半導(dǎo)體RF開(kāi)關(guān)：麻雀雖小，業(yè)績(jī)優(yōu)良的電路元件

RF開(kāi)關(guān)被用來(lái)從多個(gè)可用的來(lái)源中選擇所需的信號(hào)，或者將一條信號(hào)到所希望的信道，在諸如分集式天線系統(tǒng)，雷達(dá)，以及測(cè)試和測(cè)量設(shè)置。開(kāi)關(guān)(有時(shí)稱(chēng)為繼電器)在使用的機(jī)電(EM)設(shè)計(jì)類(lèi)似于非RF開(kāi)關(guān)建立，但這些現(xiàn)已所取代開(kāi)關(guān)集成電路，除了在更高功率的應(yīng)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(jī)需要多極(觸點(diǎn))。也有基于MEMS技術(shù)的射頻開(kāi)關(guān)，從而復(fù)制機(jī)電設(shè)計(jì)，但使用的IC制造技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹基于IC的固態(tài)開(kāi)關(guān)，它以一個(gè)SPDT(單刀/雙擲)結(jié)構(gòu)(圖1)，通常建有FET和PIN二極管作為其核心開(kāi)關(guān)元件。

圖1：一個(gè)單刀雙擲射頻開(kāi)關(guān)概念簡(jiǎn)單，具有控制信號(hào)，使開(kāi)關(guān)，發(fā)送輸入到任意兩個(gè)可能輸出中的一個(gè)。 (Skyworks的解的提供)，這些是其限定RF開(kāi)關(guān)性能的許多參數(shù)，并且最必須的特征在于相對(duì)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(yīng)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(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)為50Ω的操作，但一些被設(shè)計(jì)用于有線電視75Ω標(biāo)準(zhǔn)。鑒于高頻率，在這些開(kāi)關(guān)的工作，許多供應(yīng)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(shù)展區(qū)文章“史密斯圓圖：一個(gè)”古老“的圖形化工具在RF設(shè)計(jì)依然重要“)，以幫助工程師確定總體信號(hào)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(gè)參數(shù)是開(kāi)關(guān)的頻率覆蓋范圍。例如，一個(gè)交換機(jī)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接的頻帶(雖然開(kāi)關(guān)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(dǎo)體物理的基礎(chǔ)上，PIN二極管射頻開(kāi)關(guān)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(gè)關(guān)鍵因素。但是，它不只是交換機(jī)可以多少功率處理失敗過(guò)，但如何執(zhí)行它在不同的功率電平。今天的復(fù)雜的調(diào)制方案和較高的平均到最大信號(hào)功率的比率意味著開(kāi)關(guān)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(diào)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(kāi)關(guān)速度，這是不相關(guān)的頻率范圍內(nèi)，也就是在某些應(yīng)用中很重要的。雖然定義廠商各不相同，對(duì)導(dǎo)通時(shí)間的最常見(jiàn)的定義是時(shí)間開(kāi)關(guān)RF輸出開(kāi)關(guān)“位置”開(kāi)始后的變化，以達(dá)到90%的終值;關(guān)斷時(shí)間是時(shí)間減少到最終值的10%。 IC開(kāi)關(guān)具有微秒甚至納秒級(jí)的導(dǎo)通/截止時(shí)間(比較EM開(kāi)關(guān)，這是在毫秒范圍內(nèi))。密切相關(guān)的開(kāi)關(guān)速度，并且在許多應(yīng)用更重要，是穩(wěn)定時(shí)間，當(dāng)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?yàn)樵撾娐凡荒茉谛盘?hào)采取行動(dòng)，直到它已經(jīng)到達(dá)非常接近到了最后，正確的閥門(mén)在許多應(yīng)用中。插入損耗限定在信號(hào)通路中的衰減。所有集成電路開(kāi)關(guān)誘導(dǎo)信號(hào)他們路由在一些損失，由于在溝道電阻，除了他們的導(dǎo)通電阻的負(fù)載阻抗和相關(guān)聯(lián)的信號(hào)的反射，并通過(guò)泄漏內(nèi)部電容。插入損耗是通常在0.5和2分貝，供應(yīng)商可以根據(jù)內(nèi)部電阻和電容，以盡量減少在規(guī)定的工作頻帶內(nèi)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(kāi)關(guān)的RF信號(hào)到斷開(kāi)(或脫離)的傳輸拋出。再次，開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)師可以設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)杠桿器件物理，哪些收益權(quán)衡隔離在不同的頻率。因此，一個(gè)寬帶交換機(jī)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(kāi)關(guān)輸出當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)的變化的路徑，即使有當(dāng)時(shí)沒(méi)有信號(hào)電壓瞬變。它是在高增益放大器的AGC(自動(dòng)增益控制)，它的目的是有意降低其增益響應(yīng)于增加的信號(hào)電平設(shè)計(jì)的重要。驅(qū)動(dòng)和功耗指示什么樣的和多少電子信號(hào)需要管理的開(kāi)關(guān)控制線，以及多少功率開(kāi)關(guān)本身 - 作為有源器件，不同于直流開(kāi)關(guān) - ，即使它并沒(méi)有改變它的路由路徑。 (請(qǐng)注意，電磁開(kāi)關(guān)具有相對(duì)高的功率需求進(jìn)行切換時(shí)，但是零耗散一旦接通，因?yàn)樗鼈兪菬o(wú)源器件。)所有開(kāi)關(guān)有可靠性問(wèn)題。由于沒(méi)有移動(dòng)部件，IC開(kāi)關(guān)可以操作“無(wú)限期”(億萬(wàn)周期)，如果他們的額定值范圍內(nèi)使用，而一個(gè)電磁開(kāi)關(guān)可以只有幾百萬(wàn)次指定的設(shè)備。升高的溫帶和熱循環(huán)，但是，可以降低IC開(kāi)關(guān)的使用壽命，并且開(kāi)關(guān)可通過(guò)過(guò)量施加的功率或ESD事件損壞。最后，還有一個(gè)開(kāi)關(guān)端接配置。射頻開(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)為是反射打開(kāi)或反射短(有時(shí)稱(chēng)為吸收性)設(shè)備。反射開(kāi)開(kāi)關(guān)并沒(méi)有有關(guān)的開(kāi)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(fù)載。與此相反，在反射短路開(kāi)關(guān)的配置有50Ω終端路徑(分流器)接地所以在信號(hào)線沒(méi)有反射，因此有一個(gè)低駐波(vertical-駐波比)，無(wú)論開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。許多交換機(jī)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(gè)基本的GaAs SPDT開(kāi)關(guān)，(圖2)，通過(guò)3 GHz的操作為直流指定，定位于蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，無(wú)線局域網(wǎng)，汽車(chē)設(shè)計(jì)和測(cè)試設(shè)備。其特點(diǎn)是+65 dBm的0.25分貝典型損耗和輸入IP3，并且被設(shè)計(jì)在其港口反射短褲當(dāng)“關(guān)”。它是由CMOS / TTL信號(hào)(0 / + 3 V至0 / + 8V)控制的并裝在一個(gè)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(qū)動(dòng)器來(lái)操作的信號(hào)路徑控制引腳。對(duì)于較高頻率的覆蓋范圍，但沒(méi)有DC性能，從Skywork解決方案的反射短SKY13350-385LF砷化鎵SPDT開(kāi)關(guān)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(cè)量3 GHz的典型插入損耗。它可以處理高達(dá)32 dBm的功率為45 ns的10/90%的開(kāi)關(guān)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(duì)輸出功率的范圍內(nèi)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(gè)供電電壓和功率等級(jí)從思佳的SKY13350-385LF的變化。的量進(jìn)入更高的頻率的設(shè)計(jì)中，M / A-COM MASW-002103-1363 SPDT開(kāi)關(guān)是從50兆赫指定到20GHz，并且是可使用的高達(dá)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(kāi)關(guān)增大的插入損耗;在這里，M / A-COM MASW-002103-1363 SPDT開(kāi)關(guān)損耗顯示剛超過(guò)直流到26 GHz的。而大多數(shù)RF開(kāi)關(guān)采用砷化鎵或CMOS技術(shù)，Peregrine半導(dǎo)體采用了專(zhuān)有的UltraCMOS工藝(硅絕緣體(SOI)技術(shù)在藍(lán)寶石襯底專(zhuān)利的變體)提供他們聲稱(chēng)是砷化鎵與經(jīng)濟(jì)一體化的表現(xiàn)傳統(tǒng)CMOS。其PE42520MLBA-Z吸收的RF開(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)用于測(cè)試/ ATE和無(wú)線應(yīng)用。它具有9 kHz的頻率范圍內(nèi)，通過(guò)13千兆赫與36 dBm的連續(xù)波(CW)和38 dBm的瞬時(shí)功率@ 8 GHz的50Ω的功率處理等級(jí)。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(shí)隔離是45，31和18 dB的那些相同頻率點(diǎn)。如同所有的RF開(kāi)關(guān)，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(kāi)關(guān)參數(shù)，也是溫度的函數(shù);對(duì)于Peregrine半導(dǎo)體PE42520MLBA-Z SPDT開(kāi)關(guān)，它會(huì)增加約0.5dB從-40℃到+ 85℃。

概要

復(fù)雜的信號(hào)鏈的前端可以很容易地具有天線和處理器之間開(kāi)關(guān)的雙位數(shù)字，以支持多個(gè)頻帶，功能和應(yīng)用的需求。而RF開(kāi)關(guān)的功能類(lèi)似的DC或電源開(kāi)關(guān)，內(nèi)部設(shè)計(jì)和感興趣的規(guī)格有很大的不同。每RF開(kāi)關(guān)平衡各種性能特征和權(quán)衡(以及成本問(wèn)題)，開(kāi)頭的作業(yè)的頻率范圍，然后再繼續(xù)插入損耗，功率等級(jí)，隔離和開(kāi)關(guān)速度，等等。設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)看看典型的規(guī)范以及最大/最小值，同時(shí)也考察不可避免的性能變化與電源，溫度和功率水平。