引言

TD-SCDMA是英文Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access（時(shí)分同步碼分多址） 的簡稱，是一種第三代無線通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也是ITU批準(zhǔn)的三個(gè)3G標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)，相對于另兩個(gè)主要3G標(biāo)準(zhǔn)（CDMA2000）或（WCDMA）它的起步較晚。

使用CMOS收/發(fā)開關(guān)取代GaAs MOSFET收/發(fā)開關(guān)的好處之一是CMOS開關(guān)電路不需要負(fù)的控制電壓。而且，如果能用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來完成，開關(guān)電路就可以和收發(fā)器中其它RF模塊集成在一起，這將降低成本。

TD-SCDMA作為中國提出的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)[2]（簡稱3G），自1998年正式向ITU（國際電聯(lián)）提交以來，已經(jīng)歷十多年的時(shí)間，完成了標(biāo)準(zhǔn)的專家組評估、ITU認(rèn)可并發(fā)布、與3GPP（第三代伙伴項(xiàng)目）體系的融合、新技術(shù)特性的引入等一系列的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作，從而使TD-SCDMA[3]標(biāo)準(zhǔn)成為第一個(gè)由中國提出的，以我國知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主的、被國際上廣泛接受和認(rèn)可的無線通信國際標(biāo)準(zhǔn)。這是我國電信史上重要的里程碑。（注：3G共有4個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)，另外3個(gè)是美國主導(dǎo)的CDMA2000、WiMAX和歐洲主導(dǎo)的WCDMA.）

TD-SCDMA系統(tǒng)規(guī)劃使用的頻段主要為1900MHz-1920MHz和2010MHz-2025MHz.本文采用TSMC 0.35m CMOS工藝來制作射頻收/發(fā)開關(guān)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，該開關(guān)電路在2GHz處取得了較好的仿真結(jié)果。

圖1對稱式收/發(fā)開關(guān)電路示意圖

圖2MOSFET導(dǎo)通時(shí)的等效電路圖

圖3開關(guān)截止一側(cè)的小信號等效電路

(a) 插入損耗

（b） 隔離度

優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1是對稱式串并結(jié)構(gòu)NMOS射頻開關(guān)的電路示意圖。串聯(lián)的晶體管M1和M2完成主要的開關(guān)功能。控制電壓Vctrl 和用于控制晶體管M1和M2的開與合。當(dāng)Vctrl為高電平時(shí)，M1導(dǎo)通，M2截止，開關(guān)處于發(fā)射狀態(tài)；當(dāng)為高電平時(shí)，M1截止，M2導(dǎo)通，開關(guān)處于接收狀態(tài)。該開關(guān)電路還包括旁通電容C1和C2,它們提供了開關(guān)電路中TX和RX端口的直流偏置。MOS管柵極上的偏置電阻R1、R2、R3和R4的作用是提高隔離度和線性度。本設(shè)計(jì)中，串聯(lián)MOS管柵寬取200?m,并聯(lián)MOS管的柵寬取100?m,旁通電容C1和C2取5pF,柵極偏置電阻R1、R2、 R3和R4均取10K.

射頻收/發(fā)開關(guān)的重要性能指標(biāo)為：插入損耗（IL）、隔離度（Isolation）和線性度（通常用1dB壓縮點(diǎn)P1dB來表示）。其中插入損耗是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

插入損耗

插入損耗表示當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)射頻信號通過射頻開關(guān)的功耗。

管子的導(dǎo)通電阻是影響插入損耗的關(guān)鍵因素之一。因此，在本設(shè)計(jì)中只使用nMOSFET.由于硅襯底的導(dǎo)電特性，管子的漏極和源極對襯底的結(jié)電容及相關(guān)的寄生電容也是影響插入損耗的主要因素。

為了簡化，只分析包含單個(gè)MOS管的電路，圖2為其導(dǎo)通時(shí)的等效電路圖。圖2中，Vrf、Rs分別為等效信號源及源內(nèi)阻，Ron為MOS管的導(dǎo)通電阻，Rb為其襯底電阻，Rl為負(fù)載電阻，Ct是其等效電容（虛線部分），其等效式為：

如果負(fù)載端和源端都與特征阻抗（Z0）匹配，則插入損耗可以用正向傳輸系數(shù)的幅度平方（|S21|2）的倒數(shù)來表示。

由該表達(dá)式可以看出，導(dǎo)通電阻Ron越大，插入損耗越大；寄生耦合電容Ct越大，插入損耗越小；襯底電阻對插入損耗的影響并不呈簡單的線性關(guān)系。實(shí)際上，有一個(gè)使插入損耗最大的襯底電阻Rb（max）

因此，用CMOS技術(shù)制作的RF開關(guān)電路要獲得較低的插入損耗，就要注意避免襯底電阻接近Rb（max）。然而，如果不對襯底電阻做特殊處理，這個(gè)值基本上屬于RF開關(guān)電路中晶體管的Rb值的典型范圍。對于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，取得較大的襯底電阻是不容易做到的，因此，降低襯底電阻是更好的方案。在版圖設(shè)計(jì)中，可通過增加襯底接觸來減小襯底電阻，從而達(dá)到進(jìn)一步減小插入損耗的目的。

IL還可以用管子的柵寬（W）來表示，如（3）式。

一般來說，對于給定的工藝和版圖類型，Rbo、Cto和Rono可以被認(rèn)為是固定的。所以柵寬的大小對插入損耗起著重要的影響：隨著柵寬的增大，導(dǎo)通電阻 Ron減小，從而使插入損耗減小；如果柵寬繼續(xù)增大，通過電容Ct耦合到襯底的信號也會(huì)增大，則插入損耗會(huì)隨著柵寬的增大而增大。

取并臂M3和M4的柵寬（WM3和WM4）接近WM1的一半。仿真結(jié)果表明，當(dāng)WM1和WM2取200?m且WM3和WM4取100?m時(shí)，插入損耗最小。

另外，在MOS管的柵極增加電阻R的阻值也可降低插入損耗。仿真顯示，隨著柵極電阻的增大，插入損耗減小，但增加到10K?以后，插入損耗減小的幅度就很小了，所以考慮到版圖面積，取柵極電阻的阻值為10K?.

隔離度

截止?fàn)顟B(tài)下，開關(guān)的小信號等效電路如圖3所示。

圖3中，Ron表示并聯(lián)MOS管的導(dǎo)通電阻，Coff表示串聯(lián)MOS管在截止?fàn)顟B(tài)下的漏/源極間電容。

依據(jù)S與Z參數(shù)之間的變換公式，可得到發(fā)射端（TX）和天線端（ANT）間的隔離度表達(dá)式：

（4） 式表明，通過使并聯(lián)的MOS管的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于信號源的特征阻抗，使得從串聯(lián)的、處于截止?fàn)顟B(tài)的MOS管泄漏出來的信號，可以通過并聯(lián)的MOS管導(dǎo)通到地，而不是泄漏到發(fā)送端，從而大大提高了隔離度。從仿真的結(jié)果看，加上并聯(lián)MOS管后，

可以將隔離度提高10dB以上，而由此帶來的插入損耗的惡化卻可以忽略。此外，增加并聯(lián)MOS管的柵寬，也可以提高隔離度，但同時(shí)也會(huì)降低插入損耗和線性度，所以不宜取較大的柵寬。

性度線

線性度，即功率處理能力，通常用P1dB來表示。CMOS開關(guān)的線性度通常受到以下兩種情況的制約：1.應(yīng)截止的MOS管發(fā)生了導(dǎo)通，對于M3管，這種情況最嚴(yán)重；2. MOS管柵極電介質(zhì)性能不夠穩(wěn)定。

為了提高開關(guān)的線性度，本設(shè)計(jì)采用了兩種措施：1）在MOS管的漏、源極兩端都加上直流偏置電壓；2）給4個(gè)MOS管都加上柵極電阻R.

從仿真的結(jié)果看，增加?xùn)艠O電阻可以使線性度改善5dB左右。

仿真結(jié)果

利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過對系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來研究存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)，又稱模擬。這里所指的模型包括物理的和數(shù)學(xué)的，靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的，連續(xù)的和離散的各種模型。所指的系統(tǒng)也很廣泛，包括電氣、機(jī)械、化工、水力、熱力等系統(tǒng)，也包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、管理等系統(tǒng)。當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價(jià)昂貴、實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性大或需要很長的時(shí)間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時(shí)，仿真是一種特別有效的研究手段。仿真的重要工具是計(jì)算機(jī)。仿真與數(shù)值計(jì)算、求解方法的區(qū)別在于它首先是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

采用Cadence Spectre / Spectre RF仿真器進(jìn)行仿真。在仿真過程中，分別對MOS管的柵寬和柵極電阻的阻值進(jìn)行了優(yōu)化選取，并確定了偏置電壓和偏置電容。最終確定串聯(lián)MOS管M1和M2 的柵寬取200?m,并聯(lián)MOS管M3和M4的柵寬取100?m,柵極電阻R 取10K?,偏置電容C1和C2取5pF.仿真結(jié)果如圖4所示。

結(jié)語

本文分析了影響對稱式射頻收/發(fā)開關(guān)性能的因素，包括柵寬、導(dǎo)通電阻、襯底電阻、柵極電阻等。采用TSMC 0.35m CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真，獲得了插入損耗為1.0 dB、隔離度46.3 dB和1 dB壓縮點(diǎn)12.8 dBm的電路。該射頻收/發(fā)開關(guān)可以與應(yīng)用于TD-SCDMA的全集成CMOS收發(fā)器集成在一起，構(gòu)成集成度更高、價(jià)格更低的收發(fā)器。