ADI公司采用先進(jìn)硅工藝的新型RF和微波（MW）開關(guān)和衰減器產(chǎn)品，與傳統(tǒng)使用砷化鎵（GaAs）的產(chǎn)品相比，具有硅技術(shù)的固有優(yōu)勢。本文重點介紹了新型開關(guān)和衰減器產(chǎn)品的功能和關(guān)鍵性能參數(shù)。

ADI公司提供1000多種器件，涵蓋所有RF和MW信號鏈和應(yīng)用。RF開關(guān)和衰減器通常用于同一應(yīng)用，并符合類似的系統(tǒng)要求。它們被歸入相同的產(chǎn)品類別，射頻和兆瓦控制產(chǎn)品。圖1所示為通用收發(fā)器。底部是發(fā)射端，頂部是接收端。中間是預(yù)失真反饋環(huán)路，以及時鐘生成。在圖中，開關(guān)用于各種切片。低噪聲放大器前面使用單刀雙擲 （SPDT） 開關(guān)，以保證所需的隔離水平，防止在傳輸模式下可能通過雙工器泄漏的過大功率。另一個SPDT開關(guān)用于數(shù)字預(yù)失真反饋環(huán)路，以在發(fā)射或反射信號之間進(jìn)行選擇。然后使用單刀四擲（SP4T）在多個收發(fā)器之間進(jìn)行選擇，以防一個檢波器用于所有收發(fā)器。

圖1.通用收發(fā)器。底部是發(fā)射端，頂部是接收端。中間是預(yù)失真反饋回路。

另一個SPDT開關(guān)用于在接收端和發(fā)送端之間路由來自本地振蕩器的時鐘信號。數(shù)字衰減器（DATT）和連續(xù)可調(diào)電壓可變衰減器（VVA）用于需要增益調(diào)整的信號鏈。

另一個應(yīng)用是蜂窩中繼器。在圖 2 中，天線接口使用單刀雙擲開關(guān)。這些是專門為此而設(shè)計的高功率發(fā)射和接收開關(guān)。

圖2.天線接口使用高功率反射發(fā)射/接收單刀雙擲。

圖3顯示了控制產(chǎn)品用于時鐘或LO生成的使用。在這里，信號通過VCO/PLL或振蕩器產(chǎn)生，被放大，然后施加到開關(guān)上。在圖中，單刀三擲 （SP3T） 開關(guān)用于在濾波器組之間切換。在輸出側(cè)，使用單刀四擲開關(guān)，并增加了一個用于校準(zhǔn)和外部基準(zhǔn)的額外路徑。數(shù)字衰減器或電壓可變衰減器可以包含在需要增益調(diào)整的信號路徑中。

圖3.使用控制產(chǎn)品生成時鐘或本振（LO）。

最后一個示例是RF測試設(shè)備輸入級的框圖（圖4）。在第一部分，SPDT用于在輸入信號或校準(zhǔn)信號之間進(jìn)行選擇。然后將所選信號饋送到另一個SPDT，以將信號路由到放大路徑或旁路路徑。接下來是包含DATT和VVA的衰減器部分。數(shù)字衰減器用于航向校準(zhǔn)，電壓可變衰減器用于精細(xì)增益調(diào)整。

圖4.在測試設(shè)備輸入階段，信號施加到設(shè)備上，n通過放大路徑或衰減路徑。

在這些應(yīng)用中，需要高性能，低插入損耗、良好回波損耗、高線性度和高功率處理是關(guān)鍵參數(shù)。平坦的頻率特性對于設(shè)備的性能非常重要。此類應(yīng)用中的信號帶寬必須足夠?qū)挘愿采w操作的整個頻率范圍。在此類應(yīng)用中，頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀的9 kHz低截止頻率至關(guān)重要。

硅與砷化鎵

這種比較主要在設(shè)計特征上進(jìn)行。如果產(chǎn)品需要快速凝固時間和快速開關(guān)時間，硅工藝比GaAs更具優(yōu)勢。硅工藝提供了更大的集成能力，對于低頻操作，硅比GaAs具有優(yōu)勢。如果功率處理、插入損耗、隔離度和線性度是設(shè)計參數(shù)，硅和砷化鎵都可以滿足要求。硅提供更高的ESD魯棒性。對于高溫操作，砷化鎵仍然是優(yōu)于硅的平臺。在砷化鎵耗盡模式下，通常使用可實現(xiàn)故障安全操作等功能的器件。

砷化鎵器件會受到所謂的柵極滯后效應(yīng)的影響。當(dāng)晶體管切換時，與開關(guān)時間相比，溝道中的殘余電荷衰減需要更長的時間。RF設(shè)計人員通常的做法是預(yù)計建立時間有10×裕量，但如果需要高精度，這可能還不夠。柵極滯后取決于過程變化、偏置條件和控制電壓電平。

硅器件具有可靠的快速開關(guān)和建立特性。設(shè)備特性已得到很好的定義和建模。對過程變異和偏差條件的依賴性得到了很好的控制和限制。

在時分多路復(fù)用通信系統(tǒng)中，快速建立時間對于實現(xiàn)良好的性能非常重要。在大多數(shù)測試和測量設(shè)備中，快速建立時間對于提高精度和縮短測試時間至關(guān)重要。

圖5顯示了兩種產(chǎn)品之間的比較：采用砷化鎵制造的HMC540和采用硅工藝設(shè)計的HMC540S。由于柵極滯后效應(yīng)，GaAs積需要~8 μs才能建立到最終RF功率電平。硅產(chǎn)品在不到 ~1 μs 的時間內(nèi)穩(wěn)定到相同的射頻電平。

圖5.砷化鎵（左）和硅的建立時間測量值比較。

由于器件特性，砷化鎵工藝具有集成限制。在GaAs中，pHEMT器件閾值電壓在–1 V和–3 V之間變化，設(shè)計低壓CMOS接口等復(fù)雜接口電路是不可行的，因此GaAs器件需要外部電路。在硅工藝中，閾值電壓要低得多，并且符合標(biāo)準(zhǔn)CMOS接口電壓。可以在同一芯片上實現(xiàn)與控制產(chǎn)品或衰減器開關(guān)相同的接口，并且該器件可以與標(biāo)準(zhǔn)CMOS器件接口。

高集成度為設(shè)計人員提供了簡化設(shè)計、減少PCB面積和所用元件數(shù)量以及節(jié)省成本的機會。硅工藝中的集成可以擴(kuò)展為包含復(fù)雜的功能和功能豐富的產(chǎn)品。

例如，GaAs數(shù)字衰減器被設(shè)計為多芯片模塊，在同一封裝中集成了一個CMOS驅(qū)動器。另一方面，在硅數(shù)字衰減器中，整個器件被設(shè)計為單片單芯片。

硅工藝的另一個優(yōu)點是ESD魯棒性。在砷化鎵工藝中，可用于實現(xiàn)ESD結(jié)構(gòu)的組件有限。二極管和布局技術(shù)用于達(dá)到一定程度的ESD保護(hù)。在硅工藝中，可以實現(xiàn)專用保護(hù)電路，如鉗位和一次性觸發(fā)電路。

圖6左側(cè)的圖表顯示了一個典型的砷化鎵ESD單元，該單元基于二極管。右側(cè)是硅中典型的ESD單元。有一個專用的ESD結(jié)構(gòu)，以提供更高水平的保護(hù)。強大的 ESD 保護(hù)可確保器件在 ESD 敏感環(huán)境（如汽車、軍事以及測試和測量應(yīng)用）下可靠運行。

圖6.在測試設(shè)備輸入階段，信號施加到設(shè)備上，n通過放大路徑或衰減路徑。

在進(jìn)一步比較GaAs和硅時，硅可以在同一設(shè)計中集成多個功能。例如，ADI公司的硅數(shù)字衰減器具有可以管理狀態(tài)轉(zhuǎn)換的串行接口。安全狀態(tài)轉(zhuǎn)換可確保在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間限制RF信號的過沖。無毛刺操作可確保在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間限制RF信號功率的波動。可靠的狀態(tài)轉(zhuǎn)換可簡化設(shè)計，并保護(hù)信號鏈中的其他組件免受過沖或額外功率的影響。

硅工藝的另一個優(yōu)點是能夠設(shè)計用于低頻操作的組件。由于柵極漏電流，砷化鎵工藝具有局限性，幾乎不可能在低頻下使用砷化鎵器件。采用硅工藝，由于柵極完全隔離，因此不會出現(xiàn)柵極泄漏，并且可以使用高值電阻器。該設(shè)計可以針對低頻段進(jìn)行優(yōu)化。低頻端覆蓋 9 kHz 工作頻率，使硅成為測試和測量應(yīng)用的理想選擇。

硅片新開關(guān)產(chǎn)品

ADI提供三種新的硅片開關(guān)產(chǎn)品：

HMC1118，一款高隔離硅單刀雙擲非反射開關(guān)，工作頻率范圍為9 kHz至13 GHz

HM8038，一款高隔離硅單刀雙擲非反射開關(guān)，工作頻率范圍為 0.1 GHz 至 6 GHz

HMC7992，緊湊型硅SP4T非反射開關(guān)，工作頻率為0.1 GHz至6 GHz

HMC1118針對低頻工作進(jìn)行了優(yōu)化。對于0.05 dB裕量，其建立時間為7.5 μs，在8 GHz時具有出色的56 dB隔離度，在8.0 GHz時具有0.6 dB的低插入損耗。它提供 36 dBm 直通路徑和 27 dBm 端接路徑的高功率處理能力。

HM8038具有60 dB（典型值）的高隔離度、0.8 dB（典型值）的低插入損耗以及170 ns的快速建立時間（0.1 dB裕量）。它提供 34 dBm 通過路徑和 29 dBm 端接路徑的高功率處理能力，對于 0.1 dB 壓縮點，具有 34 dBm 的高線性度。

HMC7992在2 GHz時具有45 dB（典型值）的高隔離度，在2 GHz時具有0.6 dB的低插入損耗，0.1 dB裕量時具有320 ns的快速建立時間。它具有33 dBm通過路徑和27 dBm端接路徑的高功率處理能力，以及1 dB壓縮點（P1 dB）的高線性度，典型值為35 dBm。

硅片新數(shù)字衰減器產(chǎn)品

硅片新數(shù)字衰減器產(chǎn)品包括：

HMC1119，0.25 dB、LSB、7位硅數(shù)字衰減器（0.1 GHz至6 GHz）

HMC1122，0.5 dB、LSB、6位硅數(shù)字衰減器（0.1 GHz至6 GHz）

HMC305S，0.5 dB、LSB、5位硅數(shù)字衰減器（0.4 GHz至7.0 GHz）

HMC540S，1 dB、LSB、4位硅數(shù)字衰減器（0.1 GHz至8 GHz）

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HMC1119和HMC1122專為高精度而設(shè)計，步進(jìn)誤差小于0.1 dB。兩款器件的衰減范圍均為30 dB，插入損耗為1.3 dB，典型開關(guān)時間約為150 ns。它們具有具有安全狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能的串行控制接口。

HMC305S的衰減范圍為15.5 dB，2 GHz時插入損耗為1.1 dB。該器件具有串行控制接口，并具有無毛刺狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能。

HMC540S是一款寬帶、1 dB步進(jìn)、4位數(shù)字衰減器，針對0.7 dB的低插入進(jìn)行了優(yōu)化。該器件具有出色的線性度，壓縮點為0.1 dB（31 dBm）。HMC540采用緊湊的3 mm×3 mm封裝，并具有并行控制功能。

審核編輯：郭婷