ADI公司采用先進(jìn)硅工藝的新型RF和微波（MW）開(kāi)關(guān)和衰減器產(chǎn)品，與傳統(tǒng)使用砷化鎵（GaAs）的產(chǎn)品相比，具有硅技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)。本文重點(diǎn)介紹了新型開(kāi)關(guān)和衰減器產(chǎn)品的功能和關(guān)鍵性能參數(shù)。

ADI公司提供1000多種器件，涵蓋所有RF和MW信號(hào)鏈和應(yīng)用。RF開(kāi)關(guān)和衰減器通常用于同一應(yīng)用，并符合類似的系統(tǒng)要求。它們被歸入相同的產(chǎn)品類別，射頻和兆瓦控制產(chǎn)品。圖1所示為通用收發(fā)器。底部是發(fā)射端，頂部是接收端。中間是預(yù)失真反饋環(huán)路，以及時(shí)鐘生成。在圖中，開(kāi)關(guān)用于各種切片。低噪聲放大器前面使用單刀雙擲 （SPDT） 開(kāi)關(guān)，以保證所需的隔離水平，防止在傳輸模式下可能通過(guò)雙工器泄漏的過(guò)大功率。另一個(gè)SPDT開(kāi)關(guān)用于數(shù)字預(yù)失真反饋環(huán)路，以在發(fā)射或反射信號(hào)之間進(jìn)行選擇。然后使用單刀四擲（SP4T）在多個(gè)收發(fā)器之間進(jìn)行選擇，以防一個(gè)檢波器用于所有收發(fā)器。

圖1.通用收發(fā)器。底部是發(fā)射端，頂部是接收端。中間是預(yù)失真反饋回路。

另一個(gè)SPDT開(kāi)關(guān)用于在接收端和發(fā)送端之間路由來(lái)自本地振蕩器的時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)字衰減器（DATT）和連續(xù)可調(diào)電壓可變衰減器（VVA）用于需要增益調(diào)整的信號(hào)鏈。

另一個(gè)應(yīng)用是蜂窩中繼器。在圖 2 中，天線接口使用單刀雙擲開(kāi)關(guān)。這些是專門為此而設(shè)計(jì)的高功率發(fā)射和接收開(kāi)關(guān)。

圖2.天線接口使用高功率反射發(fā)射/接收單刀雙擲。

圖3顯示了控制產(chǎn)品用于時(shí)鐘或LO生成的使用。在這里，信號(hào)通過(guò)VCO/PLL或振蕩器產(chǎn)生，被放大，然后施加到開(kāi)關(guān)上。在圖中，單刀三擲 （SP3T） 開(kāi)關(guān)用于在濾波器組之間切換。在輸出側(cè)，使用單刀四擲開(kāi)關(guān)，并增加了一個(gè)用于校準(zhǔn)和外部基準(zhǔn)的額外路徑。數(shù)字衰減器或電壓可變衰減器可以包含在需要增益調(diào)整的信號(hào)路徑中。

圖3.使用控制產(chǎn)品生成時(shí)鐘或本振（LO）。

最后一個(gè)示例是RF測(cè)試設(shè)備輸入級(jí)的框圖（圖4）。在第一部分，SPDT用于在輸入信號(hào)或校準(zhǔn)信號(hào)之間進(jìn)行選擇。然后將所選信號(hào)饋送到另一個(gè)SPDT，以將信號(hào)路由到放大路徑或旁路路徑。接下來(lái)是包含DATT和VVA的衰減器部分。數(shù)字衰減器用于航向校準(zhǔn)，電壓可變衰減器用于精細(xì)增益調(diào)整。

圖4.在測(cè)試設(shè)備輸入階段，信號(hào)施加到設(shè)備上，n通過(guò)放大路徑或衰減路徑。

在這些應(yīng)用中，需要高性能，低插入損耗、良好回波損耗、高線性度和高功率處理是關(guān)鍵參數(shù)。平坦的頻率特性對(duì)于設(shè)備的性能非常重要。此類應(yīng)用中的信號(hào)帶寬必須足夠?qū)挘愿采w操作的整個(gè)頻率范圍。在此類應(yīng)用中，頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀的9 kHz低截止頻率至關(guān)重要。

硅與砷化鎵

這種比較主要在設(shè)計(jì)特征上進(jìn)行。如果產(chǎn)品需要快速凝固時(shí)間和快速開(kāi)關(guān)時(shí)間，硅工藝比GaAs更具優(yōu)勢(shì)。硅工藝提供了更大的集成能力，對(duì)于低頻操作，硅比GaAs具有優(yōu)勢(shì)。如果功率處理、插入損耗、隔離度和線性度是設(shè)計(jì)參數(shù)，硅和砷化鎵都可以滿足要求。硅提供更高的ESD魯棒性。對(duì)于高溫操作，砷化鎵仍然是優(yōu)于硅的平臺(tái)。在砷化鎵耗盡模式下，通常使用可實(shí)現(xiàn)故障安全操作等功能的器件。

砷化鎵器件會(huì)受到所謂的柵極滯后效應(yīng)的影響。當(dāng)晶體管切換時(shí)，與開(kāi)關(guān)時(shí)間相比，溝道中的殘余電荷衰減需要更長(zhǎng)的時(shí)間。RF設(shè)計(jì)人員通常的做法是預(yù)計(jì)建立時(shí)間有10×裕量，但如果需要高精度，這可能還不夠。柵極滯后取決于過(guò)程變化、偏置條件和控制電壓電平。

硅器件具有可靠的快速開(kāi)關(guān)和建立特性。設(shè)備特性已得到很好的定義和建模。對(duì)過(guò)程變異和偏差條件的依賴性得到了很好的控制和限制。

在時(shí)分多路復(fù)用通信系統(tǒng)中，快速建立時(shí)間對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的性能非常重要。在大多數(shù)測(cè)試和測(cè)量設(shè)備中，快速建立時(shí)間對(duì)于提高精度和縮短測(cè)試時(shí)間至關(guān)重要。

圖5顯示了兩種產(chǎn)品之間的比較：采用砷化鎵制造的HMC540和采用硅工藝設(shè)計(jì)的HMC540S。由于柵極滯后效應(yīng)，GaAs積需要~8 μs才能建立到最終RF功率電平。硅產(chǎn)品在不到 ~1 μs 的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定到相同的射頻電平。

圖5.砷化鎵（左）和硅的建立時(shí)間測(cè)量值比較。

由于器件特性，砷化鎵工藝具有集成限制。在GaAs中，pHEMT器件閾值電壓在–1 V和–3 V之間變化，設(shè)計(jì)低壓CMOS接口等復(fù)雜接口電路是不可行的，因此GaAs器件需要外部電路。在硅工藝中，閾值電壓要低得多，并且符合標(biāo)準(zhǔn)CMOS接口電壓。可以在同一芯片上實(shí)現(xiàn)與控制產(chǎn)品或衰減器開(kāi)關(guān)相同的接口，并且該器件可以與標(biāo)準(zhǔn)CMOS器件接口。

高集成度為設(shè)計(jì)人員提供了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減少PCB面積和所用元件數(shù)量以及節(jié)省成本的機(jī)會(huì)。硅工藝中的集成可以擴(kuò)展為包含復(fù)雜的功能和功能豐富的產(chǎn)品。

例如，GaAs數(shù)字衰減器被設(shè)計(jì)為多芯片模塊，在同一封裝中集成了一個(gè)CMOS驅(qū)動(dòng)器。另一方面，在硅數(shù)字衰減器中，整個(gè)器件被設(shè)計(jì)為單片單芯片。

硅工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是ESD魯棒性。在砷化鎵工藝中，可用于實(shí)現(xiàn)ESD結(jié)構(gòu)的組件有限。二極管和布局技術(shù)用于達(dá)到一定程度的ESD保護(hù)。在硅工藝中，可以實(shí)現(xiàn)專用保護(hù)電路，如鉗位和一次性觸發(fā)電路。

圖6左側(cè)的圖表顯示了一個(gè)典型的砷化鎵ESD單元，該單元基于二極管。右側(cè)是硅中典型的ESD單元。有一個(gè)專用的ESD結(jié)構(gòu)，以提供更高水平的保護(hù)。強(qiáng)大的 ESD 保護(hù)可確保器件在 ESD 敏感環(huán)境（如汽車、軍事以及測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用）下可靠運(yùn)行。

圖6.在測(cè)試設(shè)備輸入階段，信號(hào)施加到設(shè)備上，n通過(guò)放大路徑或衰減路徑。

在進(jìn)一步比較GaAs和硅時(shí)，硅可以在同一設(shè)計(jì)中集成多個(gè)功能。例如，ADI公司的硅數(shù)字衰減器具有可以管理狀態(tài)轉(zhuǎn)換的串行接口。安全狀態(tài)轉(zhuǎn)換可確保在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間限制RF信號(hào)的過(guò)沖。無(wú)毛刺操作可確保在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間限制RF信號(hào)功率的波動(dòng)。可靠的狀態(tài)轉(zhuǎn)換可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并保護(hù)信號(hào)鏈中的其他組件免受過(guò)沖或額外功率的影響。

硅工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠設(shè)計(jì)用于低頻操作的組件。由于柵極漏電流，砷化鎵工藝具有局限性，幾乎不可能在低頻下使用砷化鎵器件。采用硅工藝，由于柵極完全隔離，因此不會(huì)出現(xiàn)柵極泄漏，并且可以使用高值電阻器。該設(shè)計(jì)可以針對(duì)低頻段進(jìn)行優(yōu)化。低頻端覆蓋 9 kHz 工作頻率，使硅成為測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用的理想選擇。

硅片新開(kāi)關(guān)產(chǎn)品

ADI提供三種新的硅片開(kāi)關(guān)產(chǎn)品：

HMC1118，一款高隔離硅單刀雙擲非反射開(kāi)關(guān)，工作頻率范圍為9 kHz至13 GHz

HM8038，一款高隔離硅單刀雙擲非反射開(kāi)關(guān)，工作頻率范圍為 0.1 GHz 至 6 GHz

HMC7992，緊湊型硅SP4T非反射開(kāi)關(guān)，工作頻率為0.1 GHz至6 GHz

HMC1118針對(duì)低頻工作進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)于0.05 dB裕量，其建立時(shí)間為7.5 μs，在8 GHz時(shí)具有出色的56 dB隔離度，在8.0 GHz時(shí)具有0.6 dB的低插入損耗。它提供 36 dBm 直通路徑和 27 dBm 端接路徑的高功率處理能力。

HM8038具有60 dB（典型值）的高隔離度、0.8 dB（典型值）的低插入損耗以及170 ns的快速建立時(shí)間（0.1 dB裕量）。它提供 34 dBm 通過(guò)路徑和 29 dBm 端接路徑的高功率處理能力，對(duì)于 0.1 dB 壓縮點(diǎn)，具有 34 dBm 的高線性度。

HMC7992在2 GHz時(shí)具有45 dB（典型值）的高隔離度，在2 GHz時(shí)具有0.6 dB的低插入損耗，0.1 dB裕量時(shí)具有320 ns的快速建立時(shí)間。它具有33 dBm通過(guò)路徑和27 dBm端接路徑的高功率處理能力，以及1 dB壓縮點(diǎn)（P1 dB）的高線性度，典型值為35 dBm。

硅片新數(shù)字衰減器產(chǎn)品

硅片新數(shù)字衰減器產(chǎn)品包括：

HMC1119，0.25 dB、LSB、7位硅數(shù)字衰減器（0.1 GHz至6 GHz）

HMC1122，0.5 dB、LSB、6位硅數(shù)字衰減器（0.1 GHz至6 GHz）

HMC305S，0.5 dB、LSB、5位硅數(shù)字衰減器（0.4 GHz至7.0 GHz）

HMC540S，1 dB、LSB、4位硅數(shù)字衰減器（0.1 GHz至8 GHz）

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HMC1119和HMC1122專為高精度而設(shè)計(jì)，步進(jìn)誤差小于0.1 dB。兩款器件的衰減范圍均為30 dB，插入損耗為1.3 dB，典型開(kāi)關(guān)時(shí)間約為150 ns。它們具有具有安全狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能的串行控制接口。

HMC305S的衰減范圍為15.5 dB，2 GHz時(shí)插入損耗為1.1 dB。該器件具有串行控制接口，并具有無(wú)毛刺狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能。

HMC540S是一款寬帶、1 dB步進(jìn)、4位數(shù)字衰減器，針對(duì)0.7 dB的低插入進(jìn)行了優(yōu)化。該器件具有出色的線性度，壓縮點(diǎn)為0.1 dB（31 dBm）。HMC540采用緊湊的3 mm×3 mm封裝，并具有并行控制功能。

審核編輯：郭婷