GSM前端中下一代CMOS開關設計(04-100)

　　GSM功放工作在飽和方式，輸出功率可達2W，PAE也很高，約為60%，由于手機的總消耗電流有一半來自功放，因此高效率對它的電池壽命是至關重要的。然而，高PAE又易受高插入損耗的不良前端體系結構的影響。例如，一個PAE為60%的放大器，基功放與天線間的插入損耗是1.5dB，那么它的有效APE僅為42.5%。開關電路中的任何附加電流消耗將進一步降低有效PAE。

　　眾所周知，GSM手機的輸出功率要求很高，達+33dBm±2dB，因而對前端的線性度也提出了極其苛刻的要求。線性度是利用諧波抑制來規定的，要求規定在12.75GHz的頻率范圍內，基波的所有諧波應抑制到低于-30dBm。

　　為了保持低插入損耗，設計人員在設計時，未使用路徑通常具有較高隔離度。但對3頻帶或4頻帶手機，由于GSM TX頻帶和GSM850 RX頻帶是重疊的，PCS TX頻帶和DCS RX 頻帶是重疊的，因此又會出現一個特殊的問題。在發射期間，RX帶通濾波器并不能對通過開關漏入的發射信號提供任何衰減。要想保護跟隨在RX濾波器之后的LNA，開關本身必須提供至少35dB的隔離度。

　　GSM標準明文規定的還有開關時間要求。發射與接收之間的停留時間為28ms。當從RX開關至TX時，10mS內不能發送信號，以便完成開關動作。盡管有10mS時間，設計人員寧愿將開關時間設定在1-5mS之間，確保開關在TX發射前達到穩定狀態。同時，一旦功放工作，開關還應符合諧波抑制要求。從TX到RX規定的開關時間是相同的。

　　由于前端開關直接連接到天線，開關的又一個艱巨任務是要有強ESD承受能力。根據IEC1000-4-2規范，手機設計應能承受±16KV空氣放電。這類ESD模型相當于330W電阻與150pF電容的串聯，比人體模型更易損壞。開關本身要具有這個強度，否則，要另加保護元件。

　　一旦上述技術要求都已圓滿解決，前端開關解決方案還附加有尺寸和高度的約束條件。面積和高度兩者都有嚴格的限制，其高度不得超過1.5mm。由于前端開關通過集成在多層襯底中(如LTCC低溫共燒陶瓷)，已建立的行業標準規格因子為減少體積提供了可依據的路線圖。考慮到ASM(天線開關模塊)是無線電部分最高的封裝，因此可縮小ASM尺寸的種種技術備受手機生產廠商的青睞。LTCC具有在襯底中高品質因數無線集成的能力，但增加無源元件需附加的LTCC層，從而增加了模塊的厚度。功放諧波濾波器可集成在襯底上，而頻率隔直電容和ESD保護不得不放置在模塊的外部。某些ASM在LTCC頂部集成有CMOS譯碼器以及SAW濾波器。

　　符合GSM手機技術要求有多種開關技術，且各有各的優點和缺點，這些技術在下面詳加討論。

　　開關解決方案

　　上世紀七十年代，PIN二極管的出現標志固體開關行業的誕生。PIN二極管具有極低的插入損耗和諧波器畸變，仍然是ASM的主導技術。然而，PIN二極管存在著自身的缺陷，不能構成完整的ASM。為了偏置二極管，模塊需設置隔直電容和供電電感。為了制作多刀開關，又需用四分之一波長的二極管串、并聯組合(見圖1a)。LTCC中，900MHz的四分之一波長相當于幾個厘米，這些傳輸線增加了二極管基ASM的尺寸。