6-канальный МЭМС-коммутатор для ВЧ приложений. Часть 2

В статье рассматриваются примеры и особенности использования 6-канального МЭМС-коммутатора MM3100
1629
В избранное

Данная публикация является второй частью перевода руководства «Application Note. MM3100 – 6 Channel SPST Digital-Micro-Switch» от Menlo Micro. В статье рассматриваются примеры и особенности использования 6-канального МЭМС-коммутатора MM3100.
Предыдущая часть

4. Приложения MM3100

Примеры приложений

Благодаря минимальным паразитным составляющим, низким потерям и высокой мощности, микропереключатели MM3100 идеально подходят для реализации коммутирующих устройств для ВЧ-приложений. Они становятся отличной альтернативой традиционным PIN-диодам, МОП-транзисторам и SOI-переключателям. Коммутаторы MM3100 могут быть использованы в таких схемах как:

  • Настраиваемые фильтры;
  • Переключатели фильтров;
  • Антенные тюнеры;
  • Схемы с программируемой амплитудой и фазой;
  • Настраиваемые генераторы.

В свою очередь, перечисленные или аналогичные схемы могут использоваться в таких приложениях, как:

  • Входные программируемые фильтры ВЧ-приемника с настраиваемым диапазоном частот;
  • Выходные программируемые фильтры ВЧ-передатчика с настраиваемым диапазоном частот;
  • Системы компенсации временной разбалансировки антенны;
  • Программируемые схемы задержки/усиления передающей антенны;
  • Коммутаторы выходных каскадов для настройки антенн.

Настраиваемый фильтр

На рис. 12 показана схема настраиваемого полосового фильтра, в котором частота пропускания (50 МГц и 100 МГц) выбирается с помощью коммутатора MM3100. Установка требуемой частоты производится за счет закорачивания емкостей и индуктивностей фильтра. Для этого требуется пять переключателей. На верхней части рис. 12 представлена конфигурация для центральной частоты пропускания Fcenter = 50 МГц, а на нижней части рисунка вариант с Fcenter = 100 МГц. В данном конкретном примере фильтр обеспечивает одинаковую постоянную полосу пропускания 20 МГц для обеих конфигураций, но аналогичные решения могут быть разработаны и для других полос пропускания и частотных диапазонов.

Настраиваемый полосовой фильтр

Рис. 12. Настраиваемый полосовой фильтр

Схема коммутации фильтров

Коммутатор MM3100 может быть использован для коммутации нескольких фильтров. Параллельная работа нескольких переключателей и фильтров возможна благодаря минимальным паразитным характеристикам и сверхнизкой емкости Coff переключателей MM3100. При подключении рекомендуется объединять именно входы коммутатора MM3100 (RFINx), так как их емкость меньше, чем емкость выходов (RFOUTx). С помощью двух микросхем MM3100 можно организовать банк фильтров, как показано на рис. 13.

Организация банка фильтров с помощью MM3100

Рис. 13. Организация банка фильтров с помощью MM3100

Схема подстройки антенны

Коммутатор MM3100 может быть очень полезен для настройки антенн. Обычно используется два метода настройки. Первый заключается в адаптивном согласовании импедансов, а второй в адаптивном управлении частотой. В настоящее время в многодиапазонных радиостанциях отдельные каналы должны работать в рамках узких частотных диапазонов и использовать антенны с высокой добротностью Q. По этой причине качество связи напрямую зависит от погрешности настройки частоты. Погрешность может быть связана с различными факторами, например, с изменением параметров окружающей среды. Используя методы адаптивного согласования импеданса или частотной коррекции, удается обеспечить автоматическую компенсацию параметров антенны и подстройки частоты. Для этого необходимо коммутировать подстроечные LC-звенья с помощью MM3100.

Антенный тюнер высокой мощности

Микропереключатели MM3100 способны работать с мощностью до 25 Вт на канал. Поэтому коммутатор MM3100 может стать основой для мощного программируемого приемопередатчика или антенного тюнера базовой станции, как показано на рис. 14 ниже.

Антенный тюнер высокой мощности

Рис. 14. Антенный тюнер высокой мощности

4-битная схема сдвига фазы

Широкополосная 4-битная схема задержки высокой мощности (фазовращатель) может быть реализована путем коммутации отрезков микрокоаксиального кабеля кратной длины, как показано на рис. 15. Для этого требуется две микросхемы MM3100.

4-битный фазовращатель высокой мощности

Рис. 15. 4-битный фазовращатель высокой мощности

Программируемый ВЧ-генератор

На рис. 16 представлена схема 3-частотного программируемого ВЧ/СВЧ-генератора. В нем для подстройки частоты выполняется коммутация шести конденсаторов. Вместо конденсаторов могут использоваться индуктивности с высокой добротностью.

Программируемый 3-частотный ВЧ-генератор

Рис. 16. Программируемый 3-частотный ВЧ-генератор

5. Особенности использования переключателей Menlo

Типовая схема включения MM3100 содержит минимальное количество внешних компонентов, а интерфейс управления коммутатором чрезвычайно прост в использовании.

Особенности обращения с MM3100, защита от статики и максимально допустимые значения

При работе с MM3100, точно также как и при работе с другими электронными компонентами, следует соблюдать меры предосторожности и тщательно избегать воздействия статики. Необходимо исключить воздействия на выводы микросхемы статических разрядов свыше 250 В (модель человеческого тела JEDEC HBM).

Из-за небольшого размера и жестких допусков при монтаже корпусов BGA требуется аккуратное обращение с такими микросхемами. Работать с BGA следует только в чистых и безопасных условиях, исключающих разряды статического электричества. Рекомендуется использование непроводящих или вакуумных пинцетов. Запрещено прикасаться к корпусу BGA пальцами, так как при этом может произойти загрязнение контактных площадок, что в дальнейшем помешает оплавлению припоя. Необходимо хранить BGA в оригинальной упаковке до момента использования. Кроме того, BGA-исполнение подвержено образованию трещин, в которых может накапливаться влага. По этой причине следует хранить BGA-микросхемы в помещениях с контролируемой низкой влажностью. 

Подключение сигналов к ВЧ-входам и ВЧ-выходам переключателей

При подключении сигналов к ВЧ-входам (сторона неподвижных контактов) или ВЧ-выходам (сторона подвижных контактов) необходимо следить за тем, чтобы на эти контакты не воздействовала статика или постоянное напряжение, так как это может вызвать повреждения коммутатора. Если на входе устройства присутствует заряд или напряжение относительно выхода или наоборот, на выходе присутствует заряд или напряжение относительно входа, то при выполнении коммутации (замыкании или размыкании) через переключатель будет протекать неконтролируемый ток разряда (при замыкании) или формироваться перенапряжение (при размыкании). По сути, такой процесс является аналогом жесткой коммутации. Если при этом предельные параметры коммутации (ток или напряжение) будут превышены, то переключатель может выйти из строя.

Чтобы обеспечить безопасность переключателя, рекомендуется подключать ВЧ-выходы к земле схемы. Это гарантирует, что на контактах при коммутации отсутствует заряд или какое-либо повышенное напряжение. Пример программируемого ВЧ-фильтра с таким подключением выходов представлен на рис. 17.

Программируемый фильтр с заземлением ВЧ-выходов

Рис. 17. Программируемый фильтр с заземлением ВЧ-выходов

Если схема не позволяет напрямую подключить ВЧ-входы или ВЧ-выходы к земле, то рекомендуется, чтобы разработчик вместо этого использовал разрядные резисторы. Это позволит разряжать накапливаемый заряд или ограничивать напряжение за счет токов утечки и, тем самым, защищать ВЧ-входы или ВЧ-выходы от пусковых нагрузок. Таким образом, чтобы обеспечить длительный срок службы коммутатора, важно исключить наличие большого заряда или напряжения между контактами переключателя в процессе коммутации.

В качестве универсального базового варианта можно использовать разрядные резисторы с сопротивлением 10…200 кОм на ВЧ-входах или ВЧ-выходах коммутатора (рис. 18). Это гарантирует, что любой источник смещения не приведет к накоплению заряда и возникновению напряжения благодаря токам утечки, протекающим через резисторы. Это предотвращает возможность жестких переключений при коммутации.

Базовый пример включения разрядных резисторов на ВЧ-входах или ВЧ-выходах коммутатора MM3100

Рис. 18. Базовый пример включения разрядных резисторов на ВЧ-входах или ВЧ-выходах коммутатора MM3100

Высоковольтная цепь смещения

Для работы MM3100 требуется источник высокого напряжения, который обеспечит смещение +75 В для управления переключателями. Такой источник может быть построен с помощью повышающего DC/DC-преобразователя LT3482 с токовым управлением и рабочей частотой 1,1 МГц. Поскольку LT3482 позволяет получать напряжения до 90 В с нагрузочным током до 2 миллиампер, то этот преобразователь становится отличным недорогим решением для питания коммутаторов MM3100.

Для нормальной работы LT3482 достаточно источника входного напряжения 3,3 В с током до 4 мА. Ток на выходе APD преобразуется в напряжение с помощью резистора и байпасного конденсатора, который должен обеспечивать стабильные характеристики в диапазоне температур -40 °C до + 125 °C.

LT3482 работает с широким диапазоном входных напряжений 2,5…16 В. Благодаря компактному корпусному исполнению LGA-16 размером всего 3 мм x 3 мм, преобразователь LT3482 может быть легко интегрирован в различные коммутирующие устройства. Рекомендуемая схема включения LT3482 показана на рис. 19, а типовые пульсации напряжение показаны на рис. 20.

Схема формирования высоковольтного напряжения

Рис. 19. Схема формирования высоковольтного напряжения

Типовые пульсации напряжения

Рис. 20. Типовые пульсации напряжения

Программирование и управление

На рис. 21 изображена блок-схема, поясняющая принцип взаимодействия SPI-интерфейса и модуля микропереключателей MM3100.

Блок-схема MM3100, демонстрирующая взаимодействие SPI-драйвера с модулем микропереключателей

Рис. 21. Блок-схема MM3100, демонстрирующая взаимодействие SPI-драйвера с модулем микропереключателей

Принцип работы

SPI-драйвер содержит два регистра: 10-битный сдвиговый регистр и 10-битный регистр триггеров-защелок (рис. 22). Так как модуль переключателей состоит из шести ключей, то для управления используются только регистры с 1 по 6 и защелки с 1по 6, в то время как регистры с 7 по 10 и защелки с 7 по 10 остаются не подключенными. Для управления драйвером используется пять линий SPI: CLK (тактирование), SDI (вход последовательных данных), SDO (выход последовательных данных), LE (управление триггерами-защелками), BLNK (разрешение работы выходов). Временные диаграммы обмена по SPI представлены на рис. 23.

Перечислим основные принципы и особенности управления MM3100 по SPI-интерфейсу:

  • 6-разрядное последовательное слово загружается в сдвиговый регистр через вход SDI по фронту тактовых импульсов на входе CLK. После передачи 6 бит последовательного слова будет иметь место следующий порядок битов: первый переданный бит последовательного слова будет загружен в триггер Q6 (соответствует каналу переключения 6), а последний бит последовательного слова будет загружен в регистр Q1 (соответствует каналу переключения 1). Высокий логический уровень любого из триггеров приводит к включению соответствующего переключателя, и наоборот, низкий логический уровень приводит к размыканию переключателя.
  • Биты данных кодируют биты управления переключателями следующим образом:
    • Бит данных 1: переключение канала 6,
    • Бит данных 2: переключение канала 5,
    • Бит данных 3: переключить канал 4,
    • Бит данных 4: переключить канал 3,
    • Бит данных 5: переключение канала 2,
    • Бит 6 данных: переключение канала 1.
  • Параллельные данные с выходов сдвигового регистра передаются на выход драйвера не напрямую, а через регистр триггеров-защелок.
  • При постоянном высоком уровне сигнала на входе Latch, выходной регистр триггеров-защелок работает в качестве буфера для выходов сдвигового регистра.
  • Запись данных в выходной регистр триггеров-защелок разрешена только при высоком уровне сигнала на входе Latch. При низком уровне сигнала Latch данные защелкиваются.
  • когда на входе Blank присутствует высокий сигнал, все переключатели разомкнуты. Когда на входе Blank присутствует низкий сигнал, работа драйвера разрешена, и сигналы с триггеров-защелок управляют работой переключателей. Если на выходе триггера присутствует логическая «1», то соответствующий переключатель будет находиться в замкнутом состоянии и наоборот, если на выходе триггера присутствует логический «0», то соответствующий переключатель будет разомкнут.
  • Все входы и выходы SPI-интерфейса совместимы с 5В КМОП-логикой.
  • Выход SDO (Serial Data Out) необходим для каскадирования при последовательном включении нескольких коммутаторов. При этом для прохождения данных необходимо формировать дополнительные сигналы тактирования.

Блок-схема цифрового блока управления MM3100

Рис. 22. Блок-схема цифрового блока управления MM3100

Диаграмма обмена по SPI- интерфейсу

Рис. 23. Диаграмма обмена по SPI- интерфейсу

Предыдущие материалы:

6-канальный МЭМС-коммутатор для ВЧ приложений. Часть 1

Производитель: Завод им. Ф.Э.Дзержинского Минск
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
IN74AC244N
IN74AC244N
Завод им. Ф.Э.Дзержинского Минск
Арт.: 3100
Поиск
предложений
IN74AC244N
-
Поиск
предложений
Производитель: Menlo Micro Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MM3100-00
MM3100-00
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3210512 ИНФО PDF
Поиск
предложений
6-канальный SPST-переключатель в корпусе 6 x 6 мм 49-BGA. Диапазон рабочих температур: -40…+85°C.
MM3100-00
-
Поиск
предложений
MM3100-0Y
MM3100-0Y
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3210513 ИНФО PDF
Поиск
предложений
6-канальный SPST-переключатель в корпусе 6 x 6 мм 49-BGA. Диапазон рабочих температур: -40…+100°C.
MM3100-0Y
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()