Le comunicazioni satellitari rappresentano forse l'applicazione a segnale misto più esigente in termini di affidabilità. I ​​componenti utilizzati nei satelliti non solo devono resistere a un'ampia gamma di temperature e radiazioni, ma anche offrire elevati livelli di prestazioni e affidabilità. Le applicazioni spaziali si stanno affermando nel settore commerciale, pertanto prezzo e dimensioni sono fattori chiave da considerare per i dispositivi e i componenti impiegati in questo mercato. 

Forse la preoccupazione maggiore riguarda il consumo energetico. Grazie all'utilizzo di dispositivi basati sulla tecnologia UltraCMOS™ – una tecnologia silicio su isolante (SOI) economicamente vantaggiosa su substrato di zaffiro – i progettisti di sistemi satellitari stanno già ottenendo una flessibilità di progettazione senza precedenti, nonché prestazioni e risparmi energetici rispetto alle alternative più ingombranti in GaAs e CMOS.
Diversi dispositivi chiave a segnale misto (analogici o RF e digitali) sono attualmente in uso nelle applicazioni spaziali, tra cui circuiti ad aggancio di fase (PLL), sottosistemi integrati a frequenza intermedia (IF) e prescaler. Se implementati in UltraCMOS, questi dispositivi stanno aprendo la strada alla progettazione di sistemi satellitari più leggeri, più piccoli, più performanti e a basso costo, con costi di lancio inferiori.

Sfruttare il potenziale del CMOS

I vantaggi del basso consumo energetico e della facilità di integrazione della tecnologia CMOS sono ben noti. Una versione avanzata del CMOS, l'UltraCMOS, è una tecnologia CMOS a svuotamento completo implementata su un film di silicio di 50-100 nm depositato direttamente su un substrato di zaffiro. Grazie all'utilizzo dello zaffiro, un isolante quasi perfetto, i wafer UltraCMOS richiedono un processo CMOS standard con una bassa densità di difetti, il che si traduce in una fabbricazione semplice e ad alte prestazioni. Permettono la produzione di transistor dielettricamente isolati, migliorando così la gestione della potenza rispetto ad altre tecnologie di processo. Inoltre, essendo una tecnologia CMOS, offre i livelli logici intrinseci al CMOS, rendendola particolarmente adatta a progetti integrati a segnale misto.
Infatti, il processo UltraCMOS offre diversi vantaggi e un nuovo impulso per la progettazione RF e a segnale misto. Per le applicazioni satellitari, presenta diverse caratteristiche degne di nota. La tecnologia offre una bassa capacità, consentendo alte velocità con un basso consumo energetico. Il suo funzionamento a svuotamento completo migliora la linearità, la velocità e le prestazioni a bassa tensione rispetto ad altre tecnologie alternative. I dispositivi UltraCMOS sono intrinsecamente schermati dalle radiazioni e offrono una protezione ESD HBM fino a 2 kV con bassi effetti parassiti. Infine, poiché viene prodotto in impianti di produzione CMOS standard su wafer di grandi dimensioni, offre gli stessi vantaggi in termini di costi generalmente associati al CMOS. La tecnologia UltraCMOS è entrata nelle applicazioni spaziali fin dalle prime fasi del suo sviluppo e continua a fornire miglioramenti nei progetti complessi richiesti dai sistemi di prossima generazione.

PLL Advance

Un componente critico nel percorso del segnale satellitare è il PLL (Plug-Line Layer). Questi dispositivi in ​​genere ricevono un segnale molto debole, nell'ordine di -30 dBm, e forniscono una forma d'onda digitale complessa che controlla l'oscillatore locale (LO). Essendo un dispositivo a segnale misto, le prestazioni del PLL possono essere influenzate in modo critico anche da un singolo dB di miglioramento in una specifica, come ad esempio il rumore di fase.
In passato, i PLL schermati dalle radiazioni con un eccellente rumore di fase dovevano essere realizzati con componenti discreti. Si trattava di circuiti pesanti e ad alta potenza che limitavano il numero di PLL installabili su un satellite. L'avvento dei PLL a chip singolo ha incoraggiato i progettisti ad estenderne l'utilizzo ai sistemi satellitari avanzati, poiché le loro prestazioni in termini di rumore di fase soddisfacevano i requisiti di sistema e i dispositivi potevano superare i requisiti e gli standard di affidabilità a livello satellitare.
I PLL UltraCMOS offrono i vantaggi di una soluzione a chip singolo in termini di dimensioni e consumo energetico, oltre a prestazioni di rumore di fase migliorate rispetto alle soluzioni a componenti discreti. Le prime implementazioni di PLL UltraCMOS hanno raggiunto le migliori specifiche di rumore di fase sul mercato e sono stati i primi PLL a chip singolo schermati dalle radiazioni disponibili. Più recentemente, queste prestazioni di rumore di fase sono state ulteriormente migliorate con l'introduzione del PE97632, che fornisce un rumore di fase di -216 dBc/Hz normalizzato a 1 Hz (equivalente a un offset di -103 dBc/Hz. Vedere Figura 1a). Questa specifica è da 4 a 10 dB migliore rispetto ai precedenti dispositivi UltraCMOS che hanno raggiunto il 100% della quota di mercato (Figura 1b). Con un miglioramento di soli 3 dB, i progettisti di satelliti possono effettivamente raddoppiare la loro capacità di carico utile.
Le eccezionali prestazioni di rumore di fase di questi PLL sono il risultato diretto dell'intrinseca idoneità della tecnologia UltraCMOS per applicazioni RF a segnale misto. Ad esempio, un PLL a chip singolo avanzato contiene tra 5.000 e 10.000 porte logiche, nonché elementi analogici critici, tra cui pompe di carica, buffer di riferimento e amplificatori di ingresso. Per implementare un PLL integrato, ciascuna di queste funzioni deve essere progettata e ottimizzata utilizzando un'unica tecnologia, al fine di minimizzare il suo contributo al rumore di fase nel percorso del segnale.

Per quanto riguarda l'integrazione, la tecnologia CMOS è sempre la scelta preferita. Tuttavia, quando si tratta di applicazioni RF, la CMOS non è sempre stata in grado di soddisfare i requisiti di prestazioni. Grazie al suo substrato isolante in zaffiro, la tecnologia UltraCMOS è intrinsecamente resistente alle radiazioni e alle alte temperature. Il processo UltraCMOS è pienamente qualificato per l'uso spaziale, offrendo immunità al latch-up da singolo evento (SEL), una resistenza superiore agli errori da singolo evento (SEU) inferiore a 10⁻⁹ errori per bit-giorno e una tolleranza totale alla dose di radiazioni di 100 krad. La Figura 2 mostra gli effetti trascurabili delle radiazioni sul rumore di fase nel PLL UltraCMOS.
In risposta a questo miglioramento senza precedenti reso possibile dai dispositivi UltraCMOS, i progettisti di satelliti stanno ora riprogettando completamente le loro architetture satellitari. Ad esempio, un PLL integrato su singolo chip con un rumore di fase eccezionalmente basso consente ai progettisti di satelliti di incorporarlo in più posizioni all'interno del progetto. Di conseguenza, alcuni dei satelliti più recenti incorporano ora centinaia di PLL UltraCMOS per satellite. Poiché ora è possibile equipaggiare ciascun canale di comunicazione con un proprio PLL in modo economicamente vantaggioso, ogni canale può essere sintonizzato separatamente. Questo tipo di miglioramento può avere un impatto sul mercato delle comunicazioni satellitari, generando centinaia di milioni di dollari di maggiori ricavi e più che raddoppiando la capacità di un satellite per servizi come la trasmissione televisiva e le comunicazioni punto-punto.

Semplificazione dei sottosistemi

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L'autore

Rodd Novak, Vicepresidente Marketing e responsabile della progettazione e dell'esecuzione della strategia di marketing globale dei prodotti Peregrine, guida le attività di sviluppo strategico dell'azienda. Può essere contattato all'indirizzo