手機SOI開關不可忽視的射頻開關設計

在你拿著手機打電話或者上網(wǎng)時，你可能不會想到，在手機里有種小小的射頻器件，在以每秒鐘近千次的速度快速切換，幫助你享受到高速、低延遲、高清晰度的通信服務。這個小器件就是射頻開關（RF Switch）。

射頻開關是一種能夠讓手機在不同射頻信號通路之間切換的器件，它就好像是信號的“橋梁”，不斷將信號通路連接或切換。射頻開關應用的范圍也很廣泛，在2G/3G/4G/5G蜂窩通信系統(tǒng)、Wi-Fi、藍牙、GPS等系統(tǒng)中，均是不可或缺的器件。

和家里電燈開關一樣，對于射頻開關來說，只有“打開”、“關閉”兩種狀態(tài)，功能非常簡約。但這種簡約的功能背后，卻隱藏著復雜而精妙的設計思路，以及不簡單的技術挑戰(zhàn)。

本文將從目前手機中最常用的開關：SOI開關出發(fā)，討論“簡約而不簡單”的射頻開關設計。

一、射頻開關：功能簡約?

功能簡約

正如其名稱一樣，開關的功能就是“開”和“關”。射頻開關也不例外，射頻開關是工作在射頻頻段的開關，其功能就是控制射頻信號的“通”與“斷”。

目前手機中應用最廣泛的是半導體器件開關，如RF-SOI開關，pHEMT開關等。這些半導體開關的功能與普通的電氣開關相同，符號表示也一致。

圖：（a）電氣開關（b）開關符號 （c）半導體開關

應用簡約

在射頻系統(tǒng)中，射頻開關扮演著重要的角色。射頻開關的主要功能有：

頻段選擇：使信號在多個不同的射頻通路間切換

收發(fā)切換：在TDD（時分雙工）系統(tǒng)中，完成接收與發(fā)射的切換

天線切換：在多天線系統(tǒng)中，使信號在不同天線間切換

在《除了調(diào)匹配，射頻人還要掌握系統(tǒng)知識》中，可以看到，射頻開關器件大量分布在射頻前端系統(tǒng)中，在天線切換層、頻段開關層及子路徑實現(xiàn)層中需要用到多個射頻開關器件。

? 圖：射頻開關器件在射頻前端系統(tǒng)中的分布

評價簡約

開關的評價也非常簡約：開啟的時候能量盡可能多的傳過去；關閉的時候能量盡可能少的漏過來。

開關有兩種工作狀態(tài)，分別是“開啟on”和“關閉off”。對于半導體晶體管制作的開關，晶體管在on狀態(tài)可近似等效為一個電阻，這個電阻的阻值就被定義為；晶體管在off狀態(tài)時可近似等效為一個電容，這個電容就被定義成。這就是衡量開關本征性能的兩個最重要參數(shù)：與參數(shù)的來源。 ? ?

圖：（a）on狀態(tài)的；（b）off狀態(tài)的

在on狀態(tài)下，由于是串接在射頻通路中，所以就決定了開關損耗的大??；而在off狀態(tài)下，的存在會造成信號的泄露，所以決定了開關隔離的大小。與兩個參數(shù)都是越小越好。

在晶體管作為開關的設計中，還有一個非常有意思的特性，即與的乘積是定值。理解起來也比較直觀：當設計中想要用多個晶體管并聯(lián)來實現(xiàn)低的串聯(lián)電阻時，會呈倍數(shù)的減小，但因為是晶體管的并聯(lián)，這時卻會呈倍數(shù)的增加。二者的乘積始終不變。

這一特性也使得*成為衡量開關特性的簡約衡量指標，評價一個工藝作為開關使用的優(yōu)劣，不論取什么尺寸的晶體管，只需要將其與相乘，就可以得到其特性參數(shù)。如下圖為文章[1]中不同RF-SOI工藝的對比，可以看到，不同工藝的與乘積會有不同，大致在115fs至165fs之間，但相同工藝下的多種器件得到的乘積基本相同。

圖：不同工藝的與

由于與乘積決定了開關插損與泄露能量的大小，所以在設計低插損、高隔離開關時，應盡量選擇低與乘積的半導體工藝。 ?

二、射頻開關：做好不簡單?

雖然對于一個射頻來說，功能、應用評價都非常簡約、直觀，但想要將開關做好卻并不容易。主要原因在于射頻系統(tǒng)越來越復雜，對于“架橋鋪路”功能的射頻開關也提出了越來越高的要求：

發(fā)射通路上的開關必須要承載大功率的通過

切換速度要足夠的快

復雜系統(tǒng)下，開關的“刀”和“擲”數(shù)目激增

這就像是將原來只負責通過40公里時速小車的一分二岔路口，變成大型立交橋，并且還需要保證重型大車以120公里時速的快速通過。這對“立交橋”設計提出了極高的要求。

圖：（a）簡單系統(tǒng)中開關要求（b）復雜系統(tǒng)中開關要求

大功率的處理

根據(jù)YOLE的預測[2]，至2023年，全球手機市場所用到的開關主要集中于SOI與MEMS兩種工藝，并且SOI會是絕對的主流工藝。

圖：手機開關所使用的工藝

除了MEMS之外，可以用于手機的工藝還有很多，比如半導體工藝中的GaAs pHEMT、GaAs FET等，這些工藝在微波毫米波、衛(wèi)星通信等有廣泛應用。另外，普通CMOS工藝也可以用于低頻、高插損的開關設計。SOI之所以能夠從這些工藝中競爭勝出，還是因為其作為開關使用時的重要優(yōu)勢：

低插入損耗：SOI開關具有低阻抗和低電容，可以減少RF路徑中的信號衰減和功耗；

寬帶寬：SOI開關可以在很寬的頻率范圍內(nèi)工作，從9 kHz到44 GHz甚至更高，這使得它們能夠支持多種標準和頻段；

CMOS兼容的正極控制接口：SOI開關可以與CMOS邏輯電路輕松集成，并由正電壓信號控制，這簡化了設計并降低了成本；

堅固的ESD保護：SOI開關在所有引腳上設計具有高ESD耐受性電路，這增強了RF系統(tǒng)的可靠性和耐用性。

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與SOI相比，GaAs pHEMT開關雖然具有良好的線性度和隔離度，以及低的通態(tài)電阻和截止電容。但它們需要負的柵極電壓、有限的集成能力和低的ESD保護，并且GaAs pHEMT工藝價格高，不利于低成本規(guī)模應用。這些都使得SOI可以實現(xiàn)射頻開關后，迅速將GaAs pHEMT等工藝取代。

但SOI進軍開關市場的路徑也并不順利，SOI需要解決的首要問題就是功率問題。

對于手機來說，發(fā)射通路中的功率一般在1W量級附近，對于50 Ohm系統(tǒng)來說，射頻擺幅會到10V以上，考慮到負載變化帶來的影響，這個電壓甚至可能會超過20V。而SOI中的MOSFET器件擊穿電壓只有2V左右，功率耐受在最初的時候成為SOI在手機開關應用中的最大問題。

但這并不是技術不可以解決的問題，一些SOI的先驅(qū)廠商的工程師做了聰明的嘗試。2015年，Peregrine公司的工程師Dylan Kelly等人成功利用SOS（Silicon on Sapphire，藍寶石上硅）工藝，采用疊管技術，支持高的耐壓擺幅，設計制造出可以滿足手機GSM應用的6T射頻開關，并且性能與GaAspHEMT媲美[3] 。由此拉開了SOI設計手機射頻開關的序幕。

圖：SOI工藝中，依靠疊管來支撐高的電壓擺幅

采用疊管之后，雖然串聯(lián)使用時，on狀態(tài)的電阻會倍數(shù)級的增加，但off態(tài)的寄生電容會同倍數(shù)的減小。所以可以采用增大晶體管面積的方式，使 減小至原來值，這里也增加至原來值。與的乘積依然保持不變，開關的損耗與隔離特性并沒有受到影響。耐壓增加又不影響射頻性能，疊管設計這一方法瞬間在射頻開關應用中普及開來。

下圖為Peregrine公司2005年設計的GSM手機開關[3]。開關采用8個疊管的設計，共有6個支路。支路1和2對開關插損有高要求，所以選了較大的晶體管尺寸，而3/4/5/6之路插損和尺寸之間做了折衷，晶體管尺寸比1和2之路小了一半，所以Ron電阻也會增大一倍。

圖：Peregrine2005年設計的SOS CMOS開關

需要說明的是，以上分析均是假定開關幾個疊管之間可以完美的將功率進行均分，但在實際設計中，想要控制電壓均勻分布也不是易事，需要仔細設計偏置電路，并將寄生效應完整考慮進來。否則雖然設計上進行了疊管設計，但很有可能對于應對大功率無濟于事。

如果在大功率方面處理不好，很好可能造成開關燒毀，造成不可恢復的可靠性問題。所以開關的大功率問題，是開關設計不簡單的首要注意問題。

切換速度的處理

為了實現(xiàn)更優(yōu)的射頻體驗，5G引入了很多新特性。比如更靈活的子載波配置、天線輪發(fā)系統(tǒng)等，這些功能都對開關的切換時間有了進一步要求。在4G時代，開關切換時間的設計目標一般在2us左右，但在5G系統(tǒng)中，這個設計目標已經(jīng)降低到0.5us以下。

圖：5G系統(tǒng)中復雜而快速的切換網(wǎng)絡

快速切換給開關設計提出了很高的要求。在開關設計中，切換速度的提升主要通過在偏置電路中的優(yōu)化實現(xiàn)。比如可以通過以下方式來提升開關切換速度：

優(yōu)化控制邏輯拓撲，簡化控制路徑

提升控制電路驅(qū)動能力，快速實現(xiàn)控制信號的切換

優(yōu)化偏置電路，縮短控制信號充放電時間

為了實現(xiàn)更高的切換速度，一些創(chuàng)新的方法也被引入進來。比如文獻中提出，可以在開關切換的過程中，可以將用于隔離射頻與偏置的偏置電阻暫時切除，以達到快速控制切換的目的。在切換完成后，再將偏置電阻補充回來，保證射頻性能不受影響。采用這種方法，文章完成了0.35us切換時間的5G開關設計。

圖：文獻提出的快速開關切換電路

（a）傳統(tǒng)方式（b）切換偏置電阻方式

偏置電路的優(yōu)化需要結合射頻性能進行，速度的提升需要建立在射頻性能盡量不受影響的基礎上。開關速度的處理是開關設計中另外一個不簡單的問題。

復雜架構的處理

在從“岔路口”到“立交橋”的演進過程中，開關的拓撲結構越來越復雜，由此也帶來一系列的設計問題。比如其他支路的寄生處理、多支路之間的耦合、多通道同時開啟的相互影響等。這些問題都給5G手機開關帶來挑戰(zhàn)。

開關一般用“刀”和“擲”來定義架構。刀的英文是的英文名稱是Pole，簡稱P，指開關中的活動刀軸；擲的英文名稱是Throw，簡稱T，指開關的活動刀頭可以通向的觸點數(shù)目。

比如，1P2T開關，指的就是開關有1個活動刀軸，可以通向2個通路；而2P6T，指的就是開關有2個活動刀軸，可以通向6個通路。在日常開關使用中，“1”也被稱為Single，“2”也被稱為Double，以1P2T與2P6T開關為例子，日常也被稱為SPDT，與DP6T。 ?

圖：SP2T與DP6T開關

在復雜射頻系統(tǒng)中，開關拓撲主要會被擴展為多T、多P與多通三種類型。

圖：復雜的開關架構

多T處理

多T指的就是開關有非常多輸出口。在使用中，同一時刻只會有一個開關開啟，但其他關閉狀態(tài)的開關都是寄生的電容負載。

在多T開關的設計中，為了減少過多關斷開關對導通支路電容寄生的影響，同時增加隔離度，可以采用將多T開關分組的方式進行設計。文獻[5]中16T開關分為四組，分別為GSM、LTE1、LTE2與Rx，在減小互相之間影響的同時，可以針對性的對不同需求進行設計。

圖：SP16T開關設計

多P處理

多P指的是開關有多個活動刀軸。和機械開關多放置幾個活動刀頭就可以解決不同，半導體開關必須要通過通路矩陣的方式依靠拓撲來實現(xiàn)。

以DPDT開關為例，文獻[6]中給出了其中一種實現(xiàn)方式。可以看出，與SPDT開關相比，其通路數(shù)目增加一倍。如果開關的P數(shù)與T數(shù)進一步增加，開關設計復雜度也會指數(shù)級增加。

圖：DPDT開關的實現(xiàn)

多通處理

多通（Multi-on）是指開關的兩個或者兩個以上支路可以同時打開。

多通需求的原因是因為手機載波聚合（Carrier Aggregation，CA）以及4G/5G雙連接（LTE/NR-DualConnection，EN-DC）的需求。這些需求中需要兩個射頻通道同時工作，所以就需要開關支持多通功能。

在MTK所發(fā)布的射頻前端規(guī)劃中，也提出過對多通開關的需求。例如在MTK提出的支持CA的架構中，就依賴于天線開關的兩通道同時打開[7]。

圖：射頻前端中的多通開關

開關的雙通道打開也對開關提出了新的需求，首先需要開關可以處理好兩個頻段之間的干擾問題，同時還需要使兩頻段間的工作狀態(tài)盡量少的相互影響。

以上框圖為互相獨立的兩個射頻通路間同時打開，在5G的系統(tǒng)架構中，有時還需要將同一個開關口同時連接到不同的輸出口，這對開關設計提出了新的要求。

以上開關的復雜架構演進，也讓開關設計不再簡單。

? ?總? 結? ?

在射頻前端的四大件中，和PA、LNA、濾波器比起來，射頻開關看起來是最簡約、最常見的器件，也經(jīng)常被人們認為是最簡單的射頻器件。

但射頻開關也是應用場景最為復雜的器件，不管是在復雜射頻系統(tǒng)構建、還是在射頻通路切換中，都可以看到射頻開關的身影。不同系統(tǒng)需求下，對開關的要求也是千差萬別。要應對好不同場景下的需求，開關設計并不簡單。

隨著5G的到來，射頻前端系統(tǒng)越來越復雜，射頻開關也在5G系統(tǒng)構建中大顯身手。隨著對射頻性能要求的提升，以及未來6G的到來，開關應用會更加廣泛。

在開關設計中，了解開關的應用場景，有的放矢，才可以選擇合適的開關設計。

編輯：黃飛

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