Исследование и разработка дифференциального антенного СВЧ переключателя по технологии КМОП 180нм

Комплементарная технология металл-оксид-полупроводник (КМОП) находится в центре внимания как возможное решение для создания полностью интегрированного радиочастотного приемопередатчика из-за ее низкой стоимости и высокой возможности интеграции [2, с. 485]. Однако реализовать компоненты, работающие с высокой мощностью, такие как усилители мощности и переключатели переда-чи/приема (T/R), крайне сложно из-за низкого напряжения пробоя и паразитных компонентов подложки активных КМОП-устройств. При проектировании переключателей T/R основным фактором, определяющим их способность управлять питанием, является максимальный перепад напряжения на выключенных переключающих устройствах. Другими словами, каналы и соединительные диоды переключающих устройств в выключенном состоянии могут быть сформированы и смещены вперед, соответственно, при большом колебании напряжения, что приводит к нежелательным потерям мощности [1, с. 40].

Следовательно, для обеспечения линейной и надежной работы переключателей T/R колебания напряжения на выключенных переключателях должны быть сведе- ны к минимуму. В качестве подхода к уменьшению большого напряжения используется метод преобразования импеданса [1].

Рабочее сопротивление (RSW) переключателя снижено для улучшения способности управлять питанием, а импедан-сы источника и нагрузки коммутатора согласованы до 50 с помощью двух дополнительных согласующих балунов. Однако потери от этих двух дополнительных согласующих цепей снижают общую эффективность передатчика и уровень шума приемника. Чтобы избежать дополнительных согласующих цепей, выходное согласование усилителя может быть использовано в качестве согласующих цепей для применения дифференциального мостового переключателя.

Как правило, для оптимизации эффективности усилителя требуется многосекционное согласование выходного импеданса [4, с. 320], и в этом случае метод преобразования импеданса может быть применен путем размещения переключателя T/R между секциями выходной цепи усилителя. В данной работе потери переключателя T/R и согласующих цепей полностью проанализированы с помощью САПР Cadence. Исходя из результатов анализа, представлен метод проектирования дифференциального переключателей T/R, использующий преобразование импеданса, тем самым значительно улучшая производительность управления питанием без ущерба для вносимых потерь на стороне приемника. Кроме того, на стороне приемника за счет уменьшения количества устройств на коммутаторе позволяет снизить вносимые потери из-за низкого RSW (менее 50 Ом) может быть компенсировано или даже улучшено по сравнению со случаем, когда RSW равен 50 [5, с. 865]. Обоснованность методологии проектирования подтверждается моделированием в САПР Cadence с применением кремниевой технологии КМОП 180нм

Принципиальная схема однополюснодвухпозиционного дифференциального переключателя T/R (SPDT) показана на рисунке 1. Чтобы гарантировать изоляцию портов, выбрана структура моста с компенсацией паразитного сигнала.

Рис. 1. Схема SPDT переключателя

Для управления дифференциальным сигналом структура заменена на дифференциальную с компенсацией паразитного сигнал представленную на рисунке 2.

Рис. 2. Схема дифференциального переключателя

С точки зрения возможности управления питанием переключателей T/R, дифференциальный переключатель имеет очевидное преимущество в снижении больших колебаний напряжения по сравнению с переключателями однополярными [3, с. 150]. Результаты моделирования дифференциального ключа представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Зависимость коэффициента передачи от частоты

Функциональный блок, который расположен между антенной и переключателем T/R, вызывает дополнительные потери. Поскольку высокие вносимые потери Rx приводят к ухудшению уровня шума в цепи приемника, уменьшенные потери должны быть компенсированы. Это может быть достигнуто за счет уменьшения количества устройств вцепи Rx, и, как следствие, энергопотребления и вносимых потерь переключателя T/R.

В работе представлена новая методика проектирования и проблемы реализации дифференциальных КМОП-переключателя

T/R с высокой мощностью, включая анализ потерь.

Работа выполнена с использованием технологического сервиса MPW, реализуемого НИУ МИЭТ в рамках прикладной научно-исследовательской работы «Разработка методики прототипирования электронной компонентой базы на отечественных микроэлектронных производствах на основе сервиса MPW (FSMR-2023-0008)» в соответствии с федеральным проектом «Подготовка кадров и научного фундамента для электронной промышленности».