CMOS開關的性能已經提高到打破1 GHz障礙的程度，現在可以與GaAs開關競爭。

高性能RF開關是現代無線通信系統所需的關鍵組成部分。提供低插入損耗，端口之間高隔離度，低失真和低電流消耗的開關在高頻應用中非常受歡迎，例如移相器，可切換濾波器，雷達系統的發射器和接收器-從大型裝置到防撞雷達在汽車中-以及從基站到手機的通信系統。

傳統上，只有少數過程可用于開發良好的寬帶/ RF交換機。砷化鎵（GaAs）FET，PIN二極管和機電繼電器已經占領了市場，但是標準CMOS如今已成為市場的標桿。

GaAs因其低導通電阻，低截止電容和高頻高線性而受到廣泛歡迎。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突破1 GHz的極限，并且現在能夠與GaAs開關競爭。CMOS開關旨在在保持低成本的同時最大化帶寬，在低成本，低功耗應用中可替代昂貴的GaAs開關。

本文介紹了與寬帶開關相關的關鍵規格，用于寬帶開關的傳統方法以及CMOS開關技術的優勢。它還顯示了新型CMOS開關在低功率，高頻應用中如何能勝過GaAs開關。這應該使您相信CMOS寬帶交換機是電纜調制解調器，MRI掃描儀，xDSL調制解調器，下一代無繩電話等應用的理想解決方案，以及航空業中要求工作頻率高達1 GHz或更高的應用。

寬帶交換機基礎

寬帶交換機旨在滿足設備在高達1 GHz或更高頻率下傳輸的需求。這些類型應用的設備選擇完全取決于它們在整個頻率上的性能。有兩種描述RF開關性能的重要方法：閉合狀態下的插入損耗和斷開狀態下的隔離。

插入損耗是指打開開關后，輸入和輸出端口之間的衰減。低插入損耗對于要求低總體噪聲系數的系統至關重要。由于開關是信號路徑中的第一批組件之一，因此最小可接收信號非常重要。圖1顯示了插入損耗與頻率的典型關系圖ADG919。

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該圖表明，在100 MHz時插入損耗小于0.5 dB，在1 GHz時插入損耗小于0.8 dB，在2 GHz時插入損耗小于1.5 dB。這可與許多GaAs開關相媲美，在1 GHz時典型值在0.7 dB至1 dB之間。

斷開隔離定義為開關關閉時，輸入和輸出端口之間的衰減。圖2顯示了截止隔離度與頻率的典型曲線圖。對于大多數寬帶交換來說，都要求高度隔離，這通常是確定部件是否適合特定應用的關鍵規范。

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該圖表明，在大約80 MHz時，開關隔離度優于70 dB；在1 GHz時，隔離度優于37 dB；在2 GHz時，隔離度優于20 dB。這種非隔離規范的性能優于許多GaAs開關約10 dB /十倍頻程。1 GHz時的典型GaAs開關值在25至40 dB之間。在1 GHz處，通道間隔離度為30 dB，可確保通道之間的串擾最小。

另外兩個重要的RF開關規格與開關可以處理的功率水平有關。第一個是1 dB壓縮點P1dB，這是RF輸入功率電平，在該電平下，開關插入損耗會比其低電平值增加1 dB。P1dB是在接通開關使信號失真或壓縮之前可以處理多少功率的量度，因此是RF功率處理能力的量度。接下來，當緊密間隔的音調通過開關時，開關的非線性會導致產生虛假的音調。輸入的三階交調點IIP3是這些假音中功率的量度，并且與開關引起的失真量直接相關。圖3顯示了P1dB壓縮點與頻率的關系。在這種情況下，1 GHz時的P1dB為17 dBm。該開關在900 MHz時的IIP3為33 dBm，非常適合中功率，高頻應用，包括采用GPS或其他增強功能的蜂窩手機中的IF切換。

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傳統交換解決方案：

1.引腳二極管

PIN二極管在無線電和微波頻率上基本上是電流控制的電阻。PIN二極管通常用于切換RF信號，因為它們在導通時具有很高的線性度，并具有非常好的失真特性。通過在P型和N型硅區域之間放置一個高電阻本征（I）區域來制造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，因此可用于開關功能。當PIN二極管正向偏置時，電子和空穴從P和N區域注入I區域。電子和空穴不會立即復合。取而代之的是存儲了有限的電荷，從而降低了I區域的電阻率并允許導電。

因此，使用PIN二極管時的第一個缺點是，由于低電阻率和低插入損耗，它們需要大量的DC功率。當將它們用于PDA和手持儀表等便攜式設備時，這是一個巨大的缺點，因為電池壽命與功耗成正比。當使用單串聯或并聯的PIN二極管時，在較高的頻率上實現30 dB以上的隔離也很困難。為了獲得更高的隔離度，必須以串聯-并聯組合的方式連接兩個或多個二極管。這具有增加插入損耗的不良效果。

典型的發射/接收（TX / RX）PIN二極管開關原理圖如圖4所示。它由兩個二極管，一些隔直電容，一個用于饋送直流正向偏置控制信號的電感器以及一些構成四分之一的分立元件組成。波浪線。如果需要切換額外的RF端口，則需要更多的串聯二極管，這會增加插入損耗。在此應用中，插入損耗增加的影響是雙重的。在TX端，功率放大器和天線之間的每分貝損耗都意味著TX信號需要更多的放大，從而縮短了電池壽命。在RX端，插入損耗的增加將用于降低接收信號強度，從而降低整體信噪比（SNR）和接收器靈敏度。

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PIN二極管的另一個限制是它們需要一個外部驅動器來控制TX / RX開關的開關速度以及可以使用的接口電平。

2. GaAs開關

近年來，由于GaAs開關的直流功耗低（與PIN二極管相比），在寬帶開關市場上占據了主導地位。GaAs開關由充當壓控電阻器的晶體管陣列組成。GaAs晶體管是三端設備；柵極電壓（Vg）控制其他兩個端子之間的電阻。為了增加RF端口之間的隔離度，可以將它們串聯或作為并聯設備接地。與PIN二極管不同，串聯放置多個晶體管實際上有助于RF功率處理和線性度，而對插入損耗的影響很小。典型的TX / RX開關原理圖如圖5所示。此處，晶體管以串聯并聯配置連接，以獲得最佳的插入損耗和隔離性能。這種配置的缺點是，MN1 / MN4和MN2 / MN3的互補切換要求同時具有高邏輯電平和低邏輯電平，從而增加了控制電路的復雜性并因此增加了成本。

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MMIC GaAs開關可從許多公司獲得。所有器件都使用N溝道耗盡型FET作為基本開關器件。這些設備顯示的特性如下：

Vg= 0->接通
Vg=負->關閉（收縮）

夾斷定義為通道變為高阻抗時的電壓。這通常在–3 V的Vg下發生，具體取決于所使用的過程。開關輸入端的射頻電平可以調制Vg，從而在開關的導通電阻變化時引起失真產物。使用高控制電壓將減少這種影響，但只會以產生大約+2 V至–8 V的電壓為代價來控制開關。GaAs工藝不提供互補器件，因此創建CMOS技術中容易獲得的反相器邏輯功能需要大量電流。GaAs開關的固有缺陷使其難以集成到使用正低壓電源的大多數現代電子系統中。GaAs開關制造商通過添加與開關的RF引腳串聯的隔直電容器來解決這個問題。這有效地使管芯相對于DC地浮動，從而允許使用正控制電壓來控制開關。但是缺點是DC隔離電容器限制了開關可以處理的帶寬，因此限制了它們在寬帶系統中的使用。電容器本身相對便宜，但是額外的印刷電路板面積和制造成本會顯著增加總體開關成本。同樣，與開關串聯放置的任何組件都會增加插入損耗，并直接影響系統的SNR。電感或路徑長度的任何增加都會降低器件的性能，從而給系統設計人員帶來其他問題和需要克服的問題。但是額外的印刷電路板面積和制造成本會大大增加總的開關成本。同樣，與開關串聯放置的任何組件都會增加插入損耗，并直接影響系統SNR。電感或路徑長度的任何增加都會降低器件的性能，從而給系統設計人員帶來其他問題和需要克服的問題。但是額外的印刷電路板面積和制造成本會大大增加總的開關成本。同樣，與開關串聯放置的任何組件都會增加插入損耗，并直接影響系統SNR。電感或路徑長度的任何增加都會降低器件的性能，從而給系統設計人員帶來其他問題和需要克服的問題。

如前所述，GaAs開關的控制信號需要從外部源產生。有很多方法可以做到這一點。最簡單，最常見的方法是添加外部CMOS驅動器IC。這種額外的IC不僅會消耗功率，還會增加PC板的面積和組裝成本。最近，GaAs開關制造商推出了MultiChip模塊（MCM），該模塊將CMOS / BiCMOS驅動器芯片和GaAs開關芯片封裝為一個大型BGA型封裝。這些MCM運作良好，但主要缺點是總體解決方案成本高，由兩個裸片的單個成本組成，并且由于較大的封裝和裸片互連而增加了組裝成本。

CMOS救助

正如摩爾定律[1]所預測的那樣，標準CMOS工藝的幾何尺寸一直在減少。RF /微波IC領域是向CMOS開放的市場之一。憑借減小的晶體管長度，CMOS達到了低導通電阻，低截止電容和高達1 GHz甚至更高的良好線性。RF開關也是如此，因為現在可以使用3 GHz帶寬的1 GHz CMOS開關。

像GaAs開關一樣，CMOS開關也使用NMOS FET，其本質上起壓控電阻的作用。這些設備顯示的特性如下：

Vgs> Vt—>打開
Vgst—>關閉

Vt被定義為閾值電壓，高于該閾值電壓，在源極和漏極端子之間形成導電通道。FET可以具有互鎖的指狀布局，以減小源極和漏極之間的寄生電容，從而增加高頻下的隔離度。

如前所述，CMOS開關適用于許多低功耗應用。隨著頻率的降低，它們的功率處理能力也隨之降低，其原因有兩個：首先，如圖6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，這導致在P型襯底之間形成寄生二極管。 N和P地區。當將偏置為0 VDC的交流信號放置在晶體管的源極上，并且Vgs使晶體管導通時，寄生二極管可以在輸入波形的負半周的某些部分中正向偏置。 。一旦輸入正弦波低于–0.6 V，二極管就會開始導通。這將導致輸入信號被壓縮。在低頻下，輸入信號會長期處于–0.6 V電平以下，1dB）。第二種機制是在應該關閉分流NMOS器件時部分導通。如前所述，NMOS晶體管處于截止狀態，Vgs＜Vt。與分流裝置的源極上的交流信號，就會有在其中V波形的負半周期的時序GS≥V噸，從而部分地分流裝置上轉動。這會將輸入波形的部分能量分流到地面，從而使輸入波形壓縮。當在低頻（<30 MHz）和高功率（> 10 dBm）下使用開關時，可以通過向RF輸入信號施加小的DC偏置（?0.5 V）來克服這兩種機制。與GaAs開關不同，CMOS開關不需要隔直電容。

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CMOS的好處

使用CMOS設計寬帶寬開關有許多關鍵優勢。以下各節重點介紹了主要優點和關鍵的高性能規格。

成本：在當今成本驅動型市場中，最重要的優勢在于，CMOS工藝的成本大大低于GaAs工藝，從而降低了芯片成本。CMOS開關使用正電壓控制，不需要隔直電容。另一方面，GaAs晶體管是負電壓控制的器件。這排除了CMOS驅動器的使用，要求在RF輸入上使用隔直電容器，并導致整體解決方案成本增加。與GaAs同類產品相比，CMOS開關既便宜又易于使用。

單針腳控制接口：CMOS開關具有單針腳控制接口，可實現最大的電路布局效率，從而使許多應用（例如移動無線系統）受益。這是可能的，因為CMOS允許將驅動器/開關控制電路集成到與開關相同的芯片上，從而有效地減少了控制引腳的數量。與許多GaAs RF開關實現的互補控制信號相比，CMOS技術提供的控制接口具有簡單的單針腳控制。例如，對于SPDT（單刀雙擲）開關，GaAs部件需要兩條控制線，而CMOS器件僅需要一條。

易于系統集成：基于CMOS開關技術的片上驅動器可以與TTL和CMOS邏輯電平接口，從而使這些部件可以輕松地與其他CMOS / BiCMOS IC（例如微控制器）集成。CMOS和LVTTL兼容的控制輸入在許多應用中提供了非常簡單的接口。

無需在CMOS開關的RF輸入上增加隔直電容器，從而消除了對帶寬減小或系統性能下降的影響的擔憂，原因已在上一節中進行了描述。

減小的封裝尺寸：驅動器/開關控制電路的輕松集成具有封裝尺寸小的優勢。CMOS裸片的整體尺寸較小，因此與GaAs制造商提供的MCM相比，可以將CMOS器件以更小的引腳數組裝到更小的封裝中。標準的SPDT開關引腳數范圍可以從適中的CMOS解決方案的8引腳封裝到GaAs解決方案的20引腳。

對于SP4T設備，這種節省空間甚至更為明顯。CMOS器件提供16引腳3mm x 3mm LFCSP（引線框架芯片級封裝）微型封裝。GaAs SP4T產品可能需要負電壓或正/負電壓電源，以及多達8條控制線。它們采用24引線10.65 mm×15.6 mm寬體SOIC（小外形）或28引腳12.57 mm×12.57 mm PLCC（塑料引線芯片載體）封裝。

更低的功耗：CMOS開關的極低功耗使其非常適合便攜式應用。

可用的CMOS RF開關采用1.65 V至2.75 V單電源供電，典型電流消耗小于1 μA，大大低于等效GaAs解決方案的額定電流消耗。

其他CMOS開關性能亮點：匹配對于CMOS開關也非常好。圖7顯示了開/關開關的回波損耗與頻率的典型關系圖。該圖表明，對于接通開關，S11值在100 MHz時為27 dB，在1 GHz時為26 dB，對于斷開開關，在1 GHz時在100 MHz時為23 dB，在20 GHz時為20 dB。這是相對于端口入射功率的反射功率量。較大的回波損耗表示匹配良好。CMOS開關具有更大的靈活性，可以選擇使用反射型（0 ohm）或吸收型（50 ohm）版本，從而使開關與應用相匹配。例如，ADG918是具有50歐姆端接并聯支路的吸收式（或匹配）SPDT開關（2：1多路復用器），ADG919是反射式SPDT開關，具有直接接地的分流器。對于阻抗匹配最為關鍵的應用，首選吸收式開關。與先前描述的CMOS開關的截止隔離性能相似，為CMOS工藝指定的回波損耗比許多GaAs開關要高出約10 dB /十倍。

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開關時間也非常好，CMOS開關的典型開關時間為5 ns，比許多GaAs器件快十倍。圖8顯示了典型的5 ns開關時間?ADG901。與許多
GaAs開關的微秒相比，該器件在極端溫度條件下的時序規范最大為8 ns。

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結論

對于高頻開關要求，CMOS開關提供了比GaAs器件更簡單的整體解決方案，并具有成本更低的優勢。

ADG9xx系列寬帶CMOS開關的3 dB頻率高于3 GHz，在1 GHz時插入損耗非常低，僅為0.8 dB，在1 GHz時隔離度超過37 dB。這些特性使這些器件非常適合從DC到1 GHz甚至更高的許多應用。這些開關對GaAs RF開關提出了主要的CMOS挑戰，并且是低功耗，高性能，高頻開關應用的最佳解決方案。