应用工程师咨询：宽带CMOS开关

问：什么是CMOS宽带交换机？

答：CMOS 宽带交换机主要设计用于满足以 ISM（工业、科学和医疗）频段频率（900 MHz 及以上）传输的设备的要求。这些器件具有低插入损耗、端口间高隔离度、低失真和低电流消耗等特性，使其成为许多需要低功耗和处理高达 16 dBm 发射功率的高频应用的绝佳解决方案。本文后面提到的应用示例包括汽车收音机、天线交换、无线计量、高速滤波和数据路由、家庭网络、功率放大器和 PLL 交换。

问：这些开关如何比典型的模拟CMOS开关快得多？

答：为了提高带宽，宽带开关在信号路径中仅使用 N 沟道 MOSFET。仅支持 NMOS 的交换机的典型带宽为 3 MHz，几乎是并行使用 NMOS 和 PMOS FET 的标准交换机带宽性能的两倍。这是由于开关尺寸更小，并且由于去除了P沟道MOSFET，寄生电容大大降低。N 沟道 MOSFET 基本上充当电压控制电阻器。交换机的操作方式如下：

在GS> Vt→ 开关开启
VGS< Vt→ 关闭

其中 VGS是栅源电压和Vt定义为阈值电压，超过该阈值，源极和漏极之间形成传导通道。

当信号频率增加到几百兆赫兹以上时，寄生电容往往占主导地位。因此，对于宽带应用，在开关关断状态下实现高隔离度，在导通状态下实现低插入损耗对开关设计人员来说是一个相当大的挑战。开关的通道电阻必须限制在约6欧姆以内，才能在源极和负载处具有0欧姆匹配阻抗的线路上实现小于5.50 dB的低频插入损耗。

与熟悉的开关拓扑不同，为抛出及其相关的杂散信号插入接地分流路径，可以设计出在高频下具有更高关断隔离度的开关。FET具有互锁手指布局，可降低输入（RFx）和输出（RFC）之间的寄生电容，从而增加高频隔离并增强串扰抑制。例如，当 MN1 导通以形成 RF1 的导通路径时，MN2 关闭，MN4 导通，将 RF2 处的寄生效应分流至地，如图 1 所示。

图1.典型的基于晶体管的 Tx/Rx 开关。

问：您提到了关断隔离和插入损耗。你能解释一下这些是什么吗？

答：是的，描述RF开关性能的两个最重要的参数是闭合状态下的插入损耗和开路状态下的隔离。

关断隔离定义为开关关闭时开关输入和输出端口之间的衰减。串扰是通道间隔离度的度量。

例如，ADG919 SPDT开关在37 GHz时提供约1 dB的隔离，如图2所示。同一器件采用芯片级封装 （CSP）（专为空间受限的无线应用（如天线切换）提供），可提供 6 dB 的改进（43 GHz 时为 1 dB）。

图2.关断隔离与频率的关系

插入损耗是开关导通时开关输入和输出端口之间的衰减。开关通常是接收器信号路径中首先遇到的组件之一，因此需要低插入损耗以确保最小的信号损耗。对于需要低总噪声系数的系统，低开关插入损耗也很重要。

为了从ADG9xx系列开关获得最佳插入损耗性能，该器件应在2.75 V的最大允许电源电压下工作。原因如图3所示，显示了ADG919在三种不同电源电压值下的插入损耗与频率的关系图。

图3.插入损耗与频率的关系

问：插入损耗与标准模拟开关的导通电阻规格有何关系？

答：信号损耗基本上取决于开关电阻在导通条件下引入的衰减，R上，与源极加负载电阻串联——在较低工作频率下测量。图4显示了N沟道MOSFET器件导通电阻与源电压函数的典型曲线。

图4.导通电阻与源电压的关系。

问：高频开关的设计中常用了哪些技术？

答：传统上，只有少数工艺可用于开发良好的宽带/射频开关。砷化镓 （GaAs） FET、PIN 二极管和机电继电器主导了市场，但标准 CMOS 现在是一个强大的入口。

PIN二极管是具有良好失真特性的高线性器件，但鉴于当今的高性能要求，它们有许多缺点。它们的开关时间非常慢（微秒，而CMOS开关的纳秒）;它们耗电，不适合许多电池供电的设备;而且，与CMOS开关的RF到直流响应不同，使用PIN二极管作为线性开关具有实际的较低频率限制。

砷化镓因其低导通电阻、低关断电容和高频下高线性度而广受欢迎。然而，随着CMOS工艺几何尺寸的不断缩小，CMOS开关的性能已经提高到可以达到高达3 GHz的–4 dB频率的程度，并且能够与GaAs开关竞争。CMOS开关旨在最大化带宽，同时保持高线性度和低功耗，现在在许多低功耗应用中提供了GaAs开关的实用替代方案。

问：那么，与砷化镓相比，CMOS宽带开关解决方案的主要优势是什么？

答：开关（例如ADG9xx系列器件）具有集成的TTL驱动器，可轻松与其他CMOS器件连接，因为CMOS与LVTTL逻辑电平兼容。具有集成驱动器的小尺寸器件是许多空间受限应用的解决方案。

因此，GaAs开关需要与RF端口串联的隔直电容，有效地使芯片相对于直流接地浮动，以便可以通过正控制电压控制开关。ADG9xx系列等宽带开关没有此要求，因此无需担心带宽降低、电容对整体系统性能的影响以及GaAs解决方案的额外空间和成本。消除阻塞电容后，ADG9xx器件在直流电压下都能保持低插入损耗（0.5 dB）。除了提供更小、更高效的设计解决方案外，ADG9xx系列对功耗要求更低，在所有电压和温度条件下的功耗均低于1 μA。

问：与砷化镓相比，ESD（静电放电）性能如何？

答：ADG9xx系列器件通过了1 kV ESD HBM（人体模型）要求。ESD保护电路很容易集成到这些CMOS器件上，以保护RF和数字引脚。这使得这些开关非常适合任何对ESD敏感的应用，并且它们为ESD额定值低至200 V的GaAs器件提供了可靠的替代方案。

问：这些交换机的其他重要规格是什么？

答：视频馈通（图5）是当控制电压从高电平切换到低电平或从低电平到高电平时，开关RF端口上存在的杂散直流瞬变，而没有RF信号。这类似于典型模拟开关的电荷注入。它是在 50 欧姆测试设置中测量的，具有 1 ns（上升时间）脉冲和 500 MHz 带宽。

图5.视频馈通。

P1dB（1 dB压缩点）是RF输入功率电平，在该电平下，开关插入损耗比其低电平值增加1 dB。它是开关RF功率处理能力的度量。如图6所示，ADG918在1 GHz时的P17dB为1 dBm，VDD= 2.5 V。

问：这是什么意思？

答：这意味着，如果低电平输入时 1 GHz 处的插入损耗为 0.8 dB，则输入信号为 1 dBm 时为 8.17 dB [注意：dBm 是功率与 1 mW 或电压与 224 mV 之比的 dB（对数）度量，（50 欧姆）。 17 dBm 对应于 50 mW， 或 1.6 V 有效值或 4.5 V 峰峰值]。

图6.1 dB 压缩点与频率的关系。

问：在图6中的最低频率下，功率处理能力似乎大幅下降。为什么？

答：在正常工作中，开关可以处理 7 dBm （5mW） 输入信号。对于 50 欧姆负载，这相当于 0.5 V rms 信号，或正弦波的峰峰值为 1.4 V。[五p-p= V有效值× 2 × √2]。

功率处理能力在较低频率下会降低，原因有两个：

图7.物理 NMOS 结构。

如图7所示，固有的NMOS结构由P型衬底中的两个N型材料区域组成。因此，在N和P区域之间形成寄生二极管。当偏置在0 V dc的交流信号施加到晶体管的源极时，VGS大到足以打开晶体管（VGS> Vt），寄生二极管可以在输入波形的负半周期的某些部分进行正向偏置。如果输入正弦波低于约–0.6 V，二极管开始导通，从而导致输入信号被削波（压缩），就会发生这种情况，如图8所示。该图显示了 100 MHz、10 dBm 输入信号和相应的 100 MHz 输出信号。很容易看出，输出信号已被截断。

图8.100MHz、10dBm 输入/输出信号，具有 0V 直流偏置。

在低频下，输入信号长时间低于–0.6 V电平，这对1 dB压缩点（P1dB）的影响更大。

部件在较低频率下可以处理较少功率的第二个原因是分流NMOS器件在应该关闭时部分导通。这与上述寄生二极管部分导通的机制非常相似。在这种情况下，NMOS晶体管处于关断状态，VGS< Vt.当分流器件源上有一个交流信号时，波形的负半周期中将有一段时间，其中 VGS> Vt，从而部分打开分流装置。这将通过将输入波形的部分能量分流到地来压缩输入波形。

当开关以低频（<0 MHz）和高功率（大于5 dBm（或30 mW，7 Ω，5 Ω时为1.4 V p-p））使用时，通过对RF输入信号施加小直流偏置（约50.<> V）可以克服上述两种机制。这将提高正弦波输入信号的最低电平，从而确保寄生二极管连续反向偏置，并且并联晶体管永远不会看到VGS> Vt，在输入信号的整个周期内保持关闭状态。图9再次显示了100 MHz和10 dBm输入功率（2 Ω时约为50 V p-p）下的输入和输出信号图，但这次使用0.5 V直流偏置。很明显，在 100 MHz 时不再发生削波或压缩。

图9.100MHz、10dBm 输入/输出信号，具有 0.5V 直流偏置。

问：如何将直流偏置应用于RF输入？

答：为了尽量减少通过输入侧端接电阻的任何电流消耗，最好在输出侧（RFC）增加偏置。这是最佳实践，特别是对于低功耗便携式应用，但如果下游电路无法处理直流偏置，则可能需要在RF输出上应用隔直电容。

问：这些开关能否在负电源下工作？

答：只要 GND（接地）引脚符合 –0.5 V 至 +4 V 的 V绝对最大额定值，它们就可以在 GND（接地）引脚上发出负信号的情况下工作DD请注意，以这种方式操作器件会使内部端接处于此新的GND电位，这在某些应用中是不希望的。

问：这些开关的失真性能如何？

答：当间隔很近的频率的音调通过开关时，开关的非线性会导致产生错误音调，从而导致其他频率的不需要的输出。在通道间距越来越紧密的通信系统中，必须将这种互调失真（IMD）降至最低，以确保将干扰降至最低。将两个间隔紧密的等功率信号（例如，900 MHz和901 MHz）施加到被测器件（DUT）的输入端，得到如图10所示的输出频谱。3RD-阶谐波，通常以dBc表示，是三阶谐波中的功率与基波功率之比的对数。（负）值越大，失真越低。使用输入功率为3 dBm的组合器通过ADG918发送这些音调，得到4 dBm的IP3，如图35所示。[注：关于各种类型的失真的精彩讨论可以在“询问应用工程师—11”中找到]

图 10.双音IMD测试的输出频谱。

图 11.IP3 与频率的关系。

IP3 - 三阶交调截点。测量IMD，并由此计算IP3值。IP3 是器件的品质因数（以 dBm 为单位）。数据手册中规定的IP3用于衡量开关因这些假音中的功率而引起的失真。IP3值越大，相邻通道中的音调越小，表明开关具有良好的谐波性能。

问：ADG9xx系列提供哪些配置？

答：ADG9xx系列包括单刀单刀双掷（单刀单刀双掷）、单刀双掷（单刀双掷）和双单刀双掷开关，以及4：1单刀多路复用器（SP4T）。它们提供吸收式和反射式两种版本，以满足所有应用需求。

问：什么是吸收开关？

答：ADG901 （SPST）、ADG918 （SPDT）、ADG936 （双通道SPDT）和ADG904 （SP4T）器件被描述为吸收式（匹配）开关，因为它们具有片内50欧姆端接分流支路。

图 12.吸收式开关ADG918和反射开关ADG919。

问：什么是反射开关？

答：ADG902 （SPST）、ADG919 （SPDT）、ADG936-R（双通道单刀双掷）和 ADG904-R （SP4T） 器件被描述为反射开关，因为它们具有 0 欧姆接地分流器。

问：在何处使用吸收式开关而不是反射式开关？

答：无论开关模式如何，吸收式开关在每个端口上都有良好的阻抗匹配或电压驻波比 （VSWR）。当需要在关断通道中进行适当的反向端接时，应使用它，以保持良好的驻波比。因此，吸收式开关非常适合需要对RF源进行最小反射的应用。它还确保在 50 欧姆系统中将最大功率传输到负载。

反射式开关适用于高异端口 VSWR 无关紧要且交换机具有其他一些所需性能特性的应用。反射开关通常用于在系统其他位置提供匹配的应用。在大多数情况下，可以使用吸收开关代替反射开关，但反之则不然。

问：如何确定这些交换机的驻波比？

答：VSWR（电压驻波比）表示开关RF端口的阻抗匹配程度。在测量方面，更容易用回波损耗来描述阻抗匹配，回波损耗是相对于端口入射功率的反射功率量。

只需测量入射功率和反射功率，就可以确定回波损耗，并由此使用现成的VSWR/回波损耗转换图来计算VSWR。图13显示了ADG918在开通和关断条件下的典型回波损耗曲线。请注意，吸收式开关ADG918在关断和导通开关方面具有良好的回波损耗性能。ADG919版本不包括端接电阻，在关断条件下不具备良好的回波损耗性能。

图 13.ADG918开关的回波损耗与频率的关系

问：现在您已经解释了这些部件的性能，请告诉我它们的使用位置和方式。

答：由于该系列的开关在高达 1 GHz 时具有低插入损耗和 –3dB 宽带宽（高达 4 GHz），因此非常适合许多汽车娱乐系统。

他们在调谐器模块和机顶盒中找到了家，可以在有线电视输入和无线天线输入之间切换。这些部件适用于的另一个领域是汽车-无线电天线切换。由于这些开关通常是50欧姆阻抗系统，因此吸收式开关ADG50、ADG901和ADG918提供的904欧姆内部端接可确保出色的阻抗匹配和最小反射。

可用的拓扑结构多种多样，使得这些器件非常容易设计到天线分集开关应用中，允许用户在多频段无线电中的多个天线和单个调谐器之间切换。

这些器件也适用于无线计量系统，在发射和接收信号之间提供所需的隔离（图 14）。

图 14.发射/接收切换。

这些器件非常适合高速滤波器选择和数据路由：ADG904可用作4：1解复用器，在不同滤波器之间切换高频信号，并将信号多路复用至输出。对于差分滤波器选择和数据路由，双通道SPDT（单刀双掷）开关ADG936是理想的解决方案。用于点对点无线系统（例如用于军事和航空电子应用的微波无线电链路）的调制解调器卡中的数据切换需要ADG9xx系列器件提供的高频性能。

它们也适用于家庭网络应用，即允许无线远程控制许多不同功能的系统，例如打开和关闭卷帘、控制照明（开、关或调光）——其中信息通过无线链路传输。高频和低功耗下的出色隔离性能可保持系统的当前预算，从而构成理想的应用。

由于其高频范围（高达 4 GHz），该系列器件也适用于许多蓝牙技术，可实现 2.5 GHz ISM 频段的无线通信。

宽带开关可用于设计频率为 800、900、1900、2100 MHz 的功率放大器 （PA），适用于蜂窝 CDMA 和 GSM 应用。该开关用于主放大器周围的前馈校正环路，允许切换有源和无源反馈以及前馈路径，从而允许测试放大器的失真电平。该开关允许在系统中进行增益和相位校正。高隔离度、低插入损耗和900 MHz时的低失真使ADG9xx系列非常适合该频率范围内的PA设计。

ADG918可用于实现GSM应用中跳频的PLL开关。

问：什么是PLL开关，为什么使用ADG918？

答：在两个锁相环（PLL）之间切换（通常称为乒乓技术）使设计人员能够实现更快的系统建立时间。ADG918的低功耗和简单的单引脚控制使其成为易于集成的解决方案。

在两个振荡器之间切换时，可以通过级联来实现所需的隔离性能，即级联连接多个开关。这是一种非常简单的方法，可以为系统提供高隔离规格，防止更高频率的任何干扰。级联五个ADG918在130 GHz时提供1 dB隔离，插入损耗为3 dB。在此应用中，插入损耗的这种增加并不重要，因为主要关注的是信号电平彼此之间的相对性。

ADG918在本应用中的一个很好的特性是，它充当集成低通滤波器，消除了两个PLL产生的无用谐波。 通过高频插入损耗的自然增加来实现，它很容易防止不需要的谐波通过开关传播，如图15和图16所示。

图 15.锁相环开关应用。

图 16.ADG918开关级联用作集成低通滤波器，与裸砷化镓开关相比。

问：所以...总结一下？

答：总之，CMOS宽带开关，尤其是ADG9xx系列中的开关，是ISM频段内所有应用的绝佳选择，这些应用需要高隔离度和低插入损耗，适用于空间受限的电池供电器件。ADI公司提供评估套件，使这些器件的设计快速、轻松——这是每个设计人员的梦想！

审核编辑：郭婷