 MHz arbeitet. Durch sein integriertes Design reduziert sich die Anzahl der diskreten Bauteile von 50 bis 100 auf einen einzigen Chip. Das kundenspezifisch gefertigte Gerät hat die ersten Tests erfolgreich bestanden und befindet sich nun in der ersten Phase der Implementierung und der abschließenden Prüfung. Durch den Wechsel von herkömmlichen Verstärkern mit variabler Verstärkung zu Verstärkern mit fester Verstärkung und integrierten digitalen Dämpfungsgliedern konnte der Stromverbrauch um ca. 75 % gesenkt werden.
Reduzierung des Stromverbrauchs im Frequenzteiler:
Satelliten erzeugen und speichern ihre Energie selbst mithilfe von Solarzellen und Batterien. Daher müssen Satellitenentwickler den Stromverbrauch an Bord extrem niedrig halten, da dieser die Betriebsdauer des Satelliten direkt beeinflusst. Die Kühlung der Abwärme ist oft genauso teuer wie deren Erzeugung (Satelliten arbeiten im Vakuum). Aktuelle kommerzielle Satelliten haben eine geplante Betriebsdauer von 15 Jahren. Mit
UltraCMOS-Frequenzteilern können Entwickler den Stromverbrauch im Vergleich zu GaAs-Bauelementen für Weltraumanwendungen um bis zu 90 % senken. Beispielsweise verbraucht ein aktuell verfügbarer UltraCMOS-Frequenzteiler mit fester Teilung durch 4 weniger als 50 mW aus einer einzigen +2,5-VDC-Quelle im Frequenzbereich von 5,8 bis 13,5 GHz. Vor der Einführung von UltraCMOS-Bauelementen wurde diese Funktion von einem GaAs-Bauelement übernommen, das etwa 500 mW verbrauchte.
Kürzlich wurde ein neuer UltraCMOS-Frequenzteiler für den Frequenzbereich von 4 bis 14 GHz entwickelt. Dieses mit 0,25-µm-UltraCMOS-Transistoren realisierte Bauelement bietet Satellitenherstellern die Flexibilität, einen einzigen Frequenzteiler für einen breiten Frequenzbereich einzusetzen. Da alle UltraCMOS-Frequenzteiler auf derselben Prozesstechnologie basieren, ist der Pfad nahtlos in die UltraCMOS-PLLs integriert, was das Systemdesign vereinfacht.
Abbildung 4 zeigt die typische Temperaturempfindlichkeit von fünf separaten UltraCMOS-Frequenzteilern im Bereich von 4 bis 14 GHz. Die Empfindlichkeit liegt im Allgemeinen über den gesamten Bereich besser als +5 dBm, jedoch tritt bei etwa 8 GHz eine Empfindlichkeit von ca. -20 dBm auf. Diese ist auf Resonanzen zwischen den Verbindungsleitungen und der Eingangskapazität der ersten Transistoren zurückzuführen. Diese Resonanz ist reproduzierbar und kann von Satellitenherstellern genutzt werden, um die Empfindlichkeit bei der gewünschten Frequenz zu optimieren.
Vor der Einführung von UltraCMOS waren kostengünstige Single-Chip-PLLs für anspruchsvolle Märkte wie kommerzielle Satelliten nicht verfügbar. Neben Frequenzteilern und ZF-Subsystemen streben Entwickler, die mit UltraCMOS arbeiten, die Anwendung dieser vielversprechenden Technologie auf alle wichtigen Funktionen in Mixed-Signal-HF-Anwendungen an. Da diese Mixed-Signal-Bausteine mit derselben Technologie realisiert werden, eignen sie sich hervorragend für die Systemintegration. Durch den Einsatz hochintegrierter monolithischer UltraCMOS-Schaltungen können Hersteller Lagerbestände reduzieren, Bauteilspezifikationen vereinfachen und Probleme mit Ein- und Ausgängen eliminieren. All diese Vorteile ermöglichen zukünftig komplexere Systemdesigns.
Weitere Informationen oder ein Angebot
Der Autor
Rodd Novak ist Vice President Marketing und verantwortlich für die Konzeption und Umsetzung der globalen Produktmarketingstrategie von Peregrine. Er leitet außerdem die strategischen Entwicklungsaktivitäten des Unternehmens. Sie erreichen ihn unter [Kontaktinformationen einfügen]
