CMOS高線性度非對稱式SPDT開關的設計

王濤 周明珠 王博威

摘 要：介紹了一種具有高線性度非對稱式單刀雙擲開關，本電路在傳統(tǒng)對稱式電路結構的基礎上進行優(yōu)化，對稱式結構的其中一條支路上增加可變阻抗模塊，這種非對稱式結構可以滿足開關在發(fā)射模式下對高功率處理容量的要求。該非對稱式工作在15GHz時，在發(fā)射模式下，插入損耗為1.9dB，隔離度為18dB，輸入1dB壓縮點為26dBm，回波損耗S11、S22分別為-21dB和-18dB；在接收模式下，插入損耗為1.4dB，隔離度為21dB，輸出1dB壓縮點為7.6dBm，回波損耗S11、S22分別為-28 dB和-18dB。

關鍵詞：CMOS；高功率增益；兩路對稱；功分器

文獻標識碼：A

性能優(yōu)良的信號收發(fā)系統(tǒng)對無線通信系統(tǒng)起著極其重要的作用。收發(fā)系統(tǒng)中射頻集成電路前端模塊是研究的重點之一，開關則是該模塊其中重要的組件之一。開關屬于控制元件，常常用于信號發(fā)射/接收（T/R）、收發(fā)鏈路切換、波段選擇等場景，在每一個無線應用產品中，如智能電話、WLAN、穿戴設備、WIMAX等都離不開開關的使用。收發(fā)開關在發(fā)射和接收這兩個路徑中扮演著一個橋梁的角色，有選擇性的通過開關將發(fā)射機、接收機與天線連接，能夠避免發(fā)射路徑與接收路徑的之間的信號干擾。

1 對稱式與非對稱電路結構

當開關工作在發(fā)射模式時，由于信號功率較大，則需要盡量減小接收支路受到大的電壓擺幅影響，特別是在天線端口失配的情況下。因此發(fā)射支路與接收支路的隔離度顯得尤為重要。[1]

如圖1所示，在對稱式串并聯(lián)SPDT開關結構中，其隔離度主要通過關斷M3和導通M4實現(xiàn)的，在低頻時能獲得不錯的隔離度，但是在高頻時電容阻抗降低而導致隔離度惡化。

如圖1所示，對于非對稱SPDT開關而言其隔離度主要由可變阻抗模塊決定，在實際電路中使用的是LC諧振回路實現(xiàn)，通過并聯(lián)晶體管的導通與關斷控制LC串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的切換以實現(xiàn)阻抗變換，當RX支路處于并聯(lián)諧振時則與天線獲得良好的匹配，ω=（LC）0.5，其中ω為工作頻率。

圖2為對稱式串并聯(lián)開關與非對稱串并聯(lián)開關在分別在天線端口開路和50歐姆時隔離度的對比圖，仿真中兩個串聯(lián)晶體管和并聯(lián)晶體管的柵寬180μm（60×3μm）和80μm（20×4μm），非對稱SPDT中的阻抗模塊由600Ω的電阻等效。由仿真圖可看出非對稱串并聯(lián)SPDT開關由于阻抗的模塊存在，其隔離度性能是優(yōu)于對稱式串并聯(lián)電路的。[4]

2 非對稱式SPDT的設計

電路的設計思路是在串并聯(lián)的SPDT開關的基礎上，尋找一種在不同控制狀態(tài)下表現(xiàn)出不同阻抗的模塊，在高阻抗時能增加開關的隔離度，在低阻抗時有較低的插入損耗，并且能有較好的匹配特征。[2]

如圖3是電路的完整原理圖，可變阻抗模塊由LC諧振網(wǎng)絡實現(xiàn)，在晶體管導通/關閉狀態(tài)下體現(xiàn)不同阻抗狀態(tài)。當開關工作在TX模式下時，VC=1，M1管導通，信號經發(fā)射支路從天線發(fā)射出去，由于此時M2管導通，L1與C1構成并聯(lián)網(wǎng)絡，在諧振狀態(tài)下LC網(wǎng)絡阻抗由電感Q值決定，可達幾百歐姆到幾千歐姆，阻礙發(fā)射支路信號流入RX支路，因此提高了TX到RX的隔離度；當開關工作在RX模式時，VC=0，M2截止，L1與C2構成串聯(lián)網(wǎng)絡，在諧振頻率時阻抗由電感Q值決定，通常只有幾歐姆，因此有較好的插入損耗。[3]

由于RX支路上有LC諧振網(wǎng)絡的存在，可以防止TX支路泄露到RX支路上的大功率信號過高的電壓擺幅瞬間將M2管子打開，而導致插入損耗增加和功率處理容量下降。由于TX支路上沒有大阻抗來避免這種情況，因此RX模式的線性度作了一定的犧牲，不過由于RX模式下，RX支路上的MOS管被“懸浮”，因此具有較優(yōu)的噪聲性能，符合RX模式下的實際工作條件。

3 版圖和仿真結果

如圖4 所示為本電路的版圖設計，右邊從上至下分別是深N阱的偏置電壓VDNW、P阱的偏置電壓VPW、GND、以及控制電壓VC和VC，下方從左至右分別TX、ANT以及RX端口，射頻端口均采用GSG，面積僅為280μm×180μm，因此本電路相對于采用阻抗匹配的SPDT開關相比，版圖面積優(yōu)勢明顯。

如圖5和圖6分別為開關分別工作在RX和TX模式的仿真結果，可以看出在RX模式下，S11和S22分別為-28dB和-18dB，插入損耗和隔離度分別為1.4dB和21dB，并且輸出P1dB為7.6dBm。在TX模式下，S11和S22分別為-21dB和-19dB，插入損耗和隔離度分別為1.9dB和18dB，并且輸入P1dB為21dBm，因此本電路符合設計要求。

從圖5可以看出，當工作在RX模式下S11和S21要優(yōu)于工TX模式下，這是因為當開關在RX模式下，RX支路上由于M2管關斷，C1電容回路斷開，因此L1與C2構成LC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡，因此在諧振頻率下RX支路上獲得了較好的匹配特性和較小的插入損耗。另一方面，從表中可以觀察到，在TX模式下1dB壓縮要遠高于RX模式。當開關工作在TX模式下，由于M2管被導通，L1與C1構成并聯(lián)諧振回路，當回路工作在諧振頻率時，阻抗非常大，阻礙TX支路上的功率信號流入RX支路，因此TX支路上的功率處理容量得到了極大的增強。不過由于當電路處于RX工作模式時，TX支路上并沒有大阻抗，因此RX模式下線性度較低，但通常RX支路接收到的信號功率小。

4 結論

本章介紹了一種工作在15GHz頻率能獲得較高線性度和隔離度的T/R開關。分析了對稱開關拓撲和非對稱開關拓撲之間的性能比較，以及在實際收發(fā)機中TX支路與RX支路上要求的性能不對稱，不對稱拓撲結構有利于發(fā)射支路獲得高功率處理容量。本文還使用了對柵極、PW與DNW以及漏、源偏置的交流懸浮技術進一步減少了襯底負載效應和進一步提高晶體管的功率處理容量。

參考文獻：

[1]Wang C.Design of High Power CMOS Microwave Switch[J].2011：12-16.

[2]Jin Y，Nguyen C.High power and linearity CMOS RFIC transmit-receive switch for ultra-Wideband radar and communication systems[C].Radar Symposium，2008 International.IEEE，2008：1-2.

[3]Zhai C，Cheng K K M.Dual-Mode CMOS RF Power Amplifier Design Using a Novel Reconfigurable Single-Switch Single-Inductor Balun[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，PP（99）：1-10.

[4]Jin Y，Nguyen C.Ultra-Compact High-Linearity High-Power Fully Integrated DC–20-GHz 0.18-μm CMOS T/R Switch[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2007，55（1）：30-36.