引言

       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)開關是RF前端電路的關鍵模塊。為了提高集成度，收/發(fā)開關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)開關取代GaAs MOSFET收/發(fā)開關的好處之一是CMOS開關電路不需要負的控制電壓。而且，如果能用標準CMOS工藝來完成，開關電路就可以和收發(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 0.35m CMOS工藝來制作射頻收/發(fā)開關。通過優(yōu)化設計，該開關電路在2GHz處取得了較好的仿真結(jié)果。

                           

                                圖1　對稱式收/發(fā)開關電路示意圖

                     

                            圖2　MOSFET導通時的等效電路圖

                       

                           圖3　開關截止一側(cè)的小信號等效電路

                     
                                      (a) 插入損耗

                 
                                    (b) 隔離度

優(yōu)化設計

       圖1是對稱式串并結(jié)構(gòu)NMOS射頻開關的電路示意圖。串聯(lián)的晶體管M1和M2完成主要的開關功能。并聯(lián)的晶體管M3和M4通過將截止晶體管一側(cè)的射頻信號導通到地來提高開關電路的隔離度?？刂齐妷篤ctrl 和用于控制晶體管M1和M2的開與合。當Vctrl為高電平時，M1導通，M2截止，開關處于發(fā)射狀態(tài)；當為高電平時，M1截止，M2導通，開關處于接收狀態(tài)。該開關電路還包括旁通電容C1和C2，它們提供了開關電路中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。本設計中，串聯(lián)MOS管柵寬取200m，并聯(lián)MOS管的柵寬取100m，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)開關的重要性能指標為：插入損耗(IL)、隔離度(Isolation)和線性度(通常用1dB壓縮點P1dB來表示)。其中插入損耗是設計的重點。

插入損耗

       插入損耗表示當開關導通時射頻信號通過射頻開關的功耗。

       管子的導通電阻是影響插入損耗的關鍵因素之一。因此，在本設計中只使用nMOSFET。由于硅襯底的導電特性，管子的漏極和源極對襯底的結(jié)電容及相關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為其導通時的等效電路圖。在這個分析中，假設管子偏置在線性區(qū)。圖2中，Vrf、Rs分別為等效信號源及源內(nèi)阻，Ron為MOS管的導通電阻，Rb為其襯底電阻，Rl為負載電阻，Ct是其等效電容(虛線部分)，其等效式為：

       如果負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。

       由該表達式可以看出，導通電阻Ron越大，插入損耗越大；寄生耦合電容Ct越大，插入損耗越??；襯底電阻對插入損耗的影響并不呈簡單的線性關系。實際上，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開關電路中晶體管的Rb值的典型范圍。對于標準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。在版圖設計中，可通過增加襯底接觸來減小襯底電阻，從而達到進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WM1和WM2取200m且WM3和WM4取100m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

       截止狀態(tài)下，開關的小信號等效電路如圖3所示。

       圖3中，Ron表示并聯(lián)MOS管的導通電阻，Coff表示串聯(lián)MOS管在截止狀態(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)間的隔離度表達式：

       (4) 式表明，通過使并聯(lián)的MOS管的導通電阻遠小于信號源的特征阻抗，使得從串聯(lián)的、處于截止狀態(tài)的MOS管泄漏出來的信號，可以通過并聯(lián)的MOS管導通到地，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。在本設計中，柵寬取為100m。

線性度

       線性度，即功率處理能力，通常用P1dB來表示。CMOS開關的線性度通常受到以下兩種情況的制約：1.應截止的MOS管發(fā)生了導通，對于M3管，這種情況最嚴重；2. MOS管柵極電介質(zhì)性能不夠穩(wěn)定。
為了提高開關的線性度，本設計采用了兩種措施：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，增加柵極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)開關性能的因素，包括柵寬、導通電阻、襯底電阻、柵極電阻等。采用TSMC　0.35m　CMOS工藝進行設計和實現(xiàn)。經(jīng)過優(yōu)化設計和仿真，獲得了插入損耗為1.0 dB、隔離度46.3 dB和1 dB壓縮點12.8 dBm的電路。該射頻收/發(fā)開關可以與應用于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。