Bessere HF-ICs (RFICs) sind erforderlich, und damit die RFICs besser werden können, muss die Testausrüstung in der Lage sein, die Grenzen des zu entwickelnden ICs zu überprüfen.

Das Ergebnis ist, dass leistungsfähigere RFICs die Fähigkeiten der in ihrer Entwicklung eingesetzten hochmodernen Testgeräte erweitern und so den Weg für die nächste Generation von Messgeräten ebnen, die erneut neue Maßstäbe setzen werden. All dies unterstreicht die Bedeutung einer engen Zusammenarbeit zwischen Entwicklungszentren für Hochleistungs-ICs und führenden ATE-Herstellern.

Schnelle Schaltvorgänge und kurze Einschwingzeiten:
Eine der wichtigsten Eigenschaften von ATEs ist eine kurze Einrichtungszeit. Dadurch können die Messgeräte Messungen schneller durchführen, was die Leistung und Benutzerfreundlichkeit erhöht und die Herstellungskosten senkt. All diese Verbesserungen führen zu messbaren Vorteilen für ATE-Hersteller, die sich in einem äußerst wettbewerbsintensiven Umfeld behaupten müssen. Eine bekannte Herausforderung besteht darin, dass ein typischer GaAs-basierter Schalter eine Gate-Verzögerung während der Einschwingzeit aufweist (siehe Abbildung 3), was zu Phasenverlusten und einer Drift der Einfügungsdämpfung führt. Üblicherweise geben ATE
-Hersteller die Einfügungsdämpfung des Schalters mit 0,05 dBm in 20 µs an. Vereinfacht gesagt: Je schneller sich der Schalter innerhalb dieser 0,05-dBm-Grenze stabilisiert, desto schneller kann das ATE die Messung durchführen.

Abbildung 3 zeigt einen typischen GaAs-MESFET-Schalter mit einer Einschwingzeit von 83 µs. Dieser GaAs-Schalter weist nach dem Schaltvorgang einen Überschwinger von ca. 1 dB auf. Dieser Überschwinger bedeutet, dass die dynamische Stabilität bis zu 26 % höher als der Endwert sein kann. Bei Verwendung mehrerer Schalter erhöht sich die dynamische Stabilität sogar noch. Die Ingenieure von ATE mussten diese Transienten in ihren Designs über viele Jahre hinweg kompensieren.
Im Gegensatz dazu zeigt Abbildung 4 die Leistung des Peregrine Semiconductor PE42552 UltraCMOS™-Schalters. Dieses Bauelement stabilisiert sich innerhalb von 13 µs bei einer Einfügungsdämpfung von 0,05 dBm (schneller als die von ATE angegebene Herstellerangabe von 20 µs). Zudem weist es keinen Überschwinger auf.
In Anwendungen, in denen Schalter zur Dämpfung eingesetzt werden (Abbildung 1), kann die transiente Einschwingverzögerung während des Schaltvorgangs (wie in Abbildung 3) zu Fehlern in den Dämpfungsgliedern oder der Schaltfunktion führen. In digitalen Signalverstärkern (DSAs) ist beispielsweise eine präzise Signalamplitude und -phase wichtig, damit die übrigen Komponenten des Instruments den korrekten Signalpegel kennen.
Leider ist die Einschwingzeit von Hochleistungs-GaAs-Schaltern unvorhersehbar, was die Entwicklung und Fertigung solcher Schalter für ATE-Unternehmen zu einer Herausforderung macht. Der Einsatz alternativer Bauelemente, wie beispielsweise Siliziumschalter, beseitigt diese Probleme. Bislang konnte nur die Silicon-on-Sapphire (SOS) UltraCMOS-Technologie diese anspruchsvollen Schaltanforderungen erfüllen.

Niederfrequenzverhalten und Linearität:
Messgeräte nutzen Breitbandfähigkeit und sind daher eine attraktive Investition für die Verwaltung mehrerer Kommunikationsprotokolle. Folglich müssen auch die Komponenten dieser Geräte breitbandig sein. Viele GaAs-Schalter sind für den Betrieb bei Gleichstrom und darüber ausgelegt. GaAs-Schalter haben eine typische Grenzfrequenz von 100 MHz. Unterhalb dieser Grenzfrequenz verschlechtert sich die Linearität deutlich, was zu Problemen mit dem Rauschmaß führt. Aktuell können Entwickler einen einzelnen Schalter verwenden, der eine hohe Leistung im Kilohertzbereich bis 7500 MHz bietet. Beispielsweise arbeitet der SPDT-Schalter PE42552 zwischen 9 kHz und 7500 MHz mit hoher Linearität über diesen Frequenzbereich.
Die Linearität bei niedrigen Frequenzen beeinflusst die Eignung eines Schalters als Breitbandkomponente. Generell kann jede Nichtlinearität der Komponenten in Messgeräten Intermodulationsverzerrungen (IMD) verursachen, die die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen können. Dies ist besonders problematisch, wenn die Linearität des ICs im Test- und Messgerät genauso gut (oder schlecht) ist wie die des Prüflings. Daher fordern Entwickler von Test- und Messgeräten die bestmögliche Linearität. Abbildung 5 zeigt, dass der PE42552 bei niedrigen Frequenzen deutlich besser abschneidet als ein GaAs-MESFET-Schalter.

ESD-Schutz
Typische GaAs MESFET-Leistungsschalter zeichnen sich durch ihre Klasse 0 aus (

Zuverlässige Leistung
: Genauigkeit ist ein Schlüsselfaktor im ATE-Design. Um die geforderten Leistungsniveaus zu erreichen, müssen ATE-Hersteller die Leistungsschwankungen der verwendeten Schalter minimieren. Eine ineffiziente Methode hierfür ist die Abschirmung jeder Schaltercharge und das Aussortieren derjenigen, die den Spezifikationen entsprechen. MEMS-Schalter können als Alternative eingesetzt werden, diese Technologie weist jedoch Probleme hinsichtlich Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit auf. Hochverfügbare CMOS-Schalter bieten aufgrund der inhärenten Eigenschaften des Siliziumprozesses eine chargenübergreifend reproduzierbare Leistung. Durch die Nutzung der zuverlässigen Schalterleistung können ATE-Hersteller die Vorabschirmung eliminieren und Produktion und Lieferung beschleunigen.
Neben der bereits erwähnten zuverlässigen Breitband- und Linearitätsleistung ist die Einfügungsdämpfung ein weiterer wichtiger HF-Parameter für Schalter in High-End-Testgeräten. Die Einfügungsdämpfung ist wichtig, da sich bei vielen Schaltern im Signalpfad die Verluste jedes einzelnen Schalters multiplizieren. Die Gesamtdämpfung, insbesondere in Hochleistungspfaden, führt zu einem höheren Stromverbrauch. Die Einfügungsdämpfung (und damit das Rauschmaß) der Schalter kann zudem den Dynamikbereich in einem Empfangspfad begrenzen. Abbildung 6 zeigt, dass die typische Einfügungsdämpfung eines UltraCMOS-Breitbandschalters [Wert fehlt] beträgt.
Die Einfügungsdämpfung ist eng mit der Linearität verknüpft. Beispielsweise führen GaAs-basierte HF-Schalter bei verbesserter Linearität tendenziell zu einer Erhöhung der Einfügungsdämpfung und einer Vergrößerung der Chipgröße. Dies liegt daran, dass herkömmliche Schaltungen mehrere gestapelte oder Multigate-FETs und große Gatebreiten benötigen, um geringe Verzerrungen zu erzielen. Dies führt zu hohen parasitären Kapazitäten und einer Verschlechterung der Einfügungsdämpfung. Im Gegensatz dazu besteht die UltraCMOS-Technologie aus einem Stapel von FETs, die auf einem perfekt isolierenden Saphirsubstrat gefertigt sind und somit die Übertragung von Hochleistungs-HF-Signalen ermöglichen.

CMOS: Kontrolle ist Trumpf.
Eine CMOS-Schnittstelle vereinfacht die Entwicklung von Geräten erheblich, insbesondere im Bereich der Test- und Messtechnik. Typischerweise wird die Systemlogik in CMOS implementiert. Wird der Schalter in CMOS-Technologie gefertigt, kann der Schaltungsentwickler die Logik problemlos in die Schaltung integrieren.
Beispielsweise verfügt der SPDT-Schalter PE42552 über eine integrierte CMOS-Steuerlogik, die über einen einpoligen, niederspannungsfähigen CMOS-Steuereingang angesteuert wird. Eine weitere Möglichkeit zur Erweiterung der Schalterfunktionalität bietet eine benutzerdefinierte Logiktabelle. So besitzt ein UltraCMOS-Schalter einen Logikauswahl-Pin, der die Logikpolarität für kontinuierliche Schaltanwendungen umkehrt und damit die Logikbelegung des Steuerpins ändert.
Da Hersteller von Test- und Messgeräten Werkzeuge für LTE-Mobiltelefone, WiMAX und möglicherweise eine konvergente Version beider Technologien entwickeln, müssen die Leistungsfähigkeit ihrer Testgeräte voll ausgeschöpft werden. Glücklicherweise können sie die von ihren Kunden geforderte Bandbreite, Wiederholgenauigkeit und Präzision bieten, da die UltraCMOS-Technologie seit Jahren kommerziell verfügbar und in Serie gefertigt wird und sich ihre Bauelemente bereits im ATE-Markt bewährt haben. Letztendlich müssen moderne HF-Testinstrumente extrem genaue und wiederholbare Messungen durchführen, und die gute Nachricht ist, dass Anbieter von Test- und Messgeräten Zugriff auf die Bauelemente haben, mit denen sie ihre Ziele erreichen können.

Weitere Informationen oder ein Angebot

1 Baker, Ray. „CMOS-basierte digitale Stufenabschwächer-Designs“, Wireless Design & Development Magazine, Mai 2004.