F2923：高性能恒阻抗SP2T RF开关的设计与应用

在无线通信和射频（RF）应用领域，一款性能卓越的RF开关对于系统的稳定运行至关重要。今天，我们就来深入了解一下Renesas的F2923——一款低插入损耗的50Ω SP2T吸收式RF开关。

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一、F2923概述

F2923专为众多无线和其他RF应用而设计，覆盖了从300 kHz到8000 MHz的广泛频率范围。它不仅具备低插入损耗、在2 GHz时行业领先的隔离度以及出色的线性度，还拥有一项正在申请专利的恒阻抗（(K_{z})）特性。这项特性能够有效减少压控振荡器（VCO）中的本振牵引（LO pulling），降低分配网络中的相位和幅度变化。同时，它非常适合在两个或多个放大器之间进行动态切换或选择，避免对上游/下游的敏感设备（如功率放大器（PA）和模数转换器（ADC））造成损坏。

F2923采用3.3 V的单正电源电压，支持使用3.3 V或1.8 V控制逻辑的三种状态。此外，它还设有ModeCTL引脚，允许用户通过单引脚或双引脚控制设备。

二、竞争优势

1. 恒阻抗特性：在转换过程中，F2923能在所有端口提供恒定阻抗，且不会影响隔离度、线性度或插入损耗。相比标准开关，其在切换过渡期间的VSWR（电压驻波比）在RF_Com端口仅为1.4:1，而标准开关为9:1。
2. 出色的电气性能：在2 GHz时，插入损耗仅为0.48 dB，IIP3（三阶输入截点）高达 +66 dBm，RF1/RF2到RF_COM的隔离度为74 dB。
3. 宽温度范围：工作温度范围为 -55 °C至 +105 °C，适用于各种恶劣环境。
4. 无需负电源电压：简化了电路设计。

三、应用领域

F2923的应用范围十分广泛，涵盖了基站（2G、3G、4G）、便携式无线设备、中继器和E911系统、数字预失真、点对点基础设施、公共安全基础设施、WiMAX收发器、军事系统、JTRS无线电、RFID手持和便携式阅读器、电缆基础设施、无线局域网以及测试/ATE设备等。

四、产品特性

1. 过渡期间的恒阻抗（(K|Z|)）：确保信号传输的稳定性。
2. 极低的插入损耗：在2 GHz时为0.48 dB，减少了信号损失。
3. 高输入IP3：在2 GHz时为66 dB，保证了线性度。
4. 高隔离度：RF1/RF2到RF_Com在2 GHz时的隔离度为74 dB，减少了信号干扰。
5. 灵活的控制方式：提供单引脚或双引脚设备控制选项。
6. 低直流电流：使用3.3 V逻辑时仅为127 µA，降低了功耗。
7. 宽温度范围： -55 °C至 +105 °C，适应不同环境。
8. 小型封装：采用4 mm x 4 mm、20引脚的TQFN封装，节省了电路板空间。
9. 引脚兼容：与F2912引脚兼容，方便升级和替换。

五、电气参数

（一）绝对最大额定值

参数 / 条件	符号	最小值	最大值	单位
Vcc到GND	Vcc	-0.3	+3.9	V
CTL1, CTL2	VONTL	-0.3	Vcc + 0.3	V
ModeCTL到GND	VMODE	-0.3	Vcc + 0.3	V
RF1, RF2, RF_COM	VRE	-0.3	+0.3	V
最大结温	T1max		+140	℃
存储温度范围	TsT	-65	+150	℃
引脚温度（焊接，10s）	TLEAD		+260	℃
ESD电压 - HBM（Per JESD22 - A114）	VESDHBM		Class 2
ESD电压 - CDM（Per JESD22 - C101）	VESDCDM		Class III

（二）推荐工作条件

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
电源电压	VCC		3.1		3.5	V
工作温度范围	TCASE	外壳温度	-55		+105	OC
RF频率范围	FRF		0.3		8000	MHz
输入功率（CW）	PRF	未选择端口（终端状态） 选择端口（插入损耗状态）	27		18	dBm
RF1端口阻抗	ZRF1		50			Ω
RF2端口阻抗	ZRF2		50			Ω
RF_COM端口阻抗	ZRF_COM		50			Ω

（三）典型应用电路参数

在典型应用电路中，(V{CC}= +3.3 V)，(T{C}= +25^{circ} C)，(F_{RF}= 2 GHz)，输入功率 = 0 dBm（除非另有说明）。PCB板迹线和连接器损耗已去嵌入（除非另有说明）。具体参数包括插入损耗、隔离度、回波损耗、输入截点等，这些参数在不同频率下表现良好，为电路设计提供了可靠的依据。

六、控制逻辑

F2923提供了灵活的控制方式，通过ModeCTL引脚可以选择单引脚或双引脚控制。具体的控制真值表如下：

（一）双引脚控制（CTL1和CTL2）

状态	CTL1（Pin 17）	CTL2（Pin 16）	RF1到RF Com	RF2到RF Com
1	低	低	关	关
2	低	高	关	开
3	高	低	开	关
4	高	高	不适用	不适用

（二）单引脚控制（CTL2）

状态	CTL1（Pin 17）	CTL2（Pin 16）	RF1到RF Com	RF2到RF Com
2	不关心	高	关	开
3	不关心	低	开	关

（三）控制引脚选择

引脚控制模式	ModeCTL（Pin 19）
双引脚控制：CTL1和CTL2	GND
单引脚控制：CTL2	VCC

七、典型工作曲线

文档中给出了插入损耗、隔离度、回波损耗等参数随电压、温度和频率的变化曲线。这些曲线有助于工程师在不同的工作条件下预测和优化F2923的性能。例如，插入损耗在不同温度和电压下的变化情况，能够帮助工程师确定最佳的工作条件，以减少信号损失。

八、封装与引脚说明

（一）封装

F2923采用4 mm x 4 mm、20引脚的TQFN封装，具有良好的散热性能和较小的体积，适合高密度电路板设计。

（二）引脚描述

引脚	名称	功能
1, 2, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 14	GND	接地引脚
3	RF1	RF1端口，匹配到50 Ω。若该引脚不是0V DC，则需使用外部耦合电容
8	RF_COM	RF公共端口，匹配到50 Ω。若该引脚不是0V DC，则需使用外部耦合电容
13	RF2	RF2端口，匹配到50 Ω。若该引脚不是0V DC，则需使用外部耦合电容
15	N.C.	无内部连接。该引脚可悬空或接地
16	CTL2	控制2引脚，参考控制真值表设置逻辑
17	CTL1	控制1引脚，参考控制真值表设置逻辑
18	N.C.	无内部连接
19	ModeCTL	模式控制引脚，参考控制真值表选择单引脚或双引脚控制
20	Vcc	电源引脚，需使用电容尽可能靠近引脚旁路到GND
21	- EP	外露焊盘，内部连接到GND。需将该外露焊盘焊接到使用多个接地过孔的PCB焊盘上，以实现散热和指定的RF性能

九、应用信息

（一）默认启动

控制引脚没有内部下拉电阻到逻辑低或上拉电阻到逻辑高。启动时，所有控制引脚应设置为逻辑低（0），以启用双引脚开关控制，打开RF1和RF2路径，并将逻辑控制电压设置为3.3 V。

（二）电源供应

所有需要直流电源的引脚应使用公共的VCC电源。所有电源引脚应使用外部电容旁路，以最小化噪声和快速瞬变。电源电压变化或瞬变的压摆率应小于1 V / 20 µS。此外，在电源电压斜坡上升或返回零期间，所有控制引脚应保持在0 V（±0.3 V）。

（三）控制引脚接口

如果控制信号完整性是一个问题，且由于过冲、下冲、振铃等原因无法保证干净的信号，建议在每个控制引脚的输入处使用特定的电路。

十、评估套件（EVKIT）

（一）硬件设计

F2923 EVkit是一个薄的多层板（总厚度为0.032”），采用Rogers的4350高RF性能材料设计。在连接电路板时，需要注意避免对其造成物理损坏。

（二）操作步骤

1. 外部电源设置：设置VCC电源在3.1 V至3.5 V的电压范围内，并禁用电源输出。
2. 逻辑控制设置：可以使用EVKIT手动设置控制逻辑，也可以使用外部控制逻辑。
3. 开启程序：按照外部电源设置和逻辑控制设置部分的说明设置电源和评估板，连接预设/禁用的VCC电源到PCB上的VCC和GND回路，启用VCC电源，设置所需的逻辑设置。
4. 关闭程序：如果使用外部控制逻辑控制CTL1和CTL2，则将它们设置为逻辑低，禁用VCC电源。

十一、总结

F2923以其出色的性能、灵活的控制方式和广泛的应用领域，成为了RF开关市场中的一款优秀产品。对于电子工程师来说，在设计无线通信和RF系统时，F2923是一个值得考虑的选择。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和工作条件，合理选择控制方式、电源供应和外部电路，以充分发挥F2923的优势。你在使用RF开关的过程中遇到过哪些问题呢？你认为F2923在哪些方面还可以进一步优化？欢迎在评论区留言讨论。