【开关电路设计的理论基础4100字】

在现代微波开关的设计中，核心器件就是FET开关管。整个开关系统的状态切换几乎都是由FET开关管的导通和截止状态来决定的，或者再加上一些其他的元件。故而FET晶体管本身就有着“开关特性”。耗尽型MOSFET管截面图和输出特性曲线如下所示：（a）（b）耗尽型FET管的SiO2绝缘层中掺有大量的正离子Na+或K+，渗进衬底，产生沟道，故而在无外加电压时也会有沟道的存在。当外加电压使Vgs>0时，沟道会变宽，当Vgs<0时，沟道变窄甚至夹断，没有电流流通，即此时处于截止区。根据这个特性，可将耗尽型FET管用来设计开关。散射参数即S参数在射频微波电路中应用广泛，是电路设计中常用的分析工具之一。在低频电路中，信号波长较长，元器件的尺寸（一般小于波长的十分之一）可以忽略不计，将之视为一个节点，故称这种电路为节点电路，使用常规的电压、电流定律来进行电路计算。而在高频（微波）电路中，波长较短，元件的尺寸就不能再视为节点了，故常规的电路理论已经不再适用了，这时我们就需要采用电磁场理论中的反射和传输模式来分析电路。器件内部的电磁波干扰，使电压和电流失去了一致性，此时我们可以将实际的微波器件（系统）简化为微波网络，用端口网络去描述器件和电路的参数，即S参数。下面以一个二端口的网络模型为例简单说明一下S参数的含义。如图2所示：二端口网络一共有四个S参数，分别是S11、S22、S12、S21。其中Sab表示能量b端口注入，在a端口测得的能量。各个参数的物理意义如下表所示：S参数物理意义S11端口2匹配时，端口1的反射系数S22端口1匹配时，端口2的反射系数S12端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数S21端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数在微波开关等效的二端口网络中，Port1接输入信号为输入端，Port2接输出信号为输出端。那么S11、S22分别表示输入/输出的回波损耗，即表示有多少能量被反射回输入端/输出端。而S21表示插入损耗，即有多少能量被传输到输出端，其值越大表示传输的效率越高。微波开关的主要技术指标有三个，分别是插入损耗，隔离度，回波损耗。但是在我们的设计过程中，这三个性能指标相互制约，追求低插入损耗时可能会降低其隔离度，所以我们需要根据我们的设计指标去衡量取舍，达到要求的指标，让开关整体的性能达到“最优”，这也是本文重点需要研究的点。插入损耗（IL，InsertionLoss）是指传输网络中插入元器件而产生的负载功率消耗，越小越好。在开关电路中，如果开关处于导通工作状态，那么信号流经开关这一导通支路时所产生的功率消耗就是插入损耗。在开关电路中插入消耗主要由于晶体管产生。其计算如式（1.1）所示：(1.SEQ式\*ARABIC1) FET管在不同的偏压情况下处于不同的工作状态，而所呈现的源极与衬底，漏极与源极，漏极与衬底之间的寄生效应也是不同的。但是当大功率射频信号流经某一支路时，过大的电压摆幅会将原本处于关闭状态的晶体管导通，导致一条支路上的信号会泄露到另一条支路上，因此隔离度（ISO,Isolation）可以表示为当开关关闭时，输入端口泄露到输出端口的信号功率与输入功率之间的差值，即输入端与输出端之间的信号衰减度，是衡量开关截止有效性的重要指标。可以用开关关闭时的S21参数来衡量。回波损耗（RL，ReturnLoss）又名反射损耗，顾名思义就是有多少能量被反射到信号的源端，回波损耗越低就代表能量的利用率越高，可用S11、S22分别表示输入回波损耗和输出回波损耗。在开关电路中，可用其衡量端口阻抗匹配程度。如果输出阻抗与负载未匹配，大量信号就会反射回输入端，回波损耗大，传输效率降低。反射系数Γ是反射波和入射波电压之比，公式如下：(1.SEQ式\*ARABIC2)其中是电路的特征阻抗，回波损耗是反射波和入射波的功率之比，公式如下：(1.SEQ式\*ARABIC3)有时候我们也会用输入，输出的驻波比（VSWR）来衡量开关的性能，公式如下：(1.SEQ式\*ARABIC4)驻波比为1时，代表阻抗完全匹配，此时回波损耗为0，没有能量反射即全部能量辐射出去了；当驻波比无穷大时，表示能量全都反射回输入端了。本次课题研究采用的是0.15μm的GaAspHEMT(pseudomorphicHighElectronMobilityTransistor，砷化镓赝高电子迁移率晶体管）工艺进行设计的。设计开关时使用到的是工艺库中提供的耗尽型晶体管。如图3所示，开关管的栅极（GATE）作为控制端，而源极（SOURCE）与漏极（DRAIN）作为射频端。当对栅极施加0偏压时，源漏极之间由二维电子气形成沟道导通，开关处于导通状态，沟道等效为一个小电阻；当对栅极施加负偏压时，源漏之间沟道关闭，呈高阻状态，开关视为关断状态，沟道等效为一个电容和一个电阻本次设计中还需要用到微带线，电阻，电容，电感等无源器件，工艺库中也有相应的模型与等效电路。本次设计中多次用到了微带线作为电路连接匹配单元，其等效结构如下：由图可知，微带线是由基片介质上的带状金属与接地金属层构成的，使用了MET1、MET2或者双层金属结构。本次设计使用的工艺库中MET1金属层的厚度为1.33μm。MET2顶层金属的厚度为4μm，其厚度较大且与衬底间的耦合较小，其损耗较小，故而常常使用顶层金属作为器件之间的互连线。工艺库中所提供的两种微带线结构，一种是常规矩形微带线，一种是T型微带线。在设计过程中，不仅要考虑电路性能，还需要尽量减小尺寸，使整体电路体积较小。另外，要注意微带线的电流传输所能承受的最大值，防止因为电流过大而烧坏微带线。本次使用的工艺库中，金属层MET1层能承受的最大电流密度为4mA/μm，而MET2为6mA/μm。电阻在电路设计中可用于反馈电路，偏置电路等。本次设计使用的工艺库中提供了两种电阻，分别是以薄膜材料形成电阻层的薄膜电阻（TFR,thinfilmresistor）与通过掺杂形成导电层的体电阻（MSR）。以下是两种电阻原理图符号和立体结构图：（b）上图是本次工艺库中W=50μm，L=50μm的两种电阻的原理图符号，可以看出在相同尺寸时体电阻的阻值比薄膜电阻高三倍。本次设计中使用电阻是在开关管的栅（G）端起到是隔离信号的作用，防止射频信号流入直流信号源对其产生影响，阻值较大，为减小电路尺寸故而选择体电阻（MSR）。电感作为一种重要的无源器件，广泛应用于各种电路设计中，例如匹配网络，谐振网络，滤波网络等，本次设计中电感就用于阻抗匹配。电感有多种类型结构，本次设计使用的工艺库中提供了一种平面螺旋电感，其易整合，成本低，结构紧凑，具有电感值低，品质因素高等特性，故而该类电感广泛应用于射频集成电路中。平面螺旋电感可以根据不同的缠绕形状，分为方形、六边形、八边形等多边形结构与圆形结构。接下来以工艺库中提供的圆形结构的螺旋电感为例进行说明。如下是圆形螺旋电感的原理图符号与平面示意图：图中所示W（Width）是线圈的宽度，S（Spacing）是线圈缠绕时之间的间距，D（Diameter）是线圈的内径，此外还有一个参数T（NumberofTurn）线圈的匝数。以上是工艺库中的电感立体结构图，可以看出该电感用双层金属的微带线作为线圈进行缠绕，缠绕至中心后经过空气桥由内部连接到外部。平面螺旋电感主要有两个性能参数，品质因数Q与电感值L。品质因数Q的大小是用来表示电感性能好坏的一个指标。其定义为一个周期内电感中存储能量和消耗能量的比值。品质因数Q越高说明电感的损耗就越少，故而我们在设计中优先选用品质因数高Q的电感。影响电感的品质因数主要有两个方面，结构与工艺。在几何结构方面，圆形螺旋电感结构紧凑，故而有着较高的品质因数Q。在工艺制造方面，可以采用高阻抗衬底材料，或者增大金属层与衬底之间的隔离度以提高品质因数Q。电感值L就是电感量，其在一定频率的条件下为定值。它的主要影响因素有电感的结构，各类尺寸如前面提到的线宽间距等，还与其工艺材料有关，金属层的电导率，衬底层的电阻率等等。我翻阅了部分资料，大部分都是对方形螺旋电感的电感值的计算，且算法都较为复杂。故而建议在电路设计中采用相关软件对其进行EM仿真，得到电感结构的散射(S)参数数据文件，通过Y与S参数之间的转换公式得到电感值的计算公式[15](1.SEQ式\*ARABIC5)(1.SEQ式\*ARABIC6)此外电感还有另一项比较重要的技术指标，自谐振频率。因为电感中存在寄生电容，随着频率的增加，寄生电容的影响渐渐变大。当到达一个临界点时，此时电感与寄生电容之间满足谐振条件，整个电感就会等效于一个电阻。如果频率继续增大，过了谐振的临界点，整个器件将会失去电感特性呈电容特性。电容也常常在电路设计中起到阻抗匹配的效果，此外还有隔直流、去耦合、负载及定时等作用。本次设计中主要起到的是阻隔直流的作用，使用的电容是工艺库中的MIM型电容，其平面图与立体结构如下图所示：由图中可以看出，该电容上下两层是顶层金属MET2(深绿层)和金属MET1层(浅绿层)，中间是电介质层(白色边框透明层)，旁边红色边框层是用于连接两层金属的通孔。为了方便连接电路，最底端的MET1层接入输入输出端口。根据工艺库的文件，我们可以得知白色边框透明层的电介质层的介电常数ε，根据我们设定的相关宽（W）、长（L）、高（H）可以计算出大概得电容值：(1.