CN101199119B - 模块化转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转换装置以及制造这种装置的方法，其中，第一和第二串并二极管结构(D1/D2、D3/D4)以镜像配置相互连接，以便得到基本转换单元。可以将此基本转换单元用于构成SPDT开关，可以将其又用于构成DPDT开关或具有更高复杂度的开关。由此，可以使用模块化的附加优点来实现高隔离和低功耗。

Description

模块化转换装置

技术领域

本发明涉及一种转换装置，具体涉及二极管开关，用于选择性地在第一预定数量的输入端和第二预定数量的输出端之间转换。

背景技术

转换装置是用于诸如微波应用或其他高频应用的收发机系统的关键部件。这种转换装置的普通应用是无线系统中的发射/接收开关，可以用于在接收模式下转换天线到低噪声放大器(LNA)的连接，以及在发射模式下转换天线到功率放大器(PA)的连接。这种开关称为单刀双掷(SPDT)开关。

其他应用可能需要具有两个输入和两个输出的开关，这种情况下称为双刀双掷(DPDT)开关。例如，在消费性卫星通信系统中，可以在接收机输入端处接收两种极性，即垂直极性和水平极性。为了提供卫星接收机的观看和记录能力，需要两个下变频器，一个提供针对观看功能的极化和波段选择，而第二个提供针对记录功能的极化和波段选择。通过将DPDT开关用作两个天线和两个下变频器之间的接口，可以提供转换功能。

已公知DPDT开关作为转换开关，并且可用于覆盖了10MHz到2GHz的UHF/VHF(超高频/甚高频)波段，以及覆盖了10MHz到20GHz的微波波段，以及更高波段。

图1示出了DPDT开关的4个可能的转换状态A到D，以及可能的实现的方框图。应注意的是，在第二输入端未连接时，转换状态C和D将单一输入转换成两个输出。图1右边的方框图示出了作为SPDT开关11、12的并行组合的DPDT10开关。可以基于提供给DPDT开关的相应控制端的控制电压，来选择转换状态A到D。

许多微波开关在其应用中使用PIN二极管。可以将正向偏置的PIN二极管看成电流控制的电阻器，其中，电阻由于本征区域(I)中的载流子密度增大随着正向电流的增大而减小。可以将反向偏置PIN二极管看成电压控制的电容器，其中，电容由于本征区域(I)的宽度增大随着反向电压的增大而减少。

R.Tayrani等人在“Broad-Band SiGe MMICs for Phased-Array RadarApplications”，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，38(9)：1462-1470页，2003年9月中描述了可用于主流IC(集成电路)技术的标准二极管(无本征区域的PN二极管)的使用，代替PIN二极管。具体地，描述了具有PN二极管的SPDT开关。

图2示出了在上述现有技术中所描述的SPDT开关的示意性电路图，其中，连接到第二端口P2和第三端口P3的两个分支中的每一个都在每个路径中具有串联二极管D1、D3和并联二极管(shunt diodes)D2、D4。这种包括串联二极管和并联二极管的二极管结构称为串并二极管结构。如果第一端口P1连接到第二端口P2，那么以给定的DC电流值使得串联二极管D1正向偏置，并且并联二极管D2处于反向偏置，这建立了与信号路径并联的低寄生电容。同时，将处于第三端口P3的分支中的串联二极管D3设置为反向偏置，并且以DC电流使得并联二极管D4偏置，从而将第三端口P3有效地短路至地。与单一路径中只有单一串联二极管的情况相比，这种电路改善了开关的隔离。通过施加偏压电压Vb1到Vb3，可以实现二极管的偏置。

应注意的是，图2中的电路图是基于采用指示为矩形块或t形块的微带线或带状线部分的微带线或带状线技术。在图2中所示的电阻器R1到R3是三角波形式。与其相反地，在下列图形中将电阻器指示为矩形块。

因此，PN二极管与传输线串联或并联。可以通过对串联二极管或进行反向偏置或对并联二极管进行正向偏置来实现隔离。并联二极管提供了用于实现宽带且相对频率独立隔离的最有效的装置。理想情况下频率独立，但实际上小寄生电容通常会影响宽带的性能。此外，还通过对串联二极管进行反向偏置来实现隔离。串联二极管的隔离随着频率的增加而减小。经常将模块化串并二极管配置或结构应用于多掷宽带开关，以便通过简单结构来实现相对高的隔离。

然而，上述传统的转换装置的缺点在于其需要0V、3.8V以及-6.8V负值的控制电压。此外，对于特定应用，所实现的隔离可能不够好，并且观察到诸如2mA的相对高的电流消耗。

此外，另外的缺点存在于以下事实中：不能将图2中的SPDT开关用作用于构成诸如图1中所示的DPDT开关的较高阶开关的模块化开关。因此，原因是将图2中的SPDT开关的未使用的输入端并联或短路到地，以便如上面所讨论的那样改善隔离。然而，这并不适合上述图1中的转换状态A和B。

发明内容

因此，本发明的目的是提供具有模块化转换单元结构的改进的转换装置，可以将该模块化转换单元结构用于构成SPDT、DPDT和更高阶的开关。

通过权利要求1中所请求保护的转换装置和权利要求10中所请求保护的制造方法，来实现本发明的目的。

因此，建议了一种基于新模块化开关构件或转换单元的转换装置，该模块化开关构件或转换单元具有按照镜像配置的两个串并二极管结构。可以将模块化构件或转换单元用于产生不同的开关配置，诸如SPDT、DPDT和其他更复杂的开关。可以使用标准二极管(PN二极管)来构成所建议的转换装置，并提供改进的隔离、降低的功耗、以及采用低电压数字信号的控制。

由于第一和第二串并二极管结构的镜像配置，施加到第一和第二控制端的控制电压具有相互反相的关系，并因此可以提供反相器，用于使得提供给第一和第二控制端之一的控制电压反相，并且向第一和第二受控端的另一个提供反相控制电压。由此，只需要产生一种类型的控制电压，而另一个值可以通过公知的反相电路(诸如可运算放大器或逻辑反相器电路)得到。

极化装置可以包括：第一电阻器，连接在输入端和第一控制端之间；以及第二电阻器，连接在输出端和第二控制端之间。这用于基于所施加的控制电压来使得输入和输出节点极化。

转换装置包括在第一控制端和第二控制端处相互连接的第一对转换单元，从而形成了二输入单输出开关或SPDT开关。

替代地，转换装置可以包括通过与第一对相同的方法相互连接的第二对转换单元，其中，第一和第二对在其对应的输入端处相互连接，从而形成二输入二输出的开关或DPDT开关。由此，可以将模块化转换单元用于按照模块方式来构成SPDT开关或DPDT开关。在不使用特定输出端的情况下，可以提供禁用装置，以便在所选转换单元的所有极化节点处施加预定电压。

针对更高阶开关，转换装置可以包括多对转换单元，转换单元对按照形成具有第一数量的输入和第二数量的输出的开关的形式相互连接。

转换装置可以是微波转换装置，并且第一和第二串并二极管结构可以包括PN二极管。此外，可以将该转换装置集成到单一芯片上。

附图说明

现在参考附图，并基于优选实施例，对本发明进行描述，在附图中：

图1示出了DPDT开关的不同转换状态以及方框图；

图2示出了传统的SPDT开关的示意性电路图；

图3示出了按照镜像配置的两个串并二极管结构的示意性电路图；

图4示出了图3中的镜像串并二极管的转换单元；

图5示出了根据第一优选实施例的模块化SPDT结构；

图6示出了根据第二优选实施例的模块化DPDT结构；

图7示出了根据第三优选实施例的SPDT单元的示意性电路图；以及

图8示出了根据第四优选实施例的模块化四输入二输出开关的示意性方框图。

具体实施方式

现在，基于模块化转换单元对优选实施例进行描述，该模块化转换单元使用串并二极管结构，以便保持良好的隔离，但避免了输入端与地之间的短路。

图3示出了所建议的转换单元结构的示意性电路图，该转换单元结构包括两个相互镜像的串并二极管结构，以便将短路节点或并联节点与输入端I和输出端O隔离。例如，如果输入端I通过第一串联二极管D1和第一并联二极管D2短路，则可以通过包括第二串联二极管D4和第二并联二极管D3的第二串并二极管结构来隔离输出端，可以通过适当的控制电压或极化电压Vp2将二者设置为反向偏置状态，由此将输出端O与输入端I的状态隔离。可以通过任意其他电压或极化电压Vp1来控制输入状态。

因此，为了控制图3中的转换单元，必须施加数字信号(例如0V或3.3V)。可以单独使用图3中的每个串并二极管结构，以便打开或接通基本结构。如果两个分别包括二极管D1、D2和D3、D4的串并二极管结构采用一个控制电压而独立地使用，则可以使用反相器。由此，可以将控制电压Vc施加到控制输入节点，而将反向控制电压Vc施加到其他控制节点。

图4示出了具有反相控制电压的所建议的转换单元的示意性电路图。在图4中，两个串并二极管结构D1/D2和D3/D4在中间并联节点S处相互连接，中间并联节点S可以通过第一串联二极管D1与输入端I隔离，以及通过第二串联二极管D4与输入端O隔离。此外，通过对应的极化电阻器Rp将输入和输出节点I、O连接到控制电压Vc和反相控制电压Vc的对应之一，对输入和输出节点I、O进行极化(polarized)。用于产生反相控制电压Vc的反相器或反相电路在图4中未示出，并且可以是任意适当的模拟或数字转换器电路。如果对应的串联二极管D1或D4处于不导电状态，则极化电阻器Rp用于定义输入端I和输出端O处的逻辑状态。选择串联电阻器R的值，以便对于二极管得到预定的极化电流，例如可以是500μA。可以选择这个值作为由于二极管串联电阻的损耗以及由于极化电阻器Rp的损耗之间的折衷。

图5示出了通过在其输出端O处以及在其控制端处将图4的两个转换单元连接到一起而得到的模块化SPDT开关的示例，其中将控制电压Vc施加到其控制端。由此，通过施加具有适当逻辑值的控制电压Vc，可以选择性地将两个输入端I1和I2转换成单一输出端O。这个新的SPDT开关概念导致比图2中所示的传统SPDT开关的隔离好大约17dB的改进的隔离。此外，根据本发明所建议的SPDT只需要控制电压Vc的一个电压值(例如3.3V)。不使用负电压值。图5中的SPDT开关的电流消耗大约为传统开关的电流消耗的至少一半，例如大约1mA。作为附加优点，SPDT开关的大小可以减少到：具有匹配网络时大约为400μm×400μm，以及无匹配网络时为200μm×250μm。

图6示出了根据第二优选实施例的模块化DPDT结构，在其中图4中的四个转换单元或图5中的两个SPDT开关相互连接。具体地，通过在其输入端I1和I2处连接两个SPDT来得到DPDT开关，由此得到具有两个输入端I1、I2以及两个输出端O1、O2的DPDT结构。在此DPDT结构中，提供了四个并联节点S1到S4，可以选择性地将其与对应的输入端和输出端隔离。此外，通过对应的控制电压Vc1、Vc2以及其反相电压Vc₁、Vc₂来控制输入节点I1、I2和输出节点O1、O2之间的选择性转换。

可以示出，这个模块化DPDT开关的插入损耗实质上与图5中的SPDT开关的插入损耗相同。这证实了图4中的转换单元的模块化功率。此时，只添加另一个SPDT开关，就可以将SPDT开关转换成DPDT开关。在图1的转换状态C中，与转换状态A相比，其插入损耗增加大约3dB。这是由一个输入端和两个输出端的情况下的功率划分原理产生的，其中将功率分成两部分。根据优选实施例的模块化转换装置的主要优点是通过图4中的转换单元来实现该模块化。

在需要具有输入和输出任意组合的更复杂的开关情况下，可以很容易实现禁用功能(disable functionality)。这个功能是将所有的DC极化节点置于相同电压的逻辑功能或装置。由此，由于任意输出端可以连接到或不连接到输入端的事实，可以构造具有不同配置的开关。在开关具有两个输入端和五个输出端的情况下，三个输出端连接到第一输入端，而一个输出端可以连接到第二输入端，最后一个输出端可以被禁用，即通过使用禁用功能来断开。

图7示出了根据第三优选实施例的SPDT单元的示意性电路图，以及作为构造更复杂方案的构件20的相应表示。与图5的SPDT单元相反，将反相控制端组合为单一控制端，将极化电压Vp施加到该控制端。此外，第三极化电阻器Rp3已经被移除。此时，如果将要禁用此SPDT单元20，则禁用功能只起到将相同的电压Vc和Vp施加到SPDT单元20的控制端的作用。作为示例，禁用功能可以通过旁路(bypass)反相功能来简单地实现，该反相功能从非反相电压Vc产生反相电压Vp。

图8示出了通过组合图7中的四个SPDT单元来实现的四输入二输出开关的示意性方框图。从图8可以获悉，这个电路是通过将两个对应的SPDT单元20-1/20-3和20-2/20-4在其对应输入端I1/I2和I3/I4连接来实现的，由此得到对应的DPDT结构，该DPDT结构在其输出端O1和O2处并联，以便由此得到具有四个输入端I1到I4和两个输出端O1和O2的转换装置或转换结构，其中可以通过控制电压Vc1到Vc4以及Vp1到Vp4来控制转换状态。

应注意的是，本发明并不局限于上述优选实施例，而可以被应用于获得具有第一预定数量的输入和第二预定数量的输出的任意转换装置作为模块化配置。并且，优选实施例中的二极管可以由表现出电子管行为(valvebehaviour)的任意类型的电子器件或半导体器件代替。具体地，二极管可以由晶体管元件或其他半导体开关代替。极化电阻器可以由诸如电感器等的任意其他极化元件或装置代替。

所描述的优选实施例可以实现为在电路板上提供的电子电路，或在单一芯片上提供的集成电路。在后者情况下，根据上述优选实施例的开关可以通过以下步骤来制造或设计：

1.针对仅一个输出建立一个结构或模板，以便得到模块化转换单元；

2.针对所需要的多个输出复制该结构；以及

3.放置DC输出极化节点，以便控制所得到的模块化转换装置的转换行为或转换状态。

作为根据优选实施例所建议的转换装置的微波应用的示例，可以通过使用诸如QUBiC4G工艺来执行上述制造或设计过程，QUBiC4G处理是针对RF IC(射频集成电路)技术的一种先进的BiCMOS(双极互补金属氧化物半导体)工艺。这使得无源部件被集成到芯片上，从而大大降低了材料清单以及所需要的外围元件数量。这也为宽范围的模拟和混合信号的IP块提供了低功耗。因此，QUBiC4G(SiGe)为先进RF应用提供了增强的性能。作为替代，可以将RF COMS、GaAs(砷化镓)和双极技术用于实现所建议的转换装置，其中，由于模块化处理，改进的制造或设计过程导致了更有效的制造。

总之，本发明涉及诸如转换装置以及制造这种装置的方法，其中，第一和第二串并二极管结构按照镜像配置相互连接，从而得到基本转换单元。这种基本转换单元可以用于SPDT开关，这种基本转换单元又可以用于构造DPDT开关或更高复杂度的开关。由此，可以使用模块化的附加优点来实现高隔离和低功耗。采用低数字控制电压，可以将转换装置用于需要高隔离的诸如卫星电视接收的微波应用，或诸如蜂窝收发机的其他应用。

还应注意的是，上面所提到的实施例说明而非限制本发明，并且在不偏离从属权利要求中所限定的本发明的范围的前提下，本领域的技术人员将能够设计许多替代的实施例。在权利要求中，括号之间的任何附图标记不应构成为限制本发明。总的来说，词“包括”以及相似的词不排除权利要求或说明书中的那些要素或步骤之外的要素或步骤的存在。单数提及的元件不排除多个这种元素的提及，反之亦然。如果彼此不同的从属权利要求中列出了某些措施，这并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (9)

1.一种转换装置，包括至少一个模块化转换单元，所述模块化转换单元包括：

-第一串并二极管结构，具有在所述转换单元的输入端处提供的第一串联二极管装置(D1)，以及连接在中间节点(S)和第一控制端之间的第一并联二极管装置(D2)，所述第一控制端用于控制所述第一并联二极管装置(D2)的转换状态；

-第二串并二极管结构，具有在所述转换单元的输出端处提供的第二串联二极管装置(D4)，以及连接在中间节点(S)和第二控制端之间的第二并联二极管装置(D3)，所述第二控制端用于控制所述第二并联二极管装置(D3)的转换状态；以及

-极化装置(Rp)，连接在所述输入端和输出端之一与所述第一和第二控制端的至少之一之间，其中，所述极化装置包括连接在所述输入端和所述第一控制端之间的第一电阻器(Rp)以及连接在所述输出端和所述第二控制端之间的第二电阻器(Rp)，其中，术语“连接”表示连接的两端中除了具有第一电阻器(Rp)或第二电阻器(Rp)以外，不允许其间包括其它元件。

2.如权利要求1所述的转换装置，还包括反相装置，用于使提供给所述第一和第二控制端之一的控制电压(Vc)反相，以及用于向所述第一和第二控制端的另一个提供反相控制电压

3.如权利要求1所述的转换装置，其中，所述转换装置包括在所述第一控制端和输出端处相互连接的所述转换单元的第一对，从而形成二输入单输出的开关(20)。

4.如权利要求3所述的转换装置，其中，所述转换装置包括按照与所述第一对相同的方式相互连接的所述转换单元的第二对，其中，所述第一和第二对在其对应输入端处相互连接，从而形成二输入二输出的开关。

5.如权利要求3所述的转换装置，其中，所述转换装置包括按照形成具有第一数量的输入和第二数量的输出的开关的方式来相互连接的多对所述转换单元。

6.如权利要求3所述的转换装置，还包括禁用装置，用于将预定电压施加到所选转换单元的所有极化节点处，以便禁用所述所选转换单元的输出端。

7.如权利要求1所述的转换装置，其中，所述转换装置是微波转换装置，并且所述第一和第二串并二极管结构包括PN二极管。

8.如权利要求1所述的转换装置，其中，所述转换装置被集成到单一芯片上。

9.一种制造如权利要求3中所述的转换装置的方法，包括以下步骤：

-针对一个输出建立所述转换单元的所述第一对；

-针对所需要的多个输出复制所述第一对；以及

-放置输出端极化节点。

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