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不同設計參數(shù)對SOI射頻開關小信號的影響
2019年電子技術應用第2期
莘海維,劉張李
上海華虹宏力半導體制造有限公司,上海201203
摘要: 基于0.2 μm SOI RF工藝平臺,設計了串聯(lián)支路、并聯(lián)支路、單刀單擲、單刀雙擲等電路結(jié)構,分析研究了單級寬度、級聯(lián)數(shù)目、偏置電阻、偏置電壓等設計參數(shù)對射頻開關小信號特性的影響。通過實驗數(shù)據(jù),討論各參數(shù)對射頻開關小信號特性,主要包括射頻開關的插入損耗和隔離度的影響,為射頻開關設計提供參考。
中圖分類號: TN432
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181774
中文引用格式: 莘海維,劉張李. 不同設計參數(shù)對SOI射頻開關小信號的影響[J].電子技術應用,2019,45(2):16-19,22.
英文引用格式: Xin Haiwei,Liu Zhangli. Analysis the scatter parameter of SOI RF switch with different design structure[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(2):16-19,22.
Analysis the scatter parameter of SOI RF switch with different design structure
Xin Haiwei,Liu Zhangli
Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corporation,Shanghai 201203,China
Abstract: Based on commercial 0.2 μm SOI RF process platform, the influence of stack, width, bias resistance and bias voltage on scatter parameter characteristics of test structure for SOI RF switch application is investigated, including series branch, shunt branch, single-pole-single-throw, and single-pole-double-throw. The impacts of different design on RF switch insertion loss and isolation are discussed in detail. The result can be reference as device optimization and circuit design.
Key words : SOI;RF switch;scatter parameter;IL;isolation

0 引言

    在射頻前端模塊中,射頻開關在信號切換中發(fā)揮關鍵作用。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,近年來取得長足發(fā)展[1]。因其性價比更好,在射頻開關市場,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,極大改善了射頻開關的性能[3]。在射頻開關工藝領域,IBM、Globalfoundries、STMicro、Towerjazz取得了很好的進展[2,4-8],主要關注開關參數(shù)優(yōu)值的提高,擊穿電壓的提高及諧波能力的改善。國內(nèi)基于SOI也報道了SPDT、SP8T的相關實驗結(jié)果[9-11],MEMS開關技術及進展[12-13]。然而,著重比較不同設計參數(shù)對射頻開關結(jié)構小信號的影響鮮有報道。

1 實驗設計

    射頻開關結(jié)構設計最主要的是串聯(lián)支路,晶體管的導通電阻主要影響射頻開關的插入損耗;并聯(lián)支路起輔助作用,提高隔離度的作用相當明顯。射頻開關傳輸?shù)妮^高功率射頻信號,需要在晶體管的柵極、體區(qū)增加直流偏置電阻,減小射頻信號的泄漏。一般地,源漏之間也會增加直流偏置電阻,使級聯(lián)的晶體管處于一致的偏置狀態(tài)。為研究單級寬度和級聯(lián)數(shù)目對串聯(lián)支路和并聯(lián)支路的影響,設計了相關測試結(jié)構,如表1所示。將單個串聯(lián)支路和單個并聯(lián)支路組合起來,形成單刀單擲電路結(jié)構。兩者的柵極電壓和體區(qū)電壓采用互補的偏置。偏置電壓條件如表2所示。單刀雙擲結(jié)構是將兩個單刀單擲結(jié)構組合起來,加載偏置電壓狀態(tài)類似。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)構如圖1所示。

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    工藝平臺基于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,能夠改善射頻開關的小信號性能。所采用的工藝步驟基本與體硅工藝兼容。該工藝平臺的射頻開關品質(zhì)因子為143 fs,選用的柵極長度Length為0.2 μm,實驗選取頻率為900 MHz。本文主要基于已經(jīng)過驗證的PSP SOI RF模型仿真結(jié)果進行分析討論。如圖2所示,模型驗證結(jié)構選用串聯(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,導通狀態(tài)時的插入損耗和關斷狀態(tài)的隔離度在頻率范圍為0~5 GHz內(nèi),測試數(shù)據(jù)與模型吻合較好。

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2 結(jié)果分析及討論

2.1 單級寬度對小信號的影響

    圖3為不同單級寬度對串聯(lián)支路插入損耗和隔離度的影響。結(jié)構所采用級聯(lián)數(shù)目為12級。從圖3(a)中可以看出,當單級寬度增大時,插入損耗將減小(絕對值)。單級寬度為0.5 mm時,插入損耗為-1.292 dB;當寬度增大到3 mm時,插入損耗為-0.313 3 dB。插入損耗對單級寬度變化敏感。可以理解為晶體管寬度增大時,該支路的等效電阻值變小,對射頻信號的阻擋作用減弱,射頻信號更易從一個射頻端口傳輸?shù)搅硪粋€射頻端口。當然,較大的單級寬度,意味著射頻開關占用較大面積。從圖3(b)中可以看出,當單級寬度增大時,隔離度將減小(絕對值)。單級寬度為0.5 mm時,隔離度為-46.41 dB;當寬度增大到3 mm時,隔離度為-28.45 dB。隔離度對單級寬度變化敏感。可以理解為晶體管寬度增大時,該支路的等效電容變大,對射頻信號的阻擋作用減弱,信號更易從一個射頻端口泄漏到另一個射頻端口。為減小信號泄漏,串聯(lián)支路需要采用較小的單級寬度。實際應用中,插入損耗的性能需要首先考慮,串聯(lián)支路當采用較大寬度;可以通過并聯(lián)支路的引入,達到改善隔離度的目的。

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2.2 級聯(lián)數(shù)目對小信號的影響

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

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2.3 偏置電阻對小信號的影響

    射頻開關作為信號切換元件,需要通過偏置電壓來實現(xiàn)導通和關斷。因為傳輸?shù)氖歉哳l信號,應放置偏置電阻防止信號泄漏。圖5 所示為柵極、體區(qū)和源漏之間偏置電阻對串聯(lián)支路插入損耗和隔離度的影響。結(jié)構所采用單級寬度為2 mm,級聯(lián)數(shù)目為12級。如圖5(a)所示,偏置電阻越大,串聯(lián)結(jié)構的插入損耗越小(絕對值)。偏置電阻越大,對射頻信號的隔離能力越強,能夠改善插入損耗,當偏置電阻為50 kΩ時,插入損耗的變化趨于飽和。實際設計中,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)構的隔離度越小(絕對值)。偏置電阻越大,對射頻信號的隔離能力越強,信號泄漏較少,隔離度變差。當偏置電阻為50 kΩ時,隔離度的變化也趨于飽和。實際應用中還需考慮開關速度,則偏置電阻不能過大。

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2.4 偏置電壓對小信號的影響

    圖6所示為偏置電壓對串聯(lián)支路插入損耗和隔離度的影響。結(jié)構所采用單級寬度為2 mm,級聯(lián)數(shù)目為12級。如圖6(a)所示,當柵極電壓Vg為0 V時,晶體管基本沒有開啟,插入損耗為-29.59 dB。當Vg高于1 V時,插入損耗的變化較小。開啟狀態(tài),一般偏置電壓為+VDD,使得晶體管充分開啟,甚至可以加載一定的過驅(qū)動電壓。如圖6(b)所示,關斷狀態(tài)時,需要在柵極和體區(qū)同時加載-VDD,使得晶體管處于完全關斷狀態(tài),體區(qū)的負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,從而減小關態(tài)電容,有效提高隔離度。Vg和Vb同時加載負電壓對隔離度的影響比單獨加載Vg或Vb負電壓時的大。實際應用中,可以通過偏置電路實現(xiàn)柵極電壓Vg和體區(qū)電壓Vb的同步變化。

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2.5 不同結(jié)構小信號性能 

    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)構的插入損耗和隔離度。串聯(lián)支路(Series)單級寬度為2 mm,級聯(lián)數(shù)目為12級;并聯(lián)支路(Shunt)單級寬度為0.5 mm,級聯(lián)數(shù)目為12級。結(jié)構選取電阻為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)支路處于關斷狀態(tài),但是還是會泄漏掉部分射頻信號,所以單刀單擲結(jié)構的插入損耗會退化0.026 4 dB。同理,對于單刀雙擲結(jié)構,由于引入了更多的信號泄漏路徑,插入損耗為-0.477 8 dB,較單刀單擲結(jié)構退化了0.035 1 dB。圖7(b)所示為不同結(jié)構的隔離度。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)支路關斷時,并聯(lián)支路是導通的。從串聯(lián)支路泄漏過來的信號會經(jīng)并聯(lián)支路泄漏到地,所以單刀單擲結(jié)構的隔離度會改善12.91 dB。同理,對于單刀雙擲結(jié)構,由于引入了更多的信號泄漏路徑,隔離度為-51.42 dB,較單刀單擲結(jié)構改善了19.34 dB。由此可見,并聯(lián)支路的引入,將明顯改善射頻開關的隔離度。并聯(lián)支路的引入只是較小程度使得插入損耗退化。在實際設計中,普遍采用增加并聯(lián)支路的結(jié)構。

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3 結(jié)論

    本文通過設計串聯(lián)支路、并聯(lián)支路、單刀單擲、單刀雙擲電路結(jié)構分析了設計參數(shù)對射頻開關小信號的影響。當單級寬度增大時,插入損耗(絕對值)將越小,隔離度(絕對值)將越小;當級聯(lián)數(shù)目增大時,插入損耗(絕對值)將越大,隔離度(絕對值)將越大;偏置電阻越大,串聯(lián)結(jié)構的插入損耗(絕對值)越小,隔離度(絕對值)越小,在50 kΩ接近飽和;導通時,應在柵極加載+VDD,使得晶體管充分開啟,關斷狀態(tài)時,需要在柵極和體區(qū)同時加載-VDD,使得晶體管處于完全關斷狀態(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)構的插入損耗和隔離度,指出增加并聯(lián)支路的結(jié)構的重要性。

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作者信息:

莘海維,劉張李

(上海華虹宏力半導體制造有限公司,上海201203)

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