硅片射频和分子量控制产品

ADI公司采用先进硅工艺的新型RF和微波（MW）开关和衰减器产品，与传统使用砷化镓（GaAs）的产品相比，具有硅技术的固有优势。本文重点介绍了新型开关和衰减器产品的功能和关键性能参数。

ADI公司提供1000多种器件，涵盖所有RF和MW信号链和应用。RF开关和衰减器通常用于同一应用，并符合类似的系统要求。它们被归入相同的产品类别，射频和兆瓦控制产品。图1所示为通用收发器。底部是发射端，顶部是接收端。中间是预失真反馈环路，以及时钟生成。在图中，开关用于各种切片。低噪声放大器前面使用单刀双掷 （SPDT） 开关，以保证所需的隔离水平，防止在传输模式下可能通过双工器泄漏的过大功率。另一个SPDT开关用于数字预失真反馈环路，以在发射或反射信号之间进行选择。然后使用单刀四掷（SP4T）在多个收发器之间进行选择，以防一个检波器用于所有收发器。

图1.通用收发器。底部是发射端，顶部是接收端。中间是预失真反馈回路。

另一个SPDT开关用于在接收端和发送端之间路由来自本地振荡器的时钟信号。数字衰减器（DATT）和连续可调电压可变衰减器（VVA）用于需要增益调整的信号链。

另一个应用是蜂窝中继器。在图 2 中，天线接口使用单刀双掷开关。这些是专门为此而设计的高功率发射和接收开关。

图2.天线接口使用高功率反射发射/接收单刀双掷。

图3显示了控制产品用于时钟或LO生成的使用。在这里，信号通过VCO/PLL或振荡器产生，被放大，然后施加到开关上。在图中，单刀三掷 （SP3T） 开关用于在滤波器组之间切换。在输出侧，使用单刀四掷开关，并增加了一个用于校准和外部基准的额外路径。数字衰减器或电压可变衰减器可以包含在需要增益调整的信号路径中。

图3.使用控制产品生成时钟或本振（LO）。

最后一个示例是RF测试设备输入级的框图（图4）。在第一部分，SPDT用于在输入信号或校准信号之间进行选择。然后将所选信号馈送到另一个SPDT，以将信号路由到放大路径或旁路路径。接下来是包含DATT和VVA的衰减器部分。数字衰减器用于航向校准，电压可变衰减器用于精细增益调整。

图4.在测试设备输入阶段，信号施加到设备上，n通过放大路径或衰减路径。

在这些应用中，需要高性能，低插入损耗、良好回波损耗、高线性度和高功率处理是关键参数。平坦的频率特性对于设备的性能非常重要。此类应用中的信号带宽必须足够宽，以覆盖操作的整个频率范围。在此类应用中，频谱和网络分析仪的9 kHz低截止频率至关重要。

硅与砷化镓

这种比较主要在设计特征上进行。如果产品需要快速凝固时间和快速开关时间，硅工艺比GaAs更具优势。硅工艺提供了更大的集成能力，对于低频操作，硅比GaAs具有优势。如果功率处理、插入损耗、隔离度和线性度是设计参数，硅和砷化镓都可以满足要求。硅提供更高的ESD鲁棒性。对于高温操作，砷化镓仍然是优于硅的平台。在砷化镓耗尽模式下，通常使用可实现故障安全操作等功能的器件。

砷化镓器件会受到所谓的栅极滞后效应的影响。当晶体管切换时，与开关时间相比，沟道中的残余电荷衰减需要更长的时间。RF设计人员通常的做法是预计建立时间有10×裕量，但如果需要高精度，这可能还不够。栅极滞后取决于过程变化、偏置条件和控制电压电平。

硅器件具有可靠的快速开关和建立特性。设备特性已得到很好的定义和建模。对过程变异和偏差条件的依赖性得到了很好的控制和限制。

在时分多路复用通信系统中，快速建立时间对于实现良好的性能非常重要。在大多数测试和测量设备中，快速建立时间对于提高精度和缩短测试时间至关重要。

图5显示了两种产品之间的比较：采用砷化镓制造的HMC540和采用硅工艺设计的HMC540S。由于栅极滞后效应，GaAs积需要~8 μs才能建立到最终RF功率电平。硅产品在不到 ~1 μs 的时间内稳定到相同的射频电平。

图5.砷化镓（左）和硅的建立时间测量值比较。

由于器件特性，砷化镓工艺具有集成限制。在GaAs中，pHEMT器件阈值电压在–1 V和–3 V之间变化，设计低压CMOS接口等复杂接口电路是不可行的，因此GaAs器件需要外部电路。在硅工艺中，阈值电压要低得多，并且符合标准CMOS接口电压。可以在同一芯片上实现与控制产品或衰减器开关相同的接口，并且该器件可以与标准CMOS器件接口。

高集成度为设计人员提供了简化设计、减少PCB面积和所用元件数量以及节省成本的机会。硅工艺中的集成可以扩展为包含复杂的功能和功能丰富的产品。

例如，GaAs数字衰减器被设计为多芯片模块，在同一封装中集成了一个CMOS驱动器。另一方面，在硅数字衰减器中，整个器件被设计为单片单芯片。

硅工艺的另一个优点是ESD鲁棒性。在砷化镓工艺中，可用于实现ESD结构的组件有限。二极管和布局技术用于达到一定程度的ESD保护。在硅工艺中，可以实现专用保护电路，如钳位和一次性触发电路。

图6左侧的图表显示了一个典型的砷化镓ESD单元，该单元基于二极管。右侧是硅中典型的ESD单元。有一个专用的ESD结构，以提供更高水平的保护。强大的 ESD 保护可确保器件在 ESD 敏感环境（如汽车、军事以及测试和测量应用）下可靠运行。

图6.在测试设备输入阶段，信号施加到设备上，n通过放大路径或衰减路径。

在进一步比较GaAs和硅时，硅可以在同一设计中集成多个功能。例如，ADI公司的硅数字衰减器具有可以管理状态转换的串行接口。安全状态转换可确保在状态转换期间限制RF信号的过冲。无毛刺操作可确保在状态转换期间限制RF信号功率的波动。可靠的状态转换可简化设计，并保护信号链中的其他组件免受过冲或额外功率的影响。

硅工艺的另一个优点是能够设计用于低频操作的组件。由于栅极漏电流，砷化镓工艺具有局限性，几乎不可能在低频下使用砷化镓器件。采用硅工艺，由于栅极完全隔离，因此不会出现栅极泄漏，并且可以使用高值电阻器。该设计可以针对低频段进行优化。低频端覆盖 9 kHz 工作频率，使硅成为测试和测量应用的理想选择。

硅片新开关产品

ADI提供三种新的硅片开关产品：

HMC1118，一款高隔离硅单刀双掷非反射开关，工作频率范围为9 kHz至13 GHz

HM8038，一款高隔离硅单刀双掷非反射开关，工作频率范围为 0.1 GHz 至 6 GHz

HMC7992，紧凑型硅SP4T非反射开关，工作频率为0.1 GHz至6 GHz

HMC1118针对低频工作进行了优化。对于0.05 dB裕量，其建立时间为7.5 μs，在8 GHz时具有出色的56 dB隔离度，在8.0 GHz时具有0.6 dB的低插入损耗。它提供 36 dBm 直通路径和 27 dBm 端接路径的高功率处理能力。

HM8038具有60 dB（典型值）的高隔离度、0.8 dB（典型值）的低插入损耗以及170 ns的快速建立时间（0.1 dB裕量）。它提供 34 dBm 通过路径和 29 dBm 端接路径的高功率处理能力，对于 0.1 dB 压缩点，具有 34 dBm 的高线性度。

HMC7992在2 GHz时具有45 dB（典型值）的高隔离度，在2 GHz时具有0.6 dB的低插入损耗，0.1 dB裕量时具有320 ns的快速建立时间。它具有33 dBm通过路径和27 dBm端接路径的高功率处理能力，以及1 dB压缩点（P1 dB）的高线性度，典型值为35 dBm。

硅片新数字衰减器产品

硅片新数字衰减器产品包括：

HMC1119，0.25 dB、LSB、7位硅数字衰减器（0.1 GHz至6 GHz）

HMC1122，0.5 dB、LSB、6位硅数字衰减器（0.1 GHz至6 GHz）

HMC305S，0.5 dB、LSB、5位硅数字衰减器（0.4 GHz至7.0 GHz）

HMC540S，1 dB、LSB、4位硅数字衰减器（0.1 GHz至8 GHz）

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HMC1119和HMC1122专为高精度而设计，步进误差小于0.1 dB。两款器件的衰减范围均为30 dB，插入损耗为1.3 dB，典型开关时间约为150 ns。它们具有具有安全状态转换功能的串行控制接口。

HMC305S的衰减范围为15.5 dB，2 GHz时插入损耗为1.1 dB。该器件具有串行控制接口，并具有无毛刺状态转换功能。

HMC540S是一款宽带、1 dB步进、4位数字衰减器，针对0.7 dB的低插入进行了优化。该器件具有出色的线性度，压缩点为0.1 dB（31 dBm）。HMC540采用紧凑的3 mm×3 mm封装，并具有并行控制功能。

审核编辑：郭婷