Des circuits intégrés RF (RFIC) de meilleure qualité sont nécessaires, et pour que les RFIC soient meilleurs, l'équipement de test doit être capable de vérifier les limites du circuit intégré à développer.

Il en résulte que les circuits intégrés RFIC hautes performances optimisent les capacités des équipements de test de pointe utilisés pour leur développement, ouvrant la voie à une nouvelle génération d'instruments qui repousseront encore les limites de la technologie. Tout ceci souligne l'importance d'une collaboration étroite entre les centres de conception de circuits intégrés hautes performances et les principaux fabricants d'équipements de test automatique (ATE).

Transitoires de commutation et temps d'établissement rapide :
Un temps d'établissement rapide est essentiel pour les systèmes de test automatique (ATE), car il permet d'effectuer des mesures plus rapidement, améliorant ainsi les performances, la facilité d'utilisation et réduisant les coûts de test en production. Ces améliorations constituent des avantages concrets pour les fabricants d'ATE, qui doivent se démarquer dans un environnement extrêmement concurrentiel. Le problème bien connu est que les commutateurs à base de GaAs présentent un délai de réponse lors de l'établissement (voir figure 3), entraînant une perte de phase et une dérive des pertes d'insertion.
En règle générale, les fabricants d'ATE spécifient les pertes d'insertion du commutateur à 0,05 dBm en 20 µs. Autrement dit, plus le commutateur se stabilise rapidement dans cette limite de 0,05 dBm, plus l'ATE peut effectuer la mesure rapidement.

La figure 3 présente un commutateur MESFET GaAs typique avec un temps d'établissement final de 83 µs. On observe également un dépassement d'environ 1 dB après la commutation. Ce dépassement implique que la stabilité dynamique peut être jusqu'à 26 % supérieure à la valeur finale, et encore plus élevée avec plusieurs commutateurs. Les ingénieurs en systèmes de test automatique (ATE) compensent ces transitoires depuis de nombreuses années.
À l'inverse, la figure 4 illustre les performances du commutateur UltraCMOS™ PE42552 de Peregrine Semiconductor. Ce composant se stabilise avec une perte d'insertion inférieure à 0,05 dBm en 13 µs (plus rapidement que les 20 µs spécifiés par le fabricant pour les ATE). De plus, il ne présente aucun dépassement.
Dans les applications où les commutateurs servent à l'atténuation (figure 1), le délai d'établissement transitoire lors de la commutation (comme illustré sur la figure 3) peut engendrer des erreurs dans les atténuateurs ou la fonction de commutation. Dans les analyseurs de signaux numériques (DSA), par exemple, il est crucial de disposer d'une amplitude et d'une phase de signal précises afin que le reste de l'instrument connaisse le niveau de signal correct.
Malheureusement, le temps d'établissement transitoire des commutateurs GaAs hautes performances est imprévisible, ce qui rend leur conception et leur fabrication particulièrement complexes pour les fabricants de systèmes de test automatique (ATE). L'utilisation d'un composant alternatif, tel qu'un commutateur en silicium, permet de s'affranchir de ces problèmes de conception. À ce jour, seule la technologie UltraCMOS sur silicium sur saphir (SOS) a permis de répondre à ces exigences de commutation élevées.

Caractéristiques basse fréquence et linéarité :
Les équipements de test et de mesure tirent parti des performances à large bande, ce qui en fait un investissement plus intéressant pour la gestion de multiples protocoles de communication. Par conséquent, les composants de ces équipements doivent également être à large bande. De nombreux commutateurs GaAs sont conçus pour fonctionner en courant continu et au-delà. Les commutateurs GaAs ont une fréquence de coupure typique de 100 MHz ; en dessous de cette fréquence, la linéarité se dégrade significativement, entraînant des problèmes de facteur de bruit. Actuellement, les concepteurs peuvent utiliser un commutateur unique offrant des performances élevées dans la gamme des kilohertz jusqu’à 7 500 MHz. Par exemple, le commutateur SPDT PE42552 fonctionne entre 9 kHz et 7 500 MHz avec une linéarité élevée sur toute cette plage de fréquences.
La linéarité aux basses fréquences influence l’adéquation d’un commutateur à une utilisation en tant que composant à large bande. En général, toute non-linéarité des composants des équipements de test et de mesure peut provoquer une distorsion d’intermodulation (DIM), ce qui peut nuire à la précision des mesures. Cela pose un problème particulier lorsque la linéarité du circuit intégré de l'équipement de test et de mesure est aussi bonne (ou aussi mauvaise) que celle du composant testé. Par conséquent, les concepteurs d'équipements de test et de mesure exigent la meilleure linéarité possible. La figure 5 montre que le PE42552 offre des performances nettement supérieures à celles d'un commutateur MESFET GaAs aux basses fréquences.

Protection contre les décharges électrostatiques (DES) :
Les commutateurs MESFET GaAs classiques sont généralement classés classe 0 (< 250 V) ou classe 1A (250 à 500 V) selon la norme HBM et peuvent être endommagés même par de faibles décharges électrostatiques. La détection de tels dommages peut s’avérer particulièrement complexe ; il est donc préférable de les éviter. C’est pourquoi les concepteurs de systèmes de test automatique (ATE) ont traditionnellement intégré une protection contre les DES aux commutateurs. Malheureusement, cette protection externe peut limiter les performances du circuit (puissance et plage dynamique) et dégrader les performances de l’instrument. Les avantages de l’intégration sur silicium permettent d’intégrer des dispositifs protégés contre les DES directement dans le commutateur. Par exemple, les commutateurs UltraCMOS offrent une protection HBM de classe 1C sur les broches RF (1 000 à 2 000 V).

Performances fiables
: La précision est un critère essentiel dans la conception des systèmes de test automatique (ATE). Pour atteindre les niveaux de performance requis, les fabricants d'ATE doivent minimiser la variation des performances des commutateurs utilisés. Une méthode inefficace consiste à blinder chaque lot de commutateurs et à éliminer ceux qui ne sont pas conformes aux spécifications. Les commutateurs MEMS peuvent être utilisés comme alternative, mais cette technologie présente des problèmes de fiabilité et de répétabilité. Les commutateurs CMOS haute disponibilité offrent des performances répétables d'un lot à l'autre grâce à la nature même du processus de fabrication du silicium. En misant sur la fiabilité des performances des commutateurs, les fabricants d'ATE peuvent supprimer l'étape de pré-blindage et accélérer la production et la livraison.
Outre les performances fiables en large bande et en linéarité mentionnées précédemment, la fiabilité des pertes d'insertion est un autre paramètre RF important pour les commutateurs utilisés dans les équipements de test haut de gamme. Les pertes d'insertion sont importantes car, lorsqu'il y a de nombreux commutateurs sur le trajet du signal, les pertes de chaque commutateur sont multipliées. La perte globale, en particulier sur les trajets à haute puissance, entraîne une consommation d'énergie plus élevée. Les pertes d'insertion (et donc le facteur de bruit) des commutateurs peuvent également limiter la plage dynamique sur un trajet de réception. La figure 6 montre que la perte d'insertion typique d'un commutateur large bande UltraCMOS est inférieure à 1 dB à 7,5 GHz, soit environ 50 % de moins que celle des commutateurs GaAs équivalents.
Les performances en matière de perte d'insertion sont étroitement liées à la linéarité. Par exemple, les commutateurs RF à base de GaAs ont tendance à présenter une augmentation de la perte d'insertion et de la taille de la puce lorsque la linéarité est améliorée. Ceci s'explique par le fait que les circuits conventionnels nécessitent plusieurs transistors FET empilés ou à grilles multiples et de grandes largeurs de grille pour obtenir une faible distorsion, ce qui entraîne des capacités parasites élevées et une dégradation de la perte d'insertion. En revanche, la technologie UltraCMOS est constituée d'un empilement de transistors FET fabriqués sur un substrat de saphir parfaitement isolant, permettant ainsi le passage de signaux RF de forte puissance.

CMOS : une question de contrôle.
La présence d'une interface CMOS sur un composant simplifie son utilisation pour tout concepteur, y compris pour la conception d'équipements de test et de mesure. Généralement, une fonction logique système est implémentée en CMOS ; par conséquent, si le commutateur est fabriqué selon des procédés CMOS, l'intégrateur peut facilement inclure la logique au sein même du circuit.
Par exemple, le commutateur SPDT PE42552 a été conçu avec une logique de commande CMOS intégrée, pilotée par une entrée de commande CMOS basse tension à broche unique. Une autre façon d'améliorer les fonctionnalités d'un commutateur consiste à utiliser une table logique définie par l'utilisateur. Ainsi, un commutateur UltraCMOS intègre une broche de sélection logique qui inverse la polarité logique pour les applications de commutation continue, modifiant ainsi la définition logique de la broche de commande.
À mesure que les fabricants d'équipements de test et de mesure développent des outils pour les téléphones mobiles LTE (Long Term Evolution), le WiMAX et éventuellement une version convergente des deux, les capacités de leurs équipements de test devront être repoussées à leur maximum. Heureusement, ils peuvent offrir la bande passante, la répétabilité et la précision exigées par leurs clients, car la technologie UltraCMOS est commercialisée depuis des années, produite en masse, et leurs dispositifs ont déjà fait leurs preuves sur le marché des systèmes de test automatique (ATE). En définitive, les instruments de test RF actuels doivent effectuer des mesures extrêmement précises et répétables, et la bonne nouvelle est que les fournisseurs d'équipements de test et de mesure ont accès aux dispositifs qui leur permettront d'atteindre ces objectifs.

Pour plus d'informations ou un devis

1 Baker, Ray. « Conception d'atténuateurs numériques à pas basés sur la technologie CMOS », Wireless Design & Development Magazine, mai 2004.