【摘 要】
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从4G手机到如今商用的5G通信手机,手机天线数量的倍数增长伴随着射频分立模块数量急剧攀升,对本来拥挤的PCB无疑增加空间约束,进一步提高芯片设计难度。而且现有的5G标准手机需要兼容以往标准,多频多模的高集成度电路将取代单一模式以满足现代通信要求。因此迫切需要高性能与高集成的射频前端。随着绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator,SOI）工艺日趋成熟,射频前端模组可以将功率放大器,开关,
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从4G手机到如今商用的5G通信手机,手机天线数量的倍数增长伴随着射频分立模块数量急剧攀升,对本来拥挤的PCB无疑增加空间约束,进一步提高芯片设计难度。而且现有的5G标准手机需要兼容以往标准,多频多模的高集成度电路将取代单一模式以满足现代通信要求。因此迫切需要高性能与高集成的射频前端。随着绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator,SOI）工艺日趋成熟,射频前端模组可以将功率放大器,开关,低噪声放大器和移相器,甚至是具有控制,内存功能的电路模块集成在一起。高集成度模组的运用大大缩短测试周期,同时提高设计效率。而开关作为射频前端关键模块,已成为射频前端模组研究的热点。堆叠式串并开关因其简单的结构、较低的插入损耗和良好的线性度不仅能提高发射链路的效率,也能改善接收链路的噪声和提高接收灵敏度。因而被广泛地应用在各种移动设备和基站设备当中。本文基于晶体管工作原理,详细介绍和分析射频开关的主要技术指标,讨论了几种不同工艺下的射频开关性能差异。基于SOI工艺设计了一款瓦级正压控制开关。在分析晶体管寄生效应基础上,改变隔直电容位置以获得一个接近电源电压摆幅的开启与关断电压,以尽可能改善插损。同时分析了前馈电容对线性度影响,前馈电容均衡堆叠管分压来提高线性度。在0.9 GHz处插损0.38 d B,隔离度30 d B,开关切换时间195 ns/158 ns,输入P-0.1d B优于30 d Bm,芯片面积710μm×480μm。然而随着开关功率容量上升,越来越多的堆叠管被引入去分摊压降,恶化插入损耗,同时控制信号过多的扇出对信号的驱动能力也提出了考验。因此在正压控制基础上设计了一款集成负压控制的高线性低插损开关。引入二极管连接形式的晶体管构造成大电阻以减小端口泄露,改善插入损耗;并且堆叠管之间放置dummy晶体管吸收电荷,防止开关快速切换时引入不必要干扰,改善了堆叠管分压一致性,提高开关寿命。在模拟控制部分中更多的是以减小芯片面积角度去提高开关控制信号的驱动能力。最终在2.45 GHz处插损为0.42 d B,隔离度40 d B,开关切换时间为760 ns/465 ns,线性度输入P-1d B优于40 d Bm,芯片版图面积1700μm×1770μm。虽然正压控制开关的功率处理能力会受到限制,但是由于其简单的结构及较少的芯片面积,在较低功率容量的应用场景中依然优势明显。负压控制开关则是为了优化小信号下的干扰及提高功率处理能力,改善开关切换时间,延长开关寿命。
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