CMOS开关在低功耗,宽带应用中提供高性能

CMOS开关的性能已经提高到它们已经打破了1-GHz的屏障,现在能够与GaAs开关竞争。
高性能RF开关是现代无线通信系统中所需的关键构建模块。对于高频应用,例如移相器,可切换滤波器,雷达系统的发射器和接收器,从大型装置到防撞雷达,人们都非常关注具有低插入损耗,端口间隔离度高,低失真和低电流消耗的开关。从基站到手机的汽车和通信系统。
传统上,只有少数工艺可用于开发良好的宽带/ RF开关。砷化镓(GaAs)FET,PIN二极管和机电继电器已占据市场主导地位,但标准CMOS正在崭露头角。
GaAs因其低导通电阻,低电容和高频线性而受到欢迎。随着CMOS工艺几何尺寸不断缩小,CMOS开关的性能已经提高到可以突破1 GHz的阻抗,现在能够与GaAs开关竞争。CMOS开关旨在最大限度地提高带宽,同时保持低成本,是低成本,低功耗应用中昂贵的GaAs开关的替代品。
本文介绍了与宽带交换机相关的关键规范,用于宽带交换的传统方法以及CMOS交换机技术的优势。它还展示了新型CMOS开关在低功耗,高频应用中如何能够胜过GaAs开关。这应该说服您,CMOS宽带开关是电缆调制解调器,MRI扫描仪,xDSL调制解调器,下一代无绳电话以及航空工业中需要工作频率高达1 GHz甚至更高的应用的理想解决方案。

宽带交换机基础知识

宽带开关旨在满足高达1 GHz及更高​​频率的设备传输需求。为这些类型的应用选择器件完全取决于它们在频率上的执行方式。描述RF开关性能有两种重要方式:闭合状态下的插入损耗和开路状态下的隔离。
插入损耗是开关打开时开关输入和输出端口之间的衰减。低插入损耗对于需要较低总噪声系数的系统至关重要。由于开关是信号路径中的第一个组件之一,因此最小可接收信号非常重要。图1显示了插入损耗与频率的典型曲线ADG919。
 
 
 
图1
图1. ADG919的插入损耗与频率的关系。
该图显示插入损耗小于0.5 dB至100 MHz,1 dB时为0.8 dB,2 GHz时为1.5 dB。这与许多GaAs开关相当,典型值在1 GHz时介于0.7 dB至1 dB之间。
断开隔离定义为开关关闭时开关输入和输出端口之间的衰减。图2显示了断开隔离与频率的典型图。对于大多数宽带切换要求高隔离,并且通常是确定部件是否适合特定应用的关键规范。
 
 
 
图2
图2. ADG919的关断隔离与频率的关系。
该图表明,开关隔离优于70 dB至约80 MHz,1 GHz时为37 dB,2 GHz时约为20 dB。这种关断隔离规范的性能比许多GaAs开关高出约10 dB /十倍。1 GHz时的典型GaAs开关值介于25和40 dB之间。1 GHz时30 dB的通道间隔离可确保通道之间的串扰最小。
另外两个重要的RF开关规格与开关可以处理的功率水平有关。第一个是1 dB压缩点,P 1dB,这是开关插入损耗比其低电平值增加1 dB的RF输入功率电平。P 1dB是开关在扭曲或压缩信号之前可以处理多少功率的量度,因此是RF功率处理能力的度量。接下来,当紧密间隔的音调通过开关时,开关的非线性导致产生假音调。输入三阶交调截点IIP3是这些假音调中的功率的度量,并且与开关引起的失真量直接相关。图3显示了P 1dB压缩点与频率。在这种情况下,1 GHz的P 1dB为17 dBm。该开关在900 MHz时的IIP3为33 dBm,非常适合中等功率,高频应用,包括采用GPS或其他增强功能的蜂窝手机中的IF切换。
 
 
 
图3
图3. ADG901的P 1dB与频率的关系。

传统开关方案:

1.引脚二极管

PIN二极管基本上是无线电和微波频率的电流控制电阻器。PIN二极管通常用于切换RF信号,因为它们在导通时是高度线性的并且表现出非常好的失真特性。通过在P型和N型硅区域之间放置高电阻率本征(I)区域来制造PIN二极管。PIN二极管的电阻值仅由正向偏置的直流电流决定,因此可用于开关功能。当PIN二极管正向偏置时,电子和空穴从P和N区域注入I区域。电子和空穴不会立即重新组合; 相反,存储有限电荷,导致I区的电阻率降低并允许传导。
因此,使用PIN二极管时的第一个缺点是它们需要大量的DC功率以实现低电阻率和低插入损耗。当它们用于便携式设备(例如PDA和手持式仪表)时,这是一个巨大的缺点,因为电池寿命与功耗成正比。当使用单串联或并联连接的PIN二极管时,在较高频率下也难以实现超过30 dB的隔离。为了获得更高的隔离级别,必须以串联 - 分流器组合连接两个或更多个二极管。这具有增加插入损耗的不良效果。
典型的发送/接收(TX / RX)PIN二极管开关原理图如图4所示。它由两个二极管组成,一些隔直电容,一个用于提供直流正向偏置控制信号的电感,以及一些用于创建四分之一的分立元件波线。如果需要切换额外的RF端口,则需要更多串联二极管,这会导致插入损耗增加。在该应用中增加插入损耗的效果是双重的。在TX侧,功率放大器和天线之间丢失的每分贝分数意味着TX信号需要更多放大,从而缩短电池寿命。在RX侧,插入损耗的增加将用于降低接收信号强度,降低整体信噪比(SNR)和接收器灵敏度。
 
 
 
图4
图4.使用PIN二极管的典型TX / RX开关。
PIN二极管的另一个限制是它们需要外部驱动器来控制TX / RX开关的开关速度和可以使用的接口电平。

2. GaAs开关

近年来,GaAs开关由于其低DC功耗(与PIN二极管相比)而在宽带开关市场占据主导地位。GaAs开关由晶体管阵列组成,用作电压控制电阻器。GaAs晶体管是三端器件; 栅极电压(V g)控制其他两个终端之间的电阻。为了增加RF端口之间的隔离,它们可以串联或作为分流器件接地。与PIN二极管不同,串联放置多个晶体管实际上有助于RF功率处理和线性度,对插入损耗几乎没有影响。典型的TX / RX开关原理图如图5所示。这里,晶体管以串联 - 并联配置连接,以获得最佳的插入损耗和隔离性能。这种配置的缺点是MN1 / MN4和MN2 / MN3的互补切换要求高逻辑电平和低逻辑电平同时可用,这增加了控制电路的复杂性并因此增加了成本。
 
 
 
图5
图5.典型的基于晶体管的TX / RX开关原理图。
MMIC GaAs开关可从各种公司获得。全部使用N沟道耗尽型FET作为基本开关器件。这些设备显示的特征如下:
V g = 0 - >开启
V g =负 - >关闭(Pinchoff)
Pinchoff定义为通道变为高阻抗的电压。这通常发生在-3 V的V g,具体取决于所使用的工艺。开关输入端的RF电平可以调制V g因此,随着开关的导通电阻变化,导致失真产物。使用高控制电压将降低这种影响,但仅以产生大约+ 2V至-8V的电压来控制开关。GaAs工艺不提供互补器件,因此需要更多电流才能创建CMOS技术中易于使用的逆变器逻辑功能。GaAs开关的这种固有的责任使它们难以集成到使用正低压电源的大多数现代电子系统中。GaAs开关制造商通过添加与开关的RF引脚串联的隔直电容来解决这个问题。这有效地使管芯相对于DC接地浮动,这允许用正控制电压控制开关。然而,缺点是,因为隔直电容限制了开关可以处理的带宽,因此限制了它们在宽带系统中的使用。电容器本身相对便宜,但额外的印刷电路板面积和制造成本会显着增加整体开关成本。此外,与开关串联的任何组件都会增加插入损耗并对系统SNR产生直接影响。电感或路径长度的任何增加都会降低器件的性能,从而给系统设计者带来了额外的问题和需要克服的问题。但额外的印刷电路板面积和制造成本会显着增加整体开关成本。此外,与开关串联的任何组件都会增加插入损耗并对系统SNR产生直接影响。电感或路径长度的任何增加都会降低器件的性能,从而给系统设计者带来了额外的问题和需要克服的问题。但额外的印刷电路板面积和制造成本会显着增加整体开关成本。此外,与开关串联的任何组件都会增加插入损耗并对系统SNR产生直接影响。电感或路径长度的任何增加都会降低器件的性能,从而给系统设计者带来了额外的问题和需要克服的问题。
如前所述,GaAs开关的控制信号需要从外部源产生。有很多方法可以做到这一点; 最简单和最常见的是增加外部CMOS驱动器IC。这种额外的IC不仅消耗功率,还增加了PC板面积和组装成本。最近,GaAs开关制造商推出了多芯片模块(MCM),它将CMOS / BiCMOS驱动器芯片和GaAs开关芯片封装成一个大型BGA封装。这些MCM工作得很好,但是具有高整体解决方案成本的主要缺点,由两个裸片的单独成本和由于更大封装和裸片互连而增加的组装成本组成。

CMOS到救援

正如摩尔定律[1]预测的那样,标准CMOS工艺几何尺寸不断减小。开放CMOS的市场之一是射频/微波IC领域。随着晶体管长度的减小,CMOS实现了低导通电阻,低关断电容以及高达1 GHz甚至更高的良好线性度。RF开关也是如此,因为现在可以使用具有1 GHz,3 dB带宽的CMOS开关。
与GaAs开关一样,CMOS开关使用NMOS FET,它们基本上用作电压控制电阻。这些设备显示的特征如下:
V gs > V t - >开启
V gs <V t - >关闭
V t定义为阈值电压,高于该阈值电压,在源极和漏极端子之间形成导电沟道。FET可以具有互锁指状布局,以减小源极和漏极之间的寄生电容,从而增加高频隔离。
如前所述,CMOS开关适用于许多低功耗应用。随着频率降低,它们的功率处理能力降低有两个原因:首先,如图6所示的固有NMOS结构由P型衬底中的两个N型材料区域组成,这导致在两者之间形成寄生二极管。 N和P区域。当偏置为0 VDC的AC信号放置在晶体管的源极上,并且Vgs使得晶体管导通时,寄生二极管可以在输入波形的负半周期的某些部分正向偏置。一旦输入正弦波低于约-0.6 V,二极管将开始导通。这将导致输入信号被压缩。在低频时,输入信号的电压低于-0.6 V电平较长时间,1dB)。第二种机制是分流NMOS器件应该关断时的部分导通。如前所述,NMOS晶体管处于截止状态,V gs <V t。与分流装置的源极上的交流信号,就会有在其中V波形的负半周期的时序GS ≥V 吨,从而部分地分流装置上转动。这将导致输入波形通过将其部分能量分流到地而进行压缩。当开关在低频(<30 MHz)和高功率(> 10 dBm)下使用时,可以通过对RF输入信号施加小的DC偏压(~0.5 V)来克服这两种机制。与GaAs开关不同,CMOS开关不需要隔直电容。
 
 
 
图6
图6.物理NMOS结构。

CMOS的好处

使用CMOS设计宽带宽交换机有许多关键优势。以下各节重点介绍了主要优点和关键的高性能规范。
成本:当今成本驱动型市场中最重要的优势是CMOS工艺比GaAs工艺便宜得多,从而降低了芯片成本。CMOS开关使用正电压控制,不需要隔直电容。另一方面,GaAs晶体管是负电压控制器件。这排除了使用CMOS驱动器,需要在RF输入上使用隔直电容,并导致整体解决方案成本的增加。与GaAs相比,CMOS开关更便宜,更易于使用。
单引脚控制接口: CMOS开关具有单引脚控制接口,可实现最大的电路布局效率,从而使移动无线系统等许多应用受益。这是可能的,因为CMOS允许将驱动器/开关控制电路集成到与开关相同的芯片上,从而有效地减少了控制引脚的数量。CMOS技术提供的控制接口具有简单的单引脚控制,与许多GaAs RF开关实现的互补控制信号形成对比。例如,对于SPDT(单刀双掷)开关,GaAs部件需要两条控制线,而CMOS器件只需要一条控制线。
易于系统集成: CMOS开关技术的片上驱动器可以与TTL和CMOS逻辑电平连接,允许器件与其他CMOS / BiCMOS IC(如微控制器)轻松集成。兼容CMOS和LVTTL的控制输入在许多应用中提供了非常简单的接口。
无需在CMOS开关的RF输入端添加隔直电容,从而消除了对带宽减少或系统性能降低影响的担忧,这些原因已在上一节中介绍过。
减小封装尺寸:驱动器/开关控制电路的简单集成具有小封装尺寸的额外优势。CMOS芯片的整体尺寸更小,允许CMOS器件以更小的封装组装,其引脚数量低于GaAs制造商提供的MCM。标准SPDT开关引脚数可以从用于CMOS解决方案的适度8引脚封装到用于GaAs解决方案的20引脚。
对于SP4T设备,这种节省空间的情况更为明显。CMOS器件采用微型16引脚3 mm×3 mm LFCSP(引脚架构芯片级封装)套件。GaAs SP4T产品可能需要负电压或正/负电压电源,以及多达8条控制线。它们采用24引脚10.65 mm×15.6 mm宽体SOIC(小外形)或28引脚12.57 mm×12.57 mm PLCC(塑料引线芯片载体)封装。
更低的功耗: CMOS开关的极低功耗使其成为便携式应用的理想选择。
可用的CMOS RF开关采用1.65 V至2.75 V单电源供电,典型电流消耗低于1μA,远低于等效GaAs解决方案。
其他CMOS开关性能亮点:CMOS开关的匹配也非常好。图7显示了开/关开关的回波损耗与频率的典型曲线图。该图显示,对于关断开关,S 11值在10 MHz时为27 dB,在1 GHz时为26 dB,对于关断开关,S 1值为1 dB时为20 dB,1 GHz时为20 dB。这是相对于端口处的入射功率的反射功率量。回波损耗大,表明匹配良好。CMOS开关具有额外的灵活性,可选择反射(0欧姆)或吸收(50欧姆)版本,允许开关与应用匹配。例如,ADG918是一个吸收(或匹配)SPDT开关(2:1 Mux),具有50欧姆端接分流支路,ADG919是一个反射型SPDT开关,具有直接分流接地。对于阻抗匹配最关键的应用,吸收开关将是优选的。与前面描述的CMOS开关的隔离性能类似,CMOS工艺规定的回波损耗优于许多GaAs开关约10 dB / decade。
 
 
 
图7
图7. ADG918的回波损耗与频率(关/开开关)。
开关时间也非常出色,CMOS开关的典型开关时间为5 ns,比许多GaAs器件快10倍。图8显示了典型的5 ns切换时间 ADG901。在极端温度条件下,该器件的时序规格最大为8 ns,而许多
GaAs开关的时序规格为微秒。
 
 
 
图8
图8. ADG901的开关时序。

结论

对于高频开关要求,CMOS开关提供比GaAs器件更简单的整体解决方案,并具有更低成本的附加益处。
ADG9xx系列宽带CMOS开关的3 dB频率大于3 GHz,在1 GHz时的插入损耗非常低,为0.8 dB,1 GHz时的隔离度大于37 dB。这些特性使这些器件非常适用于DC至1 GHz及更高​​频率的许多应用。这些开关为GaAs RF开关提供了主要的CMOS挑战,是低功耗,高性能,高频开关应用的最佳解决方案。

用户喜欢...

CMOS传感器通过Android应用程序检测慢性病

伦敦 - 格拉斯哥大学的研究人员开发出一种新设备,它将手持式CMOS传感器与基于Android的智能手机或平板电脑应用程序配对,以测量患者体液样本中各种代谢物的水平,从而可以简单检测慢性心...


详解CCD和CMOS的区别及主要硬件技术指标

CCD由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,...


安森美推出1/4英寸 1.0Mp CMOS全局快门图像传感器,可实现高性能成像

动高能效创新的安森美半导体(美国纳斯达克上市代号:ON)推出一款新的1/4英寸 1.0Mp(1280H x 800V)CMOS 数码图像传感器,实现领先行业的性能水平。这款新的传感器能捕捉清晰准确的图像,...


坚决维权 Omnivision豪威科技誓捍卫市场领导地位起诉思特威

上海知识产权法院正式受理了OmniVision Technologies, Inc.(以下简称“豪威科技”或“OminiVison”)诉江苏思特威电子科技有...


常用CMOS模拟开关功能和原理

CMOS模拟开关是一种可控开关,它不象继电器那样可以用在大电流、高电压场合,只适于处理幅度不超过其工作电压、电...


安森美半导体推出全球首款极高扩展性的下一代汽车图像传感器系列

推动高能效创新及汽车图像传感器市场领袖安森美半导体(ON Semiconductor)今日推出一个新的CMOS图像传感器平台,将汽车...


安森美半导体用于汽车摄像机应用的微光成像SoC降低方案尺寸30%以上

推动高能效创新的安森美半导体(ON Semiconductor),推出两款新的高集成度100万像素(Mp) CMOS图像传感产品,推进公司在快...


赛迪智库:我国IC制造业向千亿元产业规模大步迈进

集成电路制造是集成电路产业链的核心组成部分,掌握先进的集成电路制造技术,对提升我国集成电路产业的技术水...


超强兼容! Xilinx Zynq 7045实现支持29种CMOS传感器的Denali-MC HDR IP

背景: 据了解,Pinnacle设计的Denali-MC IP目前已经可以在包括Xilinx的Zynq 7045 FPGA芯片在内的多款可编程芯片产品中实现,比如可以用在具有DSP和SoC+ DSP架构的产品中(包括TI和Qualcomm的相关产品)...


常用电平标准(TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232

现在常用的电平标准有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485等,还有一些速度 比较高的LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等。下面简单介绍一下各自的供电电源、电平标准以及使用 注...


瑞萨电子进入高端网络摄像机CMOS图像传感器市场

全球领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子株式会社近日发布了一款用于4K摄像机的高灵敏度CMOS图像传感器(RAA4621...


基于FPGA的CMOS相机实时数据处理设计

作者:侯絮絮,马松龄,孙 晨,郭子靖 来源:2017年电子技术应用第7期 摘 要: 针对CMOS图像传感器输出的LVDS串行数据在传输过程中因数据无法对齐引起误码率升高,图像分辨率降低问题,提...


Teledyne e2v荣膺2017年度视觉系统设计创新奖金奖和铜奖

全球领先的高性能图像解决方案供应商Teledyne e2v在2017年度视觉系统设计创新奖(Vision Systems Design Innovators Awards)荣膺...


Teledynee2v高阶CMOS图像感应解决方案完美结合TowerJazz的高端工艺技术

全球领先的高性能图像解决方案供应商Teledyne e2v以及全球专业代工领导者TowerJazz,成功推出Teledyne e2v的标准和定制C...


CMOS电路ESD保护结构设计

静电放电会给电子器件带来破坏性的后果,它是造成集成电路失效的主要原因之一。随着集成电路工艺不断发展,CMOS电路的特征尺寸不断缩小,管子的栅氧厚度越来越薄,芯片的面积规模越来越大...


东芝推出具有业界领先低噪音水平的CMOS运算放大器

东芝公司(TOKYO:6502)旗下存储与电子元器件解决方案公司今日宣布推出实现业界领先[1]低噪音水平的新运算放大器“TC75S67TU”。样品发货即日启动,量产计划于8月启动。随着物联网市场的不断...