A velocidade de comutação dos diodos afeta o desempenho da comunicação?

一, a essência física da velocidade de comutação: dinâmica da transportadora e parâmetros parasitários
A velocidade de comutação de um diodo é determinada pelo tempo de recuperação reversa (TRR) e pela capacitância da junção (CJ), e sua essência física envolve a interação entre os processos de recombinação do portador e os parâmetros parasitários em materiais semicondutores.
Tempo de recuperação reversa (TRR)
Quando o diodo muda do estado condutor para o estado de corte, os orifícios na região do tipo p - e os elétrons no N -} que a região precisam aniquilar através do centro de recombinação. O tempo necessário para esse processo é o TRR, que normalmente varia de várias centenas de nanossegundos para diodos retificadores comuns a vários nanossegundos para diodos de recuperação ultra -rápidos. Por exemplo, o TRR de um diodo de comutação 1N4148 é 4NS, enquanto um diodo Schottky pode reduzir o TRR para 1ns devido à ausência de efeito de armazenamento da transportadora minoritária. Na frente da RF - final das estações base 5G, se diodos comuns com trr =50} forem usados, suas perdas de comutação serão responsáveis ​​por mais de 30% das perdas totais do sistema, resultando em um aumento de 15% na taxa de distorção do sinal.
Capacitância de junção (CJ)
A capacitância potencial de barreira formada pela junção PN do diodo durante o viés reverso forma um filtro RC baixo - passa com o circuito externo. Tomando o diodo de velocidade de velocidade alto - embalado em 0402 como exemplo, seu valor típico de CJ é 0,2pf e a impedância equivalente na banda de frequência de 28 GHz é de 28 Ω. Se a impedância do circuito for de 50 Ω, causará 12% de reflexão do sinal. Na comunicação de ondas milimétricas, para cada aumento de 0,1pf no CJ, a largura de banda do sinal atenuará 200MHz, limitando diretamente a taxa de transmissão de dados.
2, o impacto multidimensional da velocidade de comutação nos sistemas de comunicação
1. Frente RF - END: Seletividade e isolamento de sinal
Nos sistemas MIMO maciços 5G, o diodo de comutação de antena precisa concluir a comutação de estado dentro de 100ns. Se um diodo com TRR =20 NS for usado, seu isolamento diminuirá de 40dB para 25dB, resultando em um aumento de 12dB na diafonia entre os canais da antena adjacente e um aumento na taxa de erro de bit (BER) para a ordem de 10 ³. De acordo com os dados reais de teste de um determinado fabricante da estação base, depois de usar diodos integrados GaN HEMT com TRR =3 ns, o sistema EVM (amplitude do vetor de erro) foi otimizado de 4,5% a 2,1%, atendendo aos requisitos do padrão de liberação 3GPP 16.
2. Módulo de comunicação óptica: qualidade do diagrama ocular e distância de transmissão
No módulo óptico de 400g, a capacitância da junção do fotodiodo PIN afeta diretamente a sensibilidade de recebimento. As experiências mostraram que, quando a CJ diminui de 1PF para 0,5pf, o limiar OSNR (sinal óptico para ruído) a uma distância de transmissão de 10 km diminui de 18dB para 15dB, o que é equivalente a estender a distância de transmissão em 30%. Um determinado fabricante do módulo óptico alcançou transmissão livre de relé de 80 km na banda C - usando diodos de pino InGaas com CJ =0.3 PF, com um BER abaixo de 10 ⁻uo.
3. Gerenciamento de energia: eficiência e design térmico
Na fonte de alimentação do modo de comutador, a velocidade de comutação dos diodos determina a eficiência da conversão. Tomando um conversor DC 48V/12V DC - DC como exemplo, ao usar um diodo de recuperação ultra -rápido com trr =50 ns, a eficiência é 92%; Depois de mudar para os diodos Sic Schottky com TRR =5 NS, a eficiência aumentou para 96% e a geração de calor diminuiu 60%. No cenário do data center, aumentar a eficiência de energia de um único servidor em 4% pode reduzir as emissões de CO ₂ em 1,2 toneladas por ano.
3, Caminho de otimização do projeto de alto diodo de velocidade -
1. Inovação material: semicondutores amplos de banda de banda rompem os limites físicos
Os materiais GaN e SIC podem atingir o desempenho de comutação com TRR<1ns due to their high electron mobility (GaN: 2000cm ²/V · s) and low dielectric constant (SiC: 9.7). The GaN HEMT integrated diode from a certain manufacturer operates in the 28GHz frequency band, Cj=0.15pF,trr=0.8ns, Supports EVM<1.5% under 64QAM modulation, which is three times higher than traditional Si based devices.
2. Otimização estrutural: TMBS e JTE tecnologias reduzem os parâmetros parasitários
Um diodo com uma estrutura de Schottky (TMBS) de barreira de Trela ​​MOS é usado para reduzir a CJ para abaixo de 0,1pf através de uma placa de campo dielétrico. Em uma frequência de comutação de 1MHz, a carga de recuperação reversa (QRR) de um diodo de 100V/10A TMBS é de apenas 0,5NC, que é 80% menor que a de uma estrutura plana. A tecnologia de expansão do terminal (JTE) pode aumentar a tensão de ruptura reversa para mais de 2kV, atendendo aos requisitos de resistência à tensão dos módulos 5G da estação base PA.
3. Sinergia de embalagem: QFN e CSP alcançam baixa indutância parasitária
O pacote Quad Flat No Pin (QFN) pode reduzir a indutância de pinos para 0,5NH, enquanto o pacote de nível de chip (CSP) pode obter 0,2 NH de indutância. O diodo embalado CSP de tamanho 0201 de um determinado fabricante tem uma perda de inserção de apenas 0,1dB na banda de frequência de 10 GHz, que é 50% maior que o pacote tradicional SOT-23.
4, teste e verificação: o link principal de laboratório para produção em massa
1. Teste de tempo de recuperação reversa
Usando o analisador de parâmetros semicondutores Keysight B1505A, o TRR foi medido pelo método de teste de pulso sob as condições da corrente dianteira 10A e da tensão reversa -10V. Os dados medidos de uma wafer Fab de 6 polegadas mostram que a faixa de distribuição TRR do mesmo lote de diodos 1N4148 é de 3,8-4,2ns, e o desvio padrão precisa ser controlado dentro de 0,1ns através da tecnologia de ajuste a laser.
2. Análise espectral da capacitância da junção
Use o analisador de rede E5072A para S - Teste de parâmetros e extraia CJ através do algoritmo de incorporação de DE. Na faixa de frequência de 1MHz-100GHz, um modelo Debye precisa ser estabelecido para se ajustar à resposta de frequência da capacitância da junção. Um determinado fabricante do módulo óptico descobriu através dessa tecnologia que um erro de 0,2pf CJ resultará em um desvio de perda de inserção de 0,3dB na banda de frequência de 25 GHz.
3. Avaliação da qualidade do mapa ocular
No sistema do testador de taxa de erro de bits (BERT), a abertura dos olhos é testada usando o código aleatório PRBS31 Pseudo -. Um determinado fabricante da estação base 5G estipula que, sob transportadora de 28 GHz e modulação de 64qam, a altura do diagrama ocular deve ser maior que 0,3UI (intervalo unitário) e o fechamento deve ser inferior a 15%. Depois de usar diodos de velocidade - alta, a qualidade do diagrama ocular melhorou em 20%, atendendo aos requisitos dos padrões 3GPP.