Tagore technology GaN射频开关与 PIN 二极管射频开关的比较

Tagore technology（www.tagoretech.com） 的 GaN 射频开关采用耗尽模式 GaN HEMT 技术，具有高击穿电压的 GaN HEMT 的饱和电流接近 1 A/mm，因此理论上 2 至 3 毫米的器件可以满足 50Ω 系统中 100W 功率的峰值电流要求。开关功能就像绝缘体上硅(SOI)开关，通过在 栅极施加电压来打开/关闭器件。然而，与 SOI 不同的是，SOI 的击穿电压非常低，通常在 3V 左右，而 GaN 器件的击穿电压非常高。一个高功率开关可以在不 堆叠许多器件的情况下实现，这对于减少 Ron 和 Coff 是至关重要的。由于这些 器件处于耗尽模式，它们需要负电压才能关闭，而零电压才能开启。所有 Tagore 开关都有一个与 GaN 芯片共同封装的控制器芯片。该控制器产生栅极电压信号， 以控制所有的 GaN 器件。负电压在控制器内部产生，因此它只需要最低 2.7V(最高 5.5V)的电源和 1.2V(最高 5.25V)的逻辑信号来控制射频开关状态。唯一需要的外部元件是电荷泵引脚上的一个旁路电容，如下图所示：

与 GaN 射频开关不同，PIN 二极管射频开关要复杂得多，需要多次迭代来实现和优化。性能在很大程度上取决于与外部元件和电路板布局相关的寄生效应，因为许多无源偏置器件被连接到射频信号路径。PIN 二极管控制需要高电流和高电压。PIN 二极管的导通电阻是偏置电流的函数，其中关断状态的功率处理是通过施加高的反向偏置电压来控制。它需要高的正向偏置电流，对于 100W 的开关来说，其范围在 200 到 400 毫安，同时需要高的反向偏置电压，其范围在 140V。图a 显示了基于 PIN 二极管的 SP4T 100W 开关的典型实现方式，其最低工作频率为 50 MHz。该图显示了 RF1 路径接通时的偏置条件。为了保持低的导通电阻，导通路径二极管的偏置电流为 400 mA,用红色字和箭头表示。关路并联二极管的偏压为 25mA，串联二极管的反向偏压为 140 V。ON 状态的偏压功率要求为2W(5V×400mA),每个路径的关路偏压功率要求为 3.5W(140V× 25mA)。对 4T 开关进行偏置的总直流偏置功率要求为 12.5 W。大部分偏置功率耗散在偏置电阻中，因此它们必须具有高功率耗散能力。需要额外的升压电路来产生高电压，以便从低电源轨对二极管进行反向偏置。如上图所示，PIN 二极管需要 32 个无源元件，这还不算升压转换器电路，而 GaN 开关可以用 3 V 和 200 微安的电流实现，即 0.6 mW 的总功耗和两个元件。由于射频端口是 50Ω，没有连接任何无源元件，该结构可以实现并移植到任何电路板上，消除了与二极管开关有关的复杂性。基于 GaN 的解决方案所需的电路板空间是 PIN 二极管的1/10——3×3 至5×5 毫米，而且直流功耗几乎为零，这就减少了对散热器的要求，进一步减少了整体尺寸和重量。