CN101702627A - 一种基于绝缘体上硅工艺的cmos射频开关 - Google Patents

一种基于绝缘体上硅工艺的cmos射频开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于绝缘体上硅工艺的CMOS射频开关，其电路设计采用两级式关闭隔离结构及两级式电流泻放路径结构，利用绝缘体上硅工艺器件的高阻衬底及隐埋氧化层，显著降低串扰和最小化寄生电容，更好地屏蔽衬底噪声，在开关两端得到理想的插入损耗和隔离度性能，抑制非线性效应，减少谐波失真。其具有的电路结构，降低串联晶体管的沟道电阻，减小插入损耗，并进一步提高发射端及接收端的关闭性能，提高隔离度以及将各次谐波量良好接地，改善衬底谐波电流，抑制谐波分量。

Description

一种基于绝缘体上硅工艺的CMOS射频开关
技术领域
本发明涉及集成电路设计及信号处理技术领域，特别是一种基于绝缘体上硅工艺的互补金属氧化物半导体(CMOS)射频开关。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，目前射频(Radio-Frequency，RF)应用领域的主要工艺技术包括砷化镓(GaAs)，锗化硅(SiGe)BiCMOS及传统体硅CMOS技术，GaAs技术由于昂贵的应用成本导致市场领域有限，SiGe BiCMOS技术和传统体硅CMOS技术则是市场的主流，其中传统体硅CMOS技术又以低成本、低功耗和便于工艺兼容等备受青睐。然而，传统体硅CMOS技术在噪声、特征频率方面的限制使之在高频、高性能射频应用中并不占优势。
传统体硅CMOS器件结构剖面图，如图2所示，器件的有源区直接位于衬底之上，无法实现全介质隔离，由此带来的寄生可控硅闩锁效应会使电路存在潜在失效危险，同时，由于特征尺寸缩小，电源电压降低导致的软失效问题会使电路的抗干扰能力下降，可靠性降低。
传统体硅CMOS器件之间的隔离区所占芯片面积会随着器件尺寸的减小而增大，由此带来更多寄生电容，不利于提高集成密度及电路速度。同时，由于器件尺寸缩小带来的各种多维非线性效应会变得更加明显，严重影响电路性能。
射频开关是射频接收机前端的关键模块，其电路拓扑图如图3所示，射频开关位于天线与收路的低噪声放大器(Low-Noise Amplifier，LNA)和发路的功率放大器(Power-Amplifier，PA)之间，对系统性能具有决定性的影响，其三个主要性能参数是：插入损耗(Insertion Loss)，隔离度(Isolation)和谐波失真(Harmonic Distortion)。
传统体硅CMOS射频开关由于工艺技术的局限性，导致无法实现高阻衬底，同时也无法降低寄生电容量，并很好地控制衬底噪声。开关插入损耗与器件导通电阻及寄生电容直接相关，故不能在传统体硅工艺上大幅降低射频开关插入损耗。隔离度与器件两端寄生电容量密切相关，传统体硅工艺的高寄生电容及易馈通的衬底均会对隔离度性能产生恶劣影响。多次谐波量也以衬底噪声形式出现，恶化射频开关的谐波失真指标。
发明内容
本发明的目的是推出一种基于绝缘体上硅工艺的CMOS射频开关，该开关充分利用了绝缘体上硅工艺技术的特点，并且在电路设计中采用两级式结构，具有低插入损耗、高隔离度和低谐波失真的优点。
本发明的目的是这样实现的：
本发明采用的绝缘体上硅CMOS器件结构为：如图1所示，在绝缘衬底(硅衬底)上生长一层单晶硅薄膜，器件就制造在表层很薄的这层硅膜中，器件与衬底之间由一层隐埋氧化层隔开。以P管为例，通过光刻，氧化，淀积和离子注入等工艺手段，在硅膜中形成P型源漏区，N型沟道区及N型沟道区上方的栅氧和多晶硅栅。两个P管之间通过场区氧化层隔开。
一种基于绝缘体上硅工艺的CMOS射频开关，含ANT端、PA端、LNA端、CT1端、CT2端和地线，其中ANT端为天线发射端，PA端为射频信号输出端，LNA端为射频信号输入端，CT1端、CT2端均为模式控制端，其特征在于，该基于绝缘体上硅工艺的CMOS射频开关还含第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8，其中第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8均为基于绝缘体上硅工艺的NMOS管。
一种基于绝缘体上硅工艺的CMOS射频开关的电路连接，第一MOS管M1的栅极与第一电阻R1连接，第二MOS管M2的栅极与第二电阻R2连接，第三MOS管M3的栅极与第三电阻R3连接，第四MOS管M4的栅极与第四电阻R4连接，第五MOS管M5的栅极与第五电阻R5连接，第六MOS管M6的栅极与第六电阻R6连接，第七MOS管M7的栅极与第七电阻R7连接，第八MOS管M8的栅极与第八电阻R8连接，第一电阻R1、第四电阻R4、第五电阻R5、第八电阻R8连接在一起后与CT1端连接，第二电阻R2、第三电阻R3、第六电阻R6、第七电阻R7连接在一起后与CT2端连接，第一MOS管M1的漏极与第二MOS管M2的漏极连接在一起后与ANT端连接，第一MOS管M1的源极、第三MOS管M3的漏极与第五MOS管M5的漏极连接在一起，第二MOS管M2的源极、第四MOS管M4的漏极与第六MOS管M6的漏极连接在一起，第五MOS管M5的源极、第七MOS管M7的漏极和PA端连接在一起，第六MOS管M6的源极、第八MOS管M8管的漏极和LNA端连接在一起，第三MOS管M3、第四MOS管M4、第七MOS管M7、第八MOS管M8的源极与地线连接。
本发明所采用的绝缘体上硅工艺技术(绝缘体硅CMOS器件结构)特别适宜于射频开关应用，因为它所特有的高阻衬底及隐埋氧化层可以显著地降低串扰和最小化寄生电容，更好地屏蔽衬底噪声，从而在开关两端得到更好的插入损耗和隔离度性能，同时，绝缘体上硅工艺技术具有的特殊结构可以抑制非线性效应，减少谐波失真。
本发明能够通过基于绝缘体上硅CMOS工艺的简单电路结构实现高性能的射频开关，并对该射频开关进行可控单刀双掷(Single-Pole-Double-Throw，SPDT)切换。与传统的体硅CMOS射频开关相比，本发明的优点在于：现以采用0.18μm的绝缘体上硅CMOS工艺制造的射频开关为例说明之。
(1)、本发明由于采用绝缘体上硅CMOS工艺，并且在电路设计中采用两级式结构，恰当选择主开关管器件尺寸，降低串联晶体管的沟道电阻，从而具有插入损耗低的优点；
本发明具有极低的插入损耗，其插入损耗在关注频率2.4GHz处为-1dB，而传统的体硅CMOS射频开关的典型值为1～2dB，插入损耗改善最高可达3dB。
(2)、本发明由于采用绝缘体上硅CMOS工艺，并且在电路设计中采用两级式关闭隔离结构，进一步提高发射端及接收端的关闭性能，具有隔离度高的优点；
本发明具有较高的端口隔离度，本发明的双向隔离度在关注频率2.4GHz处为40dB，而传统的体硅CMOS射频开关的典型值为20～30dB左右。
(3)、本发明由于采用绝缘体上硅CMOS工艺，并且在电路设计中采用两级式电流泻放路径结构，可将各次谐波量良好接地，具有谐波失真小的优点。
本发明基于绝缘体上硅工艺衬底的特殊结构，并且在电路结构设计上达到充分泻放的效果，可以改善衬底谐波电流，特别是对二次谐波进行抑制，从而谐波失真改善50％以上。
附图说明
图1为本发明绝缘体硅CMOS工艺器件截面图
图2为传统绝缘体硅CMOS工艺器件截面图
图3为本发明的电路拓扑图
图4为本发明的电路图
图5为本发明的插入损耗特性曲线图
图6为本发明的隔离度特性曲线图
具体实施方式
本发明的技术方案就是具体的实施例，这里就不再赘述实施例。下面详尽介绍本发明的工作过程。
参阅图4，当CT1端为高电平，CT2端为低电平时，本发明的射频开关处于发射模式。由于第一MOS管M1及第五MOS管M5的栅极电压为正，第三MOS管M3及第七MOS管M7的栅极电压为负，所以第一MOS管M1及第五MOS管M5导通，第三MOS管M3及第七MOS管M7截止，从PA端来的功率放大器输出信号可以传导到天线ANT端；由于第二MOS管M2及第六MOS管M6的栅极电压为负，第四MOS管M4及第八MOS管M8的栅极电压为正，所以第二MOS管M2及第六MOS管M6截止，第四MOS管M4及第八MOS管M8导通，天线ANT端到低噪声放大器路径关闭，且导通的第四MOS管M4及第八MOS管M8提供了到地的电流泻放路径。
当CT1端为低电平，CT2端为高电平时，本发明的射频开关处于接收模式。由于第一MOS管M1及第五MOS管M5的栅极电压为负，第三MOS管M3及第七MOS管M7的栅极电压为正，所以第一MOS管M1及第五MOS管M5截止，第三MOS管M3及第七MOS管M7导通，从PA端到天线ANT端关闭；由于第二MOS管M2及第六MOS管M6的栅极电压为正，第四MOS管M4及第八MOS管M8的栅极电压为负，所以第二MOS管M2及第六MOS管M6导通，第四MOS管M4及第八MOS管M8截止，天线ANT端来的微小射频信号传送至低噪声放大器LNA的输入端，且导通的第三MOS管M3及第七MOS管M7提供了到地的电流泻放路径。
由于插入损耗主要由串联晶体管的沟道电阻决定，在给定频率下，适当增加选择主开关管第一MOS管M1、第二MOS管M2、第五MOS管M5、第六MOS管M6的尺寸，可以减小沟道电阻，但是过高的开关管面积会增加寄生电容，增加衬底耦合并降低隔离度。综合插入损耗和隔离度的折中考虑，仿真得到最合适的第一MOS管M1、第二MOS管M2、第五MOS管M5、第六MOS管M6的尺寸分别为400μm/0.25μm、400μm/0.25μm、160μm/0.25μm、160μm/0.25μm。
第一电阻R1到第八电阻R8均为栅电阻，它们的作用是提高输入级线性度，阻值均为6kohm。
参阅图5、图6，为本发明仿真得到的插入损耗及隔离度曲线图，从图中可以看到，在关心的2.4GHz频率处，本发明的基于绝缘体上硅工艺的CMOS射频开关分别具有-1dB的插入损耗及-40dB的隔离度。
本发明基于的绝缘体上硅工艺具体数据如表1所示：
表1
  规格   参数及定义
  耗尽方式   部分耗尽(PD-SOI)
  晶向   <100>
  特征尺寸   0.18μm
  硅层厚度   145nm
  埋氧层厚度   1000nm
  衬底电阻率   1Kohm.cm
  顶层金属厚度   4μm
本发明的射频开关适于2.4GHz WLAN b/g及Bluetooth协议接收机前端应用。

Claims (1)

1.一种基于绝缘体上硅工艺的CMOS射频开关，含ANT端、PA端、LNA端、CT1端、CT2端和地线，其中ANT端为天线发射端，PA端为射频信号输出端，LNA端为射频信号输入端，CT1端、CT2端均为模式控制端，其特征在于，该基于绝缘体上硅工艺的CMOS射频开关还含第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7及第八电阻R8，其中第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8均为基于绝缘体上硅工艺的NMOS管；其具体连接方式为：第一MOS管M1的栅极与第一电阻R1的一端连接，第二MOS管M2的栅极与第二电阻R2的一端连接，第三MOS管M3的栅极与第三电阻R3的一端连接，第四MOS管M4的栅极与第四电阻R4的一端连接，第五MOS管M5的栅极与第五电阻R5的一端连接，第六MOS管M6的栅极与第六电阻R6的一端连接，第七MOS管M7的栅极与第七电阻R7的一端连接，第八MOS管M8的栅极与第八电阻R8的一端连接；第一电阻R1、第四电阻R4、第五电阻R5及第八电阻R8的另一端连接在一起后与CT1端连接；第二电阻R2、第三电阻R3、第六电阻R6及第七电阻R7的另一端连接在一起后与CT2端连接；第一MOS管M1的漏极与第二MOS管M2的漏极连接在一起后与ANT端连接；第一MOS管M1的源极、第三MOS管M3的漏极与第五MOS管M5的漏极连接在一起；第二MOS管M2的源极、第四MOS管M4的漏极与第六MOS管M6的漏极连接在一起；第五MOS管M5的源极、第七MOS管M7的漏极和PA端连接在一起；第六MOS管M6的源极、第八MOS管M8管的漏极和LNA端连接在一起；第三MOS管M3、第四MOS管M4、第七MOS管M7及第八MOS管M8的源极与地线连接。
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