Los retos que afronta la industria del test y la medida de RF se pueden equiparar al clásico problema de la gallina y el huevo. Para lograr que sea más eficiente el equipamiento de test automático (automatic test equipment, ATE), s

se necesitan mejores CI de RF (RFIC) y, que los RFIC sean mejores, el equipamiento de test debe ser capaz de comprobar los límites del CI a desarrollar.

El resultado es que los RFIC con más prestaciones impulsan la capacidad del equipamiento de test de “estado del arte” utilizado para su desarrollo, abriendo el paso a su vez a la próxima generación de instrumentación que se emplearán para impulsar los límites una vez más. Todo esto invita a mantener una relación de cooperación entre los centros de diseño de CI de mayores prestaciones y los fabricantes de ATE líderes en el mercado.

Transitorios de conmutación y rápido tiempo de establecimiento
Uno de los aspectos más importantes para los ATE es un tiempo de configuración rápido, porque permite a la instrumentación tomar las medidas con mayor rapidez, incrementar el rendimiento, la usabilidad y la reducción de los costes de test de fabricación. Todas estas mejoras se suman a las ventajas mensurables para los fabricantes de ATE que necesitan tener éxito en un entorno extremadamente competitivo. El reto bien conocido es que un interruptor típico basado en GaAs muestra un retardo de puerta en el tiempo de establecimiento (ver Figura 3), dando como resultado una deriva de pérdida de fase y de inserción.
Por regla general, los fabricantes de ATE especifican las pérdidas de inserción en el interruptor para 0,05dBm en 20µs. Dicho de forma sencilla, el interruptor se estabiliza dentro de este límite de 0,05dBm, más rápido es el ATE para proporcionar la medida.

La Figura 3 muestra un típico interruptor MESFET de GaAs con un tiempo de establecimiento final de 83µs. Obsérvese también que este interruptor de GaAs también tiene un sobreimpulso de ~1dB tras un evento de conmutación. Este sobreimpulso significa que la estabilidad dinámica puede ser hasta un 26% más alta que el valor final, y si se utilizan múltiples interruptores, la estabilidad dinámica será aún mayor. Los ingenieros de ATE han tenido que compensar estos transitorios en sus diseños durante muchos años.
En cambio, la Figura 4 muestra las prestaciones del interruptor PE42552 UltraCMOS™ de Peregrine Semicon-ductor. Obsérvese que este dispositivo se estabiliza dentro la pérdida de inserción de 0,05dBm en 13µs (más rápido que la especificación del fabricante de ATE de 20µs). Y además no tiene sobreimpulso.
En las aplicaciones donde se utilicen interruptores para realizar atenuadores (Figura 1) el retardo del tiempo de establecimiento de transitorios en conmutación (como en la Figura 3) puede dar como resultado errores en los atenuadores o en la función de conmutación. En los DSA, por ejemplo, es importante tener una precisa amplitud y fase de señal, de manera que el resto del instrumento conoce el nivel de señal correcto.
Desgraciadamente, el tiempo de establecimiento de transitorios en los interruptores de altas prestaciones de GaAs es impredecible, lo cual hace que el “diseño y fabricación basados en ellos” sean un reto para las compañías de ATE. La utilización de un dispositivo alternativo, como un interruptor de silicio, elimina estos problemas de diseño. Hasta la fecha, sólo la tecnología UltraCMOS de silicio sobre zafiro (Silicon-On-Sapphire, SOS) ha sido capaz de ofrecer soporte a estos exigentes requisitos en la función de conmutación.

Características y Linealidad a Baja Frecuencia
El equipamiento de test y medida aprovecha las prestaciones en banda ancha, por lo que es una inversión más atractiva para gestionar múltiples protocolos de comunicaciones. Como resultado de ello, los componentes que los integran también han de ser de banda ancha. Muchos interruptores de GaAs se especifican para trabajar a partir de CC. Los interruptores de GaAs tienen una frecuencia de esquina típica de 100MHz, y su funcionamiento por debajo de esta frecuencia de esquina se degrada de forma notable la linealidad y surgen problemas en el factor de ruido. Actualmente, los diseñadores pueden utilizar un único interruptor que ofrece altas prestaciones en el rango de los kilohercios y hasta 7500MHz. Por ejemplo, el interruptor SPDT PE42552 trabaja entre 9kHz y 7500MHz con unas elevadas prestaciones de linealidad para el rango de frecuencia.
La linealidad a las frecuencias más bajas influye sobre la capacidad de un interruptor de utilizarse como componente de banda ancha. En términos generales, cualquier no linealidad de los componentes en el equipamiento de test y medida puede originar una distorsión de intermodulación (intermodulation distortion, IMD), que puede inhibir la capacidad del equipamiento para proporcionar una medida precisa. Esto resulta especialmente complicado cuando la linealidad del CI en el ATE es tan buena (o tan mala) como la del dispositivo a comprobar. Como resultado de ello, los diseñadores de ATE solicitan la mejor linealidad disponible. La Figura 5 muestra que el PE42552 presenta unas prestaciones significativamente mejores que las de un interruptor MESFET de GaAs a baja frecuencia.

Protección ESD
Los interruptores MESFET de GaAs típicos se caracterizan por su Clase 0 (<250 V) o Clase 1A (250 a 500 V) de HBM ESD y pueden verse dañados incluso por pequeños eventos de descarga electrostática (ESD). La detección de estos daños puede ser particularmente problemática, por lo que es mejor evitarlos. En respuesta a ello, los diseñadores de ATE han añadido tradicionalmente protección ESD a los interruptores. Desgraciadamente, esta protección externa puede limitar las prestaciones del circuito (potencia y rango dinámico) y degradar las prestaciones del instrumento. Las ventajas de integración del silicio le permiten integrar dispositivos con protección ESD en el interruptor de silicio. Por ejemplo, los interruptores UltraCMOS proporcionan prestaciones de clase 1C en HBM de las patillas de RF (1000V a 2000V).

Prestaciones fiables
La precisión es una medida clave en el diseño de ATE. Para lograr los niveles de prestaciones requeridos, los fabricantes de ATE necesitan minimizar la variación en las prestaciones de los interruptores que utilizan. Una forma ineficiente de llevarlo a cabo es apantallar cada lote de interruptores, y descartar aquellos que estén de especificaciones. Como alternativa se pueden utilizar interruptores MEMS, pero esa tecnología presenta problemas de fiabilidad y repetitividad. Los interruptores CMOS de rápida disponibilidad ofrecen prestaciones repetibles de lote a lote gracias a la propia naturaleza del proceso de silicio. Cuando confían en la fiabilidad de las prestaciones de los interruptores, los fabricantes de ATE pueden eliminar la etapa de preapantallamiento y acelerar la producción y el suministro.
Además de las prestaciones fiables en banda ancha y de linealidad antes citadas, el otro parámetro de RF importante para los interruptores que se utilizan en la gama más alta del equipamiento de test es la fiabilidad relativa a la pérdida de inserción. La pérdida de inserción es importante porque cuando hay muchos interruptores en la ruta de señal la pérdida de cada interruptor se multiplica. La pérdida total, especialmente en las rutas de potencia más elevada, redunda en un consumo de energía más elevado. La pérdida de inserción (y por tanto el factor de ruido) de los interruptores también puede limitar el rango dinámico en una ruta de recepción. La Figura 6 muestra que la pérdida de inserción típica para un interruptor de banda ancha UltraCMOS es <1dB a 7,5GHz, que es alrededor de un 50% inferior al de los interruptores equivalentes de GaAs.
Las prestaciones de pérdida de inserción pueden estar muy ligadas a la linealidad. Por ejemplo, los interruptores de RF basados en GaAs tienden a introducir un incremento en la pérdida de inserción y el tamaño de la pastilla con las mejoras de linealidad. Esto sucede porque los circuitos convencionales necesitan múltiples FET apilados o FET multi-puerta y grandes anchuras de puertas para lograr una distorsión baja, lo cual da como resultado unas capacidades parásitas elevadas con la degradación de la pérdida de inserción. En cambio, la tecnología UltraCMOS se compone de una pila de FET fabricados sobre un sustrato de zafiro perfectamente aislante, lo que proporciona la capacidad de permitir el paso de señales de RF de alta potencia.

CMOS: una cuestión de control
Disponer de un interface CMOS en un dispositivo hace que se más fácil de utilizar para todo diseñador, y esto también es cierto para el diseño de test y medida. Normalmente una función lógica de sistema se realiza en CMOS; por tanto, si el interruptor se fabrica mediante procesos CMOS, el fabricante de circuitos puede incluir fácilmente la lógica en el propio circuito.
Por ejemplo, el interruptor SPDT PE42552 se diseñó con una lógica de control CMOS integrada que se controla mediante una entrada de control CMOS de baja tensión de única patilla. Otra forma de mejorar la funcionalidad del interruptor es con una tabla lógica definida por el usuario. Así, un interruptor UltraCMOS incorpora una patilla de selección lógica que invierte la polaridad de la lógica para aplicaciones de conmutación continua, cambiando en la práctica la definición lógica de la patilla de control.
Dado que los fabricantes de equipamiento de test y medida preparan herramientas para teléfonos móviles LTE (Long Term Evolution), WiMAX y, posiblemente, una versión convergente de las dos, las prestaciones de sus equipamientos de test deberán estirarse al máximo. Afortunadamente, pueden ofrecer las prestaciones de ancho de banda, repetitividad y precisión que demandan sus clientes porque la tecnología UltraCMOS se comercializa desde hace años, su producción es masiva y sus dispositivos ya se han probado en el mercado de ATE. En última instancia, la actual instrumentación de test de RF debe realizar unas medidas extremadamente precisas y repetibles, y la buena noticia es que los suministradores de equipos de test y medida tienen acceso a los dispositivos que les permitirán lograr sus objetivos.

Más información o presupuesto

1 Baker, Ray. “CMOS-based Digital Step Attenuator Designs,” Wireless Design & Development Magazine, May 2004.