0 引言

    在射頻前端模塊中，射頻開(kāi)關(guān)在信號(hào)切換中發(fā)揮關(guān)鍵作用。絕緣體上硅(Silicon-on-Insulator，SOI)工藝因其與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，具備與LNA(Low Noise Amplifier)等器件集成的潛力，近年來(lái)取得長(zhǎng)足發(fā)展^[1]。因其性?xún)r(jià)比更好，在射頻開(kāi)關(guān)市場(chǎng)，SOI基本取代了GaAs^[2]。SOI晶圓因其引入埋氧層，富陷阱層和高電阻率襯底，極大改善了射頻開(kāi)關(guān)的性能^[3]。在射頻開(kāi)關(guān)工藝領(lǐng)域，IBM、Globalfoundries、STMicro、Towerjazz取得了很好的進(jìn)展^{[2，4-8]}，主要關(guān)注開(kāi)關(guān)參數(shù)優(yōu)值的提高，擊穿電壓的提高及諧波能力的改善。國(guó)內(nèi)基于SOI也報(bào)道了SPDT、SP8T的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果^[9-11]，MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)及進(jìn)展^[12-13]。然而，著重比較不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)射頻開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)小信號(hào)的影響鮮有報(bào)道。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

    射頻開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的是串聯(lián)支路，晶體管的導(dǎo)通電阻主要影響射頻開(kāi)關(guān)的插入損耗；并聯(lián)支路起輔助作用，提高隔離度的作用相當(dāng)明顯。射頻開(kāi)關(guān)傳輸?shù)妮^高功率射頻信號(hào)，需要在晶體管的柵極、體區(qū)增加直流偏置電阻，減小射頻信號(hào)的泄漏。一般地，源漏之間也會(huì)增加直流偏置電阻，使級(jí)聯(lián)的晶體管處于一致的偏置狀態(tài)。為研究單級(jí)寬度和級(jí)聯(lián)數(shù)目對(duì)串聯(lián)支路和并聯(lián)支路的影響，設(shè)計(jì)了相關(guān)測(cè)試結(jié)構(gòu)，如表1所示。將單個(gè)串聯(lián)支路和單個(gè)并聯(lián)支路組合起來(lái)，形成單刀單擲電路結(jié)構(gòu)。兩者的柵極電壓和體區(qū)電壓采用互補(bǔ)的偏置。偏置電壓條件如表2所示。單刀雙擲結(jié)構(gòu)是將兩個(gè)單刀單擲結(jié)構(gòu)組合起來(lái)，加載偏置電壓狀態(tài)類(lèi)似。串聯(lián)支路、并聯(lián)支路、單刀單擲以及單刀雙擲的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    工藝平臺(tái)基于0.2 μm SOI RF工藝，選用的SOI晶圓具有高阻襯底和陷阱層，減小襯底損耗，能夠改善射頻開(kāi)關(guān)的小信號(hào)性能。所采用的工藝步驟基本與體硅工藝兼容。該工藝平臺(tái)的射頻開(kāi)關(guān)品質(zhì)因子為143 fs，選用的柵極長(zhǎng)度Length為0.2 μm，實(shí)驗(yàn)選取頻率為900 MHz。本文主要基于已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的PSP SOI RF模型仿真結(jié)果進(jìn)行分析討論。如圖2所示，模型驗(yàn)證結(jié)構(gòu)選用串聯(lián)支路，Width=2 mm, Stack=8, 各偏置電阻均為50 kΩ，ON和OFF偏置電壓如圖2所示。從圖中可以看出，導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的插入損耗和關(guān)斷狀態(tài)的隔離度在頻率范圍為0~5 GHz內(nèi)，測(cè)試數(shù)據(jù)與模型吻合較好。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 單級(jí)寬度對(duì)小信號(hào)的影響

    圖3為不同單級(jí)寬度對(duì)串聯(lián)支路插入損耗和隔離度的影響。結(jié)構(gòu)所采用級(jí)聯(lián)數(shù)目為12級(jí)。從圖3(a)中可以看出，當(dāng)單級(jí)寬度增大時(shí)，插入損耗將減小(絕對(duì)值)。單級(jí)寬度為0.5 mm時(shí)，插入損耗為-1.292 dB；當(dāng)寬度增大到3 mm時(shí)，插入損耗為-0.313 3 dB。插入損耗對(duì)單級(jí)寬度變化敏感。可以理解為晶體管寬度增大時(shí)，該支路的等效電阻值變小，對(duì)射頻信號(hào)的阻擋作用減弱，射頻信號(hào)更易從一個(gè)射頻端口傳輸?shù)搅硪粋€(gè)射頻端口。當(dāng)然，較大的單級(jí)寬度，意味著射頻開(kāi)關(guān)占用較大面積。從圖3(b)中可以看出，當(dāng)單級(jí)寬度增大時(shí)，隔離度將減小(絕對(duì)值)。單級(jí)寬度為0.5 mm時(shí)，隔離度為-46.41 dB；當(dāng)寬度增大到3 mm時(shí)，隔離度為-28.45 dB。隔離度對(duì)單級(jí)寬度變化敏感?？梢岳斫鉃榫w管寬度增大時(shí)，該支路的等效電容變大，對(duì)射頻信號(hào)的阻擋作用減弱，信號(hào)更易從一個(gè)射頻端口泄漏到另一個(gè)射頻端口。為減小信號(hào)泄漏，串聯(lián)支路需要采用較小的單級(jí)寬度。實(shí)際應(yīng)用中，插入損耗的性能需要首先考慮，串聯(lián)支路當(dāng)采用較大寬度；可以通過(guò)并聯(lián)支路的引入，達(dá)到改善隔離度的目的。

2.2 級(jí)聯(lián)數(shù)目對(duì)小信號(hào)的影響

    射頻開(kāi)關(guān)傳輸功率一般較大，需要承受較高的電壓，一般會(huì)采用級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)。圖4所示為不同級(jí)聯(lián)數(shù)目對(duì)串聯(lián)支路插入損耗和隔離度的影響。結(jié)構(gòu)所采用單級(jí)寬度為2 mm。從圖4(a)中可以看出，當(dāng)級(jí)聯(lián)數(shù)目增大時(shí)，插入損耗將越大(絕對(duì)值)。級(jí)聯(lián)數(shù)目為6時(shí)，插入損耗為-0.208 8 dB；當(dāng)級(jí)聯(lián)數(shù)目為16時(shí)，插入損耗為-0.554 dB。插入損耗對(duì)級(jí)聯(lián)數(shù)目變化敏感。當(dāng)級(jí)聯(lián)數(shù)目增加時(shí)，該支路的等效電阻值變大，對(duì)射頻信號(hào)的阻擋作用變大，射頻信號(hào)更難從一個(gè)射頻端口傳輸?shù)搅硪粋€(gè)射頻端口。而關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，如圖4(b)中可以看出，當(dāng)級(jí)聯(lián)數(shù)目增加時(shí)，隔離度將增大(絕對(duì)值)。級(jí)聯(lián)數(shù)目為6時(shí)，隔離度為-25.82 dB；當(dāng)級(jí)聯(lián)數(shù)目為16時(shí)，隔離度為-34.98 dB。隔離度對(duì)級(jí)聯(lián)數(shù)目變化敏感。當(dāng)晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，等效成關(guān)斷電容。當(dāng)增加級(jí)聯(lián)數(shù)目時(shí)，相當(dāng)于多串聯(lián)了電容進(jìn)入信號(hào)通路，等效電容變小，對(duì)射頻信號(hào)的阻礙作用變大，隔離度將變得更好。

2.3 偏置電阻對(duì)小信號(hào)的影響

    射頻開(kāi)關(guān)作為信號(hào)切換元件，需要通過(guò)偏置電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷。因?yàn)閭鬏數(shù)氖歉哳l信號(hào)，應(yīng)放置偏置電阻防止信號(hào)泄漏。圖5 所示為柵極、體區(qū)和源漏之間偏置電阻對(duì)串聯(lián)支路插入損耗和隔離度的影響。結(jié)構(gòu)所采用單級(jí)寬度為2 mm，級(jí)聯(lián)數(shù)目為12級(jí)。如圖5(a)所示，偏置電阻越大，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的插入損耗越小(絕對(duì)值)。偏置電阻越大，對(duì)射頻信號(hào)的隔離能力越強(qiáng)，能夠改善插入損耗，當(dāng)偏置電阻為50 kΩ時(shí)，插入損耗的變化趨于飽和。實(shí)際設(shè)計(jì)中，該電阻一般在幾十kΩ。如圖5(b)所示，偏置電阻越大，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的隔離度越小(絕對(duì)值)。偏置電阻越大，對(duì)射頻信號(hào)的隔離能力越強(qiáng)，信號(hào)泄漏較少，隔離度變差。當(dāng)偏置電阻為50 kΩ時(shí)，隔離度的變化也趨于飽和。實(shí)際應(yīng)用中還需考慮開(kāi)關(guān)速度，則偏置電阻不能過(guò)大。

2.4 偏置電壓對(duì)小信號(hào)的影響

    圖6所示為偏置電壓對(duì)串聯(lián)支路插入損耗和隔離度的影響。結(jié)構(gòu)所采用單級(jí)寬度為2 mm，級(jí)聯(lián)數(shù)目為12級(jí)。如圖6(a)所示，當(dāng)柵極電壓Vg為0 V時(shí)，晶體管基本沒(méi)有開(kāi)啟，插入損耗為-29.59 dB。當(dāng)Vg高于1 V時(shí)，插入損耗的變化較小。開(kāi)啟狀態(tài)，一般偏置電壓為+VDD，使得晶體管充分開(kāi)啟，甚至可以加載一定的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓。如圖6(b)所示，關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，需要在柵極和體區(qū)同時(shí)加載-VDD，使得晶體管處于完全關(guān)斷狀態(tài)，體區(qū)的負(fù)偏壓能夠減小器件源區(qū)/漏區(qū)和體區(qū)之間的結(jié)電容，從而減小關(guān)態(tài)電容，有效提高隔離度。Vg和Vb同時(shí)加載負(fù)電壓對(duì)隔離度的影響比單獨(dú)加載Vg或Vb負(fù)電壓時(shí)的大。實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)偏置電路實(shí)現(xiàn)柵極電壓Vg和體區(qū)電壓Vb的同步變化。

2.5 不同結(jié)構(gòu)小信號(hào)性能 

    圖7所示為串聯(lián)支路(Series)、并聯(lián)支路(Shunt)、單刀單擲(SPST)、單刀雙擲(SPDT)電路結(jié)構(gòu)的插入損耗和隔離度。串聯(lián)支路(Series)單級(jí)寬度為2 mm，級(jí)聯(lián)數(shù)目為12級(jí)；并聯(lián)支路(Shunt)單級(jí)寬度為0.5 mm，級(jí)聯(lián)數(shù)目為12級(jí)。結(jié)構(gòu)選取電阻為50 kΩ，電壓偏置按表2加載，VDD=2.5 V。圖7(a)為不同結(jié)構(gòu)的插入損耗。從圖中可以看出，串聯(lián)支路的插入損耗為-0.416 3 dB。單刀單擲結(jié)構(gòu)的插入損耗為-0.442 7 dB，這主要是由于并聯(lián)支路的引入。雖然并聯(lián)支路處于關(guān)斷狀態(tài)，但是還是會(huì)泄漏掉部分射頻信號(hào)，所以單刀單擲結(jié)構(gòu)的插入損耗會(huì)退化0.026 4 dB。同理，對(duì)于單刀雙擲結(jié)構(gòu)，由于引入了更多的信號(hào)泄漏路徑，插入損耗為-0.477 8 dB，較單刀單擲結(jié)構(gòu)退化了0.035 1 dB。圖7(b)所示為不同結(jié)構(gòu)的隔離度。從圖中可以看出，串聯(lián)支路的隔離度為-32.08 dB。單刀單擲結(jié)構(gòu)的隔離度為-44.99 dB，這主要是由于并聯(lián)支路的引入。并聯(lián)支路作為輔助部分，在串聯(lián)支路關(guān)斷時(shí)，并聯(lián)支路是導(dǎo)通的。從串聯(lián)支路泄漏過(guò)來(lái)的信號(hào)會(huì)經(jīng)并聯(lián)支路泄漏到地，所以單刀單擲結(jié)構(gòu)的隔離度會(huì)改善12.91 dB。同理，對(duì)于單刀雙擲結(jié)構(gòu)，由于引入了更多的信號(hào)泄漏路徑，隔離度為-51.42 dB，較單刀單擲結(jié)構(gòu)改善了19.34 dB。由此可見(jiàn)，并聯(lián)支路的引入，將明顯改善射頻開(kāi)關(guān)的隔離度。并聯(lián)支路的引入只是較小程度使得插入損耗退化。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，普遍采用增加并聯(lián)支路的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

    本文通過(guò)設(shè)計(jì)串聯(lián)支路、并聯(lián)支路、單刀單擲、單刀雙擲電路結(jié)構(gòu)分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)射頻開(kāi)關(guān)小信號(hào)的影響。當(dāng)單級(jí)寬度增大時(shí)，插入損耗(絕對(duì)值)將越小，隔離度(絕對(duì)值)將越?。划?dāng)級(jí)聯(lián)數(shù)目增大時(shí)，插入損耗(絕對(duì)值)將越大，隔離度(絕對(duì)值)將越大；偏置電阻越大，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的插入損耗(絕對(duì)值)越小，隔離度(絕對(duì)值)越小，在50 kΩ接近飽和；導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)在柵極加載+VDD，使得晶體管充分開(kāi)啟，關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，需要在柵極和體區(qū)同時(shí)加載-VDD，使得晶體管處于完全關(guān)斷狀態(tài)；比較分析了串聯(lián)支路、并聯(lián)支路、單刀單擲、單刀雙擲電路結(jié)構(gòu)的插入損耗和隔離度，指出增加并聯(lián)支路的結(jié)構(gòu)的重要性。

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作者信息:

莘海維，劉張李

(上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司，上海201203)