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一种01-12GHz的CMOS射频收发开关芯片设计
发表日期:2019-05-29 13:06| 来源 :本站原创 | 点击数:
本文摘要:目前,全球无线通信系统正处于快速成长历程中,无线通信行业专网系统也正处于飞速成长的黄金期间。我国无线通信行业专网所用频点和带宽品种繁多,其频次次要集中在0.1-1.2GHz。各专网利用分歧的频点、射频带宽和信号带宽,尺度分歧一,导致各行业专网设备所

  目前,全球无线通信系统正处于快速成长历程中,无线通信“行业专网”系统也正处于飞速成长的黄金期间。我国无线通信行业专网所用频点和带宽品种繁多,其频次次要集中在0.1-1.2GHz。各专网利用分歧的频点、射频带宽和信号带宽,尺度分歧一,导致各行业专网设备所用的射频芯片分歧,同时对各个窄带射频前端芯片的需求难以构成规模效应,且成本高、配套坚苦。

  目前行业专网所用的窄带射频前端芯片大都被国外公司所垄断,因而我们国度火急的需要一套面向0.1-1.2GHz行业专网频段的无线宽带射频收发芯片,以满足新一代宽带无线挪动通信网的根基需求。

  射频无线收发芯片曾经在手机、雷达、无线局域网(WLAN)及广播等多个窄带或宽带无线收发系统中获得了普遍使用。从频域来看,超宽带与保守的窄带和宽带有着较着的区别,超宽带的相对带宽(信号带宽与核心频次之比)凡是要在25%以上[1]。因而,0.1-1.2GHz频段无线宽带射频收发芯片属于超宽带电路。目前,在CMOS工艺下,国际、国内尚无成熟商用超宽带射频收发芯片处理方案能够满足该频段的设想需求。

  无线超宽带射频收发芯片由射频收发开关(T/R Switch)、低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、功率放大器(PA)、滤波器等多个电路模块构成[2]。射频收发开关(T/R switch)作为无线宽带收发芯片的最前端电路,次要感化是节制整个收发机芯片的领受与发射形态的切换(如图1所示),它毗连着收发天线、低噪声放大器和功率放大器,是收发芯片中的环节模块。

  保守射频收发开关的制造工艺有良多,目前市场常见的产物绝大部门采用的是III-V族工艺或者PIN二极管等分立器件。这类开关的长处是功耗较低,而且隔离度较好[3]。然而它们的错误谬误是成本高、功耗大,而且占用面积也较大。跟着工艺手艺的不竭成长,CMOS手艺因其具有高集成度、低成本和低功耗等凸起长处,使得采用CMOS工艺实现射频收发开关曾经成为一种必然的趋向。

  插入损耗、隔离度和线性度,是权衡射频收发开关特征的三个环节目标,除此之外,回波损耗也是一项次要目标。保守的对称式射频收发开关遍及采用通俗的四个NMOS管串并联合构进行设想[4]。这种布局的长处是隔离度较好,可是必然程度上会恶化插入损耗和线性度,其典型仿线]在根基的NMOS管串联合构根本上,采用深N阱工艺的NMOS器件,使用一种改良型的体悬浮(body-floating)手艺,实现了一个宽带射频收发开关。与保守的串并联合构开关电路比拟,该布局具有更高的线性度以及更低的插入损耗等长处。

  本文中所设想的射频收发开关是在典型的串并联合构的电路[4]根本上,连系参考文献[5]中所述的衬底悬浮手艺,实现了各项目标的优良折中。本文中的开关电路不只具有较高的隔离度特征,而且在线性度上也会有较大的改善。测试成果显示,该

  图2(a)所示的为体悬浮手艺所采用的深N阱工艺的NMOS器件截面图。凡是,开关线性度的恶化缘由是因为器件在工作形态下瞬时导通的寄生二极管形成的。因为深N阱的具有,器件中会发生两个额外的寄生二极管,别离为P阱/深N阱二极管和深N阱/P型衬底二极管。因而,当P阱被一个大电阻悬空接地,同时深N阱接高电位后(如图2(b)所示),所有的二极管都不会正领导通,不会发生闩锁效应[6],从而提高了整个电路的线性度。在本文的电路设想中,深N阱采用的是1.8V电压偏置。

  图3所示为该宽带射频收发开关设想的电路道理图,该电路在典型的串并联合构根本上,采用体悬浮手艺的深N阱工艺的NMOS器件。从图中能够看出,晶体管M2和M4串联,两头为天线并联在领受端RX和发射端TX。该电路收发两路完全对称,所有器件均采用深 N阱1.8V 薄氧型RFNMOS管。

  在整个电路中,晶体管M2和M4起开关感化,用于选择电路的收发形态。当VDD为1.8V,VSS为-1.8V时,晶体管M2、M3导通,M1、M4截止,开关处于领受模式,此时RF信号从天线流入到RX端。因为源漏电容Cds的具有,部门信号会从M4耦合到电路Tx端。此时M3处于导通形态,能够将M4耦合过来的信号导通到地,由此便提高了开关的隔离度。当VDD为-1.8V,VSS为1.8V时,开关处于发射模式,与领受模式的道理根基不异。电阻R1、R5、R7和R12与NMOS管深N阱相毗连,用于给深N阱加偏压;栅极电阻R3、R6、R9和R11用来提高隔离度;R2、R4、R8和R10接晶体管体端,用于体端悬浮。而且,为了进一步提高隔离度,所有体悬浮电阻的阻值都应足够大。

  射频开关在领受形态下S参数测试成果。从图6中能够看出,在0.1-1.2GHz频段范畴内,开关的插入损耗(S21)为-0.7dB摆布,且平展度优良,输入、输出回波损耗(S11和S22)小于-20dB;从图7中能够看出,在整个频段内射频开关

  的隔离度(S13)均大于37dB,具有优良的隔离特征。因为采用全对称布局,该射频开关在发射形态下的S参数测试成果与领受形态下比拟根基不异。图8所示的为该收发开关在433MHz及900MHz频次下的输出功率曲线dB压缩点。测试成果表白,两个频次的输出功率曲线dBm,且功率压缩特征根基分歧。

  开关芯片,芯片总面积为0.53mm2。测试成果表白,在1.8V电压供电前提下,该射频开关在0.1-1.2GHz频段内收发两路均可达到0.7dB摆布的插入损耗,小于-20dB的回波损耗以及优于37dB的隔离度。而且,在433MHz和900MHz频次下可别离实现23.1dBm和22.7dBm的线GHz频段无线宽带射频收发芯片的根基设想需求,并合用于RFID和GSM-R系统中的典型使用。

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