作者：Selcuk Ilke

簡(jiǎn)介

HMC1118是一款硅制單刀雙擲(SPDT)開(kāi)關(guān)，額定工作頻率為9 kHz至13 GHz，采用4 mm × 4 mm、16引腳引線框芯片級(jí)封裝(LFCSP)。該寬帶開(kāi)關(guān)非常適合測(cè)試測(cè)量設(shè)備和高性能無(wú)線應(yīng)用。關(guān)鍵特性包括：

?低插入損耗：0.68 dB（8 GHz時(shí)）
?高隔離度：48 dB（8 GHz時(shí)）
?高輸入P1 dB：37 dBm
?高輸入IP3：62 dBm
?快速建立時(shí)間（最終RF輸出內(nèi)0.05 dB）：7.5 μs

HMC1118功能框圖如圖1所示。HMC1118標(biāo)稱需要雙電源電壓，VDD = +3.3 V且VSS = ?2.5 V，器件特性就是在這些電壓下測(cè)定的。采用雙電源供電時(shí)，請(qǐng)參閱HMC1118數(shù)據(jù)手冊(cè)和本應(yīng)用筆記以了解完整特性。

HMC1118也可以采用VDD = 3.3 V的單一正電源供電，此時(shí)VSS引腳接地。單電源下大信號(hào)特性會(huì)受影響，但對(duì)于很多沒(méi)有負(fù)電源電壓可用的應(yīng)用，器件仍能提供相當(dāng)不錯(cuò)的性能。本應(yīng)用筆記主要研究HMC1118的操作，并且比較該器件采用單電源和雙電源供電的性能。

圖1.HMC1118功能框圖

HMC1118開(kāi)關(guān)操作

HMC1118采用熟悉的吸收式SPDT開(kāi)關(guān)拓?fù)?，兩條完全相同的RF路徑上有一個(gè)串聯(lián)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和一個(gè)并聯(lián)FET，集成一個(gè)驅(qū)動(dòng)器用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯功能，如圖2所示。

圖2.HMC1118簡(jiǎn)化電路圖

HMC1118為其RF內(nèi)核提供兩種工作模式，如表1所示。在模式1下，RF1至RFC路徑處于導(dǎo)通狀態(tài)，RF2至RFC處于隔離狀態(tài)；在模式2下則相反。

在插入損耗路徑中，串聯(lián)FET開(kāi)啟，并聯(lián)FET關(guān)斷。在隔離路徑中則相反，串聯(lián)FET關(guān)斷，并聯(lián)FET開(kāi)啟。因此，各RF路徑上的串聯(lián)和并聯(lián)FET需要互補(bǔ)控制電壓。HMC1118芯片上集成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，用以產(chǎn)生A和B互補(bǔ)控制電壓，如圖2所示。因此，開(kāi)關(guān)可以通過(guò)施加于VCTRL引腳的單個(gè)CMOS邏輯電壓來(lái)控制，LS引腳可以接地或接VDD（參見(jiàn)表2）。

表1.開(kāi)關(guān)模式


表2.控制電壓


開(kāi)關(guān)FET用作一個(gè)三端口電壓控制器件，根據(jù)施加于柵極端口的控制電壓，漏極端口和源極端口之間的RF信號(hào)導(dǎo)通通道閉合（導(dǎo)通狀態(tài)）或關(guān)閉（關(guān)斷狀態(tài)）。HMC1118采用N溝道增強(qiáng)模式FET，其典型夾斷電壓為0.3 V，即柵極和漏-源通道之間為導(dǎo)通FET而需要的電位差。各FET的漏極和源極端口處于直流地電位，故而RF端口上無(wú)需隔直電容（其會(huì)限制低頻操作）。因此，大于（或小于）0.3 V的絕對(duì)柵極電壓會(huì)開(kāi)啟（或關(guān)斷）FET。

FET一般偏置到極端電壓+3.3 V和?2.5 V，以建立一定的電壓來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉FET，并提供最優(yōu)RF性能。由于HMC1118沒(méi)有集成穩(wěn)壓器和負(fù)電壓發(fā)生器，所以需要將兩個(gè)經(jīng)調(diào)節(jié)的外部電源電壓施加于VDD和VSS引腳，以產(chǎn)生FET器件必需的偏置電壓。雖然VDD和VSS的典型值分別為+3.3 V和?2.5 V，但用戶可以靈活地僅使用單一正電源VDD = 3.3 V來(lái)操作器件，此時(shí)VSS引腳接至0 V。然而，這會(huì)導(dǎo)致某些參數(shù)的電氣性能下降，參見(jiàn)“單電源和雙電源供電的性能比較”部分所述。

單電源和雙電源供電的性能比較

本節(jié)比較HMC1118在兩種供電方式下的性能：一種是VDD = +3.3 V和VSS = ?2.5 V雙電源，另一種是VDD = 3.3 V單電源，VSS引腳接0 V。圖3所示為用于評(píng)估HMC1118在單電源和雙電源供電時(shí)的性能的評(píng)估板原理圖。

圖3.HMC1118評(píng)估板原理圖

小信號(hào)性能

HMC1118針對(duì)50 Ω系統(tǒng)提供最優(yōu)小信號(hào)性能。當(dāng)VSS從?2.5 V變?yōu)? V時(shí)，對(duì)于RF小輸入信號(hào)，其足以使FET保持關(guān)斷狀態(tài)，HMC1118的小信號(hào)RF性能不會(huì)下降。整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)的回波損耗、插入損耗和隔離度都得到保持，如圖4、圖5和圖6所示。

圖4.不同VSS下回波損耗與頻率的關(guān)系

圖5.不同VSS下插入損耗與頻率的關(guān)系

圖6.不同VSS下隔離度與頻率的關(guān)系

大信號(hào)性能

HMC1118的串聯(lián)臂和并聯(lián)臂上均有若干串聯(lián)FET，用以承受高于單個(gè)FET擊穿電壓的功率水平。通過(guò)將電壓均勻分配在這些FET上，開(kāi)關(guān)臂得以優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)出色的線性度。

高RF功率可能調(diào)制柵極電壓和漏源通道電阻。這會(huì)引起交調(diào)失真和輸入信號(hào)的壓縮或削波。FET偏置到夾斷電平附近會(huì)提高這種效應(yīng)。

因此，當(dāng)VSS從?2.5 V變?yōu)? V時(shí)，HMC1118的功率壓縮和線性度會(huì)下降，如圖7和圖8所示。

圖7.不同VSS下輸入壓縮點(diǎn)與頻率的關(guān)系

圖8.不同VSS下輸入IP3與頻率的關(guān)系

開(kāi)關(guān)時(shí)間

高功率處理和快速開(kāi)關(guān)時(shí)間之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系：柵極電阻越大，低頻時(shí)的功率處理能力越高，但開(kāi)關(guān)時(shí)間會(huì)變慢。HMC1118優(yōu)化了柵極電阻值，從而在低頻范圍提供高功率處理能力，同時(shí)又有足夠快的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

當(dāng)VSS從?2.5 V變?yōu)? V時(shí)，HMC1118的開(kāi)關(guān)時(shí)間性能下降，如圖9所示。

圖9.不同VSS下的開(kāi)關(guān)時(shí)間

功率處理

當(dāng)VSS從?2.5 V變?yōu)? V時(shí)，HMC1118保持相同的熱特性，但在較低輸入功率水平時(shí)會(huì)進(jìn)入功率壓縮狀態(tài)。因通道溫度升高過(guò)快，HMC1118 RF端口的絕對(duì)和推薦最大輸入功率額定值會(huì)下降。

表3.最大RF輸入功率(PIN, MAX)額定值1

VCTRL = 0 V或3.3 V，TCASE = 85°C，f = 2 GHz。

結(jié)語(yǔ)

HMC1118采用VDD = 3.3 V的單一正電源供電時(shí)，功率處理性能（PIN、MAX、P1dB和IP3）會(huì)下降，開(kāi)關(guān)速度（開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間及上升和下降時(shí)間）會(huì)變慢，但小信號(hào)特性（插入損耗、隔離度和回波損耗）不變。如果降低的功率處理和開(kāi)關(guān)速度性能對(duì)特定應(yīng)用是合適的，那么HMC1118便可這樣使用，即讓VSS引腳接地。