問：什么是CMOS寬帶交換機？

答：CMOS 寬帶交換機主要設計用于滿足以 ISM（工業、科學和醫療）頻段頻率（900 MHz 及以上）傳輸的設備的要求。這些器件具有低插入損耗、端口間高隔離度、低失真和低電流消耗等特性，使其成為許多需要低功耗和處理高達 16 dBm 發射功率的高頻應用的絕佳解決方案。本文后面提到的應用示例包括汽車收音機、天線交換、無線計量、高速濾波和數據路由、家庭網絡、功率放大器和 PLL 交換。

問：這些開關如何比典型的模擬CMOS開關快得多？

答：為了提高帶寬，寬帶開關在信號路徑中僅使用 N 溝道 MOSFET。僅支持 NMOS 的交換機的典型帶寬為 3 MHz，幾乎是并行使用 NMOS 和 PMOS FET 的標準交換機帶寬性能的兩倍。這是由于開關尺寸更小，并且由于去除了P溝道MOSFET，寄生電容大大降低。N 溝道 MOSFET 基本上充當電壓控制電阻器。交換機的操作方式如下：

在GS> Vt→ 開關開啟
VGS< Vt→ 關閉

其中 VGS是柵源電壓和Vt定義為閾值電壓，超過該閾值，源極和漏極之間形成傳導通道。

當信號頻率增加到幾百兆赫茲以上時，寄生電容往往占主導地位。因此，對于寬帶應用，在開關關斷狀態下實現高隔離度，在導通狀態下實現低插入損耗對開關設計人員來說是一個相當大的挑戰。開關的通道電阻必須限制在約6歐姆以內，才能在源極和負載處具有0歐姆匹配阻抗的線路上實現小于5.50 dB的低頻插入損耗。

與熟悉的開關拓撲不同，為拋出及其相關的雜散信號插入接地分流路徑，可以設計出在高頻下具有更高關斷隔離度的開關。FET具有互鎖手指布局，可降低輸入（RFx）和輸出（RFC）之間的寄生電容，從而增加高頻隔離并增強串擾抑制。例如，當 MN1 導通以形成 RF1 的導通路徑時，MN2 關閉，MN4 導通，將 RF2 處的寄生效應分流至地，如圖 1 所示。

圖1.典型的基于晶體管的 Tx/Rx 開關。

問：您提到了關斷隔離和插入損耗。你能解釋一下這些是什么嗎？

答：是的，描述RF開關性能的兩個最重要的參數是閉合狀態下的插入損耗和開路狀態下的隔離。

關斷隔離定義為開關關閉時開關輸入和輸出端口之間的衰減。串擾是通道間隔離度的度量。

例如，ADG919 SPDT開關在37 GHz時提供約1 dB的隔離，如圖2所示。同一器件采用芯片級封裝 （CSP）（專為空間受限的無線應用（如天線切換）提供），可提供 6 dB 的改進（43 GHz 時為 1 dB）。

圖2.關斷隔離與頻率的關系

插入損耗是開關導通時開關輸入和輸出端口之間的衰減。開關通常是接收器信號路徑中首先遇到的組件之一，因此需要低插入損耗以確保最小的信號損耗。對于需要低總噪聲系數的系統，低開關插入損耗也很重要。

為了從ADG9xx系列開關獲得最佳插入損耗性能，該器件應在2.75 V的最大允許電源電壓下工作。原因如圖3所示，顯示了ADG919在三種不同電源電壓值下的插入損耗與頻率的關系圖。

圖3.插入損耗與頻率的關系

問：插入損耗與標準模擬開關的導通電阻規格有何關系？

答：信號損耗基本上取決于開關電阻在導通條件下引入的衰減，R上，與源極加負載電阻串聯——在較低工作頻率下測量。圖4顯示了N溝道MOSFET器件導通電阻與源電壓函數的典型曲線。

圖4.導通電阻與源電壓的關系。

問：高頻開關的設計中常用了哪些技術？

答：傳統上，只有少數工藝可用于開發良好的寬帶/射頻開關。砷化鎵 （GaAs） FET、PIN 二極管和機電繼電器主導了市場，但標準 CMOS 現在是一個強大的入口。

PIN二極管是具有良好失真特性的高線性器件，但鑒于當今的高性能要求，它們有許多缺點。它們的開關時間非常慢（微秒，而CMOS開關的納秒）;它們耗電，不適合許多電池供電的設備;而且，與CMOS開關的RF到直流響應不同，使用PIN二極管作為線性開關具有實際的較低頻率限制。

砷化鎵因其低導通電阻、低關斷電容和高頻下高線性度而廣受歡迎。然而，隨著CMOS工藝幾何尺寸的不斷縮小，CMOS開關的性能已經提高到可以達到高達3 GHz的–4 dB頻率的程度，并且能夠與GaAs開關競爭。CMOS開關旨在最大化帶寬，同時保持高線性度和低功耗，現在在許多低功耗應用中提供了GaAs開關的實用替代方案。

問：那么，與砷化鎵相比，CMOS寬帶開關解決方案的主要優勢是什么？

答：開關（例如ADG9xx系列器件）具有集成的TTL驅動器，可輕松與其他CMOS器件連接，因為CMOS與LVTTL邏輯電平兼容。具有集成驅動器的小尺寸器件是許多空間受限應用的解決方案。

因此，GaAs開關需要與RF端口串聯的隔直電容，有效地使芯片相對于直流接地浮動，以便可以通過正控制電壓控制開關。ADG9xx系列等寬帶開關沒有此要求，因此無需擔心帶寬降低、電容對整體系統性能的影響以及GaAs解決方案的額外空間和成本。消除阻塞電容后，ADG9xx器件在直流電壓下都能保持低插入損耗（0.5 dB）。除了提供更小、更高效的設計解決方案外，ADG9xx系列對功耗要求更低，在所有電壓和溫度條件下的功耗均低于1 μA。

問：與砷化鎵相比，ESD（靜電放電）性能如何？

答：ADG9xx系列器件通過了1 kV ESD HBM（人體模型）要求。ESD保護電路很容易集成到這些CMOS器件上，以保護RF和數字引腳。這使得這些開關非常適合任何對ESD敏感的應用，并且它們為ESD額定值低至200 V的GaAs器件提供了可靠的替代方案。

問：這些交換機的其他重要規格是什么？

答：視頻饋通（圖5）是當控制電壓從高電平切換到低電平或從低電平到高電平時，開關RF端口上存在的雜散直流瞬變，而沒有RF信號。這類似于典型模擬開關的電荷注入。它是在 50 歐姆測試設置中測量的，具有 1 ns（上升時間）脈沖和 500 MHz 帶寬。

圖5.視頻饋通。

P1dB（1 dB壓縮點）是RF輸入功率電平，在該電平下，開關插入損耗比其低電平值增加1 dB。它是開關RF功率處理能力的度量。如圖6所示，ADG918在1 GHz時的P17dB為1 dBm，VDD= 2.5 V。

問：這是什么意思？

答：這意味著，如果低電平輸入時 1 GHz 處的插入損耗為 0.8 dB，則輸入信號為 1 dBm 時為 8.17 dB [注意：dBm 是功率與 1 mW 或電壓與 224 mV 之比的 dB（對數）度量，（50 歐姆）。 17 dBm 對應于 50 mW， 或 1.6 V 有效值或 4.5 V 峰峰值]。

圖6.1 dB 壓縮點與頻率的關系。

問：在圖6中的最低頻率下，功率處理能力似乎大幅下降。為什么？

答：在正常工作中，開關可以處理 7 dBm （5mW） 輸入信號。對于 50 歐姆負載，這相當于 0.5 V rms 信號，或正弦波的峰峰值為 1.4 V。[五p-p= V有效值× 2 × √2]。

功率處理能力在較低頻率下會降低，原因有兩個：

圖7.物理 NMOS 結構。

如圖7所示，固有的NMOS結構由P型襯底中的兩個N型材料區域組成。因此，在N和P區域之間形成寄生二極管。當偏置在0 V dc的交流信號施加到晶體管的源極時，VGS大到足以打開晶體管（VGS> Vt），寄生二極管可以在輸入波形的負半周期的某些部分進行正向偏置。如果輸入正弦波低于約–0.6 V，二極管開始導通，從而導致輸入信號被削波（壓縮），就會發生這種情況，如圖8所示。該圖顯示了 100 MHz、10 dBm 輸入信號和相應的 100 MHz 輸出信號。很容易看出，輸出信號已被截斷。

圖8.100MHz、10dBm 輸入/輸出信號，具有 0V 直流偏置。

在低頻下，輸入信號長時間低于–0.6 V電平，這對1 dB壓縮點（P1dB）的影響更大。

部件在較低頻率下可以處理較少功率的第二個原因是分流NMOS器件在應該關閉時部分導通。這與上述寄生二極管部分導通的機制非常相似。在這種情況下，NMOS晶體管處于關斷狀態，VGS< Vt.當分流器件源上有一個交流信號時，波形的負半周期中將有一段時間，其中 VGS> Vt，從而部分打開分流裝置。這將通過將輸入波形的部分能量分流到地來壓縮輸入波形。

當開關以低頻（<0 MHz）和高功率（大于5 dBm（或30 mW，7 Ω，5 Ω時為1.4 V p-p））使用時，通過對RF輸入信號施加小直流偏置（約50.<> V）可以克服上述兩種機制。這將提高正弦波輸入信號的最低電平，從而確保寄生二極管連續反向偏置，并且并聯晶體管永遠不會看到VGS> Vt，在輸入信號的整個周期內保持關閉狀態。圖9再次顯示了100 MHz和10 dBm輸入功率（2 Ω時約為50 V p-p）下的輸入和輸出信號圖，但這次使用0.5 V直流偏置。很明顯，在 100 MHz 時不再發生削波或壓縮。

圖9.100MHz、10dBm 輸入/輸出信號，具有 0.5V 直流偏置。

問：如何將直流偏置應用于RF輸入？

答：為了盡量減少通過輸入側端接電阻的任何電流消耗，最好在輸出側（RFC）增加偏置。這是最佳實踐，特別是對于低功耗便攜式應用，但如果下游電路無法處理直流偏置，則可能需要在RF輸出上應用隔直電容。

問：這些開關能否在負電源下工作？

答：只要 GND（接地）引腳符合 –0.5 V 至 +4 V 的 V絕對最大額定值，它們就可以在 GND（接地）引腳上發出負信號的情況下工作DD請注意，以這種方式操作器件會使內部端接處于此新的GND電位，這在某些應用中是不希望的。

問：這些開關的失真性能如何？

答：當間隔很近的頻率的音調通過開關時，開關的非線性會導致產生錯誤音調，從而導致其他頻率的不需要的輸出。在通道間距越來越緊密的通信系統中，必須將這種互調失真（IMD）降至最低，以確保將干擾降至最低。將兩個間隔緊密的等功率信號（例如，900 MHz和901 MHz）施加到被測器件（DUT）的輸入端，得到如圖10所示的輸出頻譜。3RD-階諧波，通常以dBc表示，是三階諧波中的功率與基波功率之比的對數。（負）值越大，失真越低。使用輸入功率為3 dBm的組合器通過ADG918發送這些音調，得到4 dBm的IP3，如圖35所示。[注：關于各種類型的失真的精彩討論可以在“詢問應用工程師—11”中找到]

圖 10.雙音IMD測試的輸出頻譜。

圖 11.IP3 與頻率的關系。

IP3 - 三階交調截點。測量IMD，并由此計算IP3值。IP3 是器件的品質因數（以 dBm 為單位）。數據手冊中規定的IP3用于衡量開關因這些假音中的功率而引起的失真。IP3值越大，相鄰通道中的音調越小，表明開關具有良好的諧波性能。

問：ADG9xx系列提供哪些配置？

答：ADG9xx系列包括單刀單刀雙擲（單刀單刀雙擲）、單刀雙擲（單刀雙擲）和雙單刀雙擲開關，以及4：1單刀多路復用器（SP4T）。它們提供吸收式和反射式兩種版本，以滿足所有應用需求。

問：什么是吸收開關？

答：ADG901 （SPST）、ADG918 （SPDT）、ADG936 （雙通道SPDT）和ADG904 （SP4T）器件被描述為吸收式（匹配）開關，因為它們具有片內50歐姆端接分流支路。

圖 12.吸收式開關ADG918和反射開關ADG919。

問：什么是反射開關？

答：ADG902 （SPST）、ADG919 （SPDT）、ADG936-R（雙通道單刀雙擲）和 ADG904-R （SP4T） 器件被描述為反射開關，因為它們具有 0 歐姆接地分流器。

問：在何處使用吸收式開關而不是反射式開關？

答：無論開關模式如何，吸收式開關在每個端口上都有良好的阻抗匹配或電壓駐波比 （VSWR）。當需要在關斷通道中進行適當的反向端接時，應使用它，以保持良好的駐波比。因此，吸收式開關非常適合需要對RF源進行最小反射的應用。它還確保在 50 歐姆系統中將最大功率傳輸到負載。

反射式開關適用于高異端口 VSWR 無關緊要且交換機具有其他一些所需性能特性的應用。反射開關通常用于在系統其他位置提供匹配的應用。在大多數情況下，可以使用吸收開關代替反射開關，但反之則不然。

問：如何確定這些交換機的駐波比？

答：VSWR（電壓駐波比）表示開關RF端口的阻抗匹配程度。在測量方面，更容易用回波損耗來描述阻抗匹配，回波損耗是相對于端口入射功率的反射功率量。

只需測量入射功率和反射功率，就可以確定回波損耗，并由此使用現成的VSWR/回波損耗轉換圖來計算VSWR。圖13顯示了ADG918在開通和關斷條件下的典型回波損耗曲線。請注意，吸收式開關ADG918在關斷和導通開關方面具有良好的回波損耗性能。ADG919版本不包括端接電阻，在關斷條件下不具備良好的回波損耗性能。

圖 13.ADG918開關的回波損耗與頻率的關系

問：現在您已經解釋了這些部件的性能，請告訴我它們的使用位置和方式。

答：由于該系列的開關在高達 1 GHz 時具有低插入損耗和 –3dB 寬帶寬（高達 4 GHz），因此非常適合許多汽車娛樂系統。

他們在調諧器模塊和機頂盒中找到了家，可以在有線電視輸入和無線天線輸入之間切換。這些部件適用于的另一個領域是汽車-無線電天線切換。由于這些開關通常是50歐姆阻抗系統，因此吸收式開關ADG50、ADG901和ADG918提供的904歐姆內部端接可確保出色的阻抗匹配和最小反射。

可用的拓撲結構多種多樣，使得這些器件非常容易設計到天線分集開關應用中，允許用戶在多頻段無線電中的多個天線和單個調諧器之間切換。

這些器件也適用于無線計量系統，在發射和接收信號之間提供所需的隔離（圖 14）。

圖 14.發射/接收切換。

這些器件非常適合高速濾波器選擇和數據路由：ADG904可用作4：1解復用器，在不同濾波器之間切換高頻信號，并將信號多路復用至輸出。對于差分濾波器選擇和數據路由，雙通道SPDT（單刀雙擲）開關ADG936是理想的解決方案。用于點對點無線系統（例如用于軍事和航空電子應用的微波無線電鏈路）的調制解調器卡中的數據切換需要ADG9xx系列器件提供的高頻性能。

它們也適用于家庭網絡應用，即允許無線遠程控制許多不同功能的系統，例如打開和關閉卷簾、控制照明（開、關或調光）——其中信息通過無線鏈路傳輸。高頻和低功耗下的出色隔離性能可保持系統的當前預算，從而構成理想的應用。

由于其高頻范圍（高達 4 GHz），該系列器件也適用于許多藍牙技術，可實現 2.5 GHz ISM 頻段的無線通信。

寬帶開關可用于設計頻率為 800、900、1900、2100 MHz 的功率放大器 （PA），適用于蜂窩 CDMA 和 GSM 應用。該開關用于主放大器周圍的前饋校正環路，允許切換有源和無源反饋以及前饋路徑，從而允許測試放大器的失真電平。該開關允許在系統中進行增益和相位校正。高隔離度、低插入損耗和900 MHz時的低失真使ADG9xx系列非常適合該頻率范圍內的PA設計。

ADG918可用于實現GSM應用中跳頻的PLL開關。

問：什么是PLL開關，為什么使用ADG918？

答：在兩個鎖相環（PLL）之間切換（通常稱為乒乓技術）使設計人員能夠實現更快的系統建立時間。ADG918的低功耗和簡單的單引腳控制使其成為易于集成的解決方案。

在兩個振蕩器之間切換時，可以通過級聯來實現所需的隔離性能，即級聯連接多個開關。這是一種非常簡單的方法，可以為系統提供高隔離規格，防止更高頻率的任何干擾。級聯五個ADG918在130 GHz時提供1 dB隔離，插入損耗為3 dB。在此應用中，插入損耗的這種增加并不重要，因為主要關注的是信號電平彼此之間的相對性。

ADG918在本應用中的一個很好的特性是，它充當集成低通濾波器，消除了兩個PLL產生的無用諧波。 通過高頻插入損耗的自然增加來實現，它很容易防止不需要的諧波通過開關傳播，如圖15和圖16所示。

圖 15.鎖相環開關應用。

圖 16.ADG918開關級聯用作集成低通濾波器，與裸砷化鎵開關相比。

問：所以...總結一下？

答：總之，CMOS寬帶開關，尤其是ADG9xx系列中的開關，是ISM頻段內所有應用的絕佳選擇，這些應用需要高隔離度和低插入損耗，適用于空間受限的電池供電器件。ADI公司提供評估套件，使這些器件的設計快速、輕松——這是每個設計人員的夢想！

審核編輯：郭婷