HMC1118采用单一正电源供电

作者：Selcuk Ilke

简介

HMC1118是一款硅制单刀双掷(SPDT)开关，额定工作频率为9 kHz至13 GHz，采用4 mm × 4 mm、16引脚引线框芯片级封装(LFCSP)。该宽带开关非常适合测试测量设备和高性能无线应用。关键特性包括：

•低插入损耗：0.68 dB（8 GHz时）
•高隔离度：48 dB（8 GHz时）
•高输入P1 dB：37 dBm
•高输入IP3：62 dBm
•快速建立时间（最终RF输出内0.05 dB）：7.5 μs

HMC1118功能框图如图1所示。HMC1118标称需要双电源电压，VDD = +3.3 V且VSS = −2.5 V，器件特性就是在这些电压下测定的。采用双电源供电时，请参阅HMC1118数据手册和本应用笔记以了解完整特性。

HMC1118也可以采用VDD = 3.3 V的单一正电源供电，此时VSS引脚接地。单电源下大信号特性会受影响，但对于很多没有负电源电压可用的应用，器件仍能提供相当不错的性能。本应用笔记主要研究HMC1118的操作，并且比较该器件采用单电源和双电源供电的性能。

   
图1.HMC1118功能框图

HMC1118开关操作

HMC1118采用熟悉的吸收式SPDT开关拓扑，两条完全相同的RF路径上有一个串联场效应晶体管(FET)和一个并联FET，集成一个驱动器用于实现内部逻辑功能，如图2所示。

图2.HMC1118简化电路图

HMC1118为其RF内核提供两种工作模式，如表1所示。在模式1下，RF1至RFC路径处于导通状态，RF2至RFC处于隔离状态；在模式2下则相反。

在插入损耗路径中，串联FET开启，并联FET关断。在隔离路径中则相反，串联FET关断，并联FET开启。因此，各RF路径上的串联和并联FET需要互补控制电压。HMC1118芯片上集成了一个驱动器，用以产生A和B互补控制电压，如图2所示。因此，开关可以通过施加于VCTRL引脚的单个CMOS逻辑电压来控制，LS引脚可以接地或接VDD（参见表2）。

表1.开关模式


表2.控制电压


开关FET用作一个三端口电压控制器件，根据施加于栅极端口的控制电压，漏极端口和源极端口之间的RF信号导通通道闭合（导通状态）或关闭（关断状态）。HMC1118采用N沟道增强模式FET，其典型夹断电压为0.3 V，即栅极和漏-源通道之间为导通FET而需要的电位差。各FET的漏极和源极端口处于直流地电位，故而RF端口上无需隔直电容（其会限制低频操作）。因此，大于（或小于）0.3 V的绝对栅极电压会开启（或关断）FET。

FET一般偏置到极端电压+3.3 V和−2.5 V，以建立一定的电压来开启和关闭FET，并提供最优RF性能。由于HMC1118没有集成稳压器和负电压发生器，所以需要将两个经调节的外部电源电压施加于VDD和VSS引脚，以产生FET器件必需的偏置电压。虽然VDD和VSS的典型值分别为+3.3 V和−2.5 V，但用户可以灵活地仅使用单一正电源VDD = 3.3 V来操作器件，此时VSS引脚接至0 V。然而，这会导致某些参数的电气性能下降，参见“单电源和双电源供电的性能比较”部分所述。

单电源和双电源供电的性能比较

本节比较HMC1118在两种供电方式下的性能：一种是VDD = +3.3 V和VSS = −2.5 V双电源，另一种是VDD = 3.3 V单电源，VSS引脚接0 V。图3所示为用于评估HMC1118在单电源和双电源供电时的性能的评估板原理图。

图3.HMC1118评估板原理图

小信号性能

HMC1118针对50 Ω系统提供最优小信号性能。当VSS从−2.5 V变为0 V时，对于RF小输入信号，其足以使FET保持关断状态，HMC1118的小信号RF性能不会下降。整个工作频率范围内的回波损耗、插入损耗和隔离度都得到保持，如图4、图5和图6所示。

图4.不同VSS下回波损耗与频率的关系

图5.不同VSS下插入损耗与频率的关系

图6.不同VSS下隔离度与频率的关系
 
大信号性能

HMC1118的串联臂和并联臂上均有若干串联FET，用以承受高于单个FET击穿电压的功率水平。通过将电压均匀分配在这些FET上，开关臂得以优化并实现出色的线性度。

高RF功率可能调制栅极电压和漏源通道电阻。这会引起交调失真和输入信号的压缩或削波。FET偏置到夹断电平附近会提高这种效应。

因此，当VSS从−2.5 V变为0 V时，HMC1118的功率压缩和线性度会下降，如图7和图8所示。

图7.不同VSS下输入压缩点与频率的关系

图8.不同VSS下输入IP3与频率的关系

开关时间

高功率处理和快速开关时间之间存在此消彼长的关系：栅极电阻越大，低频时的功率处理能力越高，但开关时间会变慢。HMC1118优化了栅极电阻值，从而在低频范围提供高功率处理能力，同时又有足够快的开关时间。

当VSS从−2.5 V变为0 V时，HMC1118的开关时间性能下降，如图9所示。

图9.不同VSS下的开关时间

功率处理

当VSS从−2.5 V变为0 V时，HMC1118保持相同的热特性，但在较低输入功率水平时会进入功率压缩状态。因通道温度升高过快，HMC1118 RF端口的绝对和推荐最大输入功率额定值会下降。

表3.最大RF输入功率(PIN, MAX)额定值1

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

结语

HMC1118采用VDD = 3.3 V的单一正电源供电时，功率处理性能（PIN、MAX、P1dB和IP3）会下降，开关速度（开启和关断时间及上升和下降时间）会变慢，但小信号特性（插入损耗、隔离度和回波损耗）不变。如果降低的功率处理和开关速度性能对特定应用是合适的，那么HMC1118便可这样使用，即让VSS引脚接地。