CN103219979A

CN103219979A - 射频切换器及其辅助电压产生单元和产生辅助电压的方法

Info

Publication number: CN103219979A
Application number: CN2012105876516A
Authority: CN
Inventors: 陈智圣
Original assignee: Ali Corp
Current assignee: Ali Corp; Richwave Technology Corp
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: TWI539745B; US9231578B2; EP2613441A1; US20130176074A1; TW201330500A; CN103219979B; JP5330560B2; JP2013143767A; EP2613441B1

Abstract

本发明公开了一种射频切换器及其辅助电压产生单元和产生辅助电压的方法。该辅助电压产生单元一第一输入端、一第二输入端及至少一输出端。该第一输入端和该第二输入端是用以分别接收一第一控制信号和一第二控制信号。该第一控制信号和该第二控制信号是用以决定是否导通该射频切换器中的多条路径中的其一。该至少一输出端是用以输出一辅助电压，该辅助电压产自于该第一控制信号或该第二控制信号中的其一。该辅助电压是用以操作该射频切换器。该辅助电压是为一偏压及/或用以供电给一反相器的一电压，该反相器可用以决定是否导通一条做为隔离或作为并联的分支。本发明可简化该射频切换器的设计，且本发明不需要独立且外部提供的一偏压和一供电电压。

Description

射频切换器及其辅助电压产生单元和产生辅助电压的方法

技术领域

本发明是有关于一种射频切换器及其辅助电压产生单元和产生辅助电压的方法，尤指一种具有简单的方式从控制信号或控制电压得到偏压和其它辅助电压的射频切换器及其辅助电压产生单元和产生辅助电压的方法。

背景技术

射频切换器在许多有线和无线通信系统中都是非常重要的建置区块。因此，射频切换器可被发现在许多不同的通信系统中，例如行动电话、无线传呼机、无线基础设施、卫星通信装置以及有线电视设备等。众所周知的是，射频切换器的效能可由任意包括馈入损失和切换隔离的操作效能参数之一所评估。操作效能参数之间通常是环环相扣，因此在设计射频切换器的组件时，可牺牲其它操作效能参数以突出任一操作效能参数。另外，在设计射频切换器的其它重要特点包括射频切换器的易用性、集成度、复杂度、良率、反射损耗及制造成本。

请参照图10，图10是为现有技术说明一种假晶高速电子移动率场效晶体管(pseudomorphic High Electron Mobility Transistor,pHEMT)的射频切换器500的示意图。射频切换器500包括一共同射频输入端501和二射频输出端502、503。如图10所示，在共同射频输入端501和射频输出端502、503中，都有相对应的耦合/直流阻隔电容。熟知现有技术者可知耦合/直流阻隔电容式是用以阻隔直流电流通过，但对于交流信号并没有明显的影响。

如图10所示，晶体管M51、M52、M53及M54是被用来达成共同射频输入端501和射频输出端502之间，或共同射频输入端501和射频输出端503之间的射频通信，其中晶体管M51是被设置在共同射频输入端501和射频输出端502之间、晶体管M52是被设置在射频输出端502和一地端之间、晶体管M53是被设置在共同射频输入端501和射频输出端503之间以及晶体管M54是被设置在射频输出端503和地端之间。如图10所示，晶体管M51、M52、M53及M54中的每一晶体管都包括一些耦接于每一晶体管的漏极与源极之间的旁路电阻。

如图10所示，二控制信号VC1和VC2分别施用于晶体管M51和晶体管M53的栅极，以控制由共同射频输入端501输入的射频信号所通过的路径(共同射频输入端501至射频输出端502，或共同射频输入端501至射频输出端503)。如图10所示，控制信号VC1是为3.3V用以开启晶体管M51，以及控制信号VC2是为0V用以关闭晶体管M53。因此，此时的射频信号所通过的路径是为共同射频输入端501至射频输出端502。另外，晶体管M52和晶体管M54不是导通作为隔离分支就是导通作为并联分支，端看哪一路径(共同射频输入端501至射频输出端502或共同射频输入端501至射频输出端503)被选择。亦即当控制信号VC1是为高电位(3.3V)时，一控制信号VC1B(施用于晶体管M52的栅极的控制信号)被控制在一低电位(例如0V)。因为控制信号VC1B是为低电位，因此晶体管M52被关闭，因此被隔离于共同射频输入端501至射频输出端502之间的路径。此时，一控制信号VC2B被设定为一高电位或等于控制信号VC1，以开启晶体管M54，并开启射频输出端503与地端之间的交流信号并联路径。如此，当射频输出端503没有被选择输出共同射频输入端501所接收的交流信号时，射频输出端503与地端之间的交流信号并联路径被开启，以确保没有信号(或是很少量信号)出现在射频输出端503。另外，控制信号VC1、VC1B、VC2和VC2B是通过相对应的电阻施用到晶体管M51、M52、M53及M54的栅极。

如图10所示，射频切换器500在高功率操作时，节点525的电压必须不仅高到足以控制晶体管M51在一具有正的闸源极电压Vgs的顺向偏压(亦即控制信号VC1减去节点525的电压)，以降低开启的馈入损失，亦要在射频切换器500输出高功率电压时，维持晶体管M52足够的逆向偏压(0V减去节点525的电压)以避免晶体管M52被开启。

对于空乏假晶高速电子移动率场效晶体管(depletion pHEMT)组件而言，空乏假晶高速电子移动率场效晶体管组件的阀值电压(Vth)约为-1V。因为假晶高速电子移动率场效晶体管组件具有相对大的漏电流，所以二背对背二极管520、521形成一基尔霍夫电压法(Kirchoff Voltage Law,KVL)节点。特别的是，当控制信号VC1等于3.3V时，节点525的电压是等于2.6V(因为二极管520的跨压约等于0.7V)。当节点525的电压是等于2.6V时，晶体管M52的闸源极电压Vgs(逆向偏压)是等于-2.6V(亦即0V减去2.6V)，导致晶体管M52具有大的漏电流。因为节点525被设定在2.6V是适合用以处理射频切换器500的高功率操作，所以假晶高速电子移动率场效晶体管组件所实现的射频切换器是不需辅助偏压以支持其高功率操作。

不像植基于假晶高速电子移动率场效晶体管组件的射频切换器，硅基的射频切换器只容许小很多的漏电流。因此，当硅基的射频切换器操作在高功率情况时，硅基的射频切换器需要特别的偏压电路和电压，以供其适当操作。因此，硅基的射频切换器内的组件需要一些低成本效益的方案，以因应特别的偏压电路和电压。

发明内容

本发明的一实施例公开一种应用于一射频切换器的辅助电压产生单元。该辅助电压产生单元包括一第一输入端、一第二输入端及至少一输出端。该第一输入端是用以接收一第一控制信号；该第二输入端是用以接收一第二控制信号，其中该第一控制信号和该第二控制信号是用以决定该射频切换器中多条路径中的其一是否被导通；该少一输出端是用以输出一辅助电压，该辅助电压产自于该第一控制信号或该第二控制信号中其一，其中该辅助电压是用以操作该射频切换器。

本发明的另一实施例公开一种射频切换器。该射频切换器包括一共同射频输入端、一第一射频输出端、一第二射频输出端、一第一半导体开关及一第二半导体开关。该第一半导体开关是设置于该共同射频输入端和该第一射频输出端之间的一第一路径上；该第二半导体开关是设置于该共同射频输入端和该第二射频输出端之间的一第二路径上；该第一路径和该第二路径上的至少一节点被施以一偏压，该偏压是产生自一第一控制信号和一第二控制信号中的其一，以及该第一控制信号和该第二控制信号是分别用以控制该第一半导体开关和该第二半导体开关。

本发明的另一实施例公开一种得到射频切换器的辅助电压的方法。该方法包括接收一第一控制信号和一第二控制信号，其中该第一控制信号和该第二控制信号是用以决定该射频切换器中多条路径中其一是否被导通；利用该第一控制信号和该第二控制信号中的其一，产生应用于该射频切换器的一辅助电压；应用该辅助电压至该射频切换器的多个预定位置。

本发明公开一种辅助电压产生单元、射频切换器及得到射频切换器的辅助电压的方法。该辅助电压产生单元、该射频切换器及该方法是利用一辅助电压产生单元产生一辅助电压。而该辅助电压可以是一偏压，其中该偏压是用以维持该射频切换器各别分支上的特定节点在一个足够支持高功率操作的电压准位上，或该辅助电压可以是供电给一反相器的一供电电压，其中该反相器是用以反相多个控制信号以决定该射频切换器是否导通作为隔离或是作为并联的分支。另外，因为本发明是利用该多个控制信号产生该辅助电压，所以可简化硅基的该射频切换器的设计。亦即本发明不需要独立且外部提供的一偏压和一供电电压。

附图说明

图1是为本发明的一实施例说明一种硅基晶体管的射频切换器的示意图。

图2是为说明用以控制射频切换器的控制信号的示意图。

图3至图5是为本发明的不同实施例说明辅助电压产生单元的内部电路示意图。

图6是为说明辅助电压产生单元内用以产生供电电压的内部电路示意图。

图7是为说明辅助电压产生单元内另一用以产生供电电压的内部电路示意图。

图8是为本发明的另一实施例说明一种得到射频切换器的辅助电压的方法的流程图。

图9是为本发明的另一实施例说明一种得到射频切换器的辅助电压的方法的流程图。

图10是为现有技术说明一种假晶高速电子移动率场效晶体管的射频切换器的示意图。

其中，附图标记说明如下：

100、500 射频切换器

101、501 共同射频输入端

102、103、104、502、503 射频输出端

125、292、525 节点

150 反相器

200 辅助电压产生单元

280、295-297、1-n、520、521 二极管

290 电阻

M11、M12、M13、M14、M15、M16、晶体管

M51、M52、M53、M54、281-283

VC1、VC2、VC3、VC1B、VC2B、控制信号

VC3B

VBIAS 偏压

VREG 供电电压

310-314、410-414 步骤

具体实施方式

请参照图1，图1是为本发明的一实施例说明一种硅基晶体管(silicon basedtransistor)的射频切换器100的示意图，其中射频切换器100是作为一单刀三掷开关。如图1所示，射频切换器100具有三条从一共同射频输入端101进入的射频信号的路径：一路径是从共同射频输入端101至一射频输出端102、一路径是从共同射频输入端101至一射频输出端103以及一路径是从共同射频输入端101至一射频输出端104。

如射频切换器500一样，在射频切换器100中，射频切换器100是利用几个晶体管去选择哪一条路径被导通，以允许一射频信号通过。在射频切换器100中，晶体管M11、M13和M15是被利用做为主路径的控制器，但晶体管M12、M14和M16是被控制决定是否成为一隔离路径，或是被控制成为交流衰减路径，以作为非选择的路径。然而，射频切换器100并不像图10中的射频切换器500，因为射频切换器100中的晶体管是硅基晶体管。

请参照图2，图2是为说明用以控制射频切换器100的控制信号VC1、VC2和VC3的示意图。相对应的控制信号VC1B、VC2B和VC3B是利用控制信号VC1、VC2和VC3通过适当的反相器150而产生。因此，控制信号VC1B、VC2B和VC3B分别是控制信号VC1、VC2和VC3的反相电压。

如图1所示，例如当有射频信号从共同射频输入端101传递至射频输出端102时，控制信号VC1是设定为高电位，控制信号VC2和控制信号VC3则被设定为低电位；当有射频信号从共同射频输入端101传递至射频输出端103时，控制信号VC2是设定为高电位，控制信号VC1和控制信号VC3则被设定为低电压；当有射频信号从共同射频输入端101传递至射频输出端104时，控制信号VC3是设定为高电位，控制信号VC1和控制信号VC2则被设定为低电压。

在硅基晶体管中，栅极漏电流通常非常小。如此，因为横跨晶体管M12的旁路电阻通过一直流阻隔电容被耦接至地端，所以节点125的电压(如射频切换器100中介于共同射频输入端101和射频输出端102之间的路径所示)是几乎趋近于0V。(另外，节点125是用以说明的例子，所以射频切换器100中的在其它分支上的相对应的节点的操作原理皆和节点125相同，在此不再赘述)。然而，如果节点125的电压被维持在0V，则在高功率情况下，射频切换器100无法良好运作。因此，如图10所示的假晶高速电子移动率场效晶体管，节点125最好是设定在比0V高的电压，以确保晶体管M11是顺向偏压以及晶体管M12是逆向偏压，其中晶体管M11和晶体管M12是在射频切换器100中的顶部路径。

为了在节点125得到想要的电压以及支持射频切换器100的高功率操作，一偏压VBIAS是被利用来提供一偏压信号给射频切换器100中的每一路径上的多个节点。以射频切换器100的顶部路径或分支为例，偏压VBIAS是被施以在共同射频输入端101和晶体管M11之间、在节点125以及在晶体管M12和地端之间。偏压VBIAS是可为1.6V或更高。当偏压VBIAS是如图1所示的施用方式施用在射频切换器100时，整个射频切换器100(包括各别的路径、隔离和并联的分支)皆被偏压在偏压VBIAS所提供的电压。因此，硅基的射频切换器100可适当地操作在高功率情况。

另外，反相器150可被供电以提供控制信号VC1B、VC2B和VC3B去操作射频切换器100的隔离和并联的分支。如图1所示，供电电压VREG是用以供电给个别的反相器150。个别的反相器150的输出(控制信号VC1B、VC2B和VC3B)分别是控制信号VC1、VC2和VC3的反相电压，其中控制信号VC1B、VC2B和VC3B是被提供至射频切换器100中每一路径适当的并联/隔离的分支。

如图1所示，一辅助电压产生单元200可被制造成射频切换器100的部分，其中辅助电压产生单元200是用以接收控制信号VC1、VC2和VC3(然而辅助电压产生单元200并不受限于接收控制信号VC1、VC2和VC3)，并根据控制信号VC1、VC2和VC3中的至少一控制信号，产生偏压VBIAS和供电电压VREG。在本发明的一实施例中，偏压VBIAS是可为1.6V以及供电电压VREG是可为26V。

请参照图3至图5，图3至图5是为本发明的不同实施例说明辅助电压产生单元200的内部电路示意图。如图3所示，电压产生单元200的内部电路是为一由多个二极管280所组成的分压电路。如图3所示，假设控制信号VC1、VC2和VC3分别是3.3V、0V和0V，然后分压电路(由适当数目的二极管280所组成)即可提供偏压VBIAS想要的电压准位。

如图4所示，图4的分压电路是类似于图3的分压电路，但还包括晶体管281-283，其中晶体管281-283是做为源极跟随器(source follower)。当如图2的控制信号VC1、VC2和VC3施用在二极管分压电路和晶体管281-283时，晶体管281-283中的一晶体管将会开启。如图2所示，因为控制信号VC1、VC2和VC3中的一控制信号总是高电压(3.3V)，所以晶体管281-283中总是有一晶体管可提供偏压VBIAS。在本发明的另一实施例中，因为射频切换器100的分支可超过3支，所以额外的控制信号VC4、…、VCn需被加入至图4的辅助电压产生单元200。如此，因为控制信号VC1、…、VCn中的至少一个控制信号总是高电压(3.3V)，所以图4的辅助电压产生单元200的多个晶体管中总是有至少一个晶体管可提供偏压VBIAS。

多个二极管280是可为独立的PN结、N型金属氧化物半导体晶体管或P型金属氧化物半导体晶体管所构成的二极管或是双极晶体管所构成的二极管。晶体管281-283是可为原生型金属氧化物半导体晶体管(nativemetal-oxide-semiconductor)或标准型金属氧化物半导体晶体管(standardmetal-oxide-semiconductor)，以增强晶体管281-283拉电流的能力。因为上述这些组件(二极管与晶体管)可形成在和射频切换器100相同的半导体基板上，所以可降低制造成本。

如图5所示，图5的分压电路是由多个电阻290所组成，而偏压VBIAS可从节点292输出。因此，熟知分压电路原理者将可明了如何选用多个电阻290的阻值，以得到偏压VBIAS想要的电压准位。

请参照图6，图6是为说明辅助电压产生单元200内用以产生供电电压VREG的内部电路示意图。如图6所示，三二极管295-297分别用以耦接控制信号VC1、VC2和VC3。因此，当控制信号VC1、控制信号VC2或控制信号VC3是高电压时，可通过对应于控制信号VC1的二极管295、对应于控制信号VC2的二极管296或对应于控制信号VC3的二极管297的跨压，以得到想要的供电电压VREG。例如，当控制信号VC1、VC2和VC3是为3.3V时，供电电压VREG是为2.6V(3.3V–0.7V=2.6V)，其足以供电给图1的反相器150。

请参照图7，图7是为说明辅助电压产生单元200内另一用以产生供电电压VREG的内部电路示意图。如图7所示，因为供电电压VREG可通过包括多个二极管1至n的分压电路所产生，所以供电电压VREG是为控制信号VC1*n/(n+1)或控制信号VC2*n/(n+1)。另外，控制信号VC3亦可和控制信号VC1、控制信号VC2一样为一信号源。当控制信号VC3是为信号源时，供电电压VREG是为控制信号VC3*n/(n+1)。

基于上述讨论可知，在硅基的射频切换器操作在高功率情况时，本发明可使硅基的射频切换器不需额外的电压以产生偏压VBIAS及/或供电电压VREG，便能正常运作。根据上述本发明的实施例，可直接从控制信号(例如控制信号VC1、控制信号VC2、…或控制信号VCn)产生偏压VBIAS和供电电压VREG，其中控制信号是用以控制射频切换器100中的某一条路径被导通，以让射频信号通过(亦即让射频信号从共同射频输入端101经过被导通的路径至相对应的射频输出端)。另外，控制信号VC1、控制信号VC2、…或控制信号VCn是可通过射频切换器IC上的接脚输入，所以射频切换器IC便不需要更多接脚以提供偏压VBIAS及/或供电电压VREG。因此，不仅射频切换器IC的封装以及电路布局可被简化，且射频切换器IC的制造成本亦可被降低。

请参照图8，图8是为本发明的另一实施例说明一种得到射频切换器的辅助电压的方法的流程图。图8的详细步骤如下：

步骤310：接收多个控制信号；

步骤312：利用多个控制信号中的至少一控制信号，产生至少一辅助电压；

步骤314：输出至少一辅助电压。

在步骤310中，如图1所示，多个控制信号(控制信号VC1、VC2和VC3)被接收。而控制信号VC1、VC2和VC3是用以控制去选择射频切换器100中路径/分支被导通。在步骤312中，利用多个控制信号中的至少一控制信号，产生至少一辅助电压。在上述本发明的实施例中，辅助电压可以是用以偏压射频切换器100中的一条或多条路径/分支的偏压VBIAS，及/或用以供电给产生控制信号VC1、VC2和VC3的反相信号的反相器的供电电压VREG。在步骤314中，输出至少一辅助电压至射频切换器100。

请参照图9，图9是为本发明的另一实施例说明一种得到射频切换器的辅助电压的方法的流程图。图9的详细步骤如下：

步骤410：接收用以导通射频切换器中多条路径中其一的第一控制信号和第二控制信号；

步骤412：至少利用第一控制信号和第二控制信号中其一，产生辅助电压；

步骤414：应用辅助电压于射频切换器的多个预定位置。

在步骤410中，第一控制信号和第二控制信号可被应用至射频切换器，以选择多条路径中让射频信号通过的一条路径。在步骤412中，利用第一控制信号和第二控制信号中的至少一控制信号，产生至少一辅助电压。在步骤414中，应用至少一辅助电压于射频切换器的预定节点。

综上所述，本发明所公开的辅助电压产生单元、射频切换器及得到射频切换器的辅助电压的方法，是利用辅助电压产生单元产生辅助电压。而辅助电压可以是偏压，其中偏压是用以维持射频切换器各别分支上的特定节点在一个足够支持高功率操作的电压准位上，或辅助电压可以是供电给反相器的供电电压，其中反相器是用以反相控制信号以控制射频切换器内的路径成为隔离路径或是并联的分支。另外，因为本发明是利用控制信号产生辅助电压，所以可简化硅基的射频切换器的设计。亦即本发明不需要独立且外部提供的偏压和供电电压。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于一射频切换器的辅助电压产生单元，其特征在于，包括：

一第一输入端，用以接收一第一控制信号；

一第二输入端，用以接收一第二控制信号，其中该第一控制信号和该第二控制信号是用以决定该射频切换器中的多条路径中的其一是否被导通；及

至少一输出端，用以输出产生自该第一控制信号或该第二控制信号中的至少一控制信号的一辅助电压，其中该辅助电压是用以操作该射频切换器。

2.如权利要求1所述的辅助电压产生单元，其特征在于，该辅助电压是为用于该射频切换器的一偏压。

3.如权利要求1所述的辅助电压产生单元，其特征在于，该辅助电压是为用以供电给一反相器的一供电电压，其特征在于，该反相器是用以接收该第一控制信号和该第二控制信号中的其一。

4.如权利要求1所述的辅助电压产生单元，其特征在于，还包括：

一电路，包括多个二极管，用以降低该第一控制信号或该第二控制信号的电压准位。

5.如权利要求4所述的辅助电压产生单元，其特征在于，该多个二极管是做为一分压电路。

6.一种射频切换器，包括：

一共同射频输入端；

一第一射频输出端；

一第二射频输出端；

一第一半导体开关，设置于该共同射频输入端和该第一射频输出端之间的一第一路径上；及

一第二半导体开关，设置于该共同射频输入端和该第二射频输出端之间的一第二路径上；

该射频切换器的特征在于还包括：

其中该第一路径和该第二路径上的至少一节点被施以一偏压，该偏压是产生自一第一控制信号和一第二控制信号中的其一，以及该第一控制信号和该第二控制信号是分别用以控制该第一半导体开关和该第二半导体开关。

7.如权利要求6所述的射频切换器，其特征在于，还包括：

一辅助电压产生单元，根据该第一控制信号和该第二控制信号中的其一，产生该偏压。

8.如权利要求6所述的射频切换器，其特征在于，该辅助电压产生单元包括多个二极管。

9.如权利要求8所述的射频切换器，其特征在于，该多个二极管是做为一分压电路。

10.如权利要求7所述的射频切换器，其特征在于，该辅助电压产生单元包括至少一晶体管，且该至少一晶体管是设置于产生该偏压的一源极跟随器之内。

11.如权利要求6所述的射频切换器，其特征在于，还包括：

一分支，耦接于该第一路径和该第二路径中的一路径，该分支包括一第

三半导体开关和一反相器，其中该反相器具有一输出端，耦接于该

第三半导体开关的一控制端，且该反相器的一供电电压是产生自该

第一控制信号和该第二控制信号中的至少一控制信号。

12.如权利要求11所述的射频切换器，其特征在于，该偏压和该供电电压不同。

13.如权利要求11所述的射频切换器，其特征在于，该偏压是约为1.6V以及该供电电压是约为2.6V。

14.一种得到射频切换器的辅助电压的方法，其特征在于，包括：

接收一第一控制信号和一第二控制信号，其中该第一控制信号和该第二控制信号是用以决定该射频切换器中多条路径中的其一是否被导通；

利用该第一控制信号和该第二控制信号中的其一，产生应用于该射频切换器的一辅助电压；及

应用该辅助电压至该射频切换器的多个预定位置。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该辅助电压为用以作为该射频切换器中的该多条路径中的至少一条路径上的一偏压。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该辅助电压为用以供电至一反相器的一供电电压，其中该反相器是用以产生并提供该第一控制信号和该第二控制信号中的至少一控制信号的反相信号至该射频切换器的一组件。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该辅助电压包括一第一辅助电压与一第二辅助电压，其中该第一辅助电压为用以作为该射频切换器中的该多条路径中的至少一条路径上的一偏压，以及该第二辅助电压是为用以供电至一反相器的一供电电压，其中该第一辅助电压和该第二辅助电压不同。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该第一辅助电压是约为1.6V以及该第二辅助电压是约为2.6V。

19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，产生该辅助电压包括：施以该第一控制信号和该第二控制信号中的其一至一分压电路。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该分压电路包括多个二极管。