集成CMOS對稱式收/發(fā)開關(guān)的設(shè)計
TD-SCDMA使用的是時分雙工方式(TDD)。對于TDD通信系統(tǒng)來說，高質(zhì)量的收/發(fā)開關(guān)是RF前端電路的關(guān)鍵模塊。為了提高集成度，收/發(fā)開關(guān)可以采用全集成的形式來取代傳統(tǒng)的GaAs MOSFET和PIN二極管等分立元件。
使用CMOS收/發(fā)開關(guān)取代GaAs MOSFET收/發(fā)開關(guān)的好處之一是CMOS開關(guān)電路不需要負(fù)的控制電壓。而且，如果能用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來完成，開關(guān)電路就可以和收發(fā)器中其它RF模塊集成在一起，這將降低成本。
TD-SCDMA系統(tǒng)規(guī)劃使用的頻段主要為1900MHz-1920MHz和2010MHz-2025MHz。本文采用TSMC 0.35m CMOS工藝來制作射頻收/發(fā)開關(guān)。通過優(yōu)化設(shè)計，該開關(guān)電路在2GHz處取得了較好的仿真結(jié)果。
圖1 對稱式收/發(fā)開關(guān)電路示意圖
圖2 MOSFET導(dǎo)通時的等效電路圖
圖3 開關(guān)截止一側(cè)的小信號等效電路
(a) 插入損耗
(b) 隔離度
優(yōu)化設(shè)計
圖1是對稱式串并結(jié)構(gòu)NMOS射頻開關(guān)的電路示意圖。串聯(lián)的晶體管M1和M2完成主要的開關(guān)功能。并聯(lián)的晶體管M3和M4通過將截止晶體管一側(cè)的射頻信號導(dǎo)通到地來提高開關(guān)電路的隔離度?？刂齐妷篤ctrl 和用于控制晶體管M1和M2的開與合。當(dāng)Vctrl為高電平時，M1導(dǎo)通，M2截止，開關(guān)處于發(fā)射狀態(tài)；當(dāng)為高電平時，M1截止，M2導(dǎo)通，開關(guān)處于接收狀態(tài)。該開關(guān)電路還包括旁通電容C1和C2，它們提供了開關(guān)電路中TX和RX端口的直流偏置。MOS管柵極上的偏置電阻R1、R2、R3和R4的作用是提高隔離度和線性度。本設(shè)計中，串聯(lián)MOS管柵寬取200m，并聯(lián)MOS管的柵寬取100m，旁通電容C1和C2取5pF，柵極偏置電阻R1、R2、 R3和R4均取10K。
射頻收/發(fā)開關(guān)的重要性能指標(biāo)為：插入損耗(IL)、隔離度(Isolation)和線性度(通常用1dB壓縮點(diǎn)P1dB來表示)。其中插入損耗是設(shè)計的重點(diǎn)。
插入損耗
插入損耗表示當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時射頻信號通過射頻開關(guān)的功耗。
管子的導(dǎo)通電阻是影響插入損耗的關(guān)鍵因素之一。因此，在本設(shè)計中只使用nMOSFET。由于硅襯底的導(dǎo)電特性，管子的漏極和源極對襯底的結(jié)電容及相關(guān)的寄生電容也是影響插入損耗的主要因素。
為了簡化，只分析包含單個MOS管的電路，圖2為其導(dǎo)通時的等效電路圖。在這個分析中，假設(shè)管子偏置在線性區(qū)。圖2中，Vrf、Rs分別為等效信號源及源內(nèi)阻，Ron為MOS管的導(dǎo)通電阻，Rb為其襯底電阻，Rl為負(fù)載電阻，Ct是其等效電容(虛線部分)，其等效式為：
如果負(fù)載端和源端都與特征阻抗(Z0)匹配，則插入損耗可以用正向傳輸系數(shù)的幅度平方(|S21|2)的倒數(shù)來表示。
由該表達(dá)式可以看出，導(dǎo)通電阻Ron越大，插入損耗越大；寄生耦合電容Ct越大，插入損耗越小；襯底電阻對插入損耗的影響并不呈簡單的線性關(guān)系。實(shí)際上，有一個使插入損耗最大的襯底電阻Rb(max)
因此，用CMOS技術(shù)制作的RF開關(guān)電路要獲得較低的插入損耗，就要注意避免襯底電阻接近Rb(max)。然而，如果不對襯底電阻做特殊處理，這個值基本上屬于RF開關(guān)電路中晶體管的Rb值的典型范圍。對于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，取得較大的襯底電阻是不容易做到的，因此，降低襯底電阻是更好的方案。在版圖設(shè)計中，可通過增加襯底接觸來減小襯底電阻，從而達(dá)到進(jìn)一步減小插入損耗的目的。
IL還可以用管子的柵寬(W)來表示，如(3)式。
一般來說，對于給定的工藝和版圖類型，Rbo、Cto和Rono可以被認(rèn)為是固定的。所以柵寬的大小對插入損耗起著重要的影響：隨著柵寬的增大，導(dǎo)通電阻 Ron減小，從而使插入損耗減小；如果柵寬繼續(xù)增大，通過電容Ct耦合到襯底的信號也會增大，則插入損耗會隨著柵寬的增大而增大。所以，在仿真中需要確定最佳柵寬。
取并臂M3和M4的柵寬(WM3和WM4)接近WM1的一半。仿真結(jié)果表明，當(dāng)WM1和WM2取200m且WM3和WM4取100m時，插入損耗最小。
另外，在MOS管的柵極增加電阻R的阻值也可降低插入損耗。仿真顯示，隨著柵極電阻的增大，插入損耗減小，但增加到10K以后，插入損耗減小的幅度就很小了，所以考慮到版圖面積，取柵極電阻的阻值為10K。
隔離度
截止?fàn)顟B(tài)下，開關(guān)的小信號等效電路如圖3所示。
圖3中，Ron表示并聯(lián)MOS管的導(dǎo)通電阻，Coff表示串聯(lián)MOS管在截止?fàn)顟B(tài)下的漏/源極間電容。
依據(jù)S與Z參數(shù)之間的變換公式，可得到發(fā)射端(TX)和天線端(ANT)間的隔離度表達(dá)式：
(4) 式表明，通過使并聯(lián)的MOS管的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于信號源的特征阻抗，使得從串聯(lián)的、處于截止?fàn)顟B(tài)的MOS管泄漏出來的信號，可以通過并聯(lián)的MOS管導(dǎo)通到地，而不是泄漏到發(fā)送端，從而大大提高了隔離度。從仿真的結(jié)果看，加上并聯(lián)MOS管后，可以將隔離度提高10dB以上，而由此帶來的插入損耗的惡化卻可以忽略。此外，增加并聯(lián)MOS管的柵寬，也可以提高隔離度，但同時也會降低插入損耗和線性度，所以不宜取較大的柵寬。在本設(shè)計中，柵寬取為100m。
線性度
線性度，即功率處理能力，通常用P1dB來表示。CMOS開關(guān)的線性度通常受到以下兩種情況的制約：1.應(yīng)截止的MOS管發(fā)生了導(dǎo)通，對于M3管，這種情況最嚴(yán)重；2. MOS管柵極電介質(zhì)性能不夠穩(wěn)定。
為了提高開關(guān)的線性度，本設(shè)計采用了兩種措施：1)在MOS管的漏、源極兩端都加上直流偏置電壓；2)給4個MOS管都加上柵極電阻R。
從仿真的結(jié)果看，增加?xùn)艠O電阻可以使線性度改善5dB左右。
仿真結(jié)果
采用Cadence Spectre / Spectre RF仿真器進(jìn)行仿真。在仿真過程中，分別對MOS管的柵寬和柵極電阻的阻值進(jìn)行了優(yōu)化選取，并確定了偏置電壓和偏置電容。最終確定串聯(lián)MOS管M1和M2 的柵寬取200m，并聯(lián)MOS管M3和M4的柵寬取100m，柵極電阻R取10K，偏置電容C1和C2取5pF。仿真結(jié)果如圖4所示。
結(jié)語
本文分析了影響對稱式射頻收/發(fā)開關(guān)性能的因素，包括柵寬、導(dǎo)通電阻、襯底電阻、柵極電阻等。采用TSMC 0.35m CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計和仿真，獲得了插入損耗為1.0 dB、隔離度46.3 dB和1 dB壓縮點(diǎn)12.8 dBm的電路。該射頻收/發(fā)開關(guān)可以與應(yīng)用于TD-SCDMA的全集成CMOS收發(fā)器集成在一起，構(gòu)成集成度更高、價格更低的收發(fā)器。
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