Technik der HF SPST-Schalter

[Wulf D. (holler)]

Weiß jemand wie die diversen HF-Schalter (SPST, SPDT, DPST, DPDT) intern 
aufgebaut sind?

Um mal beim einfachsten, den SPST („Single Pole Single Throw“) zu 
bleiben, hatte ich mit zwei MOSFETs eine einfache Simulation versucht, 
siehe Attachment.

Diese Intersil-FETs haben sehr geringe Kapazitäten, gelangen aber schon 
bei ein paar hundert mV an ihre Grenzen. Liegt wohl daran, dass die 
Gates genug Ladung zum Schalten bekommen. 1V Eingangsspannung geht noch, 
Aber bei 3V trennt der nicht mehr und im Durchlass gibt es bereits 
Verzerrungen.

Von Infineon gibt es beispielsweise den BGS12P2L6, der bis zu 37dBm bis 
in den GHz-Bereich verarbeiten kann und in Kleinstückzahlen um 1€ 
kostet.

Noch günstiger im sot23-Gehäuse bei etwas schlechteren Daten der 
AS169-73LF aus China. Kann DC-900MHz und verarbeitet 34dBm. Das sind Vpp 
= 32V, an 50 Ohm 2,5Watt!
Trennt bei niedrigeren Frequenzen um 40dB, am oberen Ende immerhin noch 
20dB.
Durchlassdämpfung <1dB.
Und kostet um 20ct, also nicht mehr als zwei FETs.

PIN-Dioden können es nicht sein, die Teile brauchen praktisch keinen 
Strom.
Bei Dioden wären immer mindestens 5-10mA pro Schalter fällig.

Wie machen die das?

[Magnus M. (magnetus)]

Was ist, wenn Du in vor die Gates ein serien-L oder -R einfügst?

[Wulf D. (holler)]

Magnus M. schrieb:
> Was ist, wenn Du in vor die Gates ein serien-L oder -R einfügst?

Das verschlechtert das Ergebnis.
Anbei die Simu ohne deine Zusätze.

[Magnus M. (magnetus)]

Wulf D. schrieb:
> Anbei die Simu ohne deine Zusätze.

Ich seh' nix (hab keinerei SPICE installiert)

[Robert M. (r0bm)]

Wulf D. schrieb:
> Um mal beim einfachsten, den SPST („Single Pole Single Throw“) zu
> bleiben, hatte ich mit zwei MOSFETs eine einfache Simulation versucht,
> siehe Attachment.

Die Steuerspannung sollte schwebend zwischen Gate und Source anliegen. 
R2 entfällt. Welche Rolle spielt V3?

[Wulf D. (holler)]

Kann ich mal testen.
V3 ist nur dem FET-Model geschuldet und setzt die Temperatur. Hier 25 
Grad C.

[Marek N. (db1bmn)]

Wulf D. schrieb:
> Weiß jemand wie die diversen HF-Schalter (SPST, SPDT, DPST, DPDT) intern
> aufgebaut sind?

Ich würde auf PiN-Dioden tippen.

R2 macht das Umschalten unnötig langsam, da er ebenso wie ein 
Gate-Vorwiderstand mit der Gatekapazität eine Zeitkonstante bildet.

Bei integrierten MOSFETs legt man daher die Steuerspannung zwischen Gate 
und Bulk an. Es gab mal eine homöopathiche Menge an diskreten MOSFETs 
mit herausgeführtem Bulk, z.B. BSS83, 3N170/171, 3N128, 3N143, 3N163, 
3N164.
Siehe auch: Beitrag "N-Kanal Mosfet mit herausgeführtem Substrat"

[J. T. (chaoskind)]

Magnus M. schrieb:
> Ich seh' nix (hab keinerei SPICE installiert)

Dann eröffne doch einen Thread "wie installiere ich Spice", wenn es 
daran scheitert, statt das Forum mit nutzlosen Informationen zu fluten.

[Wulf D. (holler)]

R2 weggelassen, aber das verbessert nichts. Es bleibt bei einer 
maximalen Amplitude von 1V, das sind um 10dBm.

PIN-Dioden können es nicht sein, die Teile brauchen nur µA an 
Schaltstrom. Das ist schon irgend eine FET-Technologie. Wahrscheinlich 
eine MOSFET-Technologie, wenn man sich die minimalen Durchlassverluste 
ansieht (Attachment).
Vielleicht eine, wo keine diskreten Bauteilen auf dem Markt sind.

Mal sehen, ob ich ein Model vom BSS83 etc finde.

[Marek N. (db1bmn)]

Es gibt mittlerweile auch MEMS-Schalter, das sind dann wirklich keine 
Kontaktfedern, die auf einander drücken.

[J. T. (chaoskind)]

Marek N. schrieb:
> das sind dann wirklich keine
> Kontaktfedern, die auf einander drücken.

Ich würde glatt darauf wetten, dass es sich um kleine und nicht um keine 
Federn handelt.
SCNR

[Wulf D. (holler)]

Marek N. schrieb:
> Es gibt mittlerweile auch MEMS-Schalter,

Hey, daran habe ich noch nicht gedacht, das könnte es sein!

[GHz N. (ghz-nerd)]

Bei diesen "low-cost" RF switches kommen definitiv FETs zum Einsatz. 
Diese sind allerdings für diesen spezifischen Zweck optimiert und 
basieren auf speziellen Substraten und Fertigungsprozessen (SOI, Saphir, 
GaAs) um parasitäre Kapazitäten auf ein Minimum zu reduzieren.

MEMS Schalter sind zwar kommerziell erhältlich (z.B Analog Devices 
ADGM3144) aber nur für Spezialanwendungen interessant, da sie vor allem 
dann Sinn machen, wen extrem hohe Linearität und ein flacher 
Frequenzgang bis DC gefordert ist. Da sie im Endeffekt mechanisch 
arbeiten, sind sie auch anfällig auf Verschleiss und vergleichsweise 
langsam im Umschalten (auch wenn 1-2 Grössenordnungen besser als 
klassische mechanische Schalter)

[Wulf D. (holler)]

GHz N. schrieb:
> Bei diesen "low-cost" RF switches kommen definitiv FETs zum Einsatz.

Da bleibt aber die Frage wie es möglich ist, AC-Signale zu verarbeiten, 
die um mehr als eine Größenordnung oberhalb der Schaltspannung liegen. 
Und durchaus ab DC, mit < 1 Ohm Durchgangswiderstand.

[GHz N. (ghz-nerd)]

Wulf D. schrieb:
> GHz N. schrieb:
>> Bei diesen "low-cost" RF switches kommen definitiv FETs zum Einsatz.
>
> Da bleibt aber die Frage wie es möglich ist, AC-Signale zu verarbeiten,
> die um mehr als eine Größenordnung oberhalb der Schaltspannung liegen.
> Und durchaus ab DC, mit < 1 Ohm Durchgangswiderstand.

Signalspannungen, die höher als die Versorgungs- / Steuerspannung 
liegen, können durch verschiedene Massnahmen erreicht werden:
- kaskadierte FETs (mehrere in Serie)
- isolierte Gate-Spannung (durch SOI Prozess erleichtert)
- integrierte Ladungspumpen

[Wulf D. (holler)]

pSemi schreibt im Datenblatt für seinen Mehrfachschalter PE4259 von 
UltraCMOS.
Dahinter stecken die von Dir genannten Techniken wie 
silicon-on-insulator etc - du hast vermutlich Recht mit deiner Annahme.

Schon toll, was man heute für wenige ct bekommt.

[Robert M. (r0bm)]

Wulf D. schrieb:
> R2 weggelassen, aber das verbessert nichts. Es bleibt bei einer
> maximalen Amplitude von 1V, das sind um 10dBm.

Steuerspannung nicht korrekt angelegt? Siehe Anhang.

[Wulf D. (holler)]

Robert M. schrieb:
> Steuerspannung nicht korrekt angelegt? Siehe Anhang.

Mit dieser schwebenden Steuerspannung funktionieren natürlich auch die 
hohen Pegel. In einer realen Umsetzung wäre das die von GHz N. 
angedeutete Version "Ladungspumpe".

[Herbert Z. (herbertz)]

MEMS Schalter kannte ich bis heute noch nicht, sind aber auch keine 
normale Bastelware. Ob man diese Technologie irgendwo einzeln erstehen 
kann weiß ich nicht. Die funktionieren tatsächlich mechanisch, alles in 
winzigen Strukturen. Was es nicht alles gibt...

[Wulf D. (holler)]

Herbert Z. schrieb:
> MEMS Schalter kannte ich bis heute noch nicht, sind aber auch keine
> normale Bastelware.

Die MEMS sind auch noch extrem teuer, wenn man sich die Preise z.B. bei 
Mouser ansieht.

Die CMOS-RF-Schalter sind dagegen günstiger als ein einfacher MOSFET vor 
ein paar Jahren. Von PIN-Dioden oder gar Relais ganz zu schweigen. Und 
brauchen dabei kaum Strom, < 0,1mA.