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CMOS交换机技术的优势及应用介绍

电子设计 来源:郭婷 作者:电子设计 2019-04-06 09:59 次阅读

CMOS开关的性能已经提升至已经突破1-GHz阻隔,并且现在能够与GaAs开关竞争。

高性能RF开关是关键构建模块之一在现代无线通信系统中需要。对于高频应用,例如移相器,可切换滤波器,雷达系统的发射器和接收器,从大型装置到防撞雷达,人们都非常关注具有低插入损耗,端口间隔离度高,低失真和低电流消耗的开关。从基站到手机的汽车和通信系统。

传统上,只有少数工艺可用于开发良好的宽带/ RF开关。砷化镓(GaAs)FET,PIN二极管和机电继电器已占据市场主导地位,但标准CMOS正在崭露头角。

GaAs因其低导通电阻,低关断电容和高线性度而广受欢迎。在高频率。随着CMOS工艺几何尺寸的不断缩小,CMOS开关的性能已经提高到可以突破1 GHz的势垒,现在能够与GaAs开关竞争。 CMOS开关旨在最大限度地提高带宽,同时保持低成本,是低成本,低功耗应用中昂贵的GaAs开关的替代品。

本文介绍了与宽带交换机相关的主要规范,用于宽带交换的传统方法以及CMOS交换机技术的优势。它还展示了新型CMOS开关在低功耗,高频应用中如何能够胜过GaAs开关。这应该说服您,CMOS宽带开关是电缆调制解调器,MRI扫描仪,xDSL调制解调器,下一代无绳电话以及航空工业中需要工作频率高达1 GHz甚至更高的应用的理想解决方案。

宽带交换机基础

宽带交换机旨在满足高达1 GHz及更高频率的设备传输需求。为这些类型的应用选择器件完全取决于它们在频率上的表现。有两种重要的方法可以描述RF开关的性能:闭合状态下的插入损耗和开路状态下的隔离。

插入损耗是输入之间的衰减当开关打开时,开关的输出端口和输出端口。低插入损耗对于需要较低总噪声系数的系统至关重要。由于开关是信号路径中的第一个组件之一,因此最小可接收信号非常重要。图1显示了ADG919的插入损耗与频率的典型曲线。

CMOS交换机技术的优势及应用介绍

该图显示插入损耗小于0.5 dB至100 MHz,1 dB时为0.8 dB,以及2 GHz时为1.5 dB。这与许多GaAs开关相当,典型值在1 GHz时为0.7 dB至1 dB。

断开隔离定义为开关关闭时开关输入和输出端口之间的衰减。图2显示了断开隔离与频率的典型图。大多数宽带开关都需要高隔离度,并且通常是确定器件是否适合特定应用的关键规范。

CMOS交换机技术的优势及应用介绍

该图表明开关隔离度优于70 dB以上大约80 MHz,1 GHz时为37 dB,2 GHz时大约为20 dB。这种关断隔离规范的性能比许多GaAs开关高出约10 dB /十倍。 1 GHz的典型GaAs开关值介于25和40 dB之间。 1 GHz时30 dB的通道间隔离确保了通道之间的串扰最小。

另外两个重要的RF开关规格与交换机可以处理的功率水平有关。第一个是1 dB压缩点,P 1dB ,这是开关插入损耗比其低电平值增加1 dB的RF输入功率电平。 P 1dB 衡量开关在扭曲或压缩信号之前可以处理多少功率,因此是RF功率处理能力的衡量标准。接下来,当紧密间隔的音调通过开关时,开关的非线性导致产生假音调。输入三阶交调截点IIP3是这些假音调中的功率的度量,并且与开关引起的失真量直接相关。图3显示了P 1dB 压缩点与频率的关系。在这种情况下,1GHz下的P 1dB 是17dBm。此开关在900 MHz时的IIP3为33 dBm,非常适合中等功率,高频应用,包括采用GPS或其他增强功能的蜂窝手机中的IF切换。

CMOS交换机技术的优势及应用介绍

传统交换解决方案:

1、引脚二极管

PIN二极管基本上是无线电和微波频率的电流控制电阻。 PIN二极管通常用于切换RF信号,因为它们在导通时是高度线性的并且表现出非常好的失真特性。通过在P型和N型硅区域之间放置高电阻率本征(I)区域来制造PIN二极管。 PIN二极管的电阻值仅由正向偏置的直流电流决定,因此可用于开关功能。当PIN二极管正向偏置时,电子和空穴从P区和N区注入I区。电子和空穴不会立即重新组合;相反,存储有限电荷,导致I区的电阻率降低并允许传导。对于不同的偏置电流,获得的典型电阻值在0.1欧姆(1 A)至10欧姆(1μA)左右。

因此,使用PIN二极管时的第一个缺点是它们需要大量的DC功率以实现低电阻率和低插入损耗。当它们用于便携式设备(例如PDA和手持式仪表)时,这是一个巨大的缺点,因为电池寿命与功耗成正比。当使用单串联或并联PIN二极管时,在较高频率下也难以实现超过30 dB的隔离。为了获得更高的隔离级别,必须以串联 - 分流器组合连接两个或更多个二极管。这会增加插入损耗。

典型的发送/接收(TX / RX)PIN二极管开关原理图如图4所示。它由两个二极管组成,一些隔直电容,一个电感馈送DC正向偏置控制信号,以及一些分立元件以产生四分之一波长线。如果需要切换额外的RF端口,则需要更多串联二极管,这会导致插入损耗增加。在该应用中增加插入损耗的效果是双重的。在TX侧,功率放大器天线之间的每分贝分贝都意味着TX信号需要更多放大,从而缩短电池寿命。在RX侧,插入损耗的增加将降低接收信号强度,降低整体信噪比(SNR)和接收器灵敏度。

CMOS交换机技术的优势及应用介绍

PIN的另一个限制二极管是指它们需要一个外部驱动器来控制TX / RX开关的开关速度和可以使用的接口电平。

2、 GaAs开关

近年来,GaAs开关由于其低DC功耗(与PIN二极管相比)而在宽带开关市场占据主导地位。 GaAs开关由作为电压控制电阻器的晶体管阵列组成。 GaAs晶体管是三端器件;栅极电压(V g )控制其他两个端子之间的电阻。为了增加RF端口之间的隔离,它们可以串联或作为分流器件接地。与PIN二极管不同,串联放置多个晶体管实际上有助于RF功率处理和线性度,对插入损耗几乎没有影响。典型的TX / RX开关原理图如图5所示。这里,晶体管以串联 - 并联配置连接,以获得最佳的插入损耗和隔离性能。这种配置的缺点是MN1 / MN4和MN2 / MN3的互补切换要求高逻辑电平和低逻辑电平同时可用,这增加了控制电路的复杂性,从而增加了成本。

CMOS交换机技术的优势及应用介绍

MMIC GaAs开关可从各种公司获得。全部使用N沟道耗尽型FET作为基本开关器件。这些设备显示的特性如下:

V g = 0 - >开启

V g =负 - >关闭(Pinchoff)

Pinchoff定义为通道变为高阻抗的电压。这通常发生在-3V的V g ,这取决于所使用的工艺。开关输入端的RF电平可以调制V g ,从而随着开关导通电阻的变化而产生失真产物。使用高控制电压将降低这种影响,但仅以产生大约+ 2V至-8V的电压来控制开关。 GaAs工艺不提供互补器件,因此需要更多电流才能创建CMOS技术中易于使用的逆变器逻辑功能。 GaAs开关的这种固有的责任使它们难以集成到使用正低压电源的大多数现代电子系统中。 GaAs开关制造商通过添加与开关的RF引脚串联的隔直电容来解决这个问题。这有效地使管芯相对于DC接地浮动,这允许用正控制电压控制开关。然而,缺点是DC阻塞电容器限制了开关可以处理的带宽,因此限制了它们在宽带系统中的使用。电容器本身相对便宜,但额外的印刷电路板面积和制造成本会显着增加整体开关成本。此外,与开关串联的任何组件都会增加插入损耗并对系统SNR产生直接影响。电感或路径长度的任何增加都会降低器件的性能,从而给系统设计人员带来额外的问题和需要克服的问题。

如前所述,GaAs开关的控制信号需要从外部来源。有很多方法可以做到这一点;最简单和最常见的是增加外部CMOS驱动器IC。这种额外的IC不仅消耗功率,还增加了PC板面积和组装成本。最近,GaAs开关制造商推出了多芯片模块(MCM),它将CMOS / BiCMOS驱动器芯片和GaAs开关芯片封装成一个大型BGA封装。这些MCM工作得很好,但主要缺点是整体解决方案成本高,由两个芯片的单独成本组成,并且由于更大的封装和芯片互连而增加了组装成本。

CMOS拯救

正如摩尔定律[1]预测的那样,标准CMOS工艺几何尺寸不断减小。开放CMOS的市场之一是射频/微波IC领域。随着晶体管长度的减小,CMOS实现了低导通电阻,低关断电容以及高达1 GHz甚至更高的良好线性度。 RF开关也是如此,因为现在可以使用带有1 GHz,3 dB带宽的CMOS开关。

与GaAs开关类似,CMOS开关使用NMOS FET,它们基本上用作电压控制电阻。这些设备显示的特性如下:

V gs > V t - >开启

V gs t - >关闭

V t 定义为阈值电压,高于此阈值电压,在源极和漏极之间形成导电沟道终端。 FET可以采用互锁指状布局,以减少源极和漏极之间的寄生电容,从而提高高频隔离度。

如前所述,CMOS开关适用于许多低功耗应用。由于两个原因,它们的功率处理能力降低了:第一,如图6所示的固有NMOS结构由P型衬底中的两个N型材料区域组成,这导致在两者之间形成寄生二极管。 N和P区域。当偏置为0 VDC的AC信号放置在晶体管的源极上,并且Vgs使晶体管导通时,寄生二极管可以在输入波形的负半周期的某些部分正向偏置。一旦输入正弦波低于约-0.6 V,二极管将开始导通。这将导致输入信号被压缩。在低频时,输入信号在较长的时间段内低于-0.6 V电平,因此对1 dB压缩点(P 1dB )具有更大的影响。第二种机制是分流NMOS器件在应该关闭时部分导通。如前所述,NMOS晶体管处于截止状态,其中V gs t 。在分流装置的源极上有交流信号时,波形的负半周期将有一个时间,其中V gs ≥V t ,从而部分开启分流装置。这将导致输入波形通过将其部分能量分流到地而进行压缩。当开关在低频(<30 MHz)和高功率(> 10 dBm)下使用时,可以通过对RF输入信号施加小的DC偏压(~0.5 V)来克服这两种机制。与GaAs开关不同,CMOS开关不需要隔直电容。

CMOS交换机技术的优势及应用介绍

CMOS的优点

使用CMOS设计宽带宽有许多关键优势开关。以下各节重点介绍了主要优势和关键的高性能规格。

成本:当今成本驱动型市场中最重要的优势是CMOS工艺比GaAs工艺,可降低芯片成本。 CMOS开关使用正电压控制,不需要隔直电容。另一方面,GaAs晶体管是负电压控制器件。这排除了使用CMOS驱动器,需要在RF输入上使用隔直电容,并导致整体解决方案成本的增加。 CMOS开关比GaAs同类产品更便宜,更易于使用。

单引脚控制接口: CMOS开关具有单引脚控制接口,可实现最大的电路布局效率,使移动无线系统等许多应用受益。这是可能的,因为CMOS允许将驱动器/开关控制电路集成到与开关相同的芯片上,从而有效地减少了控制引脚的数量。 CMOS技术提供的控制接口具有简单的单引脚控制,与许多GaAs RF开关实现的互补控制信号形成对比。例如,对于SPDT(单刀双掷)开关,GaAs器件需要两条控制线,而CMOS器件只需要一条。

简易系统集成: CMOS开关技术的片上驱动器可以与TTL和CMOS逻辑电平连接,允许器件与其他CMOS / BiCMOS IC(如微控制器)轻松集成。 CMOS和LVTTL兼容的控制输入在许多应用中提供了非常简单的接口。

无需在CMOS开关的RF输入上增加隔直电容,消除了对带宽减少的担忧或减少系统性能的影响 - 上一节中描述的原因。

减小封装尺寸:驱动器/开关控制电路的简单集成具有小封装尺寸的额外优势。 CMOS芯片的整体尺寸更小,允许CMOS器件以更小的封装组装,其引脚数量低于GaAs制造商提供的MCM。标准的SPDT开关引脚数可以从用于CMOS解决方案的适度8引脚封装到用于GaAs解决方案的20引脚。

对于SP4T器件,这种节省空间的情况更为明显。 CMOS器件采用微型16引脚3 mm×3 mm LFCSP(引脚架构芯片级封装)套件。 GaAs SP4T产品可能需要负电压或正/负电压电源,以及多达8条控制线。它们采用24引脚10.65 mm×15.6 mm宽体SOIC(小外形)或28引脚12.57 mm×12.57 mm PLCC(塑料引线芯片载体)封装。

更低的功耗: CMOS开关的极低功耗使其成为便携式应用的理想选择。

可用的CMOS RF开关可在1.65 V至2.75 V范围内工作电源的典型电流消耗小于1μA,显着低于等效GaAs解决方案的电流消耗。

其他CMOS开关性能亮点:匹配也非常有用CMOS开关。图7显示了开/关开关的回波损耗与频率的典型曲线图。该图显示,对于关断开关,S 11 值为10 dB时为27 dB,1 GHz时为26 dB,关闭开关时为1 dB时为20 dB,1 GHz时为20 dB。这是相对于端口处的入射功率的反射功率量。回波损耗大,表明匹配良好。 CMOS开关具有额外的灵活性,可选择反射(0欧姆)或吸收(50欧姆)版本,允许开关与应用匹配。例如,ADG918是一个吸收(或匹配)SPDT开关(2:1 Mux),具有50欧姆端接分流支脚,ADG919是具有直接分流接地的反射SPDT开关。对于阻抗匹配最关键的应用,吸收开关将是优选的。与前面描述的CMOS开关的隔离性能类似,CMOS工艺规定的回波损耗比许多GaAs开关高出约10 dB /十倍。

CMOS交换机技术的优势及应用介绍

开关时间也很好,带CMOS开关典型的开关时间为5 ns,比许多GaAs器件快10倍。图8显示了典型ADG901的5 ns开关时间。在极端温度条件下,该器件的时序规格最大为8 ns,而许多GaAs开关的微秒级则为微秒。

CMOS交换机技术的优势及应用介绍

结论

CMOS开关提供了比GaAs器件更简单的整体解决方案,适用于高频开关要求,还具有成本更低的优势。

ADG9xx系列宽带CMOS开关的3 dB频率大于3 GHz,在1 GHz时的插入损耗非常低,为0.8 dB,1 GHz时的隔离度大于37 dB。这些特性使这些器件非常适用于DC至1 GHz及更高频率的许多应用。这些开关为GaAs RF开关提供了主要的CMOS挑战,是低功耗,高性能,高频开关应用的最佳解决方案。

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