插入損耗是指打開開關(guān)后，輸入和輸出端口之間的衰減。低插入損耗對于要求低總體噪聲系數(shù)的系統(tǒng)至關(guān)重要。由于開關(guān)是信號路徑中的第一批組件之一，因此最小可接收信號非常重要。圖1顯示了插入損耗與頻率的典型關(guān)系圖ADG919。

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該圖表明，在100 MHz時插入損耗小于0.5 dB，在1 GHz時插入損耗小于0.8 dB，在2 GHz時插入損耗小于1.5 dB。這可與許多GaAs開關(guān)相媲美，在1 GHz時典型值在0.7 dB至1 dB之間。

斷開隔離定義為開關(guān)關(guān)閉時，輸入和輸出端口之間的衰減。圖2顯示了截止隔離度與頻率的典型曲線圖。對于大多數(shù)寬帶交換來說，都要求高度隔離，這通常是確定部件是否適合特定應(yīng)用的關(guān)鍵規(guī)范。

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該圖表明，在大約80 MHz時，開關(guān)隔離度優(yōu)于70 dB；在1 GHz時，隔離度優(yōu)于37 dB；在2 GHz時，隔離度優(yōu)于20 dB。這種非隔離規(guī)范的性能優(yōu)于許多GaAs開關(guān)約10 dB /十倍頻程。1 GHz時的典型GaAs開關(guān)值在25至40 dB之間。在1 GHz處，通道間隔離度為30 dB，可確保通道之間的串?dāng)_最小。

另外兩個重要的RF開關(guān)規(guī)格與開關(guān)可以處理的功率水平有關(guān)。第一個是1 dB壓縮點P1dB，這是RF輸入功率電平，在該電平下，開關(guān)插入損耗會比其低電平值增加1 dB。P1dB是在接通開關(guān)使信號失真或壓縮之前可以處理多少功率的量度，因此是RF功率處理能力的量度。接下來，當(dāng)緊密間隔的音調(diào)通過開關(guān)時，開關(guān)的非線性會導(dǎo)致產(chǎn)生虛假的音調(diào)。輸入的三階交調(diào)點IIP3是這些假音中功率的量度，并且與開關(guān)引起的失真量直接相關(guān)。圖3顯示了P1dB壓縮點與頻率的關(guān)系。在這種情況下，1 GHz時的P1dB為17 dBm。該開關(guān)在900 MHz時的IIP3為33 dBm，非常適合中功率，高頻應(yīng)用，包括采用GPS或其他增強功能的蜂窩手機中的IF切換。

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傳統(tǒng)交換解決方案：

1.引腳二極管

PIN二極管在無線電和微波頻率上基本上是電流控制的電阻。PIN二極管通常用于切換RF信號，因為它們在導(dǎo)通時具有很高的線性度，并具有非常好的失真特性。通過在P型和N型硅區(qū)域之間放置一個高電阻本征（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和N區(qū)域注入I區(qū)域。電子和空穴不會立即復(fù)合。取而代之的是存儲了有限的電荷，從而降低了I區(qū)域的電阻率并允許導(dǎo)電。

因此，使用PIN二極管時的第一個缺點是，由于低電阻率和低插入損耗，它們需要大量的DC功率。當(dāng)將它們用于PDA和手持儀表等便攜式設(shè)備時，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)的PIN二極管時，在較高的頻率上實現(xiàn)30 dB以上的隔離也很困難。為了獲得更高的隔離度，必須以串聯(lián)-并聯(lián)組合的方式連接兩個或多個二極管。這具有增加插入損耗的不良效果。

典型的發(fā)射/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，一些隔直電容，一個用于饋送直流正向偏置控制信號的電感器以及一些構(gòu)成四分之一的分立元件組成。波浪線。如果需要切換額外的RF端口，則需要更多的串聯(lián)二極管，這會增加插入損耗。在此應(yīng)用中，插入損耗增加的影響是雙重的。在TX端，功率放大器和天線之間的每分貝損耗都意味著TX信號需要更多的放大，從而縮短了電池壽命。在RX端，插入損耗的增加將用于降低接收信號強度，從而降低整體信噪比（SNR）和接收器靈敏度。

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PIN二極管的另一個限制是它們需要一個外部驅(qū)動器來控制TX / RX開關(guān)的開關(guān)速度以及可以使用的接口電平。

2. GaAs開關(guān)

近年來，由于GaAs開關(guān)的直流功耗低（與PIN二極管相比），在寬帶開關(guān)市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位。GaAs開關(guān)由充當(dāng)壓控電阻器的晶體管陣列組成。GaAs晶體管是三端設(shè)備；柵極電壓（Vg）控制其他兩個端子之間的電阻。為了增加RF端口之間的隔離度，可以將它們串聯(lián)或作為并聯(lián)設(shè)備接地。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，而對插入損耗的影響很小。典型的TX / RX開關(guān)原理圖如圖5所示。此處，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的互補切換要求同時具有高邏輯電平和低邏輯電平，從而增加了控制電路的復(fù)雜性并因此增加了成本。

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MMIC GaAs開關(guān)可從許多公司獲得。所有器件都使用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：

Vg= 0->接通
Vg=負->關(guān)閉（收縮）

夾斷定義為通道變?yōu)楦咦杩箷r的電壓。這通常在–3 V的Vg下發(fā)生，具體取決于所使用的過程。開關(guān)輸入端的射頻電平可以調(diào)制Vg，從而在開關(guān)的導(dǎo)通電阻變化時引起失真產(chǎn)物。使用高控制電壓將減少這種影響，但只會以產(chǎn)生大約+2 V至–8 V的電壓為代價來控制開關(guān)。GaAs工藝不提供互補器件，因此創(chuàng)建CMOS技術(shù)中容易獲得的反相器邏輯功能需要大量電流。GaAs開關(guān)的固有缺陷使其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)的隔直電容器來解決這個問題。這有效地使管芯相對于DC地浮動，從而允許使用正控制電壓來控制開關(guān)。但是缺點是DC隔離電容器限制了開關(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，但是額外的印刷電路板面積和制造成本會顯著增加總體開關(guān)成本。同樣，與開關(guān)串聯(lián)放置的任何組件都會增加插入損耗，并直接影響系統(tǒng)的SNR。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)計人員帶來其他問題和需要克服的問題。但是額外的印刷電路板面積和制造成本會大大增加總的開關(guān)成本。同樣，與開關(guān)串聯(lián)放置的任何組件都會增加插入損耗，并直接影響系統(tǒng)SNR。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)計人員帶來其他問題和需要克服的問題。但是額外的印刷電路板面積和制造成本會大大增加總的開關(guān)成本。同樣，與開關(guān)串聯(lián)放置的任何組件都會增加插入損耗，并直接影響系統(tǒng)SNR。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)計人員帶來其他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源產(chǎn)生。有很多方法可以做到這一點。最簡單，最常見的方法是添加外部CMOS驅(qū)動器IC。這種額外的IC不僅會消耗功率，還會增加PC板的面積和組裝成本。最近，GaAs開關(guān)制造商推出了MultiChip模塊（MCM），該模塊將CMOS / BiCMOS驅(qū)動器芯片和GaAs開關(guān)芯片封裝為一個大型BGA型封裝。這些MCM運作良好，但主要缺點是總體解決方案成本高，由兩個裸片的單個成本組成，并且由于較大的封裝和裸片互連而增加了組裝成本。

CMOS救助

正如摩爾定律[1]所預(yù)測的那樣，標準CMOS工藝的幾何尺寸一直在減少。RF /微波IC領(lǐng)域是向CMOS開放的市場之一。憑借減小的晶體管長度，CMOS達到了低導(dǎo)通電阻，低截止電容和高達1 GHz甚至更高的良好線性。RF開關(guān)也是如此，因為現(xiàn)在可以使用3 GHz帶寬的1 GHz CMOS開關(guān)。

像GaAs開關(guān)一樣，CMOS開關(guān)也使用NMOS FET，其本質(zhì)上起壓控電阻的作用。這些設(shè)備顯示的特性如下：

Vgs> Vt—>打開
Vgst—>關(guān)閉

Vt被定義為閾值電壓，高于該閾值電壓，在源極和漏極端子之間形成導(dǎo)電通道。FET可以具有互鎖的指狀布局，以減小源極和漏極之間的寄生電容，從而增加高頻下的隔離度。

如前所述，CMOS開關(guān)適用于許多低功耗應(yīng)用。隨著頻率的降低，它們的功率處理能力也隨之降低，其原因有兩個：首先，如圖6所示，固有的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P型襯底之間形成寄生二極管。 N和P地區(qū)。當(dāng)將偏置為0 VDC的交流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半周的某些部分中正向偏置。 。一旦輸入正弦波低于–0.6 V，二極管就會開始導(dǎo)通。這將導(dǎo)致輸入信號被壓縮。在低頻下，輸入信號會長期處于–0.6 V電平以下，1dB）。第二種機制是在應(yīng)該關(guān)閉分流NMOS器件時部分導(dǎo)通。如前所述，NMOS晶體管處于截止狀態(tài)，Vgs＜Vt。與分流裝置的源極上的交流信號，就會有在其中V波形的負半周期的時序GS≥V噸，從而部分地分流裝置上轉(zhuǎn)動。這會將輸入波形的部分能量分流到地面，從而使輸入波形壓縮。當(dāng)在低頻（<30 MHz）和高功率（> 10 dBm）下使用開關(guān)時，可以通過向RF輸入信號施加小的DC偏置（?0.5 V）來克服這兩種機制。與GaAs開關(guān)不同，CMOS開關(guān)不需要隔直電容。

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CMOS的好處

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

成本：在當(dāng)今成本驅(qū)動型市場中，最重要的優(yōu)勢在于，CMOS工藝的成本大大低于GaAs工藝，從而降低了芯片成本。CMOS開關(guān)使用正電壓控制，不需要隔直電容。另一方面，GaAs晶體管是負電壓控制的器件。這排除了CMOS驅(qū)動器的使用，要求在RF輸入上使用隔直電容器，并導(dǎo)致整體解決方案成本增加。與GaAs同類產(chǎn)品相比，CMOS開關(guān)既便宜又易于使用。

單針腳控制接口：CMOS開關(guān)具有單針腳控制接口，可實現(xiàn)最大的電路布局效率，從而使許多應(yīng)用（例如移動無線系統(tǒng)）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。與許多GaAs RF開關(guān)實現(xiàn)的互補控制信號相比，CMOS技術(shù)提供的控制接口具有簡單的單針腳控制。例如，對于SPDT（單刀雙擲）開關(guān)，GaAs部件需要兩條控制線，而CMOS器件僅需要一條。

易于系統(tǒng)集成：基于CMOS開關(guān)技術(shù)的片上驅(qū)動器可以與TTL和CMOS邏輯電平接口，從而使這些部件可以輕松地與其他CMOS / BiCMOS IC（例如微控制器）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器，從而消除了對帶寬減小或系統(tǒng)性能下降的影響的擔(dān)憂，原因已在上一節(jié)中進行了描述。

減小的封裝尺寸：驅(qū)動器/開關(guān)控制電路的輕松集成具有封裝尺寸小的優(yōu)勢。CMOS裸片的整體尺寸較小，因此與GaAs制造商提供的MCM相比，可以將CMOS器件以更小的引腳數(shù)組裝到更小的封裝中。標準的SPDT開關(guān)引腳數(shù)范圍可以從適中的CMOS解決方案的8引腳封裝到GaAs解決方案的20引腳。

對于SP4T設(shè)備，這種節(jié)省空間甚至更為明顯。CMOS器件提供16引腳3mm x 3mm LFCSP（引線框架芯片級封裝）微型封裝。GaAs SP4T產(chǎn)品可能需要負電壓或正/負電壓電源，以及多達8條控制線。它們采用24引線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)的極低功耗使其非常適合便攜式應(yīng)用。

可用的CMOS RF開關(guān)采用1.65 V至2.75 V單電源供電，典型電流消耗小于1 μA，大大低于等效GaAs解決方案的額定電流消耗。

其他CMOS開關(guān)性能亮點：匹配對于CMOS開關(guān)也非常好。圖7顯示了開/關(guān)開關(guān)的回波損耗與頻率的典型關(guān)系圖。該圖表明，對于接通開關(guān)，S11值在100 MHz時為27 dB，在1 GHz時為26 dB，對于斷開開關(guān)，在1 GHz時在100 MHz時為23 dB，在20 GHz時為20 dB。這是相對于端口入射功率的反射功率量。較大的回波損耗表示匹配良好。CMOS開關(guān)具有更大的靈活性，可以選擇使用反射型（0 ohm）或吸收型（50 ohm）版本，從而使開關(guān)與應(yīng)用相匹配。例如，ADG918是具有50歐姆端接并聯(lián)支路的吸收式（或匹配）SPDT開關(guān)（2：1多路復(fù)用器），ADG919是反射式SPDT開關(guān)，具有直接接地的分流器。對于阻抗匹配最為關(guān)鍵的應(yīng)用，首選吸收式開關(guān)。與先前描述的CMOS開關(guān)的截止隔離性能相似，為CMOS工藝指定的回波損耗比許多GaAs開關(guān)要高出約10 dB /十倍。

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開關(guān)時間也非常好，CMOS開關(guān)的典型開關(guān)時間為5 ns，比許多GaAs器件快十倍。圖8顯示了典型的5 ns開關(guān)時間?ADG901。與許多
GaAs開關(guān)的微秒相比，該器件在極端溫度條件下的時序規(guī)范最大為8 ns。

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結(jié)論

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

ADG9xx系列寬帶CMOS開關(guān)的3 dB頻率高于3 GHz，在1 GHz時插入損耗非常低，僅為0.8 dB，在1 GHz時隔離度超過37 dB。這些特性使這些器件非常適合從DC到1 GHz甚至更高的許多應(yīng)用。這些開關(guān)對GaAs RF開關(guān)提出了主要的CMOS挑戰(zhàn)，并且是低功耗，高性能，高頻開關(guān)應(yīng)用的最佳解決方案。