CMOS RFIC开关浅析(图)

CMOS RFIC开关浅析 
简洁而廉价，最新的2.5GHz CMOS开关向GaAs开关提出了挑战  
  

California Eastern Laboratories JOE GRIMM  
---CMOS开关已经引起了从事RF设计的工程师们的关注，其中的原因是多方面的。首先，CMOS开关价格低廉，同时其结构简洁并且没有双电压控制的问题，不像其他技术那样需要复杂的外部电路。 
---但是，CMOS开关的某些局限性限制了它们的应用范围。相比GaAs器件而言，CMOS开关的P1dB功率处理性能较低。而且到目前为止，它们仅限于频率低于1GHz的应用。 
---但是CMOS工艺技术的进步[例如NEC的SOI（silicon-on-insulator，绝缘体上硅）工艺]几乎将这类器件的FT参数翻了一番。SOI工艺取消了衬底上的源漏耗尽区，从而减小了电容。 
---PMOS和NMOS器件仍然紧靠在一起放置，以提高设计密度并减小金属电容。这样就得到了较高的速度和较低的功耗，并且具备能够与其他2.5GHz技术相媲美的介入损耗、隔离和开关速度等性能指标。 

早期的RF开关 
 ---最初的RF开关是PIN二极管结构的，它采用大量的离散器件对RF信号进行开关控制（所示）。典型的SPDT应用需要一对PIN二极管、两个解耦电容、三个偏压电感、三个直流锁定电容，再加上一个外部驱动器用于控制开关速度。 
---尽管PIN二极管开关并不是一种简洁而紧凑的解决方案，但是这种开关也具有一定的优势。它们具有较高的线性工作特征，并且能够处理高输入功率。 
---PIN二极管还可以调节到高频范围。为改善隔离特性，我们可以将两个或多个二极管串联起来，但同时会引起介入损耗的增大。 
---PIN二极管本质上还属于电流控制的电阻器。为减少介入损耗，它们需要采用大量的直流电源以降低I（本征）区内的电阻率。这显然会影响电池寿命。这种特点，再加上PIN二极管方案需要大量器件，使得这种技术很难应用于便携手持式产品。  
GaAs开关——目前的新宠 
---由于GaAs开关相比PIN二极管开关具有直流功耗较低、尺寸较小、结构相对简洁的特点，因此这种器件被广泛应用于宽频应用领域。它们可以应用在从50MHz到6GHz的宽频率范围内，许多厂商都能够供货，封装形式也十分多样。 
 ---GaAs开关基本上是电压控制的电阻器，在工作时一般需要两个互补的控制电压。当加上这些电压后，其内部的晶体管阵列就类似低阻或高阻的电阻器，进行开关操作。但是它本身也有问题：GaAs开关无法使用正的低压电源。 
---通常人们在使用这种开关时要在其输入和输出端放置直流锁定电容（所示）。尽管采用这些附加器件后能够使这种开关受控于正的控制电压，但是这样一来就限制了它的带宽并增大了介入损耗，而且增大了投入。 

CMOS——挑战者 
---CMOS器件能够得到RF产品设计者的青睐有很多原因，其中首要的也是最重要的原因就是其价格低廉。CMOS工艺的成本本身就比GaAs工艺要低，因此CMOS器件的价格也比较低廉。 
---CMOS工艺能够将驱动器和控制电路与开关集成在同一个管芯上，通过一个控制引脚来工作。这就简化了设计过程，并减少了器件数量。 
---与GaAs开关不同的是，CMOS开关仅仅使用一个正的控制电压，不需要直流锁定电容。这样进一步减少了器件数量，缩减了整体尺寸，降低了制造成本，同时还解决了采用锁定电容而导致的带宽缩小、介入损耗增多、噪声增大等问题。 
---CMOS还具有极低的功耗特性，再加上它的尺寸较小，不需要额外的外部器件，使它们成为小型便携式电池供电设计的理想选择。 
---目前，CMOS开关的频率范围和功率处理能力在一定程度上限制了它们的应用。随着新型CMOS器件（例如NEC的UPD5710TK）的推出，其应用范围迅速扩大。 
---UPD5710TK能够工作在直流到2.5GHz的频率范围内，是移动通信手机、机顶盒、仪表和其他一些RF应用的理想选择。它的出现开创了新一代低成本、高频率、高性能CMOS开关的新纪元。