（微电子学与固体电子学专业论文）用于tdscdma系统的cmos集成收发开关的设计.pdf

摘要 摘要 t d s c d m a 是由中国提出且拥有核心技术知识产权的第三代移动通信( 3 g ) 国际标准，发展前景广阔。巨大的市场需求推动和硅工艺技术的不断改进，使得 过去在无线收发机射频前端电路中难以集成的收发开关现在成为可能。 本文用t s m c0 3 5 岫标准c m 0 s 工艺中的射频模型设计了两种适用于t d s c d m a 系统的集成收发开关。在详细地分析了影响第一种收发开关电路性能指 标的各种因素的基础上对电路进行了优化设计，并对第二种收发开关电路的设计 做了简要介绍。基于t d s c d m a 系统所使用的频段为2 0 1 0 m h z 一2 0 2 5 m h z ，所 设计的两种开关电路均工作在2 o g h z 。 所设计的第一种收发开关是对称式串并结构的单刀双掷开关。分析表明，为 降低开关的插入损耗，必须要降低开关管的导通电阻和源漏结电容。仿真结果显 示，该开关电路在2 o g h z 时插入损耗为1 0 8 d b ，ld b 压缩点泸l d b ) 为1 3 5 d b m ， 隔离度为2 7 d b 。通过优化m o s f e t 的栅宽及偏置电压可以降低插入损耗。在版图 设计中通过增加衬底接触降低衬底电阻，从而减小插入损耗。另外，为接收和发 送端提供直流偏置可以降低p i d b 。所设计的开关电路的仿真结果可满足t d s c d m a 系统的应用。该电路的版图面积为5 2 0 陋l 5 2 0 岬。 第二种收发开关电路采用的是感性衬底偏置技术。该技术利用一个在工作频 率处谐振的l c 回路来增加m o s f e t 的衬底阻抗，从而可使开关电路获得较低的 插入损耗和较高的线性度。为适应收发开关在接收模式下和发送模式下对线性度 及隔离度的不同要求，该开关电路设计为不对称结构。在发送模式下，该开关电 路的仿真结果为：插入损耗为1 0 6 d b ，隔离度为3 5 d b ，p 】d b 为1 7 4 d b m 。在接收 模式下，该开关电路的仿真结果为：插入损耗为1 1 2 d b ，隔离度为2 5 5 d b ，尸1 d b 为1 2 8 d b m 。 关键词：射频集成电路，收发开关，c m o s ，t d s c d m a a b s 仃a c t a b s t r a c t t h e 掣e a tp o t 胁廿a lo fm ew i r e ：l 船sc o m 删c a t i o n sm a r k e t ，m e1 0 w1 w do f i n t e 掣a t i o no fc u r r e n t 廿a l l s c c i v e ri l n p l 锄c n t a t i o i l sa n dt 1 1 er a p i da d v a n c eo fl o w c o s t s m c o np r o c e s s i i l g t e c h n o l o 西鼯， h a v ec 0 删b u t e dt om er e n e w e di n t e r e s ti n r a d i o - 丘o q u e i l c y ( i u 蛩c i r c i l i td e s i 印i n 也el a s td e c a d e t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nm e 仕a n s m i t - r e c e i v e ( t r ) s w i t c h ，w h i c hi so n eo f l e i m p o r t a n tt r a n s c e i v e rb i o c kd e f i e di n t e 斟m o ns o f hni s s p e c i a l l yd e s i 印e df o r t d s c d m a ，w h i c hi s o n eo ft 1 1 e 也= 砌g e n c r a t i o n ( 3 g ) m o b i l ec o m m u n j c a t i o n s t a n d a r d s ，a n dw i l lp l a ya ni m p o r t a l l tr o i eb o mi nd o m e s t i ca n d 酉o b a ic o m 删c a t i o n m a r k e t s r f 扛a n s c d v c ra r c h i t e c 眦e si nt d s c d m ac o m m o m yu s ea1 y rs 、】l ，i t c ht 0s h a r e m eu s eo fr e s o l l r c e ss u c ha i la n t e n n aa n d 也es 枷e 疗e q u a l c yb a n d a 1 t 】1 0 u g h m e t a l - o x i d e s 锄i c o n d u c t o r - f i e l d - e f r c c t - t r a n s i s t o r ( m o s f e t ) c h a r a 曲e r i s t i c sa sa s 丽t c hh a v ed r 锄a t i c a l l yi m p r o v e do v e r 也ey e a r s ，i t sp e r f b 衄a n c es t i l l 瑚l ss h o r to f m e s p e c i f i c a 虹o n sn e e d e di na nr ft r a n s c e i v c r t w oc m o st rs w i t c h e sh a v e b e e n d e s i 印e d i 1 1a0 3 5 岬s t a n d a r d c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s 锄i c o n d u c t o r ( c m o s ) t e c h n o l o g yf o rt d s c d m aa t 2 o g h z t h ef i r s t1 讯s 惭t c hi sas y i r 皿e 缸cs i n g l e - p 0 1 ed o u b k t h r o w ( s p d t ) 1 瓜s w “c h w i m o u tp a s s i v e c o m p o n t s 血 砌弘i ss h o w s t 1 1 a ts u b s 订a t er e s i s t a n c e s锄d s o u r c e d r a i n t o _ b o d yc a p a c i t a n c e s m s tb el o w e r 司t od e c r e a s ei n s 咀i o nl o s s t h e s w i t c he x l l i b i t s1 0 8 d bi 1 1 s e n i o n1 0 s s ，1 3 5 d b mp o w e rl d bc o m p r e s s i o np o i l l t ( p i d b ) a 1 1 d2 7 d bi s 0 1 a t i o na t2 o g h z 1 1 1 e1 0 wi 1 1 s e n i o nl o s si sa c h i 吖e d b yo p t i i i l i z i n gm e 仃a 1 1 s i s t o rw i d t h sa n db i a sv o i t a g e s ，b yn l i n i 1 i z i n gt l l es u b s 仃a t er e s i s t a i l c e s ，a n db yd c b i a s i l l gm e 仃a n s m i ta i l dr e c e i v en o d e s ，w 1 1 i c hd e c r e a s e s 1 ec 印a c i t a n c e s w l l i l e i n c r e a s i n gm ep 1 d b t h cs w i t c hh a sa v a i l a b l ei n s e n i o n1 0 s s ，i s o l a t i o na n dp l d bf o r t d - s c d m a a p p l i c a t i o n s t h es e c o n dt rs w i t c hd e s i 盟i n 仃d d u c e sa ni n d u c t i v e 毗s 订a t eb i a st e c h n i q u e n a 出e v e sl o w1 0 s s 姐dh i 曲l i n e a r i t yb yi n c r e 船i i l gt h es u b s 订a t e i l p e d a n c eo fa i i a b s 缸a c t m o s f e ta tt h e 丘e q u e n c yo fo p e r a t i o nu s i n gap r o p e r l yt u n e dl ct a n k n es 丽t c h d e s i g ni sa s ”n m e 城ct 0a c c o m m o d a t em ed i f 五b r e n ti i n 删t ya n di s 0 1 a t i o nr c q u i r e m e n t s i nt l l e 订a n s m i ta n dr e c e i v em o d e s i n 血e 缸a n s m “m o d e t h es w i t c he x h i b “s1 0 6 d b i n s e r t i o n1 0 s s ，1 7 4 d b mp 1 d ba i l d3 5 d bi s o l a t i o na t2 0 g h z i nt 1 1 er e c c i v em o d e m e s 、) l r i t c ha c h i e v e s1 1 2 d bi r l s 硎o nl o s s ，1 2 8 d b mp l d ba n d2 5 5 d bi s o l a t i o na t2 o g h z 1 h e s er e s u l t ss h o wt h a tt h es w i t d hd e s i 掣li ss u i t a b l ef o rt d s c d m a a p p l i c a l i o n s k e yw o r d s ：r fi c ，1 依s 诵t c h ，c m o s ，t d s c d m a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 孟! l 烃；兰日期：衫年4 月，乒日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：玉l 盛互 导师签名： 日期：口 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，随着巨大的国际通信市场需求推动，移动通信技术迅猛发展，成为 继计算机技术之后近几十年来在信息技术领域中发展最快的技术之一。据2 0 0 5 年 1 1 月统计数据显示：全球移动用户数量已达到2 3 亿；中国公众移动用户数目达到 3 7 亿，居全球第一。 我国的个人移动通信到目前为止已经历了两代技术的演变。第一代移动通信 系统( 1 g ) 采用模拟技术，现已基本退出历史舞台。第二代移动通信系统( 2 g ) 为 数字通信网络，以数字传输、时分多址( t d m a ) 或码分多址( c d m a ) 为主体技术， 现正在全世界范围内使用。第三代移动通信( 3 g ) 技术是将无线通信与国际互联网 及多媒体通信结合的新一代移动通信技术。 与2 g 相比，3 g 网络优势在于良好的语音、大容量和高速的信息服务，能够 处理图像、音乐、视频形式，提供网页浏览、电话会议、电子商务等信息服务。 3 g 无线网络能够支持不同的数据传输速度，有效地提高频带利用率和数据业务传 输需求，并降低系统成本，其优点是非常明显。目前，国际第三代移动通信标准 化组织( 3 g p p ) 已接收w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 为3 g 的三大国际标 准。 w c d m a w c d m a 即w i d e b a n dc d m a ，也称为c d m ad i r e c t s p r e a d ，意为宽频码分 多址。其支持者主要是以g s m 系统为主的运营商，该标准已被确定为中国移动通 信公司的3 g 技术。 c d n n 也0 0 0 c d m a 2 0 0 0 也称为c d m am u l h c a 耐e r ，即多载波码分多址技术。这套系 统是从窄频c d m ao n e 数字标准衍生出来的。 t d s c d m a t d s c d m a ( t i 工n ed i v i s i o n s v n c h r o n 肌sc o d ed m s i o n u l t i 口l e xa c c e s s ) 的中文 含义为时分同步码分多址接入，是由我国原邮电部电信科学技术研究院( 大唐电信 集团) 组织开发的3 g 标准，被国际电信联盟( i t u ) 和3 g p p 接受，从而成为3 g 的 集团) 组织开发的3 g 标准，被国际电信联盟( i t u ) 和3 g p p 接受，从而成为3 g 的 电子科技大学硕士学位论文 三大主流标准之一。 t d s c d m a 吸纳了2 0 世纪9 0 年代以来通信领域最为先进的智能天线、联合 检测、接力切换、动态信道分配、上行同步等技术，在频谱利用率、对业务支持 的灵活性、频率灵活性及成本等方面具有独特优势，一定程度上代表了移动通信 技术的发展方向，具有前瞻性和强大的后发优势 1 】。t d s c d m a 标准成为第一个 由中国提出的、以我国知识产权为主的且被国际上广泛接受和认可的无线通信国 际标准。这是中国电信史上重要的里程碑! 从终端产业来看，t d s c d m a 的终端射频较简单，也无需双工器等元器件， 硬件成本比w c d m a 低，耗电少。因此大规模产业化后，t d s c d m a 的终端要 比w c d m a 的终端价格更便宜，待机时间更长，规模商用后可与2 g 终端的价格 相当。 而从业务层面来看，相对于2 g 来说，3 g 主要是满足用户日益增多的不对称 数据业务。t d s c d m a 采用时分双工( t d d ) 模式，可以灵活地设置上下行业务 占用时间，最大限度地利用带宽和系统资源，经济地满足不对称数据业务的需求。 鉴于未来通信技术将广泛采用无线接入方式，特别是大数据量业务的应用将 需要很大的频谱带宽，频谱这种不可再生的资源将越来越稀少，频分双工( f d d ) 技术所要求的一定间隔的对称频段分配将面i 临巨大的挑战。采用t d d 技术的运营 商可较容易地得到可用频段，有利于业务的束来拓展。 同时，采用f d d 进行全国组网，至少需要上下行共2 1 5 m h z ，即3 0 m h z 频 率，而在保持相同容量的前提下，t d d 全国组网仅需1 5 m h z 频率，且上下行无需 对称频段，灵活方便地规划使用日益紧张的频谱资源。此外，由于i t u 为t d d 技 术在全球都划分了统一分配的频段，而t d s c d m a 是t d d 技术的唯一标准， 这就使得t d s c d m a 在全球商用成为可能。 从频谱利用率来看，由于t r 卜s c d m a 集频分多址( f d m a ) 、t d m a 、c d m a 的技术优点于一体，采用智能天线等先进无线技术，使得其频谱利用率很高。此 外，由于频谱利用率高，系统容量更大，导致运营成本降低，则间接导致每用户 的通话成本降低了。 在2 0 0 3 年颁布的电信业务分类目录中，3 g 被列入蜂窝移动通信业务， 成为基础电信业务之一。中国信息产业部无线电管理局已将3 g 频率划分为4 段， 并对夕 承诺：北京在2 0 0 8 年将会使用3 g 网络。由此可见，信息产业部正在为3 g 牌照的发放做准备。 由于t d s c d m a 技术是中国提出的移动通信标准，得到了政府的大力支持 2 第一章绪论 和推动，因此这项技术将首先在中国实现商用，中国的运营商可以率先积累t d s c d m a 的运营经验，在t d s c d m a 的运营上具备先发优势。可以预见，第三 代移动通信尤其是t d s c d m a 的发展将为中国实现电信强国战略提供一个难得 的契机。 1 2 项目研制的国内外现状 无线通信市场当前的爆炸性增长使得对射频( r f3 0 m 4 o g h z ) 集成电路的 需求急剧增加。射频应用领域向小型体系的转变，要求能采用r f 技术研制出功能 更强、集成度更高、成本更低的小功率、低功耗产品。 射频电路部分在无线手机中约占到2 0 ，但目前手机中的射频电路尚未实现 集成在一块芯片上。 采用t d d 技术的移动通信系统，其采用外差结构的收发机中射频前端电路结 构通常如图1 1 所示。 天 发送支路 p a 缓冲器 图l l 无线收发机射频前端结构图 收发机射频前端电路的硬件实现是个多组件方案，其中所包含的集成技术有： 功率放大器( p a ) 和收发开关用g a a s 工艺，低噪声放大器( 孙璩) 、压控振荡器 ( v c o ) 、混频器( m i 】e r ) 、锁相环( p l l ) 、中频( i f ) 放大器及中频滤波器用硅( 或锗 硅) 的b i p o l 状技术实现。而低频的模拟和数字基带电路部分用硅的c m 0 s 技术 集成，使得射频电路与基带电路很难整合在一块硅片上 2 】【3 1 。体积大、成本高，几 电子科技大学硕士学位论文 乎成了当前无线手持终端小型化、轻量化的发展方向的瓶颈。 c m o s 工艺具有低成本、低功耗和高集成度的特点。目前，随着射频集成电路 技术和系统结构的发展，c m o s 技术己可实现无线手持终端中一些r f 模块的构建。 可以预期，各射频模块将逐步被集成到标准b i c m o s 或c m o s 集成电路中。移动 无线收发机的长期目标是将所有元器件用低成本的技术如c m o s 集成在一块硅片 上。优点显而易见：尺寸和成本都有明显下降，且功耗和性能都会有所改善。 可喜的是，在无线通信技术飞速发展的同时，c m o s 工艺技术也在快速发展。 目前，o 1 3 u m 工艺的c m 0 s 技术已可使单管的特征频率达到1 0 0 g h z ，如图l 一2 所示。这意味着体硅c m o s 工艺至少在理论上完全可以达到射频领域应用的频率 范围。 f t 王o o g 珏z 3 0 g 封薯 l c 哈珏z 固g 糕z 薹g 娃鬈 罐偾 图l - 2c m 0 s 的栅长与相对应的特征频率f 。 因此，c m o s 射频集成电路( r f i c ) 已经成为当今i c 研发的热点。 事实上，单片集成收发机已有文献报道。m d l y 等人制作了一个射频接收机前 端，该前端面向4 3 3 m h z 的欧洲i s m ( h l d u s t r i 出，s c i e n t i f i c ，m e d i c a l ) 频段，包含 l n a 、m i x e r 、p a 【”。m a d i l l i a l l 等人则制作了一个包含高频收发开关、l n a 、m i x e r 以及两个i f 放大器的收发模拟前端芯片【5 】，它可以在9 0 0 m h z 到2 4 g h z 这个较宽 的频段内正常工作，但该芯片采用了非标准的钛化硅栅l d d 结构工艺。 这些整体实现中，根据应用背景的不同，集成了不同的模块。但所有的实现 都没有把整个收发机的前端实现在一个芯片中。 4 第一章绪论 由于t i ) d 通信系统的收发支路使用的是同一个频段，要求收发时隙轮流开 和关以保证接收支路与发送支路轮流工作，且收发支路共用一副天线，为防止收 发支路间相互干扰，高质量的收发开关是t d d 系统r f 前端电路的关键模块。 传统的收发开关通常采用的是p i n 或者g a a sm e s f e t 的分立元件，或者采 用微电子机械系统( m e m s ) 技术来制作。 g a a sm e s f e t 的开关电路由于与传统的微波p n 二极管开关电路相比具有较 低的功耗，且与标准c m o s 开关电路相比具有较低的插入损耗，近年来在开关电 路市场上占据了一席之地。但该开关电路的工艺显然不能与收发机其它模块相兼 容，难以使收发机集成在一块芯片上。 m e m s 融合了微电子与精密机械制作技术。其优点是它的制作工艺和传统的 c m o s 工艺相兼容。但是，m e m s 开关的缺点也显而易见，如开关时间长，速度 慢，驱动电压高，功率容量小，价格昂贵且m e m s 开关的使用寿命较短。 最近的研究表明，随着c m 0 s 工艺特征尺寸的稳步下降，在1 0 g h z 到6 o g h z 的频率范围，采用c m 0 s 全集成的方法来设计包括射频收发开关电路在内的射频 前端模块已经变成了一种必然的趋势。 目前采用标准c m o s 工艺制作射频收发开关的论文并不鲜见。 文献 6 中采用0 1 8 m 的体硅c m o s 工艺制作出了1 8 v 的单刀双掷( s p d t ) 收发开关，工作在2 4 g h z 频段蓝牙i 标准的插入损耗( i l ) 为1 5 d b ，l d b 压缩点 ( p 1 d b ) 为1 1 d b m ，隔离度( i s o ) 为2 4 d b ，包括所有压焊点在内的芯片面积为0 4 5 1 0 n l m 2 。 文献 7 中采用0 1 8 阻的两种c m o s 工艺来制作工作在5 8 2 5 g h z 的s p d t ， 其中一种是采用p 衬底的低衬底电阻，其插入损耗为o 8 d b ，p 1 d b 为1 7 d b m ，另 一种是采用高衬底电阻，其插入损耗为1 d b ，p l d b 为1 8 d b m 。 文献( 8 采用t s m c0 2 5 肛mc m o s 工艺设计了一个工作在2 4 g h z 的s p d t ， 其插入损耗为1 0 d b ，隔离度为3 0 5 d b ，p l d b 为1 6 1 d b m 。 文献 9 采用o 1 8 岬标准c m o s 工艺分别设计了工作在2 4 g h z 和5 2 g h z 的 射频收发开关，当工作在发送模式时，其插入损耗为1 5 d b ，隔离度为3 0 d b ，p l d b 为2 8 d b m ，当工作在接收模式时，其插入损耗为1 6 d b ，隔离度为1 5 d b ，p l d b 为 1 1 5 d b m 。 当前，t d s c d m a 系统所使用的频段为2 0 l o m h z 2 0 2 5 m h z 。到目前为 止，尚未见到采用标准c m o s 工艺制作且工作在2 o g h z 的集成收发开关的相关 报道。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 本文内容安排 本文的目的是分析现存r f 开关的局限，探讨用传统的体硅c m o si c 技术设 计能满足t d s c d m a 系统使用的r f 收发开关的两种方法，包括对称式收发 开关和采用感性衬底偏置技术的收发开关。 第一章简要介绍了课题背景及集成收发开关研究的国内外现状。 第二章比较了目前在r f 电路中使用的各种收发开关，并对其性能进行了详 细描述，其中包括：g a a sm e s f e t 和p i n 二极管。最后论证了使用传统c m o si c 技术来设计r f 收发开关电路的可能性。 第三章详细介绍了对称式收发开关电路的设计。在详尽分析影响其三大性能 指标的各种因素的基础上对电路进行了优化设计，并对所设计的电路进行了电路 仿真及版图设计。 第四章介绍了采用感性村底偏置技术的射频收发开关。由于该技术中用到了 集成电感技术，所以在本章一开始就先对集成电感的q 值、寄生及其等效电路做 了简要的介绍，然后介绍了感性衬底偏置技术及使用该技术设计的射频收发开关 电路，并对该电路进行了仿真。 第五章比较了两种设计使用的设计方法及仿真结果，总结了各自的利弊。 6 第二章射频开关 第二章射频开关 低损耗开关在模拟无线收发机的一些应用中非常重要。在收发机中通常需要 两种开关功能。 第一种功能要求开关在射频频率下连续快速地闭合和关断，可被称为通断开 关或单刀单掷开关，其作用是控制传输系统中的信号，如在混频器中使用的开关。 受电源电压限制，其信号幅度很小，所以此类开关可以用典型的小尺寸m o s f e t 来设计。 第二种功能要求有两种状态，一种状态保持一小段时间后切换至另一种状态， 两种状态交替出现，可被称为选择开关，也称为单刀多掷开关，其作用是控制信 号的通路。 对实现第二种功能的开关的要求如下：开关导通时其导通电阻必须足够小以 确保摆幅很大的信号( 信号的幅度甚至会超过电源电压) 顺利通过，开关截止时要 呈现很高的隔离度。本文设计的开关为第二种。在无线系统中，为了能够共享资 源，常用这种高性能的开关来实现两个或多个接入。 实现l 心开关电路的方法有多种，如采用g a a sm e s f e t 或者p i n 二极管的分 立器件，采用c m o s 集成技术，及采用微机械的m e m s 技术。随着无线收发机对 电路的集成度和可靠性的要求越来越高，应用标准c m o s 工艺制作收发开关电路 已成为一种必然的趋势。 本章将详细论述各种开关的优缺点，最后阐述了使用标准c m o s 工艺来设计 适用于t i _ s c d m a 系统的收发开关的优势。 2 1 射频开关器件 开关器件在数字应用中通常用开关时间、输入电容等指标来衡量。对于在射 频领域的应用，其性能主要用插入损耗、隔离度及线性度等来衡量。 射频开关器件的性能通常可以在图2 1 所示电路的辅助下测量得到。即将开关 电路串接在个内阻为5 0 q 的r f 信号源与一个阻值为5 0 q 的负载电阻之间进行 性能测试。其中，开关的插入损耗和线性度是当开关处于闭合状态时测量的，而 开关的隔离度则是在开关打开时进行测量的。 电子科技大学硕士学位论文 r 一一一一一 l 一j 舄= 5 0 q 图2 - l 射频开关电路的性能测试电路 当开关闭合测试电路工作时，由于开关电路的非理想性，开关电路中会有一 定量的功率损耗，这个功率损耗通常被称为开关的插入损耗。在此状态下，还可 以通过测量开关电路的p 1 d b 来评价其线性度。当开关打开时，开关电路所呈现的 信号损耗则被称为开关的隔离度。 常用的射频开关器件有二极管、m e s f e t 和m o s f e t 。 2 1 1 二极管 二极管在c m 0 s 技术中应用非常广泛。然而用标准c m o s 工艺制作的p n 结 二极管的击穿电压较低( 大约为l o v ) ，而且不适合用来控制大信号摆幅。p i n 二极 管具有较好的耐压性能，因此在大功率r f 开关电路中常使用分立的p 矾二极管。 图2 2p n 二极管的结构图 第二章射频开关 p i n 管有三层结构，在重掺杂的p + 、n + 型硅层之间是本征硅层( 即i 层) ，而 且其厚度较大( 从几个到几十微米) 。p n 管物理结构如图2 2 所示，其中w 为i 层厚度。 在不同直流偏压条件下，p 管呈现不同的阻抗：在零偏压时，p i n 管呈现较 高阻抗；反向偏压时，p i n 管呈现更高的阻抗，可达兆欧级；在正向偏压时，p i n 管的阻抗随正向电压和电流的增加逐渐减小，可小于l 欧姆。由此可知，p n 管 和p n 结二极管有类似的伏安特性。 p i n 管的微波阻抗取决于偏压的极性和大小，与信号幅度无关。微波p i n 管 控制电路正是依靠这一特性工作的。 p i n 二极管即便在很高的工作频率时也能具备良好的插入损耗( 通常小于1 d b ) 和功率处理能力。 p i n 二极管可以用硅，g a a s ，或者异质结结构来制作。 图2 - 3g a a sm e s f e t 的结构及r f 等效电路 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2m e s f e t m e s f e t 是多子器件，其工作原理是通过控制p n 结耗尽区宽度来调节电流的 大小。由于其结构中没有栅氧化层，不存在栅电容，因此在开启和关断时没有电 荷存储效应。m e s f e t 器件的截止频率高于m o s f e t 器件，比m o s f e t 器件更 适用于射频环境。 m e s f e t 器件可阻用硅，g a a s ，i i l p 及异质结来制作。由于硅的迁移率比砷、 镓等三五族元素要低得多，所以用硅制作的m e s f e t 的速率要慢于用其它材料制 作的m e s f e t 器件，不适于处理大功率信号。在大功率( 1 w ) 及高频( 1 0 g h z ) 的应用中，通常使用的是g a a s m e s f e t 器件。 g a a s 的禁带宽度很宽，因此它的击穿电压很高。这一特性使得g a a s 能够耐 受高压，且可靠性很好。另外，g a a s 的低场迁移率很高，增加了器件的可用带宽。 为了进一步降低器件的损耗，g a a sm e s f e t 还可以采用半绝缘衬底。采用半绝缘 衬底的g 以sm e s f e t 器件结构如2 3 图所示，图中还标示出了i 擅等效电路中主 要元件的物理机理。 对于g a a sm e s f e t 的设计，主要的任务是要在导通电阻和截止电容间进行折 衷，为了得到较低的导通电阻，可以使用大尺寸器件，但由于同时增大了截止电 容( 即图2 3 中的c b s ) 使隔离度下降。使用g a a s m e s f e t 的另一局限是其功率处 理能力不够理想，可采用l c 谐振器提高其功率处理能力【1 0 1 。 2 1 3m o s f e t m o s f e t 是所有可选的开关电路中成本最低的，它与c m 0 s 工艺兼容，且随 着技术的进步其性能也不断得到改善。但是，由于其它半导体材料与栅介质之间 存在较高的界面态，不易得到高质量的栅极隔离，所以，在实际应用中通常采用 硅基m o s f e t 。 电子和空穴的低场迁移率较低，因此，与g a a sm e s f e t 相比，硅m o s f e t 的导通电阻r o n 较高。目前的技术中短沟道长度很短，所以m o s f e t 具备很低的 月o n c 6 f f 乘积( c o f f 为m 0 s f e t 截止时漏源间的电容值) ，但薄的栅介质和短的沟 道长度只能承受较低的工作电压。 这些开关不适合于高功率的r f 应用。在r f 应用中，m 0 s f e t 开关的性能与 g a a 8m e s f e t 和p i n 二极管开关相比要差些。s i 基开关电路的插入损耗大主要是 由衬底阻抗小及m 0 s f e t 的导通电阻比较大两方面的原因造成的。 第二章射频开关 图2 4 示出了r f 应用中m o s f e t 的小信号等效电路及主要寄生元件的物理 机理。m o s f e t 中的损耗主要是由沟道电阻胄c 1 和r 及衬底电阻r b l 、r b 2 和r b 3 造成的。其中可以通过将衬底接触孔尽可能靠近器件来降低月b 3 。源端和漏端的寄 生结电容c s b 和c h 是造成损耗的另一个原因，其品质因数( q 值) 很低，尤其是当 工作频率较高的情况下。 图2 - 4m o s f e t 的结构及r f 小信号等效电路 对于大信号输入来说，不断变化的栅源电压v g s 和漏源电压v d s 导致沟道调 制效应，从而限制了大信号摆幅，影响了m o s f e t 开关的线性。m o s f e t 开关非 线性的另一个原因是寄生的源和漏结二极管，它会将信号钳位在电源电压之上 0 7 v 处或是地电位之下0 7 v 处。 2 2 收发开关电路 2 2 1 概述 截至目前，一个典型的超外差r f 收发机结构还包含一些不易集成的模块，它 们通常用其它技术做成分立元件，如天线、前置滤波器、中频滤波器及收发开关。 电子科技大学硕士学位论文 近几年也有人尝试用标准c m o s 技术把这些模块集成在单片i c 上，但片上集 成电感的品质因数和m o s f e t 的衬底寄生参数始终是阻碍改善收发机性能的重要 因素。 目前关于集成收发机的文献都是将接收机的集成从l n a 算起，而发送机的集 成则是到p a 为止 1 1 1 2 】。一个集成的收发开关将把集成的边界沿着天线方向向前 推移，如图2 5 所示。这样的改进可以减少分立模块的数量，从而降低了成本。 r - + m 一一一一一ir 一一1 ll l 集成牧艘鬟孚l e l i 。一一一 图2 5 集成收发开关对收发机集成度的影响 使用收发开关的目的是有选择地把天线与接收机或发送机连接，以使收发 支路能共用一个频段，并保护接收支路不受发送支路大功率信号的干扰。另外， 使用收发开关还可以使天线共享，节约资源和成本。 图2 6 简化的收发开关示意图 一个简化的收发开关示意如图2 6 所示。当开关工作在发送模式( t x ) 时，它 1 2 _ 涮一觥i 裹 第二章射频开关 负责把功率从p a 发送到天线；当开关工作在接收模式( r 玉) 时，它将功率从天线传 送到l n a 。图中的两个开关是用一个控制电压v c t r l 的两个相反相位进行控制， 从而保证天线被接到l n a 或者p a ，但两者不会同时连接。 理想情况下，对所有的输入功率，当s l 和s 2 闭合时可视为短路，损耗为零； 当s l 和s 2 断开时可视为开路，损耗为无穷大。 2 2 2 收发开关的性能参数 收发开关的性能是用发送模式和接收模式的一些参数来量化的，对关键参数 的描述如下： 1 插入损耗( i l ) ：当一个理想的开关闭合时没有功率损耗。插入损耗是指在 匹配的条件下收发开关中的功率损耗。 2 隔离度( i s o ) ：隔离度是指信号从信号端口到未使用端口衰减的度量，如在 发送模式下，隔离度是从发送端口到未使用的接收端口进行测量。尽管隔 离度一般是在负的d b 范围，但实际应用中通常用其绝对值来表示。 3 线性度：线性度又称为功率处理能力，是指对于大功率输入的情况收发 开关在保证低损耗的前提下无失真地传输信号的能力。对于线性度的要求 依赖于应用中最大的输入和输出功率。在收发开关中，通常用1 d b 压缩 点p l d b 来衡量线性度。 4 功率：必须控制直流功耗使其尽可能低。一般要求功耗低于1 m w 。 2 2 3 常用的收发开关电路 典型的分立收发开关使用p n 二极管来实现。集成的收发开关通常使用 g a a sm e s f e t 、s ic m o s 或者m e m s 技术来实现，其中集成g n sm e s f e t 开关 电路不能很好地和基带电路普遍采用的硅基c m o s 工艺兼容。 2 2 3 1 二极管开关电路 图2 7 给出了用p 矾管组成的收发开关电路。在导通状态，用一个约1 0 m a 的大电流为二极管提供偏置，以保证该二极管的交流电阻很低。在截止状态，p i n 结构的结电容较小，保证了该二极管的隔离度很高。 用p i n 二极管设计的开关其插入损耗通常较低，i l 3 5d b m ，但是其缺点是直流功耗较高，p s o 0 1 5 w 。 二极管d 1 和d 2 在适当的控制电压下有选择性地闭合或者断开。为确保足够 1 3 电子科技大学硕士学位论文 的线性，所需的控制电压通常较高，大约5 1 0v 。当开关闭合时，需要用大电流 为二极管提供偏置，以获得较低的串联电阻。在实际电路中通常采用r f 扼流圈 ( r f c ) 为二极管提供直流偏置，不消耗直流功耗，而且r f c 在工作频率处呈现很 高的阻抗，提高了隔离度。 图2 1 7 用二极管组成收发开关电路 由于该开关电路通常需要大的偏置电流才能工作，而大的偏置电流必须通过 r f 扼流圈来供应。然而将r f 扼流圈集成到硅上是个严峻的技术挑战，所以很少 看到将采用r f 扼流圈的p 酣二极管开关集成到r f i c 中的报道。 尽管在某些方面性能优越，但由于受直流功耗及集成技术等限制，二极管开 关电路逐渐被g a a sm e s f e t m m i c 取代，后者虽然在某些方面性能比二极管开关 电路略差，但最重要的是其直流功耗更低。 2 2 3 2f e t 收发开关 g a a sm e s f e t 开关的性能良好，其插入损耗很低( 大约1 d b 左右) ，但功率 容量却很高。 用f e t 设计的收发开关通常有两种结构，串型和串并型。串型收发开关电 路的原理即利用控制电压控制串臂的晶体管的开启与闭合进而使信号通道达到导 通与隔离的作用。而串并型开关电路则是在串型电路中加入了并臂，当并臂晶体 管开启时，在欲隔离的一端产生低阻抗提供一条路径接地，减少信号泄漏至隔离 端，因而增加隔离度。相比之下，串型开关电路拥有较好的线性度及较小的插入 损耗，而串并型开关电路则拥有较好的隔离度1 1 3 】。 1 4 第二章射频开关 使用串并型结构的f e t 收发开关如图2 8 。其中m l 和m 2 管构成串臂，实现 信号通道的导通与隔离功能，m 3 和m 4 管构成并臂，用以增加开关电路的隔离度【1 4 】。 a n t 图2 8 用f e t 组成的收发开芙电路 由于g a a sf e t 开关的直流功耗比p i n 二极管开关低，典型的要低1 m w ，所 以其性能总体来说要比p i n 二极管的好，只是其插入损耗略微要差些。 采用g a a sm e s f e t 设计开关电路时，在2 0 g h z 频段其衬底寄生可以忽略。 因此，设计的主要任务是在其导通电阻和截止电容之间进行折衷。 有一种窄带技术可以用来改善隔离性能，是将个电感与器件并联，使得电 感与截止电容在工作频率土谐振。 与p 玳二极管相比，g a a sm e s h 汀开关电路的另一个局限是当所用的控制电 压较低时其功率处理能力有限。为改善功率处理能力，可以采用如前馈电容，l c 谐振等技术。 g a a sm e s 肌开关电路还有一个特性与p i n 二极管不同，即g a a sm e s f e t 不消耗直流功率。这一优点对于要求低功耗的便携式无线通信设备来说无疑是很 有吸引力的。 尽管有不少的优良特性，但是g a a sm e s f e t 开关电路最致命的缺点就是不能 与低成本的硅基收发机集成在一起。 集成c m o s 收发开关通常也使用串并结构，但由于衬底电阻和寄生的源漏 结电容的影响使得在工作频率超过1 o g h z 时其性能恶化。 电子科技大学硕士学位论文 由于高频工作时线性度有限，性能差强人意，c m o s 收发丌关并不是收发 丌关设计中的最佳选择。 使用电感及传输线等元件来设计窄带开关可以克服寄生电容效应，但由于片 上无源元件的品质因数一般都不高，所以这种技术难以用标准c m o s 技术实现集 成。 随着c m o s 工艺的改进，其性能不断得到完善，且其低廉的成本对市场极具 吸引力。因此，在集成收发机中用c m o s 工艺设计制作收发开关己成为必然趋势。 第三章对称式收发开关 第三章对称式收发开关 在采用t d d 技术的t d s c d m a 系统中通常采用收发开关以使接收支路和发 送支路实现双工通信。除此之外，收发开关在该系统中还有使收发支路共用一 副天线的作用，从而减小电路的体积和冗余，节约成本。 在多种可用技术中，选择标准c m o s 工艺来完成该射频收发开关电路设计的 主要原因，是利于该开关电路与收发机中射频前端的其它模块集成在一起，且可 进一步与基带电路设计中使用的标准c m o s 工艺相兼容，从而使移动手持终端在 小型化、轻量化、低成本的道路上迈上一大步。 一个理想的开关，在断开时衰减应该为无限大，导通时衰减应该为零。由于 c m o s 管的阻抗在导通时既不能减小到零，在截止时也不能增至无限大，所以实 际的开关在断开时衰减不是无限大，导通时也不是零，一般只能要求两者的比值 应尽量大。开关导通衰减称插入损耗，断开时的衰减称为隔离，插入损耗和隔离 是衡量开关质量优劣的基本指标。 本章将提出一种用t s m co 3 5 mc m o s 射频模