25～40GHz非对称单刀双掷开关的设计与实现

发布时间：2021-07-23 07:58

　　针对Ka波段单片收发（T/R）集成电路对发射大功率和高隔离度的需求,分析了传统单刀双掷（SPDT）开关中并联、串联晶体管尺寸对插入损耗、隔离度和线性度的影响,设计了一款非对称的毫米波单刀双掷开关,通过去除发射通道上的并联支路,提高发射通道的1 dB压缩点输出功率。同时,通过串联和并联电感与晶体管寄生电容并联谐振的方式,提高发射和接收通道的隔离度。该开关采用0.13μm SiGe BiCMOS工艺实现,测试结果表明,在25～40 GHz频率范围内,接收模式下,插入损耗S₃₁小于4 dB,回波损耗S₁₁和S₃₃分别小于-10.8 dB和-11.8 dB;发射模式下,插入损耗S₂₁小于1.8 dB,1 dB压缩点输出功率大于18.2 dBm,隔离度S₃₂大于19 dB,回波损耗S₁₁和S₂₂分别小于-14.6 dB和-15.9 dB。该Ka波段非对称单刀双掷开关芯片的核心面积仅0.21 mm²。 

【文章来源】：半导体技术. 2020,45(10)北大核心

【文章页数】：6 页

【图文】：

对称开关原理图

图1 对称开关原理图从等效电路可以看出,当晶体管开启时,信号由源极流入漏极,此时希望信号通路上总的阻抗尽可能小,即最大程度降低Ron的阻值和Cjs及Cjd电的容值,并提高Cs的电容值,使损耗尽量的低。MOSFET的导通电阻Ron可表示为[7]

当晶体管关断时,为了得到更高的隔离度,Cs,Cjs和Cjd的电容值应尽量小,以阻碍信号通过。同时, Rsub也要尽量小,可以进一步防止信号通过,提高隔离度。关断状态下,通过减小晶体管尺寸w和Rsub阻值来增大隔离度,可以看出,关断状态和开启状态下,w和Rsub值的优化方向是相反的。因此,开关的插入损耗与隔离度相互制约,需对二者进行折中。图3为假设计 M1和M2选择相同尺寸时,开关插入损耗(LI)和隔离度(ISO)随M1(M2)尺寸的变化曲线图。在图1中,当单刀双掷开关工作在发射模式时,晶体管M2和M3关断,晶体管M1和M4导通,为了提高TX端口的耐功率能力,就需要M2有足够高的漏源耐压能力,随着器件工艺的不断进步,器件的开关速度越来越高,而漏源耐压却越来越小,为了解决这个问题,通常需要将并联的支路中的M2拆分为M21,M22,…,M2n,n取决于耐压的大小,除了提高耐压外,由于将电压分散在n个器件上,每个器件都工作在线性区域,因此这样还会提高整个开关的线性度[8]。但是,并联支路串联的MOSFET越多,会导致关断支路端口到地整体等效电阻的增加,进而降低开关整体的隔离度性能。

【参考文献】：
期刊论文
[1]Ka波段高隔离单刀单掷开关设计[J]. 周勇涛,凡守涛,许春良,魏绍仁.  半导体技术. 2016(08)
[2]CMOS单片高隔离度Ka波段单刀双掷开关的设计[J]. 刘超,李强,熊永忠.  电子技术应用. 2016(04)
[3]一种Ka频段MEMS开关的研制[J]. 董自强,赵博韬,石国超.  数字技术与应用. 2014(02)

硕士论文
[1]Ka波段高功率开关芯片研究[D]. 刘斐珂.电子科技大学 2008



本文编号：3298902