移動終端設備的射頻前端模塊(FEM)中射頻開關處于關鍵位置且必不可少。射頻開關的性能諸如插損、回損、隔離度、諧波抑制和功率容量等性能對射頻前端鏈路的影響至關重要。
基本的串聯、并聯和FET開關可以簡單圖示,PIN二極管和肖特基(Schottky)二極管都可以用作開關。通過改變二極管的正反偏置條件可以實現二極管開關電路的切換。一方面,PIN二極管的Ron和Coff可以做的很小,便于實現很好的開關特性,但是,PIN二極管的偏置電源電壓需要通過低通濾波器直接施加到RF信號端,PIN的集成也非常昂貴。相較于二極管,FET是三端口器件,不需要通過低通濾波器就可以將控制電壓與信號路徑隔離,可以將FET器件的源極和漏極之間用作開關,將控制電壓加到柵極。開關的主要指標有插入損耗和隔離度等。
在時分多址系統中,射頻開關用作切換天線到功放(上行)或者低噪放到天線(下行)通路。開關的插入損耗會增大接收通路的噪聲系數,降低發射通路的功率附加效率。因此降低開關的插入損耗至關重要,此外,由于開關的上行鏈路需要通過較大的射頻信號,一般還需要關注開關的P1dB和IIP3等線性指標。
當FET開關關斷時,開關的輸出阻抗可以由Csw=Cdb + Cds + Cgd 并聯一個大電阻表示。為了最大程度地提高高頻下的截止阻抗,通常將一個電感與FET并聯放置,以使其與輸出電容Csw產生諧振,如下圖并聯系列天線開關所示。
我們注意到,與二極管開關不同,后者在導通時消耗偏置電流,而FET開關在“導通”或“截止”狀態下均不消耗電流。但是,必須為開關中使用的FET的漏極和源極提供直流路徑,以使其正常工作。如果不需要快速開關,通常會在柵極上串聯幾個kΩ的電阻,以減小漏極與地之間的電容。這種方案使柵極-漏極和柵極-源極電容串聯出現,從而減少了輸出電容的柵極-漏極分量,并改善了隔離和插入損耗。
與SOI,藍寶石硅(SOS)和III-V FET材料不同,硅MOSFET具有較大的漏極和源極電容,因此需要將開關放置在隔離的深n阱中并增加一個大電阻(一般為kΩ級)與襯底串聯可以進一步減少損耗并改善隔離度,如下圖所示。在所有FET開關中,可以通過垂直堆疊晶體管來提高線性度,但是會增大損耗。
需要特別說明的是,目前射頻開關設計采用的主要工藝是SOI和pHEMT。SOI是一種具有獨特的Si/ 絕緣層/Si三層結構的新型硅基半導體材料。它通過絕緣埋層( 通常為SiO2) 實現了器件和襯底的全介質隔離,在器件性能上具有以下優點:
- 減小了寄生電容, 提高了運行速度。與體硅材料相比,SOI 器件的運行速度提高了20- 35%。
- 具有更低的功耗。由于減小了寄生電容, 降低了漏電, SOI 器件功耗可減小35- 70%。
- 消除了閂鎖效應。
- 抑制了襯底的脈沖電流干擾, 減少了錯誤的發生。
- 與現有硅工藝兼容, 可減少13- 20%的工序。
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