CN103026634B - 具有集成t/r开关的rf前端 - Google Patents

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Abstract

公开了一种发射/接收电路布置，其中包括发射/接收开关的收发器电路制造在集成电路芯片上。匹配网络相对于集成电路芯片完全布置在片外。在实施例中，至少部分匹配网络形成在片外并且部分匹配网络形成在芯片上。

Description

具有集成T/R开关的RF前端
相关申请的交叉引用
本公开要求于2010年5月21日提交的美国临时申请61/347,112的优先权，并且为了所有目的而通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体涉及无线通信电路，并且特别是涉及发射和接收开关。
背景技术
除非在此给出相反指示，本节中所述的方法并非是本申请中权利要求的现有技术，并且不被承认是包括在该节中的现有技术。
当前无线通信设备中较为重要的部件之一为RF(射频)开关。RF开关的目的在于连接/断开发射器电路和接收器电路之间的天线。因此，这些开关通常称作T/R开关(发射/接收)。T/R设计通常包括阻抗匹配电路以引导高功率发射信号至天线而同时阻止信号进入本地接收器的灵敏前端(发射模式)，并且也允许在天线和接收器之间的低损连接(接收模式)。
对于无线应用(例如移动装置)而言，需要的是减小RF板的尺寸并且降低成本。这两个目标可以通过完全集成片上T/R开关来实现；换言之，使用集成电路技术以在集成电路(IC)芯片上形成T/R开关。图6显示了基于CMOS(互补金属-氧化物半导体)技术的T/R开关电路的传统完全集成片上布置的示意图。
图6中的IC芯片包括可以输出待由天线广播的发射信号的功率放大器。低噪声放大器可以接受由天线感测的、待进一步放大以用于处理的接收信号。功率放大器和低噪声放大器可以是构成收发器电路的部件。位于功率放大器和低噪声放大器之间的电路布置可以统称为T/R开关。T/R开关包括开关元件(例如晶体管MT、MRS和MRP)以及阻抗匹配部件(例如诸如电感器LRS之类的电感器和电容器CC、CRS和CS)。IC芯片包括单个tx/rx管脚以输出用于由天线发射的发射信号以及输入由天线感测的接收信号。开关元件(MT、MRS和MRP)控制是在tx/rx管脚上输出发射信号还是经由tx/rx管脚输入由天线感测到的信号。阻抗匹配部件提供在功率放大器和天线之间、以及在低噪声放大器和天线之间的阻抗匹配。
IC芯片通常组装在印刷电路板(PCB)上并且连接至“片外”部件。例如，巴仑(balun)(平衡-不平衡)滤波器是与天线一起使用的典型的片外部件，并且与IC芯片一同装配在PCB上。IC芯片的单个tx/rx管脚可以经由形成在PCB上的位于tx/rx管脚与巴仑滤波器上的管脚之间的迹线而连接至巴仑滤波器。备选地，tx/rx管脚和巴仑管脚可以连接至PCB上的相应焊盘，并且可以将键合引线焊接至焊盘以形成连接。
由于金属电阻和硅衬底的损耗特性，因此片上匹配部件(特别是电感器)的品质因子通常相当差。差的品质因子导致有限的发射功率和接收灵敏度性能。采用片上匹配部件，精细微调RF开关的灵活性受损。因为电感器和电容器为片上制造，因此在需要精细微调的情形下无法变化它们的部件值，例如为了适应天线/巴仑滤波器组件中的阻抗改变。此外，片上匹配元件的部件值要经受工艺变化，并且因此可以随着一批至另一批芯片而变化。此外，适应不同封装设计的灵活性也受损。
本发明的各实施例单独地以及共同地解决这些问题和其他一些问题。
发明内容
根据本发明的一些实施例的电路配置包括具有第一开关元件和第二开关元件的集成电路(IC)。第一开关元件可以提供发射信号至天线。第二开关元件可以接收由天线感测到的接收信号。IC包括第一管脚和第二管脚以分别发射和接收信号。片外阻抗匹配电路与IC分离，但是电连接至IC。阻抗匹配电路包括去往天线的单个电连接。
在一个实施例中，阻抗匹配电路包括一个或多个电容性或者电感性部件。
在一个实施例中，阻抗匹配电路可以固定至印刷电路板(PCB)，并且IC可以固定至PCB或者单独的PCB。
在一个实施例中，IC包括片上阻抗匹配网络。
在一个实施例中，一种用于电路的方法包括在IC芯片上接收发射信号并且输出该发射信号至IC芯片的第一管脚。发射信号由相对于IC芯片为片外的阻抗匹配网络接收。发射信号继而经由阻抗匹配网络的端子输出至天线。该方法进一步包括在阻抗匹配网络的端子处接收由天线感测的接收信号并且输出该接收信号至IC芯片的第二管脚。在一个实施例中，接收信号由IC芯片的第二放大器所接收。
根据本发明的一些实施例的电路配置包括印刷电路板，该印刷电路板具有设置在其上的天线组件、阻抗匹配网络和收发器集成电路。阻抗匹配网络包括去往天线组件的单个连接。收发器集成电路包括配置为在第一管脚上输出发射信号的第一放大器，以及配置为在第二管脚上接收接收信号的第二放大器。阻抗匹配网络提供在收发器集成电路的第一管脚和第二管脚与连接至天线组件的单个端子之间的阻抗匹配。
在一个实施例中，收发器集成电路并不包括任意的阻抗匹配网络电路。
在一个实施例中，收发器集成电路包括片上阻抗匹配网络电路。
以下详述的说明书和附图提供了对于本发明的特征和优点的更好理解。
附图说明
图1A示出了本发明的高层级框图。
图1B示出了本发明的一个实施例。
图2示出了根据本发明的一个备选电路配置。
图3示出了板载匹配网络的一个实施例。
图3A示出了板载匹配网络的一个特定实施方式。
图4示出了板载匹配网络和片上匹配网络的一个特定实施方式。
图5示出了包含本发明的一个电路配置的无线系统。
图6示出了T/R开关电路的传统设置。
具体实施方式
在此所述的是用于RF前端的T/R开关电路布置的一些示意性实施例。
在下文中，为了解释的目的，阐述了多个示例和特定细节以便于提供本发明的完整理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，如权利要求所限定的本发明可以单独包括这些示例中的一些或所有特征，或者与以下所述的其他特征组合，并且可以进一步包括在此所述的特征和概念的修改以及等效形式。
图1A是根据本发明的发射/接收(T/R)电路的高层级框图。收发器电路2可以包括用于产生适用于由(在天线组件6中的)天线发射的信号的发射电路以及用于接收由天线所感测到的接收信号的接收器电路。收发器电路2可以包括发射/接收开关以在输出发射信号或接收接收信号之间切换。匹配网络4提供在天线组件6和收发器电路2之间的阻抗匹配以便于最大化功率传输，减少信号反射等等。天线组件6可以包括天线其自身并且可以包括其他支持电路，例如巴仑滤波器。
参照图1B，根据本发明的T/R(发射/接收)电路布置包括IC芯片108，芯片108包括用于发射信号和接收信号的电路以及对应的开关电路以在发射模式和接收模式之间切换。在一个实施例中，匹配网络4(图1A)可以包括板载匹配网络124以用于在天线104和IC芯片108中的电路之间匹配阻抗。此外根据本发明，板载匹配网络124相对于IC芯片108是“片外”的。换言之，板载匹配网路124不是制造在IC芯片108上的部件，而是与IC芯片物理分离的部件。在一个实施例中，板载匹配网络124安装在印刷电路板(PCB)102上。IC芯片108可以例如经由键合引线112、114连接至PCB 102。可以在PCB 102上安装包括天线104和巴仑滤波器106的天线组件。
板载匹配网络124可以包括配置成接收输入信号的端子124a、配置成输出输出信号的端子124b、以及配置成输出待由天线104发射的信号并且接收由天线感测到或者接收到的信号的端子124c。键合引线112、114可以具有电感特性。因此，在一个实施例中，键合引线112、114可以视作板载匹配网络124的一部分。
在一些实施例中，IC芯片108可以包括功率放大器132和低噪声放大器(LNA)134。放大器132、134可以是收发器电路(未示出)的部件。IC芯片108可以进一步包括T/R开关126、128。例如，图1B中所示的T/R开关126、128是CMOS NPN晶体管。PA T/R开关126可以连接至功率放大器132的输出。可以配置PA T/R开关126以启用或者阻止发射信号沿着信号路径116传导。
LNA T/R开关128可以连接至放大器134的输入。在一些实施例中，放大器134可以是接收并且放大由天线104感测到的信号的低噪声放大器。可以配置LNA T/R开关128以响应于控制信号(rx控制)而启用或者阻止在片上匹配网络122(如下所述)的输出122d出现的感测到的信号到放大器134的输入的传导。
在发射模式操作中，待发射的信号(tx信号)提供至功率放大器132。功率放大器132的输出构成发射信号，该发射信号基本上沿着信号路径116朝向进行广播的天线104。在接收模式操作中，由天线104感测到(也即接收到)的信号基本上沿着信号路径118朝向放大器134。放大器134放大感测到的信号以产生输出，该输出构成可以提供至下游电路(未示出)以用于进一步处理的接收信号(rx信号)。
如上所述，根据本发明，匹配网络4包括板载匹配网络124。在一些实施例中，匹配网络4可以进一步包括制造在IC芯片108上的片上阻抗匹配网络122。片上匹配网络122可以包括配置成经由开关126来接收功率放大器132的输出(发射信号)的端子122a。端子122b和122c可以连接至IC芯片108的相应外部管脚(未示出)。端子122b配置成输出发射信号至外部管脚。配置端子122c配置成接收由天线104感测到的信号。端子122d配置成将由天线104感测到的信号提供至放大器134。键合引线112、114可以具有电感特性。因此，在一个实施例中，键合引线112、114可以视作板载匹配网络124的一部分。
参照图2A，在一些实施例中，IC芯片108可以组装在与板载匹配网络122相同的PCB 102上，并且通过形成在PCB 102上的迹线202而连接在一起。可以与PCB 102分离地提供天线104。在图2B中，显示了一个实施例，其中IC芯片108可以组装在不同于PCB 102的PCB 102a上。合适的连接器204(例如弯曲连接器)可以用于连接PCB 102和PCB 102a。应当理解，可以进一步配置匹配网络(片上匹配网络122或者板载匹配网络124，或者两者)以考虑(accountof)出现在连接器204中的阻抗值。图2C的放大区域示出了键合引线112、114连接至迹线202。
参照图3，在一个实施例中，可以由板载匹配网络124提供匹配网络6(图1)的所有阻抗匹配部件。换言之，所有匹配部件是“片外”的，即没有匹配部件制造在IC芯片108上。在该实施例中，IC芯片108中的片上匹配网络122有效地缺失，从而仅包括形成在IC芯片的金属层中的迹线122x。板载匹配网络124包括电抗性元件X1-X3，并且可以是电感器和/或电容器的任何合适组合。
在接收模式操作期间，PA T/R开关126和LNA T/R开关128断开，从而天线104所感测到的信号将基本上沿着信号路径118。因此，引起的阻抗包括在端子124b处看到的低噪声放大器134的输入阻抗以及在元件X2处看到的一些寄生阻抗。X1和X3元件构成了L-匹配网络，并且可以设计成具有基于低噪声放大器134的输入阻抗和寄生阻抗的元件值，从而转换这些阻抗以匹配天线104和巴仑滤波器106组件的阻抗，例如50Ω。
在发射模式操作期间，PA T/R开关126和LNA T/R开关128导通，LNA T/R开关用作至接地的分流，因此旁通去往低噪声放大器134的输入。因此，期间引起的阻抗包括由于分流而在端子124b处看到的低阻抗路径(例如若干欧姆)。可以将X1元件以及X2和X3元件一起设计成在发射频率处与巴仑滤波器106谐振，从而最大化递送至天线104的发射输出功率。
图3A示出了一个更具体实施例的示例。电容器C2和C3以及电感器L1提供成片外的。例如，电容器C2和C3以及电感器L1可以是分立元件。电容器C2和C3可以是以分立形式提供的IC部件并且可以在片外组装。图3A中所示的特定实施例在适应匹配网络6的改变方面赋予最大的灵活性，因为其片外地包含在板载匹配网络124中。然而，具有排他性片外部件的成本可以构成在制造上不可接受的成本。例如，低成本分立片外电容器可以是可用的，而分立电感器往往更昂贵。
在一个实施例中，匹配网络6(图1)可以包括芯片上部件，也即匹配网络的一些部件可以集成在IC芯片108上。因此，图4中所示的实施例提供了包括电容器C2、C3的板载匹配网络124以及包括电感器L1的片上匹配网络12。制造在IC芯片108上的电感器，也即其与片外的电容器C2、C3相比是芯片上的。该配置可以在制造成本方面更易于接受。例如，电感器L1可以具有数纳亨的量级，这有助于集成的可能性。分立部件的成本与部件的集成电路版本的性能的下降之间的权衡可以有利于集成。
图5说明了包含本发明一个实施例的无线通信系统502。例如，无线通信系统502可以是任何手持装置，诸如移动通信装置(例如蜂窝电话)、具有无线通信能力的计算装置(例如膝上型电脑、笔记本电脑)、具有无线通信能力的手持游戏装置(例如由苹果公司制造和销售的iPod Touch)等等。无线通信系统502可以使用任何通信标准，诸如各种IEEE 802格式(例如蓝牙、802.11n、802.11g等等)。
如在此说明书以及权利要求全文中所使用，“一”、“一个”和“该”包括复数形式，除非上下文明确给出相反指示。此外，也如在此说明书以及权利要求全文中所使用的，“在...中”的意思包含“中”和“上”除非上下文给出明确相反指示。
上述说明书说明了本发明的各种实施例以及如何实施本发明的各方面的示例。上述示例和实施例不应视作仅仅为实施例，而是应视为说明了如由以下权利要求所限定的本发明的灵活性和优点。基于上述公开和以下权利要求，其他设置、实施例、实施方式和等价物对于本领域技术人员而言是明显的、并且可以被采用而不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种收发器电路，包括：
集成电路芯片，包括
第一开关，配置成接收第一信号用于由天线发射，
第二开关，配置成接收由所述天线感测到的信号作为第二信号，
第一管脚，配置成从所述第一开关接收所述第一信号，以及
第二管脚，配置成接收由所述天线感测到的所述第二信号；以及
阻抗匹配网络，与所述集成电路芯片分离并且经由所述第一管脚、所述第二管脚、第三管脚、第四管脚、第一键合引线和第二键合引线与所述集成电路芯片电连接，其中所述阻抗匹配网络具有去往所述集成电路芯片的所述第一管脚的第一连接和去往所述集成电路芯片的所述第二管脚的第二连接，其中所述阻抗匹配网络具有与所述天线的单个电连接，并且其中所述阻抗匹配网络配置成：
经由所述第一管脚、所述第一键合引线和所述第三管脚从所述第一开关接收所述第一信号，其中所述第一键合引线将所述第一管脚连接至所述第三管脚，并且其中所述第三管脚将所述第一键合引线连接至所述阻抗匹配网络，
经由所述天线和滤波器接收所述第二信号，其中所述滤波器将所述阻抗匹配网络连接至所述天线，以及
经由所述第二管脚、所述第二键合引线和所述第四管脚将所述第二信号转发给所述第二开关，其中所述第二键合引线将所述第二管脚连接至所述第四管脚，并且其中所述第四管脚将所述第二键合引线连接至所述阻抗匹配网络。
2.根据权利要求1所述的收发器电路，其中，所述阻抗匹配网络包括电容和电感。
3.根据权利要求1所述的收发器电路，其中：
所述集成电路芯片固定至印刷电路板，以及
所述阻抗匹配网络固定至所述印刷电路板。
4.根据权利要求1所述的收发器电路，其中：
所述集成电路芯片固定至第一印刷电路板，以及
所述阻抗匹配网络固定至第二印刷电路板。
5.根据权利要求1所述的收发器电路，其中：
所述集成电路芯片包括第二阻抗匹配网络，以及
所述第一管脚、所述第二管脚、所述第一开关和第二开关连接至所述第二阻抗匹配网络。
6.根据权利要求1所述的收发器电路，其中所述集成电路芯片包括：
第一放大器，包括连接至所述第一开关的输出，其中所述第一放大器配置成输出所述第一信号至所述第一开关；以及
第二放大器，包括连接至所述第二开关的输入，其中所述第二放大器配置成从所述第二开关接收所述第二信号。
7.一种无线通信系统，包括根据权利要求1所述的收发器电路。
8.一种用于电路的方法，所述方法包括：
从集成电路芯片向阻抗匹配网络发射发射信号，其中所述阻抗匹配网络与所述集成电路芯片分离并且经由第一管脚、第二管脚、第三管脚、第四管脚、第一键合引线和第二键合引线与所述集成电路芯片电连接，其中所述第一键合引线将所述集成电路芯片上的所述第一管脚连接至所述第三管脚，其中所述第三管脚将所述第一键合引线连接至所述阻抗匹配网络，其中所述第二键合引线将所述集成电路芯片上的所述第二管脚连接至所述第四管脚，并且其中所述第四管脚将所述第二键合引线连接至所述阻抗匹配网络；
从所述集成电路芯片的所述第一管脚输出所述发射信号作为输出信号；
由所述阻抗匹配网络接收所述输出信号，所述阻抗匹配网络关于所述集成电路芯片是芯片外的；
从所述阻抗匹配网络输出所述输出信号至天线；
在所述阻抗匹配网络的端子处接收由所述天线感测的所接收的信号；以及
从所述阻抗匹配网络经由所述第二管脚、所述第二键合引线和所述第四管脚输出所接收的信号至所述集成电路芯片的所述第二管脚。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
在经由所述天线发射所述发射信号之前经由第一放大器放大所述发射信号，其中所述集成电路芯片包括所述第一放大器；以及
在经由所述天线接收所接收的信号之后经由第二放大器放大所接收的信号，其中所述集成电路芯片包括所述第二放大器。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述阻抗匹配网络包括电容和电感。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述集成电路芯片和所述阻抗匹配网络固定至印刷电路板。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，
所述集成电路芯片固定至第一印刷电路板；以及
所述阻抗匹配网络固定至第二印刷电路板。
13.根据权利要求8所述的方法，还包括在经由所述天线发射所述输出信号之前经由巴仑滤波器对所述第一信号进行过滤，其中来自所述阻抗匹配网络的所述输出信号的输出包括递送所述输出信号至所述巴仑滤波器。
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