CN101090280A - 使用开关谐振器的cmos天线开关的系统、方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提供了一种用于CMOS RF天线开关的系统和方法。该用于CMOS RF天线开关的系统和方法可以包括：天线，其用于在至少一个射频(RF)频带内发送和接收信号；以及发送开关，连接到天线，该发送开关接通时，将相应的第一信号发送到天线，并且在发送开关断开时防止第一信号发送到天线。用于CMOS RF天线开关的系统和方法可以进一步包括接收器开关，连接到天线，当接收器开关接通时形成滤波器，当接收器开关断开时形成谐振电路，其中，滤波器用于接收由天线接收的第二信号，并且谐振电路用于阻止至少第一信号的接收。

Description

使用开关谐振器的CMOS天线开关的系统、方法和设备

相关申请

本申请要求于2006年6月4日提交的题为“使用开关谐振器的互补金属氧化物半导体(CMOS)天线开关的系统、方法和设备”的美国临时申请No.60/803873，其全部内容结合与此作为参考。

技术领域

本发明通常涉及一种天线开关，更具体地，涉及一种CMOS(互补金属氧化物半导体)天线开关。

背景技术

在过去的十年里，无线通信产业经历了爆发性成长，反而加速了集成电路(IC)产业的发展。特别是在IC产业中，许多移动应用系统(例如，低噪声放大器(LNAs)、混频器、和压控振荡器(VCOs))都被集成到CMOS技术中。两个重要的移动应用组件-功率放大器和射频(RF)开关-在商业上还没有集成到CMOS技术中。

然而，IC产业研究正在快速发展，已将功率放大器集成到CMOS技术中。例如，当前的研究指出，对于移动通信，CMOS功率放大器也许是可用的，并且可以提供大功率，也许超过2W。因此，当功率放大器集成到CMOS技术中时，将会对集成到CMOS技术中的RF开关有需求。

然而，当前的CMOS技术对于其在RF开关中的应用存在许多困难，例如，CMOS材料的特性(包括有损耗衬底以及由于电子的低迁移率造成的低击穿电压)阻碍了将CMOS技术应用于RF开关，该RF开关要求多频带工作、高功率水平、和/或与其他的设备和电路集成。

发明内容

本发明的实施例可以提供一种CMOS RF开关，其可被称作CMOS SP4T开关。根据本发明的实施例，可以使用多种工艺来生产CMOS RF开关，包括0.18μm工艺。事实上，在不背离本发明的实施例的情况下也可以使用其它工艺。为了在CMOS RF开关的多频带工作(例如，大约900MHz和1.9GHz)中提供高功率处理能力，LC开关的谐振器方案可被应用于接收器开关中。根据本发明的实施例，在一个或多个频带处，包括多频带(例如大约900MHz和1.9GHz)，CMOS RF开关可以在发送(TX)模式提供较高的阻止能力，以及可以在接收(RX)模式提供低插入损耗。作为示例性实施例，在TX模式中，CMOS RF开关分别在900MHz和1.9MHz时可以达到P1 dB瓦特水平的功率处理能力，在两个频带(900MHz和1.9GHz)处的插入损耗为-1.4dB。同样，在RX模式中，在大约900MHz和1.9GHz处，CMOS RF开关也可以分别达到-0.9dB和-1.4dB的插入损耗。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于设置CMOS天线开关的方法。该方法可以包括设置天线用于在至少一个射频(RF)频带上发送和接收信号的操作，以及将天线连接到发送开关，其中，在该发送开关接通以使第一信号发送到天线，并且断开以防止第一信号发送到天线。该方法还可以包括将天线连接到接收器开关，当接通时形成滤波器，当断开时形成谐振电路，滤波器用于接收由天线接收的第二信号，并且谐振电路用于阻止至少第一信号的接收。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于CMOS天线开关的系统。该系统可以包括天线，用于在至少一个射频(RF)频带上发送和接收信号，发送开关，连接到天线，其中，发送开关被接通以将相应的第一信号发送到天线，并且发送开关被断开以防止第一信号发送到天线；以及接收器开关，连接到天线，其中，当接通时接收器开关形成滤波器，当断开时形成谐振电路，滤波器用于接收由天线接收的第二信号，并且谐振电路阻止至少第一信号的接收。

根据本发明的另一实施例，提供了一种用于CMOS天线开关的系统。该系统可以包括天线，在多个射频(RF)频带上工作。该系统还可以包括用于将第一信号发送到天线的装置，以及用于接收来自于天线的第二信号的装置，其中，当用于接收的装置工作时，关于接收的装置形成滤波器，并且其中当用于发送的装置工作时，用于接收的装置形成谐振电路。

附图说明

因此，现在参照附图详细描述了本发明，附图不必按比例进行描绘，其中，

图1A和1B示出了根据本发明实施例的接收器开关的简化操作。

图2示出了根据本发明实施例的在TX模式时使用开关谐振器的CMOS开关。

图3示出了根据本发明实施例的在RX模式时使用开关谐振器的CMOS开关。

图4A示出了根据本发明实施例的在TX路径处的多堆叠开关(multi-stacked switch)。

图4B示出了根据本发明实施例的使用具有信号流的浮体技术(body floating technique)开关的接通状态开关的简化等价模型。

图5示例性示出了根据本方明实施例的接收器开关的模拟结果。

图6A和6B示例性示出了根据本发明实施例的发送开关的模拟结果。

具体实施方式

现在，下文中，将参照附图详细描述本发明，其中示出了一些但不是全部本发明的实施例。事实上，这些发明可以许多不同形式实施，并且不应解释为用于限定为在此阐述的实施例；因此，提供这些实施例，从而使这些公开满足可应用的法定需求。通篇中相同的标号表示相同的元件。

本发明的实施例提供一种CMOS RF天线开关，其也可以被称作SP4T CMOS开关。根据本发明实施例的CMOS RF天线开关可以提供一个或者多个多频带操作、高功率水平的处理、以及与其他的装置和电路集成在一起。通常，CMOS RF天线开关可以包括至少一个接收器开关和至少一个发送开关。接收器开关可利用一个或多个开关谐振器，如稍后进行详细描述的。发送开关可以采用或以其他方式应用主体衬底调谐技术，如也在稍后进行详细描述的。

接收器开关的描述

根据本发明的实施例，现在，将参照图1-图3更详细的描述CMOS RF天线开关，更具体地是描述RF天线开关的接收器开关组件。图1A和1B提供了根据本发明实施例的具有发送开关102和接收器开关104的简化CMOS RF天线开关的操作实例。如图1A和1B所示，CMOS RF天线开关可以包括与至少一个发送开关102和至少一个接收器开关104通信的天线100。如图1A所示，当发送开关102是ON(例如，接通)时，从而将发送信号提供给天线100，接收器开关104是OFF(例如，切断)。同样，如图1B所示，当接收器开关104是ON(例如，接通)时，从而允许接收来自天线100的接收信号，发送开关102是OFF(例如，切断)。根据本发明的实施例，尽管根据本发明的另一实施例可以应用多种不同天线，但天线100可以是单一的多模式的(例如，RX和TX)，多频带天线。

仍然参照图1A和1B，根据本发明的一个实施例，接收器开关104可以是开关谐振器的形式。该开关谐振器能够根据接收器开关104是ON或者OFF来分别提供完全不同的等效电路。在图1A中，当接收器开关104是OFF时，根据本发明的实施例，可以形成LC谐振电路。LC谐振电路可以阻止在ON状态时由发送开关102提供的发送信号，从而最大化通过天线100发送的信号的功率。根据本发明的一个实施例，LC谐振电路可以包括与至少一个电容器108并联的至少一个电感器106。根据谐振电路的期望工作频率，电感器106的值可以足够大，也许超过5nH。应当理解，LC谐振电路被示作图1A中的并联谐振电路，本发明的其他实施例也可以采用串联谐振电路(例如，RLC谐振电路)。

另一方面，在图1A中，当接收器开关104是ON时，根据本发明的实施例，可以形成滤波器。根据本发明的实施例，该滤波器可以是具有特定截止频率特征的低通滤波器。此外，在期望的工作频率处，滤波器可以包括一个非常小的电感器110值，以提供低插入损耗。因而，滤波器104可以提供以低插入损耗来接收由天线100提供的接收信号的至少一部分。当上述滤波器被示作低通滤波器时，应当理解，其它实施例的滤波器可以是带通滤波器、高通滤波器等。

图2示出了在发送(TX)模式中的RF天线开关200工作的示例性实例。具体地，图2包括与发送开关102和接收器开关104通信的天线100。根据本发明的实施例，发送开关102可以包括用于一个或多个发送信号的信号路径。例如，如图2所示，可以存在两个信号路径，即，分别通过开关M1 204和M2 206控制的信号路径TX1和TX2。开关M1 204和M2 206可以包括一个或多个CMOS开关。同样，接收器开关104可以包括信号路径RX1和RX2，通过开关M3 208，M4 210，M5 212，M6 214，M7 216，M8 218和M9 220控制，这些开关中的每一个均可以包括一个或者多个CMOS开关。

在图2中，根据本发明的实施例，RF天线开关200被示作在TX模式中操作信号路径TX1。利用对于发送开关102的这种TX模式配置，闭合开关M1 204并打开开关M2 206。此外，通过闭合开关M3 208，M4 210同时打开开关M5 212，M6 214和M7 216，以在节点232处提供高阻抗点，来使接收器开关104形成谐振电路，接下来将进一步说明。此外，尽管图2中未示出，但是，开关M8 218和M9 220也可以闭合以将泄漏信号旁路到地，以防止低噪声放大器(LNA)受该泄漏信号的影响。本领域的普通技术人员应当认为，在图2中，信号路径TX2可以被闭合以代替信号路径TX1而不背离本发明的实施例。还应当理解，可以改变包括多个发送和接收信号路径的发送开关102和接收器开关104的配置而不背离本发明的实施例。

在图2所示的配置中，发送开关102的功率处理能力可以依据谐振电路的阻抗以及接收器开关104的级联开关M5 212，M6 214，M7 216的源漏击穿电压。换句话说，发送开关102的最大发送功率可以依赖于接收器开关104的阻抗和击穿特性。

根据本发明的实施例，谐振电路可以是由电感器L1 222、L2 224与电容器C1 226并联形成的LC并联谐振电路。为了在TX模式配置期间提供期望的阻断以最大化发送信号功率，电感器L2 224的感应系数值可以非常大。然而，电感器L1 222和L2 224值的比率可以涉及到发送开关102的功率处理。因此，如果L1 222的值太小，则大的电压摆动可以高于开关M5 212，M6 214和/或M7 216的源漏击穿电压，这些开关被打开以在节点232提供一个高阻抗点。因此，可以选择电感器L1 222的值，以对TX模式产生最佳电压摆动以及对RX模式产生低插入损耗。

根据本发明的实施例，图3提供了在发送(RX)模式中的RF天线开关300的示例性操作。如图3所示，发送开关102的开关M1 204和开关M2 206被打开，以使天线100与分别发送信号路径TX1和TX2绝缘。然而，在接通接收信号路径RX1过程中，打开开关M3 208，M4 210，和M8 218，而闭合开关M5 212和M6 214。此外，为了使泄漏信号旁路到接以保护低噪声放大器(LNA)，可以闭合开关M9 220。本领域中的普通技术人员应当理解，可以代替信号路径RX1，来接通信号路径RX2而不背离本发明的实施例。

仍然参考图3，可以使用电感器L1 222和电容器C2 228来形成低通滤波器。如果主要考虑低插入损耗，则电感器L1 222的值可以尽可能的小。然而，如上参照图2所述，电感器L2 222的值影响TX模式的电压摆动，因而，可以选择电感器L1 222的值，以对TX模式提供最佳电压摆动以及对RX模式提供低插入损耗。

双频带操作

如参照图1-3所述，在TX模式中可将接收器开关104(例如，开关谐振器)配置为LC谐振器，并且在RX模式下将其配置为LC低通滤波器。此外，如图2和图3所示，存在两个发送信号路径TX1和TX2，以及两个接收信号路径RX1和RX2。然而，应当理解，如果期望，可以包括多个发送或接收路径，而不背离本发明的实施例。根据本发明的实施例，尽管也可以采用不同的频带，但是可将TX1和RX1配置为GSM频带(例如，900MHz)通信，并且可将TX1和RX2配置为DCS/PCS频带(例如，1.9GHz)通信。此外，也可以提供多于两个频带(优选地，为三或四个频带)，而不背离本发明的实施例。

然而，随着天线100处信号通路数量的增加，发送开关102的功率处理能力将降低。因此，在单极多投开关中，可以期望减少天线100中信号通路的数量。例如，如图2和图3所示，接收器开关104的RX1和RX2可以共享天线100前端处的一个LC并联谐振器，其中，LC并联谐振器包括电感器L1 222、L2 224、和电容器C1 226。如上所述，LC并联谐振器可阻挡来自每个频带的TX1和TX2的发送信号。根据本发明的实施例，代替在双频带具有两个开关发送零点的开关谐振器，上述LC并联谐振器仅具有一个发送零点，其在1.5GHz处具有宽频带。此外，LC并联谐振器在900MHz、1.5GHz、和1.9GHz处提供-13dB、-25dB、和-14dB的返回损耗。

发送开关的描述

现在，将参照图4A和图4B更详细地描述图2和图3中的发送开关。更具体地，图4A示出了根据本发明实施例的用于TX1的开关M1 204和TX2的开关M2 206的发送开关102结构。如图4A所示，开关M1 204和M2 206可包括堆叠晶体管，例如，从源极到漏极堆叠(例如，层叠)的CMOS晶体管402、404、和406。通过从源极到漏极的堆叠晶体管402、404、和406，由于晶体管402、404、和406之间存在裂缝(split)因此可以增加积累的击穿电压，从而提供了更高的阻断能力。例如，在TX1的开关M1 204闭合以发送信号时，在TX2处的开关M2 206将需要这种大功率阻断能力。虽然图4示出了三个堆叠的晶体管，但应当理解，也可以层叠几个或更多个堆叠的晶体管。

然而，通过堆叠晶体管402、404、和406，可以增加发送晶体管102的插入损耗。因此，如图4A所示，可以将包括主体衬底上的连接高电阻器408、410、和412的浮体技术应用于根据本发明实施例的发送开关102。通过这种浮体技术，晶体管402、404、和406可以使用N-阱结构，优选地采用0.18μm CMOS工艺，其可以免受由于在主体衬底上的连接高电阻器408、410、和412造成的电势闭锁的影响。也可以称作浮体电阻器的电阻器408、410、和412可以通过阻止漏电流来减少对于衬底的插入损耗。

图4B示出了一级开关处的信号流，例如，晶体管402、404、或406。随着晶体管402、404、406大小的增加，寄生电容的值变得足够大，使得源极-主体(source-to-body)452寄生电容器和漏极-主体(drain-to-body)454寄生电容器与浮体电容器456一起被用作在ON状态下的信号电路c。然而，如果主体接地，则将图4B中的信号路径c旁路到地，从而降低了插入损耗。

模拟结果

图5示出了根据本发明实施例的示例性多频带(例如，900MHz、1.9GHz)接收器开关104的操作的模拟结果。该模拟结果示出了插入损耗502、从天线100到TX的绝缘、以及RX1与RX2之间的绝缘。具体地，通过顶部的实线来示出插入损耗502。通过中间的线示出了在天线100与TX之间测量的绝缘504。此外，通过底部的线示出了RX1和RX2之间的绝缘。

图6示出了用于示例性多频带接收器开关102的操作的模拟结果。具体地，图6A中的模拟结果示出了功率处理能力，而图6B示出了从天线100到RX的绝缘。在图6A和图6B中，实线表示在第一频带1.9GHz处的模拟，而圆圈线表示在第二频带900MHz处的模拟。

本领略普通技术人员应当理解，仅以实例的方式来提供模拟结果。实际上，也可以其他频带操作来配置发送开关102和接收器开关104。从而，还可以其他频带操作提供模拟结果，而不背离本发明的实施例。

对于具有在前面的描述和相关附图中所呈现的技术优点的这些发明，本领域的技术人员可想到本文阐述的实施例的许多修改和其它实施例。因此，应该理解，本发明不用于限制所披露的特定实施例，所以，各种修改和其它实施例应该在所附权利要求的范围内。虽然本文使用了具体的术语，但是它们仅是一般和描述性的，而不是用于限制的目的。

Claims (20)

1.一种用于设置CMOS天线开关的方法，包括：

设置天线，用于在至少一个射频(RF)频带上发送和接收信号；

将所述天线连接到发送开关，其中，接通所述发送开关，以将第一信号发送到所述天线，以及断开所述发送开关以防止所述第一信号发送到所述天线；以及

将所述天线连接到接收器开关，当所述接收器开关接通时形成滤波器，并且当所述接收器开关断开时形成谐振电路，其中，所述滤波器被设置为接收由所述天线接收的第二信号，以及其中，所述谐振电路至少阻止所述第一信号的接收。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述第一信号发送到所述天线期间，所述发送开关接通，并且所述接收器开关断开，以形成所述谐振电路。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在接收来自所述天线的所述第二信号期间，所述发送开关断开，并且所述接收器开关接通，以形成所述滤波器。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述接收器开关接通时，所述滤波器为低通滤波器。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发送开关包括从源极到漏极级联的多个CMOS晶体管，从而增大了所述级联的CMOS晶体管的击穿电压。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，每个CMOS晶体管均包括主体衬底，并且进一步包括将至少一个主体衬底连接到地的电阻器。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接收器开关包括第一CMOS开关和第二CMOS开关，其中，所述第一CMOS开关和所述第二CMOS开关打开以形成所述滤波器，以及其中，所述第一CMOS开关和所述第二CMOS开关闭合以形成所述谐振器。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述谐振电路通过低噪声放大器(LNA)来至少阻止所述第一信号的接收。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发送开关包括第一开关和第二开关，其中，所述第一开关在第一频率接通以形成到所述天线的第一信号发送路径，以及其中，所述第二开关在不同于所述第一频率的第二频率接通以形成到所述天线的第二信号发送路径。

10.一种用于CMOS天线开关的系统，包括：

天线，用于在至少一个射频(RF)频带上发送和接收信号；

发送开关，连接到所述天线，其中，所述发送开关接通以将相应的第一信号发送到所述天线，以及所述发送开关断开以防止所述第一信号发送到所述天线；以及

接收器开关，连接到所述天线，其中，当所述接收器开关接通时形成滤波器，并且当所述接收器开关断开时形成谐振电路，其中，所述滤波器被设置为接收由所述天线接收的第二信号，以及其中，所述谐振电路至少阻止所述第一信号的接收。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，在将所述第一信号发送到所述天线期间，所述发送开关接通，并且所述接收器开关断开，以形成所述谐振电路。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，在接收来自所述天线的所述第二信号期间，所述发送开关断开，并且所述接收器开关接通，以形成所述滤波器。

13.根据权利要求10所述的系统，其中，当所述接收器开关接通时，所述滤波器为低通滤波器。

14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述发送开关包括从源极到漏极级联的多个CMOS晶体管，从而增大了所述级联的CMOS晶体管的击穿电压。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，每个CMOS晶体管均包括主体衬底，并且进一步包括将至少一个主体衬底连接到地的至少一个电阻器。

16.根据权利要求10所述的系统，其中，所述接收器开关包括第一CMOS开关和第二CMOS开关，其中，所述第一CMOS开关和所述第二CMOS开关打开以形成所述滤波器，以及其中，所述第一CMOS开关和所述第二CMOS开关闭合以形成所述谐振器。

17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述谐振电路通过低噪声放大器(LNA)来至少阻止所述第一信号的接收。

18.根据权利要求10所述的系统，其中，所述发送开关包括第一开关和第二开关，其中，所述第一开关在第一频率接通以形成到所述天线的第一信号发送路径，以及其中，所述第二开关在不同于所述第一频率的第二频率接通以形成到所述天线的第二信号发送路径。

19.一种用于CMOS天线开关的系统，包括：

天线，在多个射频(RF)频带上工作；

用于发送的装置，用于将第一信号发送到所述天线；以及

用于接收的装置，用于接收来自所述天线的第二信号，其中，当所述用于接收的装置工作时，所述用于接收的装置形成滤波器，以及其中，当所述用于发送的装置工作时，所述用于接收的装置形成谐振电路。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述用于发送的装置包括以不同频率工作的多个发送(TX)信号路径，以及其中，所述用于接收的装置包括以不同频率工作的多个接收(RX)信号路径。

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