CN103941797B - 射频天线开关稳压电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路技术领域，公开了一种射频天线开关稳压电路，包括电源电压输入端、二极管、电阻以及电压输出端，所述电阻和所述二极管串联耦接在所述电源电压输入端和地端之间，其中，在所述电源电压输入端和地端之间还设有至少一组由N沟道MOS管和P沟道MOS管组成的开关电路，所述电压输出端与所述开关电路对应设置，每组所述开关电路提供一个输出电压。本发明采用片内集成稳压电路，能够为射频天线开关提供可变的适当的供电电压，使得射频天线开关适应更宽的供电电压范围，并在各种供电电压下都有良好的性能。

Description

射频天线开关稳压电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种射频天线开关稳压电路。

背景技术

全球移动通信系统（GlobalSystemforMobilecommunication），也就是众所周知的GSM，是当前应用最为广泛的移动电话标准，全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。而在新兴通信技术的不断推动之下，象征着3G通信的标志技术已经成为了通信技术的主流。该技术能为用户带来最高2Mbit/s的数据传输速率，至今，全球3G用户迅速增多，各个国家的及运营商已经商用3G业务。随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起，其拥有的超高数据传输速度，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。很明显，4G有着不可比拟的优越性。也必将拥有大量的用户。所以无线通信技术将会出现2G、3G、4G并存的状况。这将导致多模手机是必要的需求。结合当今手机厂商的多样化、层次化，手机射频芯片需要支持多频段多模式，适合多种厂商的需求。多媒体业务需求的增大，导致手机耗电严重，所以低功耗是射频芯片最重要的性能指标之一。

对应到手机射频开关天线开关而言，低功耗也是设计中的重点。尤其在高发射功率下，高性能指标的射频天线开关所节省的功耗是十分可观的，同时高性能的天线开关使得射频信号系统中与其相关的电路设计更加容易，从而降低整体的功耗。当今市面上手机电池一律为锂离子电池，标准放电电压为3.7V，充电截止电压为4.2V，放电截止电压为2.7V。但由于厂商的层次化，手机应用的多样化，导致射频电路需要工作在2.7V到5V的范围，甚至更宽。同时多媒体应用的增多，手机局部发热情况严重，温度特性也是射频芯片的一个侧重点。所以手机射频天线开关需要工作在很宽的供电电压范围下，并且满足多频多模式等多样化的要求。

为了保证手机射频天线开关具有稳定的输出电压，目前常采用如图1（a）所示的LDO（LowDropOut，低压差）稳压电路和和图1（b）所示的二极管稳压电路两种方式。其中，图2（a）为采用LDO稳压电路的输出电压随电源电压变化的曲线图，图2（b）为采用二极管稳压电路的输出电压随电源电压变化的曲线图。从图1和图2中可以看出，LDO稳压电路可提供稳定的输出电压，但电路本身较复杂，不适合射频天线开关的制造工艺，难以实现片内集成。二极管稳压电路易于实现，具有较小的版图面积，但是只能提供固定的压降，不适合宽范围的供电情况。

因此，如何设计一种低成本、易于实现、可靠性高的全集成的稳压电路及供电方案，使得天线开关可以满足更宽的供电电压范围，并在多种复杂的应用条件下，拥有多样化的性能指标，便成为了目前亟待解决的问题。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明现提出一种射频天线开关稳压电路及对应的方法，以解决原有的稳压电路制造工艺复杂、无法满足宽范围的供电电压的问题。

为解决上述问题，一方面，本发明公开了一种射频天线开关稳压电路，包括电源电压输入端、二极管、电阻以及电压输出端，所述电阻和所述二极管串联耦接在所述电源电压输入端和地端之间，其中，在所述电源电压输入端和地端之间还设有至少一组由N沟道MOS管和P沟道MOS管组成的开关电路，所述电压输出端与所述开关电路对应设置，每组所述开关电路提供一个输出电压。

优选地，在每组所述开关电路中，所述N沟道MOS管的漏极连接所述电源电压输入端，所述P沟道MOS管的漏极连接地端，所述N沟道MOS管和P沟道MOS管的栅极共接于所述电阻远离所述电源电压输入端的一端，所述N沟道MOS管和P沟道MOS管的源极共接于一个所述电压输出端。

优选地，当所述开关电路有多组时，所述电阻包括串联耦接的多个电阻，所述多组开关电路与所述多个电阻对应设置，每组所述开关电路的共栅极耦接于所述多个电阻其中一个电阻的远离所述电源电压输入端的一端。

优选地，在靠近所述电压输出端前还设有至少一个电容，所述电容另一端接地。

优选地，所述二极管为正向导通的二极管。

优选地，所述二极管包括串联耦接且正向导通的多个二极管。

优选地，所述多个二极管中，与所述电阻连接的第一二极管上还并联有至少一个电阻。

优选地，所述多个电阻中各个电阻的阻值相同或不同。

优选地，所述多个二极管中，在至少一个其他二极管上还并联有至少一个电阻。

优选地，各个电阻可替换为任意数量的串联耦接的多个电阻、和/或各个二极管可替换为任意数量的串联耦接的多个二极管。

与现有技术相比，本发明所提供的一种射频天线开关稳压电路，使射频天线开关可以在更宽范围的供电电压下工作，并且能够对射频天线开关各路分别供电，提供多种供电电压，而且在各种电压下射频天线开关都拥有最佳的性能，有较低的开启关断时间，并实现性能的多样化，此外，也可调节射频天线的温度特性，使其满足不同温度特性需求，并适应多种制造工艺，可与开关实现片内集成，形成较小的封装尺寸。

附图说明

图1（a）是现有技术中采用LDO稳压电路的结构示意图；

图1（b）是现有技术中采用二极管稳压电路的结构示意图；

图2（a）是采用图1（a）中的稳压电路随电源电压变化的输出曲线图；

图2（b）是采用图1（b）中的稳压电路随电源电压变化的输出曲线图；

图3是本发明所述的射频天线开关稳压电路的结构示意图；

图4是图3所述的稳压电路的一个实施例；

图5（a）是图3所述的稳压电路中随电源电压变化的输出电压曲线图；

图5（b）是图3所述的稳压电路中随温度变化的输出电压曲线图；

图6是本发明所述的射频天线开关稳压电路的一个应用实施例；

图7是本发明所述的单路射频天线开关的简略示意图；

图8是本发明所述的多路开关各路栅极沟道分别供电的实施图。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本新型的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图3所示，本发明所公开的一种射频天线开关稳压电路，采用片内集成技术，包括电源电压输入端Vbat、二极管、电阻以及电压输出端Vout，其中，所述电源电压输入端Vbat连接电阻，电阻另一端串接该二极管，二极管另一端接地，在所述电源电压输入端Vbat和地端之间还设有至少一组由N沟道MOS管M1和P沟道MOS管M2组成的开关电路，所述电压输出端也Vout设有多个（Vout1、Vout2…Voutn），每组开关电路对应一个电压输出端，用于在不同的供电电压条件下，为射频天线开关提供不同的、可变的、合适的供电电压，使得射频天线开关能够适应更宽的供电电压范围。MOS管是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流，在开关应用中，MOS管的开关速度比三极管快。

具体来说，所述N沟道MOS管M1的漏极连接所述电源电压输入端Vbat，其源极连接所述P沟道MOS管的源极，所述P沟道MOS管的漏极连接地端，所述N沟道MOS管和P沟道MOS管的栅极共接于所述电阻远离所述电源电压输入端Vbat的一端（图3中对于n个电阻的设置，n组栅极分别连接R1、R2到Rn远离Vbat的端点501、502…50n），所述N沟道MOS管和P沟道MOS管的源极S共接于电压输出端Vout。

再请参照图3，作为本发明一个优选的实施方式，所述电阻和二极管均设有多个，图3中n个电阻从R1、R2…Rn依次串联耦接，n个二极管从D1、D2….Dn依次串联耦接，第n电阻Rn接电源电压输入端Vbat，第一电阻R1另一端（即远离Vbat的一端）接有正向串联的第n二极管Dn，n个二极管从Dn、Dn-1…D1为正向排列方式，最后串联的第一二极管D1的另一端接地。其中，根据实际电路的需要，各个所述电阻的阻值可以设为相同或不同，各个所述电阻和二极管的数量可调，适当增多和减少都可以。

此外，在靠近所述电压输出端Vout前还设有至少一个电容C，所述电容C另一端接地，该电容C的位置也可看做是并联在所述P沟道MOS管的源极和漏极之间，通过在每一组开关电路中均设有该电容，隔断直流电。

还可以在与所述第一电阻R1连接的第n二极管Dn管上并联一个或多个分流电阻Rs_n，或者在其他二极管上也并联一个或多个电阻。

图4是采用本发明所述的射频天线开关稳压电路的一个实施例，在此实施例中，在电源电压输入端Vbat和地端之间设有一组由P沟道MOS管M1和N沟道MOS管M2组成的开关电路。

为方便描述，设定401点的电压为Vin，工作时M2等效成电阻Rs，可得出当该点电压V_in小于栅极阈值电压V_TH时，M1处于截止状态，V_out=0，当V_in≥V_TH时，M1导通，输出电压可表示为

$\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n\frac{W}{L}(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{TH}}-V_{\mathrm{out}}{)}^2\mathrm{Rs}=V_{\mathrm{ous}};$

对两边同时求微分

$\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n\frac{W}{L}(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{TH}}-V_{\mathrm{out}})(1-\frac{\∂V_{\mathrm{TH}}}{\∂V_{\mathrm{in}}}-\frac{\∂V_{\mathrm{out}}}{\∂V_{\mathrm{in}}})\mathrm{Rs}=\frac{\∂V_{\mathrm{out}}}{\∂V_{\mathrm{in}}};$

其中， $\frac{\∂V_{\mathrm{TH}}}{\∂V_{\mathrm{in}}}=\mathrm{\η}\frac{\∂V_{\mathrm{out}}}{\∂V_{\mathrm{in}}},$ $\frac{\∂V_{\mathrm{out}}}{\∂V_{\mathrm{in}}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{TH}}-V_{\mathrm{out}})\mathrm{Rs}}{1+{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{TH}}-V_{\mathrm{oout}})\mathrm{RS}(1+\mathrm{\η})};$

需要指出，由于 $\mathrm{gm}={\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{TH}}-V_{\mathrm{out}}),$ g_mb＝ηg_m，

所以 $A_v=\frac{g_m\mathrm{Rs}}{1+\mathrm{Rs}(g_m+g_{\mathrm{mb}})}.$

当V_in≈V_TH，增益逐渐增大。随漏极电流和g_m变大，而且η随着V_out增大缓慢减小，所以可得A_v从零逐渐增大最终接近于1。而A_v会趋近于1，却不会等于1，所以V_in较大时，V_out约等于V_in。

因为导通后二极管两端的电压基本上保持不变，所以V_in基本上不变。故V_out基本不变，稳点在固定值，实现稳压功能。V_in始终小于电源电压，所以NMOS管M1是不会进入线性区的。

根据上面结论，在图3中，输出电压约等于501点的电压，V_out=VD₁+VD₂+VD_n-1当Vbat电压较低时，略大于VD₁+VD₂+VD_n-1只能使Dn下面的二极管导通，Dn没有导通时，501的电压V₅₀₁=VD₁+VD₂+VD_n-1+VR₁，通过加入电阻R1可以使偏置电路所需的V_bat在较低的电压，如需更低的开启电压，可减少二极管数量D和多并入电阻R。

实际上二极管导通电压电压随二极管的正向电流增大而增大，同时取决于二极管面积，所以可调节R1～Rn的大小，来设定偏置电路中电流大小，以及调整D1～Dn的面积，可以在Dn上并联一个电阻，从而设定V_in随电源电压变化的斜率，从而设定Vout输出曲线。如图5（a）所示，为本电路可实现的Vout随Vbat变化的输出电压曲线。从图示中可以看出，射频天线开关稳压电路的输出电压信号斜率可变，在较低电源电压下输出电压接近电源电压，斜率较大，电源电压升高到一定电压后，斜率降低，最后基本不随电源电压升高而升高。可对射频天线开关的温度特性进行设定，使其满足不同温度特性需求。

图4中V_in始终小于电源电压，所以晶体管M1是不会进入线性区的。依照图7所示，射频天线开关中，管子存在较多的串并联，栅极寄生电容较大。开关的开启时间相当于栅极寄生电容的充电时间，需增大M1的宽长从而保证M1有足够的驱动能力保证开关的开启时间。而开关的关断时间是由图6中的逻辑电路决定，调整逻辑控制电路的下拉管宽长比，很容易实现图6中管的栅极寄生电容快速放电，保证射频开关较短的关断时间。本电路中开启关断时间很小，自身极小的静态功耗，并使射频天线开关具有很小的开启关断时间。

根据射频天线开关的温度特性，随温度变化插入损耗会随之变化，依照图7所示，为补偿插入损耗随温度的增大，需根据温度改变栅极到沟道的电压VGB，所以需要调节给VGB的供电电压。依照图3，输出电压的温度特性主要由偏置电路的温度特性决定，是根据二极管的负温度特性和电阻的正温度特性来组合出所需的特性。从图5（b）中可看出，射频天线开关的输出电压随温度的升高逐渐减小，其减小的幅度可变，斜率可以相等也可以不等。因此，本发明射频偏置电路电压信号具有温度系数，且温度系数可调节。

射频天线开关中各路信号的频段功率都有所区别，所以对各路性能的主要参数也不同。通过调节栅极和沟道电压，可以设置出插入损耗通道，高隔离度通道，高功率通道。即使供电电压很高，每个器件都工作在较低的电压范围，所以在多种制造工艺条件下都可实现。如图8所示，可通过对各路开关分别提供不同的偏置电压来实现需求。

与现有技术相比，本发明所述的一种射频天线开关稳压电路，能够实现对射频天线开关各路实行分别供电，使射频天线开关可在更宽的电源电压下工作，可根据需求对射频天线各路提供多种不同电压，各路电压的电压值大小，变化斜率，温度系数均可以不同。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，依照本发明可提出的各种设置方案，根据不同情况可有其他多种方式的实施例，在此不一一指出，故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种射频天线开关稳压电路，包括电源电压输入端、二极管、电阻以及电压输出端，所述电阻和所述二极管串联耦接在所述电源电压输入端和地端之间，其特征在于，

在所述电源电压输入端和地端之间还设有至少一组由N沟道MOS管和P沟道MOS管组成的开关电路，所述N沟道MOS管的漏极连接所述电源电压输入端，所述P沟道MOS管的漏极连接地端，所述N沟道MOS管和P沟道MOS管的栅极共接于所述电阻远离所述电源电压输入端的一端，所述N沟道MOS管和P沟道MOS管的源极共接于一个所述电压输出端，所述电压输出端与所述开关电路对应设置，每组所述开关电路提供一个输出电压。

2.如权利要求1所述的一种射频天线开关稳压电路，其特征在于，当所述开关电路有多组时，所述电阻包括串联耦接的多个电阻，所述多组开关电路与所述多个电阻对应设置，每组所述开关电路的共栅极耦接于所述多个电阻其中一个电阻的远离所述电源电压输入端的一端。

3.如权利要求1所述的一种射频天线开关稳压电路，其特征在于，在靠近所述电压输出端前还设有至少一个电容，所述电容另一端接地。

4.如权利要求1所述的一种射频天线开关稳压电路，其特征在于，所述二极管为正向导通的二极管。

5.如权利要求4所述的一种射频天线开关稳压电路，其特征在于，所述二极管包括串联耦接且正向导通的多个二极管。

6.如权利要求5所述的一种射频天线开关稳压电路，其特征在于，所述多个二极管中，与所述电阻连接的第一二极管上还并联有至少一个电阻。

7.如权利要求2所述的一种射频天线开关稳压电路，其特征在于，所述多个电阻中各个电阻的阻值相同或不同。

8.如权利要求6所述的一种射频天线开关稳压电路，其特征在于，所述多个二极管中，在至少一个其他二极管上还并联有至少一个电阻。

9.如权利要求1-8中任一项所述的一种射频天线开关稳压电路，其特征在于，各个电阻可替换为任意数量的串联耦接的多个电阻、和/或各个二极管可替换为任意数量的串联耦接的多个二极管。