Hochfrequenz-ICs HF im Kleinstformat

Hochfrequenz-ICs entwickeln sich immer mehr hin zu komplexen Kombinationen von analogen HF- und digitalen Prozessor-Designs, wie der folgende Überblick zu zahlreichen Neuentwicklungen anhand technischer Eigenschaften, Applikationen und Daten zeigt.

Die HF-Technik macht vor allem in der Halbleitertechnologie derzeit deutliche Fortschritte, beispielsweise beim SoS-Verfahren (Silicon on Sapphire), das für verlustarme HF- und Mikrowellen-Bauelemente prädestiniert ist: Die Peregrine Semiconductor Corp., ein Hersteller von HF-Komponenten, und Soitec, ein Anbieter von Silicon-on-Insulator-Wafern (SOI), haben beispielsweise die Entwicklung und den Produktionsbeginn eines neuen, gebondeten Silicon-on-Sapphire-Substrats bekannt gegeben.

Es besteht aus einem monokristallinen SoS-Substrat, das von den Unternehmen gemeinsam entwickelt wurde. Hierbei wurden Soitecs Prozesserfahrungen und direkte Wafer-Bonding-Technologien für die Übertragung einer hochqualitativen, monokristallinen Siliziumschicht auf ein Saphirsubstrat genutzt. Die daraus resultierende Siliziumschicht erbringe, so die beiden Unternehmen, „dramatische Verbesserungen“ in der Elektronenbeweglichkeit der Transistoren und eine höhere Siliziumqualität als die von herkömmlichen SoS-Wafern, die aus einer epitaxial gewachsenen Siliziumschicht bestehen. Das neue Substrat soll deshalb eine gute Basis für die Leistungsverbesserung und Größen-Minimierung von HF-ICs bilden

Kommunikationsbausteine für die ISM-Bänder

Hier zu den praktisch realisierten Bauelementen: Analog Devices Inc. stellt unter der Bezeichnung ADuCRF101 (Bild 1) ein SoC-Bauteil (System on Chip) vor, welches alle HF-Übertragungsfunktionen, Wandler und Verarbeitungselemente eines komplett programmierbaren Funksystems zum Beispiel für Sensornetzwerke, Smart-Metering- oder medizinische Telemetriesysteme enthält. Der Baustein soll sich deshalb für eine Vielzahl batteriegespeister, stromsparender Funksysteme aller Art eignen.

Auf dem neuen Funk-SoC befinden sich ein 12-bit-A/D-Wandler (1 MSamples/s), ein 32-bit-ARM-Cortex-M3, integriertes SRAM und Flash-Speicher sowie ein Funk-Transceiver für das gewünschte ISM-Band - das alles integriert in einem quadratischen Gehäuse mit 9 mm Kantenlänge.

Laut Analog Devices eignet sich das gesamte Design besonders für Anwendungen, die in störgefährdeter Umgebung und mit langer Batterie-Lebensdauer arbeiten müssen. Das Bauteil ist auch in Applikationen einsetzbar, die auf dem Standard IEEE 802.15.4 basieren. Begleitet wird der Kommunikationsbaustein durch eine Reihe von Entwicklungs-Tools. Dazu gehören die „MiniKit“-Evaluation-Boards mit den passenden Antennen, ein Emulator- und Kommunikations-„Interface-Board“ für „Serial-Wire“-Programm-Download und -Debugging sowie auch spezifische Compiler und CMSIS-konforme (Cortex Microcontroller Software Interface Standard) Software-Bibliotheken für die gesamte Peripherie. Ebenfalls verfügbar sind ein Strom/Batterielaufzeit-Rechner sowie HF-Low-Level-Treiber und Evaluation-Tools.

Transceiver für 70 bis 1050 MHz kommt aus den Labors der AXSEM aus der Schweiz. Er nennt sich AX5043 und ist ein CMOS-Schmalbandtransceiver, primär für den Einsatz in ISM-Bändern gedacht, verfügt jedoch über einen großen parametrierbaren Frequenzbereich von 70 MHz bis 1100 MHz. Die Datenrate reicht dabei von 1 kbit/s bis zu 100 kbit/s; angebunden wird der AX5043 über die integrierte SPI-Schnittstelle.

Die Betriebsspannung kann zwischen 1,8 V und 3,6 V betragen, und der Arbeitstemperaturbereich darf zwischen -40 und +85 C liegen. Das sehr stromsparend arbeitende Sendeteil erlaubt Sendeleistungen bis +20 dBm und nimmt dabei zwischen 7 und max. 70 mA auf. Zwei unabhängige Antennenausgänge (differenzielle und single ended PA) vereinfachen zudem die Antennenanpassung. Der Empfänger arbeitet mit sehr niedrigem Strom zwischen 9 und 11 mA bei einer Empfindlichkeit bis -126 dBm. Als Wert für die Großsignalfestigkeit nennt das Datenblatt die maximale Eingangsleistung am Empfängerteil, die bis 0 dBm betragen darf. Für Ultra-low-power-Applikationen ist eine Wakeup-on-Radio Engine enthalten, die Stromaufnahme im Deep-sleep-Mode konnte auf unter500 nA gesenkt werden. Als Modula-tionsarten unterstützt der Baustein FSK, MSK, 4-FSK, GFSK, GMSK und ASK. Ein Paketpuffer von 256 byte gewährleistet eine niedrige Interruptlast amHostcontroller. Der Digitalteil des Transceivers kann mit vollautomatischem Paketempfang ohne Mikrocontroller-Interaktion, Framing-Unterstützung (HDLC, raw, Wireless M-Bus, …), Antennen-Diversity-Vorbereitung und einem Channel-Hopping bis zu 2000 hops/s aufwarten.

Letztlich ermöglicht der Transceiver UHF-Applikationen nach den aktuellen Normen ETSI EN 300 220-1 und FCC Title 47 CFR, Part 15 und Part 90. Zudem erfüllt der Baustein die entsprechenden Schmalband-Regulatorien. Für die Einstellung der sehr großen Registerbank liefert der Hersteller eine einfach zu bedienende Konfigurations-Software.

Universal-Transceiver mit sehr niedriger Verlustleistung

Das Halbleiterunternehmen Shortlink erweitert sein HF-Chip-Portfolio um einen HF-Transceiver mit besonders niedriger Verlustleistung (Bild 2). Dieser „Ultra-low-power-Transceiver“ genannte Baustein nimmt nach Herstellerangaben im Durchschnitt eines Vollbetriebes 8 mA auf und ist die erste Typ-Variante dieses Unternehmens in einer zu erweiternden Familie kundenspezifisch anpassbarer Transceiver.

Die für das ISM-Band von 868 bis 915 MHz entwickelten Transceiver-Blöcke lassen sich auch direkt an das 315-MHz-Band, das 433-MHz-Band und das 2,4-GHz-Band anpassen. Bei diesen Anwendungen beträgt die Empfindlichkeit des Transceivers jeweils -110 dBm, während die maximale Ausgangsleistung immerhin 10 dBm beträgt. Im Freifeld liegt die Reichweite nach Herstellerangaben nicht zuletzt aufgrund dieses hohen Link-Budgets bei bis zu 1 km.

Der Transceiver eignet sich deshalb auch für den Einsatz im gesamten Gebäude-Bereich, wo die Durchdringung von Wänden und Geschoßdecken nötig ist. Zu den Anwendungen zählen auch medizinische Sensoren, die unmittelbar am Körper getragen werden, drahtlose Miniaturgeräte im Bereich der Audio-Kommunikation, drahtlose Sensoren, Systeme der Gebäudeautomatisierung und der Sicherheitstechnik sowie eine Vielzahl neuer Geräte, die darauf angewiesen sind, ihre Energieversorgung per Energy Harvesting sicherzustellen.

Die Architektur des Transceivers basiert auf einem Konzept, das mit einer niedrigen Zwischenfrequenz arbeitet. Der Baustein lässt sich mit den pro-prietären HF-Protokollen von Shortlink kombinieren, auch die Kombination mit weiteren, im Low-power-Bereich angesiedelten Mixed-Signal-Funktionsblöcken ist möglich.

Über einen von der Architektur her möglichen sehr weiten Frequenzbereich verfügen die neuen Synthesizer-Produktfamilien von Mini Circuits (Vertrieb www.municom.de), nämlich von 56 bis 7800 MHz. Die Module, die in der Regel als SMD-Versionen verfügbar sind, enthalten das PLL-IC (Phase Locked Loop) sowie das Loop-Filter und den VCO. Lediglich die Referenzfrequenz bedingt einen externen Oszillator, z.B. einen TCXO. Der PLL-Baustein enthält den PFD (Phase Frequency Detector) sowie die entsprechenden Frequenzteiler-Sek-tionen (R- bzw. N-Teiler), die als digitale Zähler realisiert sind. Der VCO liefert das LO-Signal, das durch die PLL und über ein Loop-Filter (Integratorfunktion) auf eine feste Frequenz arretiert und damit stabilisiert wird.

Der Phasenfrequenzdetektor benötigt zwei Eingangs- bzw. Referenzsignale. Zum einen eine Vergleichsfrequenz, die aus der externen Referenzfrequenzquelle (z.B. TCXO) generiert wird (R Divider). Desweiteren wird das Ausgangssignal des VCO über eine weitere Teilersektion (N Divider) auf den PDF zurückgeführt. Das PLL-Ausgangssignal gelangt als Korrektursignal über das Loop-Filter (Integrator) auf den VCO, der damit das LO-Signal fixiert. Als Tiefpass ausgeführt ist das Loop-Filter, das in entscheidender Weise die Leistungsdaten des Synthesizers (Einschwingzeit, Phasenrauschen, Intermodulationsverhalten und Frequenzstabilität) bestimmt.

Es kann als aktives oder passives Filter ausgebildet sein. Diese Synthesizer-Module sind in acht verschiedenen Produktfamilien zusammengefasst und in verschiedenen Gehäuse-Bauformen verfügbar.