射频单刀双掷开关常见结构
- 传统MOS串并联
- Π型50Ω匹配
- 共波导传输线匹配
- 非对称MOS堆叠
- 非对称LC
1. 传统MOS串并联开关
传统MOS串并开关是在简单串联开关的基础上,加入端口并联而实现。
问题:MOS寄生电容以及衬底耦合等效应,隔离度性能不佳。
为了提高隔离度,MOS串并联开关在Tx、Rx端口,加入并联MOS管M3、M4。
适合频段
常用于直流至低频频段的开关设计。
工作方式
M1、M4由电压Vc控制,M2、M3由Vc的互补电压控制。
- 当Vc为高电平,Tx支路导通,Rx支路关断。
- M2截止,可以提供一定的隔离作用。
- M4导通,将泄露至R下的微弱信号短路到地,进一步提高隔离度。
问题
MOS串并联结构开关,因串联MOS寄生耦合效应,其各项性能随着信号频率增加而恶化。
串并联结构开关的隔离度性能优于简单串联开关,但由于M3、M4引入额外寄生电容,促使信号向地泄露,插入损耗性能较差。
改进
改进方法由很多种,可在每个MOS源漏极之间加入并联电感。能够抵消MOS寄生电容的影响,又能提高隔离度。
2. Π型50Ω匹配开关
适合频段
具有个好的高频性能。增加匹配网络的级数,可以优化隔离度与宽带性能。
工作方式
M1、M2分别由互补电压控制。
当Vc为高电平时,发射模式
- M1截止,M2导通
- 信号由Tx port传输至 ANT port
- M1的等效寄生电容与L1、形成C-L-C 50Ω匹配,该网络可等效为四分之一波长传输线
- M2导通,M2等效为小电阻,此时接收支路的Π型匹配网络在ANT port等效为大阻抗,提高隔离度
Π型50Ω匹配开关,巧妙利用MOS关断电容形成匹配网络,从而抵消了寄生电容带来的负面影响。
MOS尺寸越大,会破坏网络匹配情况,导致支路导通时插入损耗性能恶化。
改进
两级匹配网络示意图。
3. 共面波导传输线开关
共面波导传输线原理,类似于Π型50Ω匹配结构开关。共面波导可以提供更大的Q值,从而优化电路性能。
L1、L5为特征阻抗为50Ω的传输线电感,L2~L4为共面波导。该开关,通过控制电压Vc高低电平的变化,来进行模式切换。
共面波导可以
- 优化开关插入损耗性能
- 减少芯片面积。
4. 非对称式MOS堆叠串并联开关
非对称式MOS堆叠串联开关= MOS开关 + MOS堆叠。
应用于收发机前端系统。
工作原理与MOS串并联开关相似。
因射频天线发射模式发射的信号功率一般较高,所以Rx支路的串联MOS与Tx支路的并联MOS均会采用多个MOS串联堆叠的形式,来提高发射模式线性度性能。
问题:堆叠MOS结构,会对支路的损耗等性能带来影响。
5. 非对称式LC开关
应用于收发机前端系统。
传统串并联开关因在发射模式下存在关断MOS,限制了发射模式的线性度。因此,非堆成LC开关中,将这些影响线性度的MOS出去,而用Π型匹配网络或LC谐振网络替代。
在Tx模式下:
- Vc高电平,M1导通,信号由Tx port 传送至ANT port
- Rx支路,呈高阻抗,阻止信号泄露
- M2导通,提高隔离度
在Rx模式下:
- Vc为低电平,信号由ANT port 传输至Rx port
- M2关断,可与Rx串联支路形成匹配,进行信号传输
- M1关断,提高隔离度
因此,可变阻抗模块类似于阶梯式阻抗,在这两种模块下,分别呈现高低阻抗状态。
MOS恒定偏压发非对称LC开关
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