¿La velocidad de conmutación de los diodos afecta el rendimiento de la comunicación?

一, La esencia física de la velocidad de conmutación: dinámica del portador y parámetros parásitos
La velocidad de conmutación de un diodo está determinada tanto por el tiempo de recuperación inversa (TRR) como por la capacitancia de unión (CJ), y su esencia física implica la interacción entre los procesos de recombinación de portadores y los parámetros parasitarios en materiales semiconductores.
Tiempo de recuperación inverso (TRR)
Cuando el diodo cambia del estado conductor al estado de corte, los agujeros en la región de tipo P - y los electrones en la región de tipo n -} deben aniquilar a través del centro de recombinación. El tiempo requerido para este proceso es TRR, que generalmente varía de varios cientos de nanosegundos para diodos rectificadores ordinarios hasta varios nanosegundos para diodos de recuperación ultrarrápida. Por ejemplo, el TRR de un diodo de conmutación 1N4148 es 4NS, mientras que un diodo Schottky puede acortar el TRR dentro de 1NS debido a la ausencia de efecto de almacenamiento de portadores minoritarios. En el final de RF del frente - de las estaciones base 5G, si se utilizan diodos ordinarios con TRR =50 ns, sus pérdidas de conmutación representarán más del 30% de las pérdidas totales del sistema, lo que resulta en un aumento del 15% en la tasa de distorsión de la señal.
Capacitancia de unión (CJ)
La capacitancia de barrera potencial formada por la unión PN del diodo durante el sesgo inverso forma un filtro RC bajo - con el circuito externo. Tomando el diodo de interruptor de velocidad alto - empaquetado en 0402 como ejemplo, su valor CJ típico es 0.2pf, y la impedancia equivalente en la banda de frecuencia de 28 GHz es de 28 Ω. Si la impedancia del circuito es de 50 Ω, causará el 12% de reflexión de la señal. En la comunicación de las olas milimétricas, por cada aumento de 0.1pf en CJ, el ancho de banda de la señal se atenuará en 200MHz, limitando directamente la velocidad de transmisión de datos.
2, el impacto multidimensional de la velocidad del interruptor en los sistemas de comunicación
1. RF Front - end: selectividad de señal y aislamiento
En los sistemas MIMO masivos 5G, el diodo de conmutación de antena necesita completar la conmutación de estado dentro de los 100ns. Si se usa un diodo con TRR =20 ns, su aislamiento disminuirá de 40dB a 25dB, lo que resulta en un aumento de 12dB en la diafonía entre los canales de antena adyacentes y un aumento en la tasa de error de bits (BER) al orden de 10 ⁻ ³. De acuerdo con los datos de prueba reales de un determinado fabricante de la estación base, después de usar diodos integrados de GaN Hemt con TRR =3 ns, el sistema EVM (amplitud del vector de error) se optimizó de 4.5% a 2.1%, cumpliendo los requisitos de la liberación de 3GPP de la liberación 16.
2. Módulo de comunicación óptica: calidad del diagrama ocular y distancia de transmisión
En el módulo óptico 400G, la capacitancia de unión del fotodiodo PIN afecta directamente la sensibilidad receptora. Los experimentos han demostrado que cuando CJ disminuye de 1pf a 0.5pf, el umbral de OSNR (relación de señal óptica a ruido) a una distancia de transmisión de 10 km disminuye de 18dB a 15dB, que es equivalente a extender la distancia de transmisión en un 30%. Un cierto fabricante de módulos ópticos ha logrado una transmisión gratuita de retransmisión de 80 km en la banda C - usando diodos PIN Ingaas con CJ =0.3 pf, con un ber por debajo de 10 ⁻¹ ².
3. Gestión de energía: eficiencia y diseño térmico
En las fuentes de alimentación del modo de interruptor, la velocidad de conmutación de los diodos determina la eficiencia de conversión. Tomando un convertidor DC de 48V/12V DC - DC como ejemplo, cuando se usa un diodo de recuperación ultrarrápida con TRR =50 ns, la eficiencia es 92%; Después de cambiar a diodos SIC Schottky con TRR =5 ns, la eficiencia aumentó al 96% y la generación de calor disminuyó en un 60%. En el escenario del centro de datos, aumentar la eficiencia energética de un solo servidor en un 4% puede reducir las emisiones de CO en 1,2 toneladas por año.
3, ruta de optimización de diseño de diodo de velocidad alto -}
1. Innovación material: los semiconductores de banda ancha se rompen los límites físicos
Los materiales GaN y SIC pueden lograr el rendimiento de conmutación con 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. Optimización estructural: las tecnologías TMBS y JTE reducen los parámetros parásitos
Se utiliza un diodo con una estructura de barrera de barrera de trinchera (TMBS) para reducir CJ a inferior a 0.1pf a través de una placa de campo dieléctrica. A una frecuencia de conmutación de 1MHz, la carga de recuperación inversa (QRR) de un diodo de TMB de 100V/10A es solo 0.5 nc, que es 80% menor que la de una estructura plana. La tecnología de expansión del terminal (JTE) puede aumentar el voltaje de descomposición inversa a más de 2kV, cumpliendo con los requisitos de resistencia de voltaje de los módulos de PA de la estación base 5G.
3. Sinergia de empaque: QFN y CSP logran una baja inductancia parásita
El paquete Quad Flat No Pin (QFN) puede reducir la inductancia del pasador a 0.5NH, mientras que el paquete de nivel de chip (CSP) puede lograr la inductancia de 0.2 nh. El diodo envasado CSP de tamaño 0201 de cierto fabricante tiene una pérdida de inserción de solo 0.1dB en la banda de frecuencia de 10 GHz, que es un 50% más alta que el paquete SOT-23 tradicional.
4, Prueba y verificación: el enlace clave del laboratorio a la producción en masa
1. Prueba de tiempo de recuperación inversa
Usando el analizador de parámetros de semiconductores B1505A Keysight B1505, se midió la TRR mediante el método de prueba de pulso bajo las condiciones de corriente directa 10A y voltaje inverso de -10V. Los datos medidos de un fabulador de obleas de 6 pulgadas muestran que el rango de distribución TRR del mismo lote de 1N4148 diodos es de 3.8-4.2NS, y la desviación estándar debe controlarse dentro de 0.1NS a través de la tecnología de sintonización con láser.
2. Análisis espectral de la capacitancia de unión
Use el analizador de red E5072A para las pruebas de parámetros S - y extraiga CJ a través del algoritmo de incrustación de DE. En el rango de frecuencia de 1MHz-100Ghz, se debe establecer un modelo Debye para que se ajuste a la respuesta de frecuencia de la capacitancia de unión. Un cierto fabricante de módulos ópticos descubrió a través de esta tecnología que un error CJ de 0.2pf dará como resultado una desviación de pérdida de inserción de 0.3dB en la banda de frecuencia de 25 GHz.
3. Evaluación de la calidad del gráfico ocular
En el sistema de probador de tasa de error de bits (Bert), la apertura de los ojos se prueba con el código aleatorio PRBS31 Pseudo -. Un cierto fabricante de la estación base 5G estipula que por debajo del portador de 28 GHz y la modulación de 64qam, la altura del diagrama del ojo debe ser mayor que 0.3UI (intervalo unitario) y el cierre debe ser inferior al 15%. Después de usar diodos de velocidad - altos, la calidad del diagrama de los ojos mejoró en un 20%, cumpliendo los requisitos de los estándares de 3GPP.