问:什么是CMOS宽带开关?

一个: CMOS宽带开关主要是为了满足在ISM(工业、科学和医疗)频段频率(900 MHz及以上)传输的设备的要求而设计的。这些器件的低插入损耗，端口之间的高隔离，低失真和低电流消耗使其成为许多需要低功耗和处理传输功率高达16 dBm的高频应用的出色解决方案。本文后面提到的应用示例包括汽车r os、天线开关、无线计量、高速滤波和数据路由、家庭网络、功率放大器和锁相环开关。

问:这些开关是如何比典型的CMOS开关快得多的?

一个为了提高带宽，宽带开关在信号通路中只使用n沟道mosfet。仅NMOS开关的典型-3-dB带宽为400 mhz，几乎是并联NMOS和PMOS fet的标准开关带宽性能的两倍。这是由于较小的开关尺寸和大大减少寄生电容由于去除p沟道MOSFET的结果。n沟道mosfet本质上作为压控电阻。交换机的工作原理如下:

V (g)的在V(t)→接通
V (g) & lt;V(t)→关闭

其中V(gs)为栅源电压，V(t)定义为阈值电压，高于阈值电压，源极和漏极之间形成导电通道。

当信号频率增加到大于几百兆赫时，寄生电容往往占主导地位。因此，在宽带应用中实现开关关断状态的高隔离和开状态的低插入损耗对开关设计者来说是一个相当大的挑战。开关的通道电阻必须限制在小于约6欧姆，以便在源和负载阻抗匹配为50欧姆的线路上实现小于0.5 dB的低频插入损耗。

与我们所熟悉的开关拓扑结构不同的是，为断开开关及其相关的杂散信号插入一条到地的分流路径，从而可以设计出在高频下具有更高断开隔离度的开关。fet具有互锁手指布局，可减少输入(RFx)和输出(RFC)之间的寄生电容，从而增加高频隔离并增强串扰抑制。例如，当MN1导通形成RF1的导通通路时，MN2关断，MN4导通，将RF2处的寄生体分流到地，如图1所示。

问:你提到了关闭隔离和插入损耗。你能解释一下这些是什么吗?

一个是的，描述RF开关性能的两个最重要的参数是关闭状态下的插入损耗和打开状态下的隔离。

关断隔离定义为当开关关断时，开关输入和输出端口之间的衰减。串扰是信道间隔离度的度量。

例如，ADG919 SPDT交换机在1 GHz时提供约37 dB的隔离，如图2所示。同样的设备，使用芯片级封装(CSP)——提供给空间受限的无线应用，如天线切换——提供了6db的改进(1ghz时43 dB)。

插入损耗是开关导通时，开关输入和输出端口之间的衰减。开关通常是接收器信号路径中遇到的第一个组件之一，因此需要低插入损耗以确保最小的信号损耗。低开关插入损耗对于需要低总体噪声系数的系统也很重要。

为了从ADG9xx系列开关中获得最佳的插入损耗性能，应该在2.75 V的最大允许电源电压下工作。原因可以从图3中看到，图3显示了ADG919在三种不同电源电压值下的插入损耗与频率的关系图。

问:插入损耗与标准开关的导通电阻有什么关系?

一个信号损耗本质上是由导通状态下的开关电阻R(on)与在较低工作频率下测量的源加负载电阻串联产生的衰减决定的。图4显示了n沟道MOSFET器件导通电阻随源电压变化的典型曲线。

问:高频开关设计中常用的技术有哪些?

一个传统上，只有少数几个工艺可用于开发良好的宽带/射频开关。砷化镓(GaAs)场效应管、PIN二极管和机电继电器主导了市场，但标准CMOS现在是一个强有力的进入者。

PIN二极管是一种高度线性的器件，具有良好的失真特性，但考虑到当今的高性能要求，它们存在许多缺点。它们的开关时间非常慢(微秒，而CMOS开关是纳秒);它们非常耗电，因此不适用于许多电池供电的设备;与CMOS开关从RF到dc的响应不同，使用PIN二极管作为线性开关有一个实际的较低频率限制。

GaAs因其低导通电阻、低关断电容和高频高线性度而广受欢迎。然而，随着CMOS工艺几何形状的不断缩小，CMOS开关的性能已经提高到可以实现高达4ghz的- 3db频率，并且能够与GaAs开关竞争。CMOS开关旨在最大限度地提高带宽，同时保持高线性度和低功耗，现在在许多低功耗应用中提供了GaAs开关的实用替代方案。

问:相对于砷化镓，CMOS宽带开关解决方案的主要优势是什么?

一个:开关，如ADG9xx系列部件，具有集成的TTL驱动程序，允许与其他CMOS器件轻松接口，因为CMOS与LVTTL逻辑电平兼容。集成驱动器的小尺寸设备是许多空间受限应用的解决方案。

因此，GaAs开关需要直流阻塞电容器与RF端口串联，有效地使晶片相对于直流地浮动，以便开关可以用正控制电压控制。宽带交换机，如ADG9xx系列，没有这个要求，消除了带宽减少的担忧，电容器对整体系统性能的影响，以及GaAs解决方案的额外空间和成本。消除阻塞电容允许ADG9xx部件保持其低插入损耗(0.5 dB)一直到直流。除了提供更小、更高效的设计解决方案外，ADG9xx系列还具有更低的功耗要求，在所有电压和温度条件下的功耗均小于1 μA。

问:与GaAs相比，ESD(静电放电)性能如何?

一个: ADG9xx系列部件通过1kv ESD HBM(人体模型)要求。ESD保护电路很容易集成在这些CMOS器件上，以保护RF和数字引脚。这使得开关非常适合任何对ESD敏感的应用，并且它们为具有低至200 V ESD额定值的GaAs器件提供了可靠的替代方案。

问:这些交换机的其他重要规格是什么?

一个：视频直通的(图5)是当控制电压从高到低，或从低到高切换时，在没有RF信号存在的情况下，在开关的RF端口出现的伪直流瞬态。这是典型开关的电荷注入。它是在一个50欧姆的测试装置中测量的，具有1 ns(上升时间)脉冲和500 mhz带宽。

P1dB (1db压缩点)为射频输入功率电平，在此电平下开关插入损耗比其低电平增加1db。它是对开关射频功率处理能力的度量。如图6所示，ADG918在1ghz时的P1dB为17 dBm, V(DD) = 2.5 V。

问:这是什么意思?

一个这意味着，如果低电平输入时1ghz的插入损耗为0.8 dB，则17dbm输入信号时插入损耗为1.8 dB[注:dBm是功率与1mw或电压与224mv在50欧姆时的比值的dB(对数)度量。17dbm对应50mw，或1.6 V rms或4.5 V p-p。

问:在图6中，功率处理能力似乎在最低频率下大幅下降。为什么?

一个:正常工作时，开关可处理7dbm (5mw)输入信号。对于50欧姆的负载，这对应于0.5 V的有效值信号，或1.4 V的正弦波峰对峰。[V (p-p) = V(rms) × 2 ×√2]。

功率处理能力在较低频率下降低有两个原因:

如图7所示，固有的NMOS结构由p型衬底中的两个n型材料区域组成。因此，在N区和P区之间形成了寄生二极管。当一个直流偏置0 V的交流信号加到晶体管的源端，且V(gs)大到足以使晶体管导通(V(gs) >V(t))时，寄生二极管可以在输入波形负半周的某些部分正偏。如果输入正弦波低于大约-0.6 V，二极管开始导通，从而导致输入信号被截断(压缩)，如图8所示。该图显示了一个100mhz, 10dbm的输入信号和相应的100mhz输出信号。很明显，输出信号被截断了。

在低频时，输入信号在-0.6 V以下的时间更长，这对1db压缩点(P1dB)有更大的影响。

零件在较低频率下可以处理较低功率的第二个原因是分流NMOS器件在应该关闭时部分打开。这与上面描述的寄生二极管部分导通的机制非常相似。在这种情况下，NMOS晶体管处于关断状态，V(gs) <V (t)。当并联装置的电源上有交流信号时，在波形的负半周内会有一段时间V(gs) >V(t)，从而部分接通分流装置。这将通过分流一些能量到地来压缩输入波形。

当开关在低频率(30 MHz)和高功率(大于7 dBm)(或5 mW，在50欧姆时1.4 V p-p)下使用时，可以通过对RF输入信号施加小直流偏置(约0.5 V)来克服上述两种机制。这将提高正弦波输入信号的最小电平，从而确保寄生二极管持续反向偏置，并且分流晶体管永远不会看到V(gs) >V(t)在输入信号的整个周期内保持关断状态。图9再次显示了在100 MHz和10 dBm输入功率下的输入和输出信号图(在50欧姆时约为2 V p-p)，但这次带有0.5 V直流偏置。可以清楚地看到，削波或压缩不再发生在100mhz。

问:如何对射频输入施加直流偏置?

一个为了尽量减少通过输入端端电阻的电流损耗，最好在输出端(RFC)增加偏置。这是最佳实践，特别是对于低功耗便携式应用，但如果下游电路无法处理直流偏置，则可能有必要在RF输出上应用直流阻塞电容器。

问:这些开关能在负电源下工作吗?

一个:只要符合V(DD)到GND的-0.5 V至+ 4v绝对最大额定值，它们就可以在GND(地)引脚上带负信号。注意，以这种方式操作部件将内部终端置于这个新的GND电位上，这在某些应用中是不希望出现的效果。

问:这些开关的失真性能如何?

一个当频率间隔很近的音调通过开关时，开关的非线性会产生假音，从而在其他频率产生不希望的输出。在通信系统中，信道之间的间隔越来越紧密，为了确保最小的干扰，必须最小化这种互调失真(IMD)。在被测设备(DUT)的输入端施加两个间隔紧密、频率间隔固定的等功率信号(例如900 MHz和901 MHz)，输出频谱如图10所示。三次谐波，通常用dBc表示，是三次谐波功率与基波功率之比的对数。(负)值越大，失真越低。通过ADG918发送这些音调，使用输入功率为4 dBm的组合器，得到的IP3为35 dBm，如图11所示。[注:可以在“Ask The Applications Engineer-13”中找到关于各种类型失真的精彩讨论]

ip3 -三阶截距点。测量IMD，并由此计算IP3值。IP3是设备的性能指标，单位是dbm。在数据表中指定的IP3是由于这些假音中的功率而引起的开关畸变的度量。IP3值越大，相邻通道中的音调越小，说明开关具有良好的谐波性能。

问:ADG9xx系列有哪些配置?

一个ADG9xx系列包括SPST(单极，单投)，SPDT(单极，双投)和双-SPDT开关，以及4:1单极复用器(SP4T)。它们有吸收型和反射型两种版本，以满足所有应用需求。

问:什么是吸收开关?

一个ADG901 (SPST)， ADG918 (SPDT)， ADG936(双SPDT)和ADG904 (SP4T)部分被描述为吸收(匹配)开关，因为它们具有片上50欧姆端接分流支路。

问:什么是反射开关?

一个ADG902 (SPST)， ADG919 (SPDT)， ADG936-R(双SPDT)和ADG904-R (SP4T)部件被描述为反射开关，因为它们有0欧姆的接地分流。

问:我应该在什么地方使用吸收开关而不是反射开关?

一个无论开关模式如何，吸收开关在每个端口上都具有良好的阻抗匹配或电压驻波比(VSWR)。当需要在关闭信道中进行适当的反向终止时，应使用它，以保持良好的驻波比。因此，吸收开关对于需要最小反射回射频源的应用是理想的。它还确保将最大功率传输到50欧姆系统中的负载。

反射开关适用于高端口外VSWR无关紧要的应用，并且该开关具有一些其他所需的性能特征。反射开关通常用于在系统其他地方提供匹配的应用中。在大多数情况下，吸收开关可用来代替反射开关，反之则不行。

问:如何确定这些开关的驻波比?

一个VSWR——电压驻波比——正向电压和反射电压之和与正向电压和反射电压之差的比值——表示开关射频端口处阻抗匹配的程度。当涉及到测量时，用回波损耗来描述阻抗匹配更容易，回波损耗是指端口处反射功率相对于入射功率的量。

简单地通过测量入射功率和反射功率，就可以确定回波损耗，由此可以利用现有的驻波比/回波损耗转换图计算出驻波比。图13显示了ADG918在通断条件下的典型回波损耗曲线。注意，ADG918是一种吸收开关，对于关断和开断都具有良好的回波损耗性能。ADG919版本不含终端电阻，在关断状态下回波损耗性能不佳。

问:既然你已经解释了这些部件的性能，请告诉我它们在哪里以及如何使用。

一个由于其高达1 GHz的低插入损耗和宽- 3 db带宽(高达4 GHz)，该系列交换机是许多人的理想选择汽车娱乐系统。

他们在……找到了家调谐器模块和机顶盒在有线电视输入和无线天线输入之间切换。这些部件适用的另一个领域是车-r - o天线切换。由于这些开关通常是50欧姆阻抗系统，因此吸收型开关(ADG901、ADG918和adg904)提供的50欧姆内部终端可确保出色的阻抗匹配和最小反射。

各种可用的拓扑结构使得这些部件非常容易设计antenna-diversity-switch应用程序，允许用户在多波段操作系统中在多个天线和单个调谐器之间切换。

这些部件也适用于无线计量系统，在发送和接收信号之间提供所需的隔离(图14)。

这些零件非常适合高速滤波器选择和数据路由ADG904可以用作4:1的解复用器，在不同的滤波器之间切换高频信号，也可以将信号复用到输出端。为差动滤波器选择和数据路由，ADG936双SPDT(单极，双掷)开关是一个理想的解决方案。数据交换在调制解调器卡为点对点无线系统例如用于军事和航空电子应用的微波或o链路，需要ADG9xx系列部件提供的高频性能。

他们也适合家庭网络应用程序-允许无线远程控制许多不同功能的系统，例如打开和关闭卷帘，控制照明(开、关或调暗)-其中信息通过无线链路传输。卓越的高频隔离性能和低功耗保持系统的当前预算，因此构成一个理想的应用。

由于其高频率范围-高达4 ghz -该系列部件也适用于许多人蓝牙2.5 ghz ISM频段的无线通信技术。

可用于宽带交换机的设计功率放大器(pa)具有800mhz, 900mhz, 1900 mhz, 2100 mhz的频率-用于蜂窝CDMA和GSM应用。该开关用于主放大器周围的前馈校正环路，允许主动式和无源反馈和前馈路径切换，允许放大器的失真水平进行测试。开关允许在系统中进行增益和相位校正。900 MHz时的高隔离性、低插入损耗和低失真使ADG9xx系列成为该频率范围内扩音设计的理想选择。

ADG918可用于实现锁相环切换用于GSM应用中的跳频。

问:什么是锁相环开关，为什么要使用ADG918?

一个在两个锁相环(pll)之间切换-通常被描述为乒乓技术-允许设计师实现更快的系统稳定时间。ADG918的低功耗和简单的单引脚控制使其易于集成。

在两个振荡器之间切换时，可以通过casc(即)实现所需的隔离性能。，将多个交换机级联连接。这是为系统提供高隔离规格的一种非常简单的方法，可以防止更高频率的任何干扰。5个adg918在1ghz时提供130 dB的隔离，插入损耗为3db。在这种应用中，这种插入损耗的增加不是实质性的，因为主要关注的是相对于彼此的信号电平。

在这个应用程序中，ADG918的一个很好的特性是它作为一个集成的低通滤波器，消除了两个锁相环产生的不必要的谐波。通过在高频下插入损耗的自然增加来实现，它很容易防止不必要的谐波通过开关传播，如图15和16所示。

问:所以…总结?

一个综上所述，CMOS宽带开关，特别是ADG9xx系列中的CMOS宽带开关，是ISM频段中所有需要高隔离和低插入损耗的应用的绝佳选择，适用于空间受限的电池供电设备。评估套件可从设备，使这些部件的设计-在快速和麻烦-每个设计师的梦想!