半導體RF開關：麻雀雖小，業(yè)績優(yōu)良的電路元件

RF開關被用來從多個可用的來源中選擇所需的信號，或者將一條信號到所希望的信道，在諸如分集式天線系統(tǒng)，雷達，以及測試和測量設置。開關(有時稱為繼電器)在使用的機電(EM)設計類似于非RF開關建立，但這些現(xiàn)已所取代開關集成電路，除了在更高功率的應用中，集成電路是不夠的，以及一些非常特殊情況下，或在交換機需要多極(觸點)。也有基于MEMS技術的射頻開關，從而復制機電設計，但使用的IC制造技術。本文重點介紹基于IC的固態(tài)開關，它以一個SPDT(單刀/雙擲)結構(圖1)，通常建有FET和PIN二極管作為其核心開關元件。

圖1：一個單刀雙擲射頻開關概念簡單，具有控制信號，使開關，發(fā)送輸入到任意兩個可能輸出中的一個。 (Skyworks的解的提供)，這些是其限定RF開關性能的許多參數(shù)，并且最必須的特征在于相對于電源電壓，溫度，頻率，功率電平，以及其他因素。有些是在給定的應用特別重要，而其他人可能不一樣重要。注意，大多數(shù)的RF開關被設計為50Ω的操作，但一些被設計用于有線電視75Ω標準。鑒于高頻率，在這些開關的工作，許多供應商現(xiàn)在提供的S參數(shù)和史密斯圓圖作為配件為他們的數(shù)據(jù)表規(guī)格(背景中的技術展區(qū)文章“史密斯圓圖：一個”古老“的圖形化工具在RF設計依然重要“)，以幫助工程師確定總體信號路徑性能，匹配元件的阻抗的損失降到最低，并模擬系統(tǒng)的性能。其中工程師必須檢查的第一個參數(shù)是開關的頻率覆蓋范圍。例如，一個交換機的性能可能完全從1至5千兆赫，或3至10千兆赫，或指定只是在有限的頻帶，如2.4GHz的無線網(wǎng)絡連接的頻帶(雖然開關將工作在較小的，而不是保證的的范圍外的程度)。由于底層的半導體物理的基礎上，PIN二極管射頻開關往往具有較低的頻率性能的降低，而基于FET器件最低可以非常低的頻率，甚至直流。功率處理是下一個關鍵因素。但是，它不只是交換機可以多少功率處理失敗過，但如何執(zhí)行它在不同的功率電平。今天的復雜的調制方案和較高的平均到最大信號功率的比率意味著開關必須提供充分的性能在線性，相鄰信道泄漏比(ACLR)，失真，第三階互調產(chǎn)物(IP3)，以及在帶誤差矢量幅度(EVM)在感興趣的功率電平。開關速度，這是不相關的頻率范圍內，也就是在某些應用中很重要的。雖然定義廠商各不相同，對導通時間的最常見的定義是時間開關RF輸出開關“位置”開始后的變化，以達到90%的終值;關斷時間是時間減少到最終值的10%。 IC開關具有微秒甚至納秒級的導通/截止時間(比較EM開關，這是在毫秒范圍內)。密切相關的開關速度，并且在許多應用更重要，是穩(wěn)定時間，當RF輸出穩(wěn)定到小于0.1 dB或最終值的偶數(shù)0.05 dB的，因為該電路不能在信號采取行動，直到它已經(jīng)到達非常接近到了最后，正確的閥門在許多應用中。插入損耗限定在信號通路中的衰減。所有集成電路開關誘導信號他們路由在一些損失，由于在溝道電阻，除了他們的導通電阻的負載阻抗和相關聯(lián)的信號的反射，并通過泄漏內部電容。插入損耗是通常在0.5和2分貝，供應商可以根據(jù)內部電阻和電容，以盡量減少在規(guī)定的工作頻帶內的損耗，以降低插入損耗的該帶外的成本。隔離規(guī)范定義了開關的RF信號到斷開(或脫離)的傳輸拋出。再次，開關設計師可以設計的拓撲結構杠桿器件物理，哪些收益權衡隔離在不同的頻率。因此，一個寬帶交換機可以具有80分離或甚至90 dB的在較低的頻率，但只有3040分貝更高的頻率。視頻饋通表征其出現(xiàn)在開關輸出當開關信號的變化的路徑，即使有當時沒有信號電壓瞬變。它是在高增益放大器的AGC(自動增益控制)，它的目的是有意降低其增益響應于增加的信號電平設計的重要。驅動和功耗指示什么樣的和多少電子信號需要管理的開關控制線，以及多少功率開關本身 - 作為有源器件，不同于直流開關 - ，即使它并沒有改變它的路由路徑。 (請注意，電磁開關具有相對高的功率需求進行切換時，但是零耗散一旦接通，因為它們是無源器件。)所有開關有可靠性問題。由于沒有移動部件，IC開關可以操作“無限期”(億萬周期)，如果他們的額定值范圍內使用，而一個電磁開關可以只有幾百萬次指定的設備。升高的溫帶和熱循環(huán)，但是，可以降低IC開關的使用壽命，并且開關可通過過量施加的功率或ESD事件損壞。最后，還有一個開關端接配置。射頻開關被設計為是反射打開或反射短(有時稱為吸收性)設備。反射開開關并沒有有關的開放連接的分路路徑到系統(tǒng)接地，因此減小了未使用的端口上的負載。與此相反，在反射短路開關的配置有50Ω終端路徑(分流器)接地所以在信號線沒有反射，因此有一個低駐波(vertical-駐波比)，無論開關的狀態(tài)。許多交換機都在兩種格式，但用其他方式幾乎相同的規(guī)格。

多樣化的集成電路滿足不同需求

赫人Microwave公司(現(xiàn)在的模擬器件的一部分，公司)HCM545是一個基本的GaAs SPDT開關，(圖2)，通過3 GHz的操作為直流指定，定位于蜂窩基礎設施，無線局域網(wǎng)，汽車設計和測試設備。其特點是+65 dBm的0.25分貝典型損耗和輸入IP3，并且被設計在其港口反射短褲當“關”。它是由CMOS / TTL信號(0 / + 3 V至0 / + 8V)控制的并裝在一個小的，6引線SOT26塑料包裝。

圖2：赫HCM545使用一種基本74C系列CMOS驅動器來操作的信號路徑控制引腳。對于較高頻率的覆蓋范圍，但沒有DC性能，從Skywork解決方案的反射短SKY13350-385LF砷化鎵SPDT開關占地面積0.01到6.0 GHz的，0.35 dB和25分貝典型的隔離，既測量3 GHz的典型插入損耗。它可以處理高達32 dBm的功率為45 ns的10/90%的開關速度。作為與幾乎所有RF元件，性能是電源電壓的功能;圖3顯示了EVM對輸出功率的范圍內的電源電壓，在所述的IEEE 802.11a 5.2到5.8GHz頻帶。

圖3：幾乎所有的有源RF部件是敏感的電源電壓，溫度，和功率電平;這里的EVM與兩個供電電壓和功率等級從思佳的SKY13350-385LF的變化。的量進入更高的頻率的設計中，M / A-COM MASW-002103-1363 SPDT開關是從50兆赫指定到20GHz，并且是可使用的高達26千兆赫;功率處理能力為38 dBm的。插入損耗，(圖4)，大約是0.4分貝的范圍的低端，增大到1.0 dB的在20千兆赫和1.6分貝25千兆赫。

圖4：與增加的頻率的開關增大的插入損耗;在這里，M / A-COM MASW-002103-1363 SPDT開關損耗顯示剛超過直流到26 GHz的。而大多數(shù)RF開關采用砷化鎵或CMOS技術，Peregrine半導體采用了專有的UltraCMOS工藝(硅絕緣體(SOI)技術在藍寶石襯底專利的變體)提供他們聲稱是砷化鎵與經(jīng)濟一體化的表現(xiàn)傳統(tǒng)CMOS。其PE42520MLBA-Z吸收的RF開關被設計用于測試/ ATE和無線應用。它具有9 kHz的頻率范圍內，通過13千兆赫與36 dBm的連續(xù)波(CW)和38 dBm的瞬時功率@ 8 GHz的50Ω的功率處理等級。插入損耗是0.8，0.9和2.0分貝3，10和13千兆赫，分別，同時隔離是45，31和18 dB的那些相同頻率點。如同所有的RF開關，插入損耗也溫度(圖5)的功能。

圖5：插入損耗，如同大多數(shù)其他開關參數(shù)，也是溫度的函數(shù);對于Peregrine半導體PE42520MLBA-Z SPDT開關，它會增加約0.5dB從-40℃到+ 85℃。

概要

復雜的信號鏈的前端可以很容易地具有天線和處理器之間開關的雙位數(shù)字，以支持多個頻帶，功能和應用的需求。而RF開關的功能類似的DC或電源開關，內部設計和感興趣的規(guī)格有很大的不同。每RF開關平衡各種性能特征和權衡(以及成本問題)，開頭的作業(yè)的頻率范圍，然后再繼續(xù)插入損耗，功率等級，隔離和開關速度，等等。設計人員必須仔細看看典型的規(guī)范以及最大/最小值，同時也考察不可避免的性能變化與電源，溫度和功率水平。