作者：Selcuk Ilke

簡介

HMC1118是一款硅制單刀雙擲(SPDT)開關(guān)，額定工作頻率為9 kHz至13 GHz，采用4 mm × 4 mm、16引腳引線框芯片級封裝(LFCSP)。該寬帶開關(guān)非常適合測試測量設(shè)備和高性能無線應(yīng)用。關(guān)鍵特性包括：

?低插入損耗：0.68 dB（8 GHz時）
?高隔離度：48 dB（8 GHz時）
?高輸入P1 dB：37 dBm
?高輸入IP3：62 dBm
?快速建立時間（最終RF輸出內(nèi)0.05 dB）：7.5 μs

HMC1118功能框圖如圖1所示。HMC1118標稱需要雙電源電壓，VDD = +3.3 V且VSS = ?2.5 V，器件特性就是在這些電壓下測定的。采用雙電源供電時，請參閱HMC1118數(shù)據(jù)手冊和本應(yīng)用筆記以了解完整特性。

HMC1118也可以采用VDD = 3.3 V的單一正電源供電，此時VSS引腳接地。單電源下大信號特性會受影響，但對于很多沒有負電源電壓可用的應(yīng)用，器件仍能提供相當(dāng)不錯的性能。本應(yīng)用筆記主要研究HMC1118的操作，并且比較該器件采用單電源和雙電源供電的性能。

圖1.HMC1118功能框圖

HMC1118開關(guān)操作

HMC1118采用熟悉的吸收式SPDT開關(guān)拓撲，兩條完全相同的RF路徑上有一個串聯(lián)場效應(yīng)晶體管(FET)和一個并聯(lián)FET，集成一個驅(qū)動器用于實現(xiàn)內(nèi)部邏輯功能，如圖2所示。

圖2.HMC1118簡化電路圖

HMC1118為其RF內(nèi)核提供兩種工作模式，如表1所示。在模式1下，RF1至RFC路徑處于導(dǎo)通狀態(tài)，RF2至RFC處于隔離狀態(tài)；在模式2下則相反。

在插入損耗路徑中，串聯(lián)FET開啟，并聯(lián)FET關(guān)斷。在隔離路徑中則相反，串聯(lián)FET關(guān)斷，并聯(lián)FET開啟。因此，各RF路徑上的串聯(lián)和并聯(lián)FET需要互補控制電壓。HMC1118芯片上集成了一個驅(qū)動器，用以產(chǎn)生A和B互補控制電壓，如圖2所示。因此，開關(guān)可以通過施加于VCTRL引腳的單個CMOS邏輯電壓來控制，LS引腳可以接地或接VDD（參見表2）。

表1.開關(guān)模式


表2.控制電壓


開關(guān)FET用作一個三端口電壓控制器件，根據(jù)施加于柵極端口的控制電壓，漏極端口和源極端口之間的RF信號導(dǎo)通通道閉合（導(dǎo)通狀態(tài)）或關(guān)閉（關(guān)斷狀態(tài)）。HMC1118采用N溝道增強模式FET，其典型夾斷電壓為0.3 V，即柵極和漏-源通道之間為導(dǎo)通FET而需要的電位差。各FET的漏極和源極端口處于直流地電位，故而RF端口上無需隔直電容（其會限制低頻操作）。因此，大于（或小于）0.3 V的絕對柵極電壓會開啟（或關(guān)斷）FET。

FET一般偏置到極端電壓+3.3 V和?2.5 V，以建立一定的電壓來開啟和關(guān)閉FET，并提供最優(yōu)RF性能。由于HMC1118沒有集成穩(wěn)壓器和負電壓發(fā)生器，所以需要將兩個經(jīng)調(diào)節(jié)的外部電源電壓施加于VDD和VSS引腳，以產(chǎn)生FET器件必需的偏置電壓。雖然VDD和VSS的典型值分別為+3.3 V和?2.5 V，但用戶可以靈活地僅使用單一正電源VDD = 3.3 V來操作器件，此時VSS引腳接至0 V。然而，這會導(dǎo)致某些參數(shù)的電氣性能下降，參見“單電源和雙電源供電的性能比較”部分所述。

單電源和雙電源供電的性能比較

本節(jié)比較HMC1118在兩種供電方式下的性能：一種是VDD = +3.3 V和VSS = ?2.5 V雙電源，另一種是VDD = 3.3 V單電源，VSS引腳接0 V。圖3所示為用于評估HMC1118在單電源和雙電源供電時的性能的評估板原理圖。

圖3.HMC1118評估板原理圖

小信號性能

HMC1118針對50 Ω系統(tǒng)提供最優(yōu)小信號性能。當(dāng)VSS從?2.5 V變?yōu)? V時，對于RF小輸入信號，其足以使FET保持關(guān)斷狀態(tài)，HMC1118的小信號RF性能不會下降。整個工作頻率范圍內(nèi)的回波損耗、插入損耗和隔離度都得到保持，如圖4、圖5和圖6所示。

圖4.不同VSS下回波損耗與頻率的關(guān)系

圖5.不同VSS下插入損耗與頻率的關(guān)系

圖6.不同VSS下隔離度與頻率的關(guān)系

大信號性能

HMC1118的串聯(lián)臂和并聯(lián)臂上均有若干串聯(lián)FET，用以承受高于單個FET擊穿電壓的功率水平。通過將電壓均勻分配在這些FET上，開關(guān)臂得以優(yōu)化并實現(xiàn)出色的線性度。

高RF功率可能調(diào)制柵極電壓和漏源通道電阻。這會引起交調(diào)失真和輸入信號的壓縮或削波。FET偏置到夾斷電平附近會提高這種效應(yīng)。

因此，當(dāng)VSS從?2.5 V變?yōu)? V時，HMC1118的功率壓縮和線性度會下降，如圖7和圖8所示。

圖7.不同VSS下輸入壓縮點與頻率的關(guān)系

圖8.不同VSS下輸入IP3與頻率的關(guān)系

開關(guān)時間

高功率處理和快速開關(guān)時間之間存在此消彼長的關(guān)系：柵極電阻越大，低頻時的功率處理能力越高，但開關(guān)時間會變慢。HMC1118優(yōu)化了柵極電阻值，從而在低頻范圍提供高功率處理能力，同時又有足夠快的開關(guān)時間。

當(dāng)VSS從?2.5 V變?yōu)? V時，HMC1118的開關(guān)時間性能下降，如圖9所示。

圖9.不同VSS下的開關(guān)時間

功率處理

當(dāng)VSS從?2.5 V變?yōu)? V時，HMC1118保持相同的熱特性，但在較低輸入功率水平時會進入功率壓縮狀態(tài)。因通道溫度升高過快，HMC1118 RF端口的絕對和推薦最大輸入功率額定值會下降。

表3.最大RF輸入功率(PIN, MAX)額定值1

VCTRL = 0 V或3.3 V，TCASE = 85°C，f = 2 GHz。

結(jié)語

HMC1118采用VDD = 3.3 V的單一正電源供電時，功率處理性能（PIN、MAX、P1dB和IP3）會下降，開關(guān)速度（開啟和關(guān)斷時間及上升和下降時間）會變慢，但小信號特性（插入損耗、隔離度和回波損耗）不變。如果降低的功率處理和開關(guān)速度性能對特定應(yīng)用是合適的，那么HMC1118便可這樣使用，即讓VSS引腳接地。