CMOS開(kāi)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(kāi)關(guān)競(jìng)爭(zhēng)。

高性能RF開(kāi)關(guān)是關(guān)鍵構(gòu)建模塊之一在現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中需要。對(duì)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(kāi)關(guān)。從基站到手機(jī)的汽車(chē)和通信系統(tǒng)。

傳統(tǒng)上，只有少數(shù)工藝可用于開(kāi)發(fā)良好的寬帶/ RF開(kāi)關(guān)。砷化鎵（GaAs）FET，PIN二極管和機(jī)電繼電器已占據(jù)市場(chǎng)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(xiàn)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(kāi)關(guān)的性能已經(jīng)提高到可以突破1 GHz的勢(shì)壘，現(xiàn)在能夠與GaAs開(kāi)關(guān)競(jìng)爭(zhēng)。 CMOS開(kāi)關(guān)旨在最大限度地提高帶寬，同時(shí)保持低成本，是低成本，低功耗應(yīng)用中昂貴的GaAs開(kāi)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(shì)。它還展示了新型CMOS開(kāi)關(guān)在低功耗，高頻應(yīng)用中如何能夠勝過(guò)GaAs開(kāi)關(guān)。這應(yīng)該說(shuō)服您，CMOS寬帶開(kāi)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(wú)繩電話(huà)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(mǎn)足高達(dá)1 GHz及更高頻率的設(shè)備傳輸需求。為這些類(lèi)型的應(yīng)用選擇器件完全取決于它們?cè)陬l率上的表現(xiàn)。有兩種重要的方法可以描述RF開(kāi)關(guān)的性能：閉合狀態(tài)下的插入損耗和開(kāi)路狀態(tài)下的隔離。

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

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

斷開(kāi)隔離定義為開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)開(kāi)關(guān)輸入和輸出端口之間的衰減。圖2顯示了斷開(kāi)隔離與頻率的典型圖。大多數(shù)寬帶開(kāi)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(kāi)關(guān)隔離度優(yōu)于70 dB以上大約80 MHz，1 GHz時(shí)為37 dB，2 GHz時(shí)大約為20 dB。這種關(guān)斷隔離規(guī)范的性能比許多GaAs開(kāi)關(guān)高出約10 dB /十倍。 1 GHz的典型GaAs開(kāi)關(guān)值介于25和40 dB之間。 1 GHz時(shí)30 dB的通道間隔離確保了通道之間的串?dāng)_最小。

另外兩個(gè)重要的RF開(kāi)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(gè)是1 dB壓縮點(diǎn)，P 1dB ，這是開(kāi)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(kāi)關(guān)在扭曲或壓縮信號(hào)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(lái)，當(dāng)緊密間隔的音調(diào)通過(guò)開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)的非線(xiàn)性導(dǎo)致產(chǎn)生假音調(diào)。輸入三階交調(diào)截點(diǎn)IIP3是這些假音調(diào)中的功率的度量，并且與開(kāi)關(guān)引起的失真量直接相關(guān)。圖3顯示了P 1dB 壓縮點(diǎn)與頻率的關(guān)系。在這種情況下，1GHz下的P 1dB 是17dBm。此開(kāi)關(guān)在900 MHz時(shí)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(wú)線(xiàn)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(hào)，因?yàn)樗鼈冊(cè)趯?dǎo)通時(shí)是高度線(xiàn)性的并且表現(xiàn)出非常好的失真特性。通過(guò)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(lái)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(kāi)關(guān)功能。當(dāng)PIN二極管正向偏置時(shí)，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(huì)立即重新組合;相反，存儲(chǔ)有限電荷，導(dǎo)致I區(qū)的電阻率降低并允許傳導(dǎo)。對(duì)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(shí)的第一個(gè)缺點(diǎn)是它們需要大量的DC功率以實(shí)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(shí)，這是一個(gè)巨大的缺點(diǎn)，因?yàn)殡姵貕勖c功耗成正比。當(dāng)使用單串聯(lián)或并聯(lián)PIN二極管時(shí)，在較高頻率下也難以實(shí)現(xiàn)超過(guò)30 dB的隔離。為了獲得更高的隔離級(jí)別，必須以串聯(lián) - 分流器組合連接兩個(gè)或更多個(gè)二極管。這會(huì)增加插入損耗。

典型的發(fā)送/接收（TX / RX）PIN二極管開(kāi)關(guān)原理圖如圖4所示。它由兩個(gè)二極管組成，一些隔直電容，一個(gè)電感饋送DC正向偏置控制信號(hào)，以及一些分立元件以產(chǎn)生四分之一波長(zhǎng)線(xiàn)。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(huì)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(xiàn)之間的每分貝分貝都意味著TX信號(hào)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(hào)強(qiáng)度，降低整體信噪比（SNR）和接收器靈敏度。

PIN的另一個(gè)限制二極管是指它們需要一個(gè)外部驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制TX / RX開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度和可以使用的接口電平。

2、 GaAs開(kāi)關(guān)

近年來(lái)，GaAs開(kāi)關(guān)由于其低DC功耗（與PIN二極管相比）而在寬帶開(kāi)關(guān)市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。 GaAs開(kāi)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(gè)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(gè)晶體管實(shí)際上有助于RF功率處理和線(xiàn)性度，對(duì)插入損耗幾乎沒(méi)有影響。典型的TX / RX開(kāi)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(diǎn)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(shí)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(kāi)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(kāi)關(guān)器件。這些設(shè)備顯示的特性如下：

V g = 0 - >開(kāi)啟

V g =負(fù) - >關(guān)閉（Pinchoff）

Pinchoff定義為通道變?yōu)楦咦杩沟碾妷骸＿@通常發(fā)生在-3V的V g ，這取決于所使用的工藝。開(kāi)關(guān)輸入端的RF電平可以調(diào)制V g ，從而隨著開(kāi)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(lái)控制開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)制造商通過(guò)添加與開(kāi)關(guān)的RF引腳串聯(lián)的隔直電容來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這有效地使管芯相對(duì)于DC接地浮動(dòng)，這允許用正控制電壓控制開(kāi)關(guān)。然而，缺點(diǎn)是DC阻塞電容器限制了開(kāi)關(guān)可以處理的帶寬，因此限制了它們?cè)趯拵到y(tǒng)中的使用。電容器本身相對(duì)便宜，但額外的印刷電路板面積和制造成本會(huì)顯著增加整體開(kāi)關(guān)成本。此外，與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的任何組件都會(huì)增加插入損耗并對(duì)系統(tǒng)SNR產(chǎn)生直接影響。電感或路徑長(zhǎng)度的任何增加都會(huì)降低器件的性能，從而給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)額外的問(wèn)題和需要克服的問(wèn)題。

如前所述，GaAs開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)需要從外部來(lái)源。有很多方法可以做到這一點(diǎn);最簡(jiǎn)單和最常見(jiàn)的是增加外部CMOS驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)制造商推出了多芯片模塊（MCM），它將CMOS / BiCMOS驅(qū)動(dòng)器芯片和GaAs開(kāi)關(guān)芯片封裝成一個(gè)大型BGA封裝。這些MCM工作得很好，但主要缺點(diǎn)是整體解決方案成本高，由兩個(gè)芯片的單獨(dú)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(cè)的那樣，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝幾何尺寸不斷減小。開(kāi)放CMOS的市場(chǎng)之一是射頻/微波IC領(lǐng)域。隨著晶體管長(zhǎng)度的減小，CMOS實(shí)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(xiàn)性度。 RF開(kāi)關(guān)也是如此，因?yàn)楝F(xiàn)在可以使用帶有1 GHz，3 dB帶寬的CMOS開(kāi)關(guān)。

與GaAs開(kāi)關(guān)類(lèi)似，CMOS開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)適用于許多低功耗應(yīng)用。由于兩個(gè)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(gè)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(hào)放置在晶體管的源極上，并且Vgs使晶體管導(dǎo)通時(shí)，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(kāi)始導(dǎo)通。這將導(dǎo)致輸入信號(hào)被壓縮。在低頻時(shí)，輸入信號(hào)在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)低于-0.6 V電平，因此對(duì)1 dB壓縮點(diǎn)（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(shí)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(hào)時(shí)，波形的負(fù)半周期將有一個(gè)時(shí)間，其中V gs ≥V t ，從而部分開(kāi)啟分流裝置。這將導(dǎo)致輸入波形通過(guò)將其部分能量分流到地而進(jìn)行壓縮。當(dāng)開(kāi)關(guān)在低頻（<30 MHz）和高功率（> 10 dBm）下使用時(shí)，可以通過(guò)對(duì)RF輸入信號(hào)施加小的DC偏壓（~0.5 V）來(lái)克服這兩種機(jī)制。與GaAs開(kāi)關(guān)不同，CMOS開(kāi)關(guān)不需要隔直電容。

CMOS的優(yōu)點(diǎn)

使用CMOS設(shè)計(jì)寬帶寬有許多關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)開(kāi)關(guān)。以下各節(jié)重點(diǎn)介紹了主要優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵的高性能規(guī)格。

成本：當(dāng)今成本驅(qū)動(dòng)型市場(chǎng)中最重要的優(yōu)勢(shì)是CMOS工藝比GaAs工藝，可降低芯片成本。 CMOS開(kāi)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(dòng)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(kāi)關(guān)比GaAs同類(lèi)產(chǎn)品更便宜，更易于使用。

單引腳控制接口： CMOS開(kāi)關(guān)具有單引腳控制接口，可實(shí)現(xiàn)最大的電路布局效率，使移動(dòng)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)等許多應(yīng)用受益。這是可能的，因?yàn)镃MOS允許將驅(qū)動(dòng)器/開(kāi)關(guān)控制電路集成到與開(kāi)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(jiǎn)單的單引腳控制，與許多GaAs RF開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的互補(bǔ)控制信號(hào)形成對(duì)比。例如，對(duì)于SPDT（單刀雙擲）開(kāi)關(guān)，GaAs器件需要兩條控制線(xiàn)，而CMOS器件只需要一條。

簡(jiǎn)易系統(tǒng)集成： CMOS開(kāi)關(guān)技術(shù)的片上驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單的接口。

無(wú)需在CMOS開(kāi)關(guān)的RF輸入上增加隔直電容，消除了對(duì)帶寬減少的擔(dān)憂(yōu)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(dòng)器/開(kāi)關(guān)控制電路的簡(jiǎn)單集成具有小封裝尺寸的額外優(yōu)勢(shì)。 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(kāi)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(duì)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(jí)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(xiàn)。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(xiàn)芯片載體）封裝。

更低的功耗： CMOS開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)性能亮點(diǎn)：匹配也非常有用CMOS開(kāi)關(guān)。圖7顯示了開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)的回波損耗與頻率的典型曲線(xiàn)圖。該圖顯示，對(duì)于關(guān)斷開(kāi)關(guān)，S 11 值為10 dB時(shí)為27 dB，1 GHz時(shí)為26 dB，關(guān)閉開(kāi)關(guān)時(shí)為1 dB時(shí)為20 dB，1 GHz時(shí)為20 dB。這是相對(duì)于端口處的入射功率的反射功率量。回波損耗大，表明匹配良好。 CMOS開(kāi)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(kāi)關(guān)與應(yīng)用匹配。例如，ADG918是一個(gè)吸收（或匹配）SPDT開(kāi)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(kāi)關(guān)。對(duì)于阻抗匹配最關(guān)鍵的應(yīng)用，吸收開(kāi)關(guān)將是優(yōu)選的。與前面描述的CMOS開(kāi)關(guān)的隔離性能類(lèi)似，CMOS工藝規(guī)定的回波損耗比許多GaAs開(kāi)關(guān)高出約10 dB /十倍。

開(kāi)關(guān)時(shí)間也很好，帶CMOS開(kāi)關(guān)典型的開(kāi)關(guān)時(shí)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(kāi)關(guān)時(shí)間。在極端溫度條件下，該器件的時(shí)序規(guī)格最大為8 ns，而許多GaAs開(kāi)關(guān)的微秒級(jí)則為微秒。

結(jié)論

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

ADG9xx系列寬帶CMOS開(kāi)關(guān)的3 dB頻率大于3 GHz，在1 GHz時(shí)的插入損耗非常低，為0.8 dB，1 GHz時(shí)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(kāi)關(guān)為GaAs RF開(kāi)關(guān)提供了主要的CMOS挑戰(zhàn)，是低功耗，高性能，高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用的最佳解決方案。