CN102208286A

CN102208286A - 高功率可调电容器

Info

Publication number: CN102208286A
Application number: CN201010574347.9A
Authority: CN
Inventors: 李彰浩; 尹永昌; 安敏植; 金炯旭; 乔伊·拉斯卡尔
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd; Georgia Tech Research Corp
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd; Georgia Tech Research Corp
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2030-11-29
Also published as: CN102208286B; US8288895B2; KR101113492B1; US20110127849A1; KR20110059516A

Abstract

根据发明的示例性实施例，本发明提供一种高功率可调电容器。可调电容器装置可包括第一电容器、第二电容器、第三电容器以及至少一个开关晶体管，其中，所述第一电容器、第二电容器和第三电容器串联，第二电容器被放置在第一电容器和第三电容器之间；所述至少一个开关晶体管与第二电容器并联。

Description

高功率可调电容器

技术领域

发明的实施例通常涉及一种用于通信系统的可调电容器。

背景技术

随着更有效的通信系统已被开发，许多具有不同工作频率和调制方法的通信标准已被采用。由于各种标准蕴涵多种独立信号路径的并联组合，因此多标准增加了电路的尺寸和成本。如果可重构电路设计是可能的，则并联电路的成本和尺寸可借助于那些电路而减小。因此，近来，自适应射频(RF)电路的设计已得到充分地研究。

RF电路可被代表性地分类为接收器和发送器两个部件。在两者中，虽然发送器路径还未被实现，但是接收器路径已被成功可调谐性实现。由于大信号操作需要可调的电容器或电感器，且所述可调的电容器或电感器应该保持它们的性能达到高功率，因此发送器路径尤其是功率放大器的实现具有挑战性。如果这些用于高功率应用的可调组件是可用的，则可显著提高发送器尤其是功率放大器的性能。

发明内容

发明的实施例可提供一种高功率可调电容器，所述高功率可调电容器可包括一系列电容器和与电容器中的内部一个并联的至少一个开关晶体管。在通态情况下，由可调电容器提供的电容值可通过不与所述至少一个开关晶体管并联的剩余电容器的串联组合来限定。另一方面，在闭态情况下，与至少一个开关晶体管并联的一个或多个电容器可提供中间电容，其中，所述中间电容是至少一个开关晶体管的寄生电容和与至少一个开关晶体管并联的一个或多个电容器的并联组合。因此，由可调电容器在闭态提供的电容值可以是中间电容和不与至少一个开关晶体管并联的剩余电容器的串联组合。因此，可调电容器的闭态电容值可通过中间电容调整。

将被理解的是，在开关晶体管的每个节点/端点的大电阻器可被用于确保DC偏置和保证电压摆幅。合适的DC偏置点可使围绕截止开关晶体管的允许的电压摆幅最大化，以避免不想要的操作。通过使用这种结构，发明的实施例可增加可调电容器的功率性能。根据发明的示例性实施例，功率性能还可通过堆叠多个开关晶体管来增加。

根据发明的示例性实施例，存在可调电容器装置。所述可调电容器装置可包括第一电容器、第二电容器、第三电容器和至少一个开关晶体管，其中，所述第一电容器、第二电容器和第三电容器串联，第二电容器被放置在第一电容器和第三电容器之间；所述至少一个开关晶体管与第二电容器并联。

根据发明的另一示例性实施例，存在另一可调电容器装置。所述可调电容器装置可包括：第一电容器、至少一个第二电容器、第三电容器和用于至少在第一状态和第二状态之间切换的装置，其中，所述第一电容器、至少一个第二电容器和第三电容器串联，所述至少一个第二电容器被放置在第一电容器和第三电容器之间；所述用于至少在第一状态和第二状态之间切换的装置用于至少在可调电容器装置的第一总电容值或第二总电容值之间切换，所述用于至少在第一状态和第二状态之间切换的装置与至少一个第二电容器并联。

附图说明

由于已以通常形式描述了本发明，因此现将描述附图，所述附图不必按比例绘制，其中：

图1是根据发明的实施例的可调电容器的示意电路图。

图2示出根据发明的示例性实施例的图1的示例性可调电容器的通态情况的示例性电路图。

图3示出根据发明的示例性实施例的图1的示例性可调电容器的闭态情况的示例性电路图。

图4示出根据发明的实施例的示出用于高功率操作的堆叠的开关晶体管的替代电路。

图5示出根据发明的实施例的在图4中示出的示例性可调电容器的通态电路图。

图6示出根据发明的实施例的在图4中示出的示例性可调电容器的闭态电路图。

具体实施方式

以下，将参照附图更为详细地描述发明的实施例，其中，只是示出了部分实施例，而非示出了所有的发明的实施例。实际上，这些发明可以以许多不同形式被实施，并不应该被理解为受这里阐述的实施例的限制；相反地，这些实施例被提供，以致本公开将满足可适用的法律要求。相同的参考标号始终表示相同的组件。

发明的实施例可提供高功率可调电容器，所述可调电容器可包括一系列电容器和与电容器中的内部一个并联的至少一个开关晶体管。在通态情况下，由可调电容器提供的电容值可通过不与至少一个开关晶体管并联的剩余电容器的串联组合来限定。另一方面，在闭态情况下，与所述至少一个开关晶体管并联的一个或多个电容器可提供中间电容，其中，所述中间电容是至少一个开关晶体管的寄生电容和与至少一个开关晶体管并联的一个或多个电容器的并联组合。因此，由可调电容器在闭态中提供的电容值可以是中间电容和不与至少一个开关晶体管并联的剩余电容器的串联组合。通态的可调电容器的品质因素可至少部分基于所述至少一个开关晶体管的尺寸。将被理解的是，大电阻器可被利用在至少一个开关晶体管的每个节点/端点，以确保DC偏置和保证电压摆幅。另外，功率性能还可通过堆叠多个开关晶体管来增加。在发明的示例性实施例中，合适的DC偏置点可使围绕截止开关晶体管的允许的电压摆幅最大化，以避免不必要的操作。通过使用这种结构，发明的实施例可增加可调电容器的功率性能。在发明的示例性实施例中，这里描述的可调电容器可被用来诸如功率放大器的高功率应用。因此，根据发明的示例性实施例，这里描述的可调电容器可提供或能够进行RF电路的一个或多个多频带、多模式操作。

图1示出根据发明的示例性实施例的可调电容器的示例性电路图。如图1所示，所述可调电容器装置可包括串联的第一电容器(C1)102、第二电容器(C2)104和第三电容器(C3)106。将被理解的是，根据发明的示例性实施例，可存在多于这3个电容器102、104和106。例如，第二电容器(C2)104可实际上包括两个或更多个的单独的电容器，其中，所述单独的电容器可彼此串联或并联，并且具有与示出的第二电容器104的电容相同的电容。在图1中，第一电容器(C1)102的第一端可为可调电容器提供第一连接端口。第一电容器(C1)102的第二端可连接到第二电容器(C2)104的第一端。第二电容器(C2)104的第二端可连接到第三电容器(C3)106的第一端。第三电容器(C3)106的第二端可为可调电容器提供第二连接端口。

仍参照图1，可调电容器还可包括具有多个端的至少一个开关晶体管107。所述开关晶体管107可以是场效应晶体管(FET)或另一类型的晶体管。当所述开关晶体管107是FET时，开关晶体管107可包括栅极端、漏极端、源极端以及体端。栅极端可通过偏置电阻器112连接到DC偏置源V_G。漏极端可通过偏置电阻器108连接到DC偏置源V_D。源极端可通过偏置电阻器114连接到DC偏置源V_S。体端可通过偏置电阻器110连接到DC偏置源V_B。将被理解的是，根据发明的示例性实施例，电阻器108、110、112、114的各自电阻可相对地大，以确保DC偏置和保证电压摆幅。

在图1中，将被理解的是，开关晶体管107的漏极端可连接到第一电容器(C1)102和第二电容器(C2)104之间的第一节点。另一方面，开关晶体管107的源极可连接到第二电容器(C2)104和第三电容器(C3)106之间的第二节点。根据发明的示例性实施例，第一电容器102、第二电容器104和第三电容器106可被集成在半导体基底上。同样地，根据发明的示例性实施例，开关晶体管107可也集成在半导体基底上。根据发明的实施例，可调电容器可使用标准的0.18um工艺来制作，但是在不脱离发明的实施例的情况下，其他工艺可被利用。

将被理解的是，可调电容器的第一连接端口和第二连接端口可允许可调电容器既被串联和并联使用，又在不同的信号路径中使用。根据发明的示例性实施例，这种用法的自由度可使可调电容器用在电路的各种位置。例如，示例性可调电容器可被用在单端功率放大器的匹配网络的串联或并联电容器中。另外，可调电容器还可用于变压器应用的失谐电容器。在发明的示例性实施例中，第一连接端口可接收输入(例如V_in)，第二连接端口可接地。

图2示出根据发明的示例性实施例的图1的示例性可调电容器的通态情况的示例性电路图。在通态情况期间，通过在DC偏置源V_D、V_B和V_S被设置为地(GND)的同时将DC偏置源V_G设置为电源电压VDD，开关晶体管107可导通。将被理解的是，偏置电阻器108、110、112和114的电阻R_SW可被设置为大值，以避免经过各自的电阻器的信号损耗。

如图2所示，当开关晶体管107导通时，开关晶体管107可提供通态电阻(R_ON)202。因此，当可调电容器处于通态情况时，可调电容器的总电容值(C_ON)和品质因素(Q_ON)如下所示：

和

将被理解的是，通态电阻(R_ON)202可被设置为小于特定值，以确保最小的期望的通态品质因素(Q_ON)值。由于通态电阻(R_ON)202可与开关晶体管107的宽度成反比，因此开关晶体管107可具有宽度最小的尺寸，以确保最小的期望的通态品质因素(Q_ON)值。在发明的示例性实施例中，当开关晶体管107导通时，横跨开关晶体管107的电压摆幅可非常小，从而通态操作未对可调电容器的功率处理能力产生影响。

图3示出根据发明的示例性实施例的图1的示例性可调电容器的闭态情况的示例性电路图。在闭态情况期间，通过在DC偏置源V_D、V_S被设置为电源电压VDD的同时将DC偏置源V_B和V_G设置为地(GND)，开关晶体管107可截止。将被理解的是，偏置电阻器108、110、112和114的电阻R_SW可被设置为大的值，以避免经过各自的电阻器的信号损耗。

如图3所示，当开关晶体管截止时，开关晶体管107可提供多个寄生电容302、304、306和308。特别是，晶体管107可提供栅极到漏极寄生电容(C_gd)302、栅极到源极寄生电容(C_gs)304、体到漏极寄生电容(C_bd)306和体到源极寄生电容(C_bs)308。如图3所示，寄生电容302、304(在栅极路径)可并联于寄生电容306、308(在体路径)。经过栅极路径(C_{par_g})和体路径(C_{par_b})的各自的寄生电容可被定义为：

和

因此，开关晶体管107在闭态情况下的等效电容可以是栅极路径寄生电容(C_{par_g})和体路径寄生电容(C_{par_b})的串联组合。因此，可调电容器在闭态的总电容(C_OFF)可被认为是第一电容器(C1)102、第三电容器(C3)106和第二电容器这3个电容器的串联，其中，

是第二电容器(C2)104和开关晶体管的寄生电容(C_{par_g}+C_{par_b})的并联组合，由

提供。因此，可调电容器在闭态的总电容(C_OFF)可如下导出：根据发明的示例性实施例，由于在有截止开关107的信号路径中可能没有很多的电阻组件，因此闭态可调电容器的品质因素与通态可调电容器相比可更高。将被理解的是，当开关晶体管107是截止时，用于非线性操作的电势具有当大的电压摆幅被施加到开关晶体管107时发生的电势。因此，当所施加的信号变得较大时，对保持开关晶体管107的闭态会是重要的。为了保持闭态，所施加的信号可均匀分布于开关晶体管107的端点，以允许开关晶体管107在不导通的情况下接收电压摆幅达到其极限。将被理解的是，均匀分布可通过使用如上面提到的大的电阻和合适的偏置来获得。另外，将被理解的是，开关晶体管107的源极端不是在于固定的电势(例如地)。因此，在可调晶体管的闭态情况期间，响应于在输入端(例如第一连接端口)的大的电压摆幅，由开关晶体管107的源极端历经的电压可增加，从而降低开关晶体管107将无意导通的可能性。

图4示出根据发明的实施例的用于高功率操作的堆叠开关晶体管的替代电路。更具体地，图1的开关晶体管107可被替代为堆叠结构的多个开关晶体管402a-n。如图4所示，堆叠结构可通过将开关晶体管402a的漏极端连接到在第一电容器(C1)102和第二电容器(C2)104之间的第一节点来获得。开关晶体管402a的源极端可连接到开关晶体管402b的漏极端。可以以源极到漏极的堆叠结构将晶体管402b的源极连接到另外的开关晶体管，直到到达最后的开关晶体管402n。开关晶体管402n的源极连接到在第二电容器(C2)104和第三电容器(C3)106之间的第二节点。各个堆叠的开关晶体管402a-n的各自的栅极端、漏极端、源极端和体端中的每个可通过各自的偏置电阻器连接到各自的DC偏置源V_G、V_D、V_S和V_B。将被理解的是，当施加到可调电容器的信号对于任何单个的开关晶体管而言太大时，堆叠晶体管402a-n可被利用。实际上，如果施加的信号对于单个开关晶体管太大，则可能无法实现期望的电容值，并且高功率输入信号可导致不必要的信号失真。因此，根据发明的示例性实施例，可通过堆叠开关晶体管402a-n来增加可调电容器的功率性能。

图5示出根据发明的实施例的在图4中示出的示例性可调电容器的通态电路图。在通态期间，堆叠晶体管402a-n的各自的端可如关于图2的类似描述来进行偏置。将被理解的是，除了如何定义总的通态电阻(R_ON)，可调电容器的通态电容值(C_ON)和品质因素(Q_ON)与图2的情况相同。在这种情况下，总的通态电阻(R_ON)是与每个开关晶体管402a-n的相应的各个通态电阻502a-n的R_{ON_1}……R_{ON_N}的所有的总和。对于与图1中相同的Q值，每个开关晶体管402a-n的宽度应与堆叠开关402a-n的数量成正比增加，以减小总的串联电阻。

图6示出根据发明的实施例的在图4中示出的示例性可调电容器的闭态电路图。在闭态期间，堆叠晶体管402a-n的各自的端可如关于图3的类似描述来进行偏置。在图6中，除了如何确定堆叠晶体管402a-n的寄生电容，可调电容器在闭态的总的电容(C_OFF)可与在图3中描述的类似。特别是，如上面对单个开关晶体管描述的类似，每个开关晶体管402a-n的寄生电容可由栅极路径寄生电容C_{par_g}(例如，602b+604b)和体路径寄生电容C_{par_b}(例如，606b+608b)的总和来提供。所有开关晶体管402a-n的总的寄生电容(C_{par_total})可基于每个开关晶体管402a-n的寄生电容的串联组合来确定。因此，可调电容器在闭态的总电容(C_OFF)可如下导出：

其中，

与图3比较，由于施加的信号可均匀分布于堆叠的晶体管402a-n，因此，堆叠的开关晶体管402a-n的使用可使得可调电容器操作达到较高的功率信号。

将被理解的是，这里所述的可调电容器可使用标准的0.18um工艺来制作，但是在不脱离发明的实施例的情况下，其他工艺可被利用。因此，这里所述的第一电容器、第二电容器和第三电容器可连同一个或多个开关晶体管一起被集成在半导体基底上。

还将理解的是，在发明的示例性实施例中，用于切换的其它装置可被用来代替使用FET实现的开关晶体管。实际上，这些用于切换的替代装置可在电阻和/或电容方面仅具有不同的通态和闭态特性。以这种方式，第一总电容可在通态被获得，这与第二总电容在闭态被获得不同。可被用来代替使用FET实现的开关晶体管的用于切换的示例装置包括使用双极结型晶体管(BJT)实现的开关晶体管和基于纳米技术的开关。在不脱离发明的示例性实施例的情况下，用于切换的装置可进行许多改变。

尽管已参照特定实施例描述了发明，但是本领域的普通技术人员将理解：在不脱离本发明范围的情况下，可进行各种改变和进行替代等同物。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行许多修正，以使特定情况或材料适应于本发明的教导。因此，这意味着本发明不受所公开的特定实施例的限制，而是本发明将包括落入权利要求范围内的所有实施例。

Claims

1.一种可调电容器装置，所述可调电容器装置包括：

第一电容器；

第二电容器；

第三电容器，其中，所述第一电容器、第二电容器和第三电容器串联，其中，第二电容器被放置在第一电容器和第三电容器之间；以及

至少一个开关晶体管，其中，所述至少一个开关晶体管与第二电容器并联。

2.如权利要求1所述的可调电容器装置，其中，所述至少一个开关晶体管的各个端通过各自的电阻器连接到各自的DC偏置源。

3.如权利要求1所述的可调电容器装置，其中，所述至少一个开关晶体管包括堆叠在一起的多个开关晶体管。

4.如权利要求3所述的可调电容器装置，其中，所述多个开关晶体管至少包括具有各自源极端和漏极端的第一开关晶体管和第二开关晶体管，其中，第一开关晶体管和第二开关晶体管通过将第一开关晶体管的源极端连接到第二开关晶体管的漏极端来进行堆叠。

5.如权利要求3所述的可调电容器装置，其中，所述多个开关晶体管的各自的端通过各自的电阻器连接到各自的DC偏置源。

6.如权利要求3所述的可调电容器装置，其中，所述多个开关晶体管被堆叠，以增加可调电容器装置的功率处理能力。

7.如权利要求6所述的可调电容器装置，其中，所述多个开关晶体管被堆叠，以至少减小第二电容器的电压压力。

8.如权利要求1所述的可调电容器装置，其中，所述第一电容器包括第一端和第二端，所述第三电容器包括第三端和第四端，其中，第一电容器的第一端提供第一连接端口，第一电容器的第二端连接到第二电容器，第三电容器的第三端连接到第二电容器，第三电容器的第四端提供第二连接端口。

9.如权利要求8所述的可调电容器装置，其中，所述第一连接端口接收施加的输入信号，并且，所述第二连接端口接地。

10.如权利要求1所述的可调电容器装置，其中，所述第一电容器、第二电容器和第三电容器被集成在半导体基底上。

11.如权利要求9所述的可调电容器装置，其中，所述至少一个开关晶体管还被集成在半导体基底上。

12.如权利要求1所述的可调电容器装置，

其中，所述至少一个开关晶体管包括一个或多个栅极端、一个或多个漏极端、一个或多个源极端和一个或多个体端；

其中，在通态期间，所述一个或多个栅极端通过各自的偏置电阻器连接到DC电源电压VDD，所述一个或多个漏极端、所述一个或多个源极端和所述一个或多个体端接地；以及

其中，在闭态期间，所述一个或多个漏极端和所述一个或多个漏极端通过各自的偏置电阻器连接到DC电源电压VDD，所述一个或多个栅极端和所述一个或多个体端连接到地。

13.如权利要求12所述的可调电容器装置，其中，所述至少一个开关晶体管包括至少一个场效应晶体管(FET)。

14.如权利要求1所述的可调电容器装置，

其中，在通态期间，所述可调电容器装置提供只由第一电容器和第三电容器的串联组合所定义的第一总电容，以及

其中，在闭态期间，所述可调电容器提供由第一电容器、第三电容器和等效电容的串联组合所定义的第二总电容，其中，所述等效电容是第二电容器和所述至少一个开关晶体管的寄生电容的并联组合。

15.如权利要求14所述的可调电容器装置，其中，所述至少一个开关晶体管的寄生电容包括至少一个栅极路径寄生电容和至少一个体路径寄生电容的组合。

16.一种可调电容器装置，所述可调电容器装置包括：

第一电容器；

至少一个第二电容器；

第三电容器，其中，所述第一电容器、至少一个第二电容器和第三电容器串联，其中，所述至少一个第二电容器被放置在第一电容器和第三电容器之间；以及

用于至少在第一状态和第二状态之间切换的装置，以至少在可调电容器装置的第一总电容值或第二总电容值之间切换，其中，所述用于至少在第一状态和第二状态之间切换的装置与所述至少一个第二电容器并联。

17.如权利要求16所述的可调电容器装置，其中，所述第一电容器包括第一端和第二端，所述第三电容器包括第三端和第四端，其中，第一电容器的第一端提供第一连接端口，第一电容器的第二端连接到第二电容器，第三电容器的第三端连接到第二电容器，第三电容器的第四端提供第二连接端口。

18.如权利要求16所述的可调电容器装置，其中，所述第一连接端口接收施加的输入信号，并且，所述第二连接端口接地。

19.如权利要求16所述的可调电容器装置，其中，所述第一电容器、至少一个第二电容器和第三电容器是集成的电容器。

20.如权利要求19所述的可调电容器装置，其中，用于至少在第一状态和第二状态之间切换的装置与集成的电容器一起被集成。