CMOS开关可以在低功耗宽带应用中实现高性能

CMOS开关的性能已经提高到打破1 GHz障碍的程度，现在可以与GaAs开关竞争。

高性能RF开关是现代无线通信系统所需的关键组成部分。提供低插入损耗，端口之间高隔离度，低失真和低电流消耗的开关在高频应用中非常受欢迎，例如移相器，可切换滤波器，雷达系统的发射器和接收器-从大型装置到防撞雷达在汽车中-以及从基站到手机的通信系统。

传统上，只有少数过程可用于开发良好的宽带/ RF交换机。砷化镓（GaAs）FET，PIN二极管和机电继电器已经占领了市场，但是标准CMOS如今已成为市场的标杆。

GaAs因其低导通电阻，低截止电容和高频高线性而受到广泛欢迎。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突破1 GHz的极限，并且现在能够与GaAs开关竞争。CMOS开关旨在在保持低成本的同时最大化带宽，在低成本，低功耗应用中可替代昂贵的GaAs开关。

本文介绍了与宽带开关相关的关键规格，用于宽带开关的传统方法以及CMOS开关技术的优势。它还显示了新型CMOS开关在低功率，高频应用中如何能胜过GaAs开关。这应该使您相信CMOS宽带交换机是电缆调制解调器，MRI扫描仪，xDSL调制解调器，下一代无绳电话等应用的理想解决方案，以及航空业中要求工作频率高达1 GHz或更高的应用。

宽带交换机基础

宽带交换机旨在满足设备在高达1 GHz或更高频率下传输的需求。这些类型应用的设备选择完全取决于它们在整个频率上的性能。有两种描述RF开关性能的重要方法：闭合状态下的插入损耗和断开状态下的隔离。

插入损耗是指打开开关后，输入和输出端口之间的衰减。低插入损耗对于要求低总体噪声系数的系统至关重要。由于开关是信号路径中的第一批组件之一，因此最小可接收信号非常重要。图1显示了插入损耗与频率的典型关系图ADG919。

 

 

 

图1. ADG919的插入损耗与频率的关系。

该图表明，在100 MHz时插入损耗小于0.5 dB，在1 GHz时插入损耗小于0.8 dB，在2 GHz时插入损耗小于1.5 dB。这可与许多GaAs开关相媲美，在1 GHz时典型值在0.7 dB至1 dB之间。

断开隔离定义为开关关闭时，输入和输出端口之间的衰减。图2显示了截止隔离度与频率的典型曲线图。对于大多数宽带交换来说，都要求高度隔离，这通常是确定部件是否适合特定应用的关键规范。

 

 

 

图2. ADG919的隔离度与频率的关系。

该图表明，在大约80 MHz时，开关隔离度优于70 dB；在1 GHz时，隔离度优于37 dB；在2 GHz时，隔离度优于20 dB。这种非隔离规范的性能优于许多GaAs开关约10 dB /十倍频程。1 GHz时的典型GaAs开关值在25至40 dB之间。在1 GHz处，通道间隔离度为30 dB，可确保通道之间的串扰最小。

另外两个重要的RF开关规格与开关可以处理的功率水平有关。第一个是1 dB压缩点P1dB，这是RF输入功率电平，在该电平下，开关插入损耗会比其低电平值增加1 dB。P1dB是在接通开关使信号失真或压缩之前可以处理多少功率的量度，因此是RF功率处理能力的量度。接下来，当紧密间隔的音调通过开关时，开关的非线性会导致产生虚假的音调。输入的三阶交调点IIP3是这些假音中功率的量度，并且与开关引起的失真量直接相关。图3显示了P1dB压缩点与频率的关系。在这种情况下，1 GHz时的P1dB为17 dBm。该开关在900 MHz时的IIP3为33 dBm，非常适合中功率，高频应用，包括采用GPS或其他增强功能的蜂窝手机中的IF切换。

 

 

 

图3.ADG901的P1dB与频率的关系。

传统交换解决方案：

1.引脚二极管

PIN二极管在无线电和微波频率上基本上是电流控制的电阻。PIN二极管通常用于切换RF信号，因为它们在导通时具有很高的线性度，并具有非常好的失真特性。通过在P型和N型硅区域之间放置一个高电阻本征（I）区域来制造PIN二极管。PIN二极管的电阻值仅由正向偏置的直流电流决定，因此可用于开关功能。当PIN二极管正向偏置时，电子和空穴从P和N区域注入I区域。电子和空穴不会立即复合。取而代之的是存储了有限的电荷，从而降低了I区域的电阻率并允许导电。

因此，使用PIN二极管时的第一个缺点是，由于低电阻率和低插入损耗，它们需要大量的DC功率。当将它们用于PDA和手持仪表等便携式设备时，这是一个巨大的缺点，因为电池寿命与功耗成正比。当使用单串联或并联的PIN二极管时，在较高的频率上实现30 dB以上的隔离也很困难。为了获得更高的隔离度，必须以串联-并联组合的方式连接两个或多个二极管。这具有增加插入损耗的不良效果。

典型的发射/接收（TX / RX）PIN二极管开关原理图如图4所示。它由两个二极管，一些隔直电容，一个用于馈送直流正向偏置控制信号的电感器以及一些构成四分之一的分立元件组成。波浪线。如果需要切换额外的RF端口，则需要更多的串联二极管，这会增加插入损耗。在此应用中，插入损耗增加的影响是双重的。在TX端，功率放大器和天线之间的每分贝损耗都意味着TX信号需要更多的放大，从而缩短了电池寿命。在RX端，插入损耗的增加将用于降低接收信号强度，从而降低整体信噪比（SNR）和接收器灵敏度。

 

 

 

图4.使用PIN二极管的典型TX / RX开关。

PIN二极管的另一个限制是它们需要一个外部驱动器来控制TX / RX开关的开关速度以及可以使用的接口电平。

2. GaAs开关

近年来，由于GaAs开关的直流功耗低（与PIN二极管相比），在宽带开关市场上占据了主导地位。GaAs开关由充当压控电阻器的晶体管阵列组成。GaAs晶体管是三端设备；栅极电压（Vg）控制其他两个端子之间的电阻。为了增加RF端口之间的隔离度，可以将它们串联或作为并联设备接地。与PIN二极管不同，串联放置多个晶体管实际上有助于RF功率处理和线性度，而对插入损耗的影响很小。典型的TX / RX开关原理图如图5所示。此处，晶体管以串联并联配置连接，以获得最佳的插入损耗和隔离性能。这种配置的缺点是，MN1 / MN4和MN2 / MN3的互补切换要求同时具有高逻辑电平和低逻辑电平，从而增加了控制电路的复杂性并因此增加了成本。

 

 

 

图5.典型的基于晶体管的TX / RX开关原理图。

MMIC GaAs开关可从许多公司获得。所有器件都使用N沟道耗尽型FET作为基本开关器件。这些设备显示的特性如下：

Vg= 0->接通
Vg=负->关闭（收缩）

夹断定义为通道变为高阻抗时的电压。这通常在–3 V的Vg下发生，具体取决于所使用的过程。开关输入端的射频电平可以调制Vg，从而在开关的导通电阻变化时引起失真产物。使用高控制电压将减少这种影响，但只会以产生大约+2 V至–8 V的电压为代价来控制开关。GaAs工艺不提供互补器件，因此创建CMOS技术中容易获得的反相器逻辑功能需要大量电流。GaAs开关的固有缺陷使其难以集成到使用正低压电源的大多数现代电子系统中。GaAs开关制造商通过添加与开关的RF引脚串联的隔直电容器来解决这个问题。这有效地使管芯相对于DC地浮动，从而允许使用正控制电压来控制开关。但是缺点是DC隔离电容器限制了开关可以处理的带宽，因此限制了它们在宽带系统中的使用。电容器本身相对便宜，但是额外的印刷电路板面积和制造成本会显着增加总体开关成本。同样，与开关串联放置的任何组件都会增加插入损耗，并直接影响系统的SNR。电感或路径长度的任何增加都会降低器件的性能，从而给系统设计人员带来其他问题和需要克服的问题。但是额外的印刷电路板面积和制造成本会大大增加总的开关成本。同样，与开关串联放置的任何组件都会增加插入损耗，并直接影响系统SNR。电感或路径长度的任何增加都会降低器件的性能，从而给系统设计人员带来其他问题和需要克服的问题。但是额外的印刷电路板面积和制造成本会大大增加总的开关成本。同样，与开关串联放置的任何组件都会增加插入损耗，并直接影响系统SNR。电感或路径长度的任何增加都会降低器件的性能，从而给系统设计人员带来其他问题和需要克服的问题。

如前所述，GaAs开关的控制信号需要从外部源产生。有很多方法可以做到这一点。最简单，最常见的方法是添加外部CMOS驱动器IC。这种额外的IC不仅会消耗功率，还会增加PC板的面积和组装成本。最近，GaAs开关制造商推出了MultiChip模块（MCM），该模块将CMOS / BiCMOS驱动器芯片和GaAs开关芯片封装为一个大型BGA型封装。这些MCM运作良好，但主要缺点是总体解决方案成本高，由两个裸片的单个成本组成，并且由于较大的封装和裸片互连而增加了组装成本。

CMOS救助

正如摩尔定律[1]所预测的那样，标准CMOS工艺的几何尺寸一直在减少。RF /微波IC领域是向CMOS开放的市场之一。凭借减小的晶体管长度，CMOS达到了低导通电阻，低截止电容和高达1 GHz甚至更高的良好线性。RF开关也是如此，因为现在可以使用3 GHz带宽的1 GHz CMOS开关。

像GaAs开关一样，CMOS开关也使用NMOS FET，其本质上起压控电阻的作用。这些设备显示的特性如下：

Vgs> Vt—>打开
Vgst—>关闭

Vt被定义为阈值电压，高于该阈值电压，在源极和漏极端子之间形成导电通道。FET可以具有互锁的指状布局，以减小源极和漏极之间的寄生电容，从而增加高频下的隔离度。

如前所述，CMOS开关适用于许多低功耗应用。随着频率的降低，它们的功率处理能力也随之降低，其原因有两个：首先，如图6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，这导致在P型衬底之间形成寄生二极管。 N和P地区。当将偏置为0 VDC的交流信号放置在晶体管的源极上，并且Vgs使晶体管导通时，寄生二极管可以在输入波形的负半周的某些部分中正向偏置。 。一旦输入正弦波低于–0.6 V，二极管就会开始导通。这将导致输入信号被压缩。在低频下，输入信号会长期处于–0.6 V电平以下，1dB）。第二种机制是在应该关闭分流NMOS器件时部分导通。如前所述，NMOS晶体管处于截止状态，Vgs＜Vt。与分流装置的源极上的交流信号，就会有在其中V波形的负半周期的时序GS≥V吨，从而部分地分流装置上转动。这会将输入波形的部分能量分流到地面，从而使输入波形压缩。当在低频（<30 MHz）和高功率（> 10 dBm）下使用开关时，可以通过向RF输入信号施加小的DC偏置（〜0.5 V）来克服这两种机制。与GaAs开关不同，CMOS开关不需要隔直电容。

 

 

 

图6.物理NMOS结构。

CMOS的好处

使用CMOS设计宽带宽开关有许多关键优势。以下各节重点介绍了主要优点和关键的高性能规格。

成本：在当今成本驱动型市场中，最重要的优势在于，CMOS工艺的成本大大低于GaAs工艺，从而降低了芯片成本。CMOS开关使用正电压控制，不需要隔直电容。另一方面，GaAs晶体管是负电压控制的器件。这排除了CMOS驱动器的使用，要求在RF输入上使用隔直电容器，并导致整体解决方案成本增加。与GaAs同类产品相比，CMOS开关既便宜又易于使用。

单针脚控制接口：CMOS开关具有单针脚控制接口，可实现最大的电路布局效率，从而使许多应用（例如移动无线系统）受益。这是可能的，因为CMOS允许将驱动器/开关控制电路集成到与开关相同的芯片上，从而有效地减少了控制引脚的数量。与许多GaAs RF开关实现的互补控制信号相比，CMOS技术提供的控制接口具有简单的单针脚控制。例如，对于SPDT（单刀双掷）开关，GaAs部件需要两条控制线，而CMOS器件仅需要一条。

易于系统集成：基于CMOS开关技术的片上驱动器可以与TTL和CMOS逻辑电平接口，从而使这些部件可以轻松地与其他CMOS / BiCMOS IC（例如微控制器）集成。CMOS和LVTTL兼容的控制输入在许多应用中提供了非常简单的接口。

无需在CMOS开关的RF输入上增加隔直电容器，从而消除了对带宽减小或系统性能下降的影响的担忧，原因已在上一节中进行了描述。

减小的封装尺寸：驱动器/开关控制电路的轻松集成具有封装尺寸小的优势。CMOS裸片的整体尺寸较小，因此与GaAs制造商提供的MCM相比，可以将CMOS器件以更小的引脚数组装到更小的封装中。标准的SPDT开关引脚数范围可以从适中的CMOS解决方案的8引脚封装到GaAs解决方案的20引脚。

对于SP4T设备，这种节省空间甚至更为明显。CMOS器件提供16引脚3mm x 3mm LFCSP（引线框架芯片级封装）微型封装。GaAs SP4T产品可能需要负电压或正/负电压电源，以及多达8条控制线。它们采用24引线10.65 mm×15.6 mm宽体SOIC（小外形）或28引脚12.57 mm×12.57 mm PLCC（塑料引线芯片载体）封装。

更低的功耗：CMOS开关的极低功耗使其非常适合便携式应用。

可用的CMOS RF开关采用1.65 V至2.75 V单电源供电，典型电流消耗小于1 µA，大大低于等效GaAs解决方案的额定电流消耗。

其他CMOS开关性能亮点：匹配对于CMOS开关也非常好。图7显示了开/关开关的回波损耗与频率的典型关系图。该图表明，对于接通开关，S11值在100 MHz时为27 dB，在1 GHz时为26 dB，对于断开开关，在1 GHz时在100 MHz时为23 dB，在20 GHz时为20 dB。这是相对于端口入射功率的反射功率量。较大的回波损耗表示匹配良好。CMOS开关具有更大的灵活性，可以选择使用反射型（0 ohm）或吸收型（50 ohm）版本，从而使开关与应用相匹配。例如，ADG918是具有50欧姆端接并联支路的吸收式（或匹配）SPDT开关（2：1多路复用器），ADG919是反射式SPDT开关，具有直接接地的分流器。对于阻抗匹配最为关键的应用，首选吸收式开关。与先前描述的CMOS开关的截止隔离性能相似，为CMOS工艺指定的回波损耗比许多GaAs开关要高出约10 dB /十倍。

 

 

 

图7. ADG918的回波损耗与频率的关系（关/开）。

开关时间也非常好，CMOS开关的典型开关时间为5 ns，比许多GaAs器件快十倍。图8显示了典型的5 ns开关时间 ADG901。与许多
GaAs开关的微秒相比，该器件在极端温度条件下的时序规范最大为8 ns。

 

 

 

图8. ADG901的开关时序。

结论

对于高频开关要求，CMOS开关提供了比GaAs器件更简单的整体解决方案，并具有成本更低的优势。

ADG9xx系列宽带CMOS开关的3 dB频率高于3 GHz，在1 GHz时插入损耗非常低，仅为0.8 dB，在1 GHz时隔离度超过37 dB。这些特性使这些器件非常适合从DC到1 GHz甚至更高的许多应用。这些开关对GaAs RF开关提出了主要的CMOS挑战，并且是低功耗，高性能，高频开关应用的最佳解决方案。