항상 연결된 세계 위한 RF 다이오드 및 트랜지스터의 선택

  • 글|클라우디아 모스카(Claudia Mosca), 인피니언 테크놀로지스
  • 2017-02-16 오전 11:45:54

 


IoT로 연결된 세계에서는 항상 높은 성능과 에너지 효율성이 뛰어난 무선 커넥티비티가 필요하다. 특히 RF 통신은 모바일, 태블릿뿐만 아니라 자동차분야에서도 없어서는 안 되는 역할을 하고 있다. 이 글에서는 RF 통신에 대한 증가하는 요구를 살펴보고, 트랜지스터와 다이오드와 같은 디스크리트 부품 선택 시 고려해야 할 사항을 알아보며, 설계에서 안정적이고 견고하면서 신뢰할 수 있는 통신을 구현하도록 도와주는 기법들을 소개한다.

오늘날 항상 연결된 세계는 신뢰성 높은 고성능, 에너지 효율적 무선 커넥티비티를 요구한다. 모바일 및 무선 전화기, 태블릿, 게이밍 콘솔, 셋톱박스가 성공적으로 동작하기 위해 RF 통신은 필수적이다. 자동차 분야에서 무선 커넥티비티는 타이어 공기압 모니터링과 원격 입력에서부터 내비게이션과 인포테인먼트에 이르기까지 모든 것에서 없어서는 안 되는 역할을 한다. 또 RF 통신은 멀티콥터를 제어하는 핵심적인 역할을 수행하면서 안전한 동작을 보장한다. 

이러한 애플리케이션의 요구사항을 성공적으로 만족하는 핵심은 가장 적합한 RF 부품을 선택하는 데 있다.

디스크리트 RF-무선 커넥티비티의 심장 

2020년에는 500억 대가 넘는 기기가 연결될 것으로 전망되고 있다. 개인 통신과 사물 인터넷의 기기 간 통신으로 인해 데이터 트래픽은 항상 높은 수준을 유지한다. 무선 데이터 속도가 1 Gbps에 이르고 비디오와 데이터 스트리밍 이용이 일반화되면서 데이터 양이 지속적으로 빠르게 증가하고 있다.

무선 연결에 대한 의존이 가속화되면서 우리는 성능과 시스템 이용과 관련해 더욱 많은 것을 요구하고 있으며, 이에 따라 네트워크 안정성과 신뢰성이 더욱 중요해지고 있다. 시장 규모가 3억 4,500만 유로에 달하는 것으로 추산되는 디스크리트 RF 부품은 컨슈머, 산업용, 통신 및 자동차 분야에서 애플리케이션의 핵심인 안정적이고 신뢰할 수 있는 통신을 제공하는 데 필수적이다.

가장 필수적인 RF 디스크리트 중에 PIN 다이오드, 쇼트키 다이오드, RF 트랜지스터가 있다. 이러한 디바이스를 선택할 때 엔지니어는 성능, 시스템 민감도, 간섭 내성, 효율과 같은 다양한 기준을 고려해야 한다. 부품 성능은 분명 중요한 역할을 하지만, 크기와 범용성 역시 중요하다. 최종 제품이 더욱 소형화되면서 다양한 패키지 유형으로 제공되는 고성능 디바이스의 이용이 필수적이다. 이를 이용해 설계자는 지극히 작은 공간에서 필요한 설계를 구현해 낼 수 있다.

또한 부품의 품질과 신뢰성은 특히 실외 또는 공장이나 자동차와 같은 혹독한 조건에서 지속적으로 동작해야 하는 애플리케이션에서 중요한 선택 기준이다.



PIN 다이오드

PIN 다이오드는 기존 다이오드와 유사하지만, PN 레이어 간에 진성층을 갖는다. 이 도핑되지 않은 영역은 분리를 증가시키기 때문에, 특히 기존 다이오드와 비교할 때 정전용량을 감소시켜 RF 스위칭 애플리케이션에 많은 이점을 제공한다.

PIN 다이오드는 전력과 고전압 같은 영역에 사용할 수 있으며, RF 설계에서 많이 볼 수 있다. 순방향 바이어스될 때 PIN 다이오드는 저항처럼 동작하며, 역방향 바이어스될 때는 개방 회로가 된다. 이러한 고유한 특성으로 PIN 다이오드는 가변 감쇠기의 가변 저항이나 RF스위치로 사용할 수 있다. PIN 다이오드는 RF 보호 회로에도 구현된다.

PIN 다이오드 스위치는 모바일 애플리케이션(단말기와 기지국)뿐 아니라 WLAN 디바이스, 셋톱박스, 자동차 엔터테인먼트 시스템에 탑재된다. 감쇠기로 사용할 경우 이 스위치는 주로 자동차 인포테인먼트 애플리케이션에 이용된다.

 

PIN 다이오드를 지정할 때 가장 중요한 고려사항의 하나는 순방향 직렬 저항 RF에 비례하는 삽입 손실이다. RF는 통상 특정 바이어스 전류에 대해 밀리와트로 지정되며, 이상적으로 RF는 가능한 낮아야 한다. 그러나 언제나 그렇듯이 트레이드오프가 존재한다. 이 경우 RF가 감소하면 정전용량 CT가 증가한다. CT의 낮은 값은 PIN 다이오드의 광대역 절연 특성에서 중요한 결정 요소다.

신호 무결성을 보장하기 위해 PIN 다이오드의 선형성은 많은 애플리케이션에서 중요한 파라미터다. 스위칭 시간또한 중요한데, 특히 결합된 RX-TX 안테나 회로에는 고속 스위칭 시간이 요구된다.

최근 애플리케이션의 공간 제약을 고려해, 설계자는 PCB 레이아웃이 제한되어 있을 때 선택이 가능한 다양한 종류의 패키지 유형을 제공하는 공급업체를 찾는다. 공통 패키지에 여러 개의 PIN 다이오드를 패키징함으로써 밀도가 높은 패키지를 달성할 수 있다.



쇼트키 다이오드

쇼트키 다이오드는 약 0.2V의 낮은 순방향 전압 강하와 빠른 스위칭 속도의 특징을 갖는다. 낮은 전압 강하 특성으로 전력 애플리케이션과 RF에서 많이 이용되고 있으며, 고속 스위칭 속도는 RF 애플리케이션에서 기존 PN 다이오드에 비해 많은 장점을 제공한다. 쇼트키 다이오드는 특히 모바일 핸드셋, WLAN 디바이스 및 기지국의 검출기회로에 주로 사용된다. 또한 셋톱박스와 기타 유사한 애플리케이션에서 믹싱 소자로 사용된다.

 

쇼트키 다이오드는 낮은 장벽 N형 실리콘 디바이스이며, N형 금속에 증착된 금속층으로 구성된다. 그러나 금속을 입힌 영역의 가장자리에 존재하는 강한 전기장으로 인해 항복 효과와 누설 효과가 발생할 수 있다. 이러한 문제는 플레이트 가장자리 주변의 산화층을 따라 P+ 반도체의 가드 링을 확산함으로써 극복할 수 있다.

쇼트키 다이오드를 지정할 때 누설 전류가 가장 중요한 고려사항이다. 누설전류는 순방향 저항 RF와 비례한다. 특히 배터리 전력이 쉽게 부족해지는 휴대용 기기에서는 다이오드의 전체 효율이 중요하다. 설계자는 또한 신호가 신뢰할 수 있게 재생성되도록 보장하려면 다이오드의 신호 왜곡과 선형성에 많은 주의를 기울여야 한다.



RF 트랜지스터

HBT(Hetero junction Bipolar Transistor)는 RF 애플리케이션에서 단일 및 듀얼 밴드 저잡음 증폭기(LNA)로 사용하기에 이상적인 성능 파라미터를 갖는다. HBT는 일반적으로 저주파(5GHz 미만)와 중파(최대 14 GHz)로 분류된다.

LNA는 RF 애플리케이션에 광범위하게 사용되며, RF 트랜지스터는 위성 통신, 내비게이션 시스템, 모바일 및 고정형 커넥티비티(WiMAX 등), 와이파이 시스템 등에 탑재된다. 또한 멀티콥터의 원격 제어에 필수적이다.

RF 트랜지스터를 지정할 때 고려해야할 많은 사항들이 있지만, RF 트랜지스터의 기본적인 역할이 신호 증폭이므로 디바이스의 이득(Gmax)이 가장 중요하다. 디바이스 효율 또한 특히 배터리 구동 애플리케이션에서는 중요할 수 있다.

잡음 지수(NF)는 핵심적인 파라미터로서, 이론적으로 완벽한(무손실, 무잡음) 증폭기에 대비되는 실제적인 증폭기의 신호 대 잡음비(SNR)의 성능저하를 가리킨다. NF는 간단히 설명하면 증폭기 입력의 SNR과 출력에서의 SNR 비율이다.

기본적인 반도체 기술은 특정 애플리케이션의 전체 안정성에 중요한 영향을 미친다. 예를 들어 실리콘 게르마늄(SiGe)은 GaAs에 비해 낮은 VCE로 인한 보다 우수한 효율을 포함하여 많은 장점을 제공하며, 일반적으로 SiGe 디바이스는 우수한 잡음 지수를 갖는다.

SiGe 디바이스와 비교해 SiGe:C(실리콘 게르마늄 카바이드) 바이폴라 디바이스는 유사한 뛰어난 잡음과 선형성 성능을 보여주며, 여기에 ESD 보호를 트랜지스터에 직접 통합함으로써 디바이스 견고성을 크게 높여주는 장점을 추가로 제공한다.


‘첨단’ RF 디스크리트

보완적인 무선 설계를 위한 인피니언의 RF 디스크리트 제품군은 이러한 기술이 최근 수년 사이에 어떻게 발전해 왔는지를 보여주는 좋은 예다. 일례로, PIN 다이오드의 경우 BA592는 360 mW의 삽입 손실(RF)을 달성하고, BAR63은 0.23 pF 의 CT를 자랑한다.

애플리케이션에서 공간이 중요한 경우 BAR90을 초소형 TSSLP8 패키지의 쿼드 팩으로 이용할 수 있다. 인피니언의 PIN 다이오드의 범위 성능은 안테나 스위칭 애플리케이션을 위한 이상적인 선택이 되게 하며, AEC 인증은 까다로운 자동차 애플리케이션에 대한 적합성을 보장한다.

쇼트키 다이오드의 경우 공통 애노드 또는 캐소드뿐 아니라 직렬 및 병렬 구성을 포함해 여러 가지 인-패키지 구성을 사용할 수 있다. BAT15 시리즈는 듀얼 및 쿼드 옵션을 비롯한 다양한 구성을 제공하며, CT가 0.26 pF에 불과해 믹서 애플리케이션에 이상적이다. 궁극의 성능으로 BAT24는 단 0.21 pF의 CT를 자랑하며, 최대 24 GHz 레이더 시스템에 사용하기에 적합하다.

 

마지막으로, 인피니언의 현재 8세대 RF 트랜지스터 기술은 전체 범위에 걸쳐 낮은 잡음과 높은 선형성과 같은 핵심적인 성능 특성을 제공하도록 설계됐다.

이 세대의 주요 특징은 80 GHz의 높은 전이 주파수(fT)와 1.2V의 낮은 전원전압 동작으로 인한 저전력 소모를 포함한다.

최고 HBT 디바이스 중 하나가 디스크리트 RF LNA 사이에서 ‘동급 최강’으로 꼽히는 BFx84x 시리즈다. 0.85 dB(@5.5 GHz)의 잡음 지수, 최대 23 dB 이득을 갖는 이 디바이스는 특수한 디바이스 구조로 다른 많은 소자보다 뛰어난 성능을 구현한다. 인피니언의 모든 SiGe:C RF 트랜지스터와 마찬가지로 BFx84x는 최대 1.5 kV(HBM)의 내장 ESD 보호를 제공한다. 

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