CMOS開關(guān)的性能已經(jīng)提升至已經(jīng)突破1-GHz阻隔，并且現(xiàn)在能夠與GaAs開關(guān)競爭。

高性能RF開關(guān)是關(guān)鍵構(gòu)建模塊之一在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中需要。對于高頻應(yīng)用，例如移相器，可切換濾波器，雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射器和接收器，從大型裝置到防撞雷達(dá)，人們都非常關(guān)注具有低插入損耗，端口間隔離度高，低失真和低電流消耗的開關(guān)。從基站到手機(jī)的汽車和通信系統(tǒng)。

傳統(tǒng)上，只有少數(shù)工藝可用于開發(fā)良好的寬帶/ RF開關(guān)。砷化鎵（GaAs）FET，PIN二極管和機(jī)電繼電器已占據(jù)市場主導(dǎo)地位，但標(biāo)準(zhǔn)CMOS正在嶄露頭角。

GaAs因其低導(dǎo)通電阻，低關(guān)斷電容和高線性度而廣受歡迎。在高頻率。隨著CMOS工藝幾何尺寸的不斷縮小，CMOS開關(guān)的性能已經(jīng)提高到可以突破1 GHz的勢壘，現(xiàn)在能夠與GaAs開關(guān)競爭。 CMOS開關(guān)旨在最大限度地提高帶寬，同時保持低成本，是低成本，低功耗應(yīng)用中昂貴的GaAs開關(guān)的替代品。

本文介紹了與寬帶交換機(jī)相關(guān)的主要規(guī)范，用于寬帶交換的傳統(tǒng)方法以及CMOS交換機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢。它還展示了新型CMOS開關(guān)在低功耗，高頻應(yīng)用中如何能夠勝過GaAs開關(guān)。這應(yīng)該說服您，CMOS寬帶開關(guān)是電纜調(diào)制解調(diào)器，MRI掃描儀，xDSL調(diào)制解調(diào)器，下一代無繩電話以及航空工業(yè)中需要工作頻率高達(dá)1 GHz甚至更高的應(yīng)用的理想解決方案。

寬帶交換機(jī)基礎(chǔ)

寬帶交換機(jī)旨在滿足高達(dá)1 GHz及更高頻率的設(shè)備傳輸需求。為這些類型的應(yīng)用選擇器件完全取決于它們在頻率上的表現(xiàn)。有兩種重要的方法可以描述RF開關(guān)的性能：閉合狀態(tài)下的插入損耗和開路狀態(tài)下的隔離。

插入損耗是輸入之間的衰減當(dāng)開關(guān)打開時，開關(guān)的輸出端口和輸出端口。低插入損耗對于需要較低總噪聲系數(shù)的系統(tǒng)至關(guān)重要。由于開關(guān)是信號路徑中的第一個組件之一，因此最小可接收信號非常重要。圖1顯示了ADG919的插入損耗與頻率的典型曲線。

該圖顯示插入損耗小于0.5 dB至100 MHz，1 dB時為0.8 dB，以及2 GHz時為1.5 dB。這與許多GaAs開關(guān)相當(dāng)，典型值在1 GHz時為0.7 dB至1 dB。

斷開隔離定義為開關(guān)關(guān)閉時開關(guān)輸入和輸出端口之間的衰減。圖2顯示了斷開隔離與頻率的典型圖。大多數(shù)寬帶開關(guān)都需要高隔離度，并且通常是確定器件是否適合特定應(yīng)用的關(guān)鍵規(guī)范。

該圖表明開關(guān)隔離度優(yōu)于70 dB以上大約80 MHz，1 GHz時為37 dB，2 GHz時大約為20 dB。這種關(guān)斷隔離規(guī)范的性能比許多GaAs開關(guān)高出約10 dB /十倍。 1 GHz的典型GaAs開關(guān)值介于25和40 dB之間。 1 GHz時30 dB的通道間隔離確保了通道之間的串?dāng)_最小。

另外兩個重要的RF開關(guān)規(guī)格與交換機(jī)可以處理的功率水平有關(guān)。第一個是1 dB壓縮點，P 1dB ，這是開關(guān)插入損耗比其低電平值增加1 dB的RF輸入功率電平。 P 1dB 衡量開關(guān)在扭曲或壓縮信號之前可以處理多少功率，因此是RF功率處理能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)。接下來，當(dāng)緊密間隔的音調(diào)通過開關(guān)時，開關(guān)的非線性導(dǎo)致產(chǎn)生假音調(diào)。輸入三階交調(diào)截點IIP3是這些假音調(diào)中的功率的度量，并且與開關(guān)引起的失真量直接相關(guān)。圖3顯示了P 1dB 壓縮點與頻率的關(guān)系。在這種情況下，1GHz下的P 1dB 是17dBm。此開關(guān)在900 MHz時的IIP3為33 dBm，非常適合中等功率，高頻應(yīng)用，包括采用GPS或其他增強(qiáng)功能的蜂窩手機(jī)中的IF切換。

傳統(tǒng)交換解決方案：

1、引腳二極管

PIN二極管基本上是無線電和微波頻率的電流控制電阻。 PIN二極管通常用于切換RF信號，因為它們在導(dǎo)通時是高度線性的并且表現(xiàn)出非常好的失真特性。通過在P型和N型硅區(qū)域之間放置高電阻率本征（I）區(qū)域來制造PIN二極管。 PIN二極管的電阻值僅由正向偏置的直流電流決定，因此可用于開關(guān)功能。當(dāng)PIN二極管正向偏置時，電子和空穴從P區(qū)和N區(qū)注入I區(qū)。電子和空穴不會立即重新組合;相反，存儲有限電荷，導(dǎo)致I區(qū)的電阻率降低并允許傳導(dǎo)。對于不同的偏置電流，獲得的典型電阻值在0.1歐姆（1 A）至10歐姆（1μA）左右。

因此，使用PIN二極管時的第一個缺點是它們需要大量的DC功率以實現(xiàn)低電阻率和低插入損耗。當(dāng)它們用于便攜式設(shè)備（例如PDA和手持式儀表）時，這是一個巨大的缺點，因為電池壽命與功耗成正比。當(dāng)使用單串聯(lián)或并聯(lián)PIN二極管時，在較高頻率下也難以實現(xiàn)超過30 dB的隔離。為了獲得更高的隔離級別，必須以串聯(lián) - 分流器組合連接兩個或更多個二極管。這會增加插入損耗。

典型的發(fā)送/接收（TX / RX）PIN二極管開關(guān)原理圖如圖4所示。它由兩個二極管組成，一些隔直電容，一個電感饋送DC正向偏置控制信號，以及一些分立元件以產(chǎn)生四分之一波長線。如果需要切換額外的RF端口，則需要更多串聯(lián)二極管，這會導(dǎo)致插入損耗增加。在該應(yīng)用中增加插入損耗的效果是雙重的。在TX側(cè)，功率放大器和天線之間的每分貝分貝都意味著TX信號需要更多放大，從而縮短電池壽命。在RX側(cè)，插入損耗的增加將降低接收信號強(qiáng)度，降低整體信噪比（SNR）和接收器靈敏度。

PIN的另一個限制二極管是指它們需要一個外部驅(qū)動器來控制TX / RX開關(guān)的開關(guān)速度和可以使用的接口電平。

2、 GaAs開關(guān)

近年來，GaAs開關(guān)由于其低DC功耗（與PIN二極管相比）而在寬帶開關(guān)市場占據(jù)主導(dǎo)地位。 GaAs開關(guān)由作為電壓控制電阻器的晶體管陣列組成。 GaAs晶體管是三端器件;柵極電壓（V g ）控制其他兩個端子之間的電阻。為了增加RF端口之間的隔離，它們可以串聯(lián)或作為分流器件接地。與PIN二極管不同，串聯(lián)放置多個晶體管實際上有助于RF功率處理和線性度，對插入損耗幾乎沒有影響。典型的TX / RX開關(guān)原理圖如圖5所示。這里，晶體管以串聯(lián) - 并聯(lián)配置連接，以獲得最佳的插入損耗和隔離性能。這種配置的缺點是MN1 / MN4和MN2 / MN3的互補(bǔ)切換要求高邏輯電平和低邏輯電平同時可用，這增加了控制電路的復(fù)雜性，從而增加了成本。

MMIC GaAs開關(guān)可從各種公司獲得。全部使用N溝道耗盡型FET作為基本開關(guān)器件。這些設(shè)備顯示的特性如下：

V g = 0 - >開啟

V g =負(fù) - >關(guān)閉（Pinchoff）

Pinchoff定義為通道變?yōu)楦咦杩沟碾妷?。這通常發(fā)生在-3V的V g ，這取決于所使用的工藝。開關(guān)輸入端的RF電平可以調(diào)制V g ，從而隨著開關(guān)導(dǎo)通電阻的變化而產(chǎn)生失真產(chǎn)物。使用高控制電壓將降低這種影響，但僅以產(chǎn)生大約+ 2V至-8V的電壓來控制開關(guān)。 GaAs工藝不提供互補(bǔ)器件，因此需要更多電流才能創(chuàng)建CMOS技術(shù)中易于使用的逆變器邏輯功能。 GaAs開關(guān)的這種固有的責(zé)任使它們難以集成到使用正低壓電源的大多數(shù)現(xiàn)代電子系統(tǒng)中。 GaAs開關(guān)制造商通過添加與開關(guān)的RF引腳串聯(lián)的隔直電容來解決這個問題。這有效地使管芯相對于DC接地浮動，這允許用正控制電壓控制開關(guān)。然而，缺點是DC阻塞電容器限制了開關(guān)可以處理的帶寬，因此限制了它們在寬帶系統(tǒng)中的使用。電容器本身相對便宜，但額外的印刷電路板面積和制造成本會顯著增加整體開關(guān)成本。此外，與開關(guān)串聯(lián)的任何組件都會增加插入損耗并對系統(tǒng)SNR產(chǎn)生直接影響。電感或路徑長度的任何增加都會降低器件的性能，從而給系統(tǒng)設(shè)計人員帶來額外的問題和需要克服的問題。

如前所述，GaAs開關(guān)的控制信號需要從外部來源。有很多方法可以做到這一點;最簡單和最常見的是增加外部CMOS驅(qū)動器IC。這種額外的IC不僅消耗功率，還增加了PC板面積和組裝成本。最近，GaAs開關(guān)制造商推出了多芯片模塊（MCM），它將CMOS / BiCMOS驅(qū)動器芯片和GaAs開關(guān)芯片封裝成一個大型BGA封裝。這些MCM工作得很好，但主要缺點是整體解決方案成本高，由兩個芯片的單獨成本組成，并且由于更大的封裝和芯片互連而增加了組裝成本。

CMOS拯救

正如摩爾定律[1]預(yù)測的那樣，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝幾何尺寸不斷減小。開放CMOS的市場之一是射頻/微波IC領(lǐng)域。隨著晶體管長度的減小，CMOS實現(xiàn)了低導(dǎo)通電阻，低關(guān)斷電容以及高達(dá)1 GHz甚至更高的良好線性度。 RF開關(guān)也是如此，因為現(xiàn)在可以使用帶有1 GHz，3 dB帶寬的CMOS開關(guān)。

與GaAs開關(guān)類似，CMOS開關(guān)使用NMOS FET，它們基本上用作電壓控制電阻。這些設(shè)備顯示的特性如下：

V gs > V t - >開啟

V gs t - >關(guān)閉

V t 定義為閾值電壓，高于此閾值電壓，在源極和漏極之間形成導(dǎo)電溝道終端。 FET可以采用互鎖指狀布局，以減少源極和漏極之間的寄生電容，從而提高高頻隔離度。

如前所述，CMOS開關(guān)適用于許多低功耗應(yīng)用。由于兩個原因，它們的功率處理能力降低了：第一，如圖6所示的固有NMOS結(jié)構(gòu)由P型襯底中的兩個N型材料區(qū)域組成，這導(dǎo)致在兩者之間形成寄生二極管。 N和P區(qū)域。當(dāng)偏置為0 VDC的AC信號放置在晶體管的源極上，并且Vgs使晶體管導(dǎo)通時，寄生二極管可以在輸入波形的負(fù)半周期的某些部分正向偏置。一旦輸入正弦波低于約-0.6 V，二極管將開始導(dǎo)通。這將導(dǎo)致輸入信號被壓縮。在低頻時，輸入信號在較長的時間段內(nèi)低于-0.6 V電平，因此對1 dB壓縮點（P 1dB ）具有更大的影響。第二種機(jī)制是分流NMOS器件在應(yīng)該關(guān)閉時部分導(dǎo)通。如前所述，NMOS晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，其中V gs t 。在分流裝置的源極上有交流信號時，波形的負(fù)半周期將有一個時間，其中V gs ≥V t ，從而部分開啟分流裝置。這將導(dǎo)致輸入波形通過將其部分能量分流到地而進(jìn)行壓縮。當(dāng)開關(guān)在低頻（<30 MHz）和高功率（> 10 dBm）下使用時，可以通過對RF輸入信號施加小的DC偏壓（~0.5 V）來克服這兩種機(jī)制。與GaAs開關(guān)不同，CMOS開關(guān)不需要隔直電容。

CMOS的優(yōu)點

使用CMOS設(shè)計寬帶寬有許多關(guān)鍵優(yōu)勢開關(guān)。以下各節(jié)重點介紹了主要優(yōu)勢和關(guān)鍵的高性能規(guī)格。

成本：當(dāng)今成本驅(qū)動型市場中最重要的優(yōu)勢是CMOS工藝比GaAs工藝，可降低芯片成本。 CMOS開關(guān)使用正電壓控制，不需要隔直電容。另一方面，GaAs晶體管是負(fù)電壓控制器件。這排除了使用CMOS驅(qū)動器，需要在RF輸入上使用隔直電容，并導(dǎo)致整體解決方案成本的增加。 CMOS開關(guān)比GaAs同類產(chǎn)品更便宜，更易于使用。

單引腳控制接口： CMOS開關(guān)具有單引腳控制接口，可實現(xiàn)最大的電路布局效率，使移動無線系統(tǒng)等許多應(yīng)用受益。這是可能的，因為CMOS允許將驅(qū)動器/開關(guān)控制電路集成到與開關(guān)相同的芯片上，從而有效地減少了控制引腳的數(shù)量。 CMOS技術(shù)提供的控制接口具有簡單的單引腳控制，與許多GaAs RF開關(guān)實現(xiàn)的互補(bǔ)控制信號形成對比。例如，對于SPDT（單刀雙擲）開關(guān)，GaAs器件需要兩條控制線，而CMOS器件只需要一條。

簡易系統(tǒng)集成： CMOS開關(guān)技術(shù)的片上驅(qū)動器可以與TTL和CMOS邏輯電平連接，允許器件與其他CMOS / BiCMOS IC（如微控制器）輕松集成。 CMOS和LVTTL兼容的控制輸入在許多應(yīng)用中提供了非常簡單的接口。

無需在CMOS開關(guān)的RF輸入上增加隔直電容，消除了對帶寬減少的擔(dān)憂或減少系統(tǒng)性能的影響 - 上一節(jié)中描述的原因。

減小封裝尺寸：驅(qū)動器/開關(guān)控制電路的簡單集成具有小封裝尺寸的額外優(yōu)勢。 CMOS芯片的整體尺寸更小，允許CMOS器件以更小的封裝組裝，其引腳數(shù)量低于GaAs制造商提供的MCM。標(biāo)準(zhǔn)的SPDT開關(guān)引腳數(shù)可以從用于CMOS解決方案的適度8引腳封裝到用于GaAs解決方案的20引腳。

對于SP4T器件，這種節(jié)省空間的情況更為明顯。 CMOS器件采用微型16引腳3 mm×3 mm LFCSP（引腳架構(gòu)芯片級封裝）套件。 GaAs SP4T產(chǎn)品可能需要負(fù)電壓或正/負(fù)電壓電源，以及多達(dá)8條控制線。它們采用24引腳10.65 mm×15.6 mm寬體SOIC（小外形）或28引腳12.57 mm×12.57 mm PLCC（塑料引線芯片載體）封裝。

更低的功耗： CMOS開關(guān)的極低功耗使其成為便攜式應(yīng)用的理想選擇。

可用的CMOS RF開關(guān)可在1.65 V至2.75 V范圍內(nèi)工作電源的典型電流消耗小于1μA，顯著低于等效GaAs解決方案的電流消耗。

其他CMOS開關(guān)性能亮點：匹配也非常有用CMOS開關(guān)。圖7顯示了開/關(guān)開關(guān)的回波損耗與頻率的典型曲線圖。該圖顯示，對于關(guān)斷開關(guān)，S 11 值為10 dB時為27 dB，1 GHz時為26 dB，關(guān)閉開關(guān)時為1 dB時為20 dB，1 GHz時為20 dB。這是相對于端口處的入射功率的反射功率量?；夭〒p耗大，表明匹配良好。 CMOS開關(guān)具有額外的靈活性，可選擇反射（0歐姆）或吸收（50歐姆）版本，允許開關(guān)與應(yīng)用匹配。例如，ADG918是一個吸收（或匹配）SPDT開關(guān)（2：1 Mux），具有50歐姆端接分流支腳，ADG919是具有直接分流接地的反射SPDT開關(guān)。對于阻抗匹配最關(guān)鍵的應(yīng)用，吸收開關(guān)將是優(yōu)選的。與前面描述的CMOS開關(guān)的隔離性能類似，CMOS工藝規(guī)定的回波損耗比許多GaAs開關(guān)高出約10 dB /十倍。

開關(guān)時間也很好，帶CMOS開關(guān)典型的開關(guān)時間為5 ns，比許多GaAs器件快10倍。圖8顯示了典型ADG901的5 ns開關(guān)時間。在極端溫度條件下，該器件的時序規(guī)格最大為8 ns，而許多GaAs開關(guān)的微秒級則為微秒。

結(jié)論

CMOS開關(guān)提供了比GaAs器件更簡單的整體解決方案，適用于高頻開關(guān)要求，還具有成本更低的優(yōu)勢。

ADG9xx系列寬帶CMOS開關(guān)的3 dB頻率大于3 GHz，在1 GHz時的插入損耗非常低，為0.8 dB，1 GHz時的隔離度大于37 dB。這些特性使這些器件非常適用于DC至1 GHz及更高頻率的許多應(yīng)用。這些開關(guān)為GaAs RF開關(guān)提供了主要的CMOS挑戰(zhàn)，是低功耗，高性能，高頻開關(guān)應(yīng)用的最佳解決方案。