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半导体RF开关:麻雀虽小业绩优良的电路元件

更新时间:2019-06-06

  RF开关被用来从多个可用的来源中选择所需的信号,或者将一条信号到所希望的信道,在诸如分集式天线系统,雷达,以及测试和测量设置。开关(有时称为继电器)在使用的机电(EM)设计类似于非RF开关建立,但这些现已所取代开关集成电路,除了在更高的应用中,集成电路是不够的,以及一些非常特殊情况下,或在交换机需要多极(触点)。也有基于MEMS技术的射频开关,从而复制机电设计,但使用的IC制造技术。本文重点介绍基于IC的固态开关,它以一个SPDT(单刀/双掷)结构(图1),通常建有FET和PIN二极管作为其核心开关元件。

  图1:一个单刀双掷射频开关概念简单,具有控制信号,使开关,发送输入到任意两个可能输出中的一个。 (Skyworks的解的提供),这些是其限定RF开关性能的许多参数,并且最必须的特征在于相对于电源电压,温度,频率,功率电平,以及其他因素。有些是在给定的应用特别重要,而其他人可能不一样重要。注意,大多数的RF开关被设计为50的操作,但一些被设计用于有线标准。鉴于高频率,在这些开关的工作,许多供应商现在提供的S参数和史密斯圆图作为配件为他们的数据表规格(背景中的技术展区文章“史密斯圆图:一个”古老“的图形化工具在RF设计依然重要“),以帮助工程师确定总体信号路径性能,匹配元件的阻抗的损失降到最低,并模拟系统的性能。其中工程师必须检查的第一个参数是开关的频率覆盖范围。例如,一个交换机的性能可能完全从1至5千兆赫,或3至10千兆赫,或指定只是在有限的频带,如2.4GHz的无线网络连接的频带(虽然开关将工作在较小的,而不是保证的的范围外的程度)。由于底层的半导体物理的基础上,PIN二极管射频开关往往具有较低的频率性能的降低,而基于FET器件最低可以非常低的频率,甚至直流。功率处理是下一个关键因素。但是,它不只是交换机可以多少功率处理失败过,但如何执行它在不同的功率电平。今天的复杂的调制方案和较高的平均到最大信号功率的比率意味着开关必须提供充分的性能在线性,相邻信道泄漏比(ACLR),失真,第三阶互调产物(IP3),以及在带误差矢量幅度(EVM)在感兴趣的功率电平。开关速度,这是不相关的频率范围内,也就是在某些应用中很重要的。虽然定义厂商各不相同,对导通时间的最常见的定义是时间开关RF输出开关“位置”开始后的变化,以达到90%的终值;关断时间是时间减少到最终值的10%。 IC开关具有微秒甚至纳秒级的导通/截止时间(比较EM开关,这是在毫秒范围内)。密切相关的开关速度,并且在许多应用更重要,是稳定时间,当RF输出稳定到小于0.1 dB或最终值的偶数0.05 dB的,因为该电路不能在信号采取行动,直到它已经到达非常接近到了最后,正确的阀门在许多应用中。插入损耗限定在信号通路中的衰减。所有集成电路开关诱导信号他们路由在一些损失,由于在沟道电阻,除了他们的导通电阻的负载阻抗和相关联的信号的反射,并通过泄漏内部电容。插入损耗是通常在0.5和2分贝,供应商可以根据内部电阻和电容,以尽量减少在规定的工作频带内的损耗,以降低插入损耗的该带外的成本。隔离规范定义了开关的RF信号到断开(或脱离)的传输抛出。再次,开关设计师可以设计的拓扑结构杠杆器件物理,哪些收益权衡隔离在不同的频率。因此,一个宽带交换机可以具有80分离或甚至90 dB的在较低的频率,但只有3040分贝更高的频率。视频馈通表征其出现在开关输出当开关信号的变化的路径,即使有当时没有信号电压瞬变。它是在高增益放大器的AGC(自动增益控制),它的目的是有意降低其增益响应于增加的信号电平设计的重要。驱动和功耗指示什么样的和多少电子信号需要管理的开关控制线,以及多少功率开关本身 - 作为有源器件,不同于直流开关 - ,即使它并没有改变它的路由路径。 (请注意,电磁开关具有相对高的功率需求进行切换时,但是零耗散一旦接通,因为它们是无源器件。)所有开关有可靠性问题。由于没有移动部件,IC开关可以操作“无限期”(亿万周期),如果他们的额定值范围内使用,而一个电磁开关可以只有几百万次指定的设备。升高的温带和热循环,但是,可以降低IC开关的使用寿命,并且开关可通过过量施加的功率或ESD事件损坏。最后,还有一个开关端接配置。射频开关被设计为是反射打开或反射短(有时称为吸收性)设备。反射开开关并没有有关的开放连接的分路路径到系统接地,因此减小了未使用的端口上的负载。与此相反,在反射短路开关的配置有50终端路径(分流器)接地所以在信号线没有反射,因此有一个低驻波(vertical-驻波比),无论开关的状态。许多交换机都在两种格式,但用其他方式几乎相同的规格。

  赫人Microwave公司(现在的模拟器件的一部分,公司)HCM545是一个基本的GaAs SPDT开关,(图2),通过3 GHz的操作为直流指定,定位于蜂窝基础设施,无线局域网,汽车设计和测试设备。其特点是+65 dBm的0.25分贝典型损耗和输入IP3,并且被设计在其港口反射短裤当“关”。它是由CMOS / TTL信号(0 / + 3 V至0 / + 8V)控制的并装在一个小的,6引线塑料包装。

  图2:赫HCM545使用一种基本74C系列CMOS驱动器来操作的信号路径控制引脚。对于较高频率的覆盖范围,但没有DC性能,从Skywork解决方案的反射短SKY13350-385LF砷化镓SPDT开关占地面积0.01到6.0 GHz的,0.35 dB和25分贝典型的隔离,既测量3 GHz的典型插入损耗。它可以处理高达32 dBm的功率为45 ns的10/90%的开关速度。作为与几乎所有RF元件,性能是电源电压的功能;图3显示了EVM对输出功率的范围内的电源电压,在所述的IEEE 802.11a 5.2到5.8GHz频带。

  图3:几乎所有的有源RF部件是敏感的电源电压,温度,和功率电平;这里的EVM与两个供电电压和功率等级从思佳的SKY13350-385LF的变化。的量进入更高的频率的设计中,M / A-COM MASW-002103-1363 SPDT开关是从50兆赫指定到20GHz,并且是可使用的高达26千兆赫;功率处理能力为38 dBm的。插入损耗,(图4),大约是0.4分贝的范围的低端,增大到1.0 dB的在20千兆赫和1.6分贝25千兆赫。

  图4:与增加的频率的开关增大的插入损耗;在这里,M / A-COM MASW-002103-1363 SPDT开关损耗显示刚超过直流到26 GHz的。而大多数RF开关采用砷化镓或CMOS技术,Peregrine半导体采用了专有的UltraCMOS工艺(硅绝缘体(SOI)技术在蓝宝石衬底专利的变体)提供他们声称是砷化镓与经济一体化的表现传统CMOS。其PE42520MLBA-Z吸收的RF开关被设计用于测试/ ATE和无线 kHz的频率范围内,通过13千兆赫与36 dBm的连续波(CW)和38 dBm的瞬时功率@ 8 GHz的50的功率处理等级。插入损耗是0.8,0.9和2.0分贝3,10和13千兆赫,分别,同时隔离是45,31和18 dB的那些相同频率点。如同所有的RF开关,插入损耗也温度(图5)的功能。

  图5:插入损耗,如同大多数其他开关参数,也是温度的函数;对于Peregrine半导体PE42520MLBA-Z SPDT开关,它会增加约0.5dB从-40℃到+ 85℃。

  复杂的信号链的前端可以很容易地具有天线和处理器之间开关的双位数字,以支持多个频带,功能和应用的需求。而RF开关的功能类似的DC或电源开关,内部设计和感兴趣的规格有很大的不同。每RF开关平衡各种性能特征和权衡(以及成本问题),开头的作业的频率范围,然后再继续插入损耗,功率等级,隔离和开关速度,等等。设计人员必须仔细看看典型的规范以及最大/最小值,同时也考察不可避免的性能变化与电源,温度和功率水平。