CMOS高线性度非对称式SPDT开关的设计

王涛 周明珠 王博威

摘 要：介绍了一种具有高线性度非对称式单刀双掷开关，本電路在传统对称式电路结构的基础上进行优化，对称式结构的其中一条支路上增加可变阻抗模块，这种非对称式结构可以满足开关在发射模式下对高功率处理容量的要求。该非对称式工作在15GHz时，在发射模式下，插入损耗为1.9dB，隔离度为18dB，输入1dB压缩点为26dBm，回波损耗S11、S22分别为-21dB和-18dB；在接收模式下，插入损耗为1.4dB，隔离度为21dB，输出1dB压缩点为7.6dBm，回波损耗S11、S22分别为-28 dB和-18dB。

关键词：CMOS；高功率增益；两路对称；功分器

文献标识码：A

性能优良的信号收发系统对无线通信系统起着极其重要的作用。收发系统中射频集成电路前端模块是研究的重点之一，开关则是该模块其中重要的组件之一。开关属于控制元件，常常用于信号发射/接收（T/R）、收发链路切换、波段选择等场景，在每一个无线应用产品中，如智能电话、WLAN、穿戴设备、WIMAX等都离不开开关的使用。收发开关在发射和接收这两个路径中扮演着一个桥梁的角色，有选择性的通过开关将发射机、接收机与天线连接，能够避免发射路径与接收路径的之间的信号干扰。

1 对称式与非对称电路结构

当开关工作在发射模式时，由于信号功率较大，则需要尽量减小接收支路受到大的电压摆幅影响，特别是在天线端口失配的情况下。因此发射支路与接收支路的隔离度显得尤为重要。[1]

如图1所示，在对称式串并联SPDT开关结构中，其隔离度主要通过关断M3和导通M4实现的，在低频时能获得不错的隔离度，但是在高频时电容阻抗降低而导致隔离度恶化。

如图1所示，对于非对称SPDT开关而言其隔离度主要由可变阻抗模块决定，在实际电路中使用的是LC谐振回路实现，通过并联晶体管的导通与关断控制LC串联谐振和并联谐振的切换以实现阻抗变换，当RX支路处于并联谐振时则与天线获得良好的匹配，ω=（LC）0.5，其中ω为工作频率。

图2为对称式串并联开关与非对称串并联开关在分别在天线端口开路和50欧姆时隔离度的对比图，仿真中两个串联晶体管和并联晶体管的栅宽180μm（60×3μm）和80μm（20×4μm），非对称SPDT中的阻抗模块由600Ω的电阻等效。由仿真图可看出非对称串并联SPDT开关由于阻抗的模块存在，其隔离度性能是优于对称式串并联电路的。[4]

2 非对称式SPDT的设计

电路的设计思路是在串并联的SPDT开关的基础上，寻找一种在不同控制状态下表现出不同阻抗的模块，在高阻抗时能增加开关的隔离度，在低阻抗时有较低的插入损耗，并且能有较好的匹配特征。[2]

如图3是电路的完整原理图，可变阻抗模块由LC谐振网络实现，在晶体管导通/关闭状态下体现不同阻抗状态。当开关工作在TX模式下时，VC=1，M1管导通，信号经发射支路从天线发射出去，由于此时M2管导通，L1与C1构成并联网络，在谐振状态下LC网络阻抗由电感Q值决定，可达几百欧姆到几千欧姆，阻碍发射支路信号流入RX支路，因此提高了TX到RX的隔离度；当开关工作在RX模式时，VC=0，M2截止，L1与C2构成串联网络，在谐振频率时阻抗由电感Q值决定，通常只有几欧姆，因此有较好的插入损耗。[3]

由于RX支路上有LC谐振网络的存在，可以防止TX支路泄露到RX支路上的大功率信号过高的电压摆幅瞬间将M2管子打开，而导致插入损耗增加和功率处理容量下降。由于TX支路上没有大阻抗来避免这种情况，因此RX模式的线性度作了一定的牺牲，不过由于RX模式下，RX支路上的MOS管被“悬浮”，因此具有较优的噪声性能，符合RX模式下的实际工作条件。

3 版图和仿真结果

如图4 所示为本电路的版图设计，右边从上至下分别是深N阱的偏置电压VDNW、P阱的偏置电压VPW、GND、以及控制电压VC和VC，下方从左至右分别TX、ANT以及RX端口，射频端口均采用GSG，面积仅为280μm×180μm，因此本电路相对于采用阻抗匹配的SPDT开关相比，版图面积优势明显。

如图5和图6分别为开关分别工作在RX和TX模式的仿真结果，可以看出在RX模式下，S11和S22分别为-28dB和-18dB，插入损耗和隔离度分别为1.4dB和21dB，并且输出P1dB为7.6dBm。在TX模式下，S11和S22分别为-21dB和-19dB，插入损耗和隔离度分别为1.9dB和18dB，并且输入P1dB为21dBm，因此本电路符合设计要求。

从图5可以看出，当工作在RX模式下S11和S21要优于工TX模式下，这是因为当开关在RX模式下，RX支路上由于M2管关断，C1电容回路断开，因此L1与C2构成LC串联谐振网络，因此在谐振频率下RX支路上获得了较好的匹配特性和较小的插入损耗。另一方面，从表中可以观察到，在TX模式下1dB压缩要远高于RX模式。当开关工作在TX模式下，由于M2管被导通，L1与C1构成并联谐振回路，当回路工作在谐振频率时，阻抗非常大，阻碍TX支路上的功率信号流入RX支路，因此TX支路上的功率处理容量得到了极大的增强。不过由于当电路处于RX工作模式时，TX支路上并没有大阻抗，因此RX模式下线性度较低，但通常RX支路接收到的信号功率小。

4 结论

本章介绍了一种工作在15GHz频率能获得较高线性度和隔离度的T/R开关。分析了对称开关拓扑和非对称开关拓扑之间的性能比较，以及在实际收发机中TX支路与RX支路上要求的性能不对称，不对称拓扑结构有利于发射支路获得高功率处理容量。本文还使用了对栅极、PW与DNW以及漏、源偏置的交流悬浮技术进一步减少了衬底负载效应和进一步提高晶体管的功率处理容量。

参考文献：

[1]Wang C.Design of High Power CMOS Microwave Switch[J].2011：12-16.

[2]Jin Y，Nguyen C.High power and linearity CMOS RFIC transmit-receive switch for ultra-Wideband radar and communication systems[C].Radar Symposium，2008 International.IEEE，2008：1-2.

[3]Zhai C，Cheng K K M.Dual-Mode CMOS RF Power Amplifier Design Using a Novel Reconfigurable Single-Switch Single-Inductor Balun[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，PP（99）：1-10.

[4]Jin Y，Nguyen C.Ultra-Compact High-Linearity High-Power Fully Integrated DC–20-GHz 0.18-μm CMOS T/R Switch[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2007，55（1）：30-36.