CN104779941B - 开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关装置包含有：一第一开关电路，具有一控制端点耦接于一第一控制信号，该第一开关电路用来依据该第一控制信号选择性地将一信号端点耦接至一第一放大电路；以及一第一控制电路，具有一第一控制端点与一第二控制端点分别耦接于该第一开关电路的该控制端点与该信号端点，其中当该第一开关电路被控制以电性切断该信号端点与该第一放大电路之间的连接，且当该信号端点的一电压电平到达一第一预定电压电平时，该第一控制电路用来将该第一开关电路的该控制端点电性连接至该信号端点。本发明的开关装置能够处理大摆幅信号，以承受该接收器所能接受的最大射频输入信号和/或该发送器所能产生的最大射频输出信号。

Description

开关装置
【技术领域】
本发明关于一种开关装置，尤其关于一种能够处理大摆幅信号的开关装置。
【背景技术】
在一无线通讯系统中，例如一频率调变(Frequency Modulation)收发器中，该频率调变收发器的接收器和发送器会共享同一支天线。因此，当该无线通讯系统处于正常的操作时，一开关会用来将该天线耦接至该接收器，或将该天线耦接至该发送器。依据一传统的无线通讯系统的作法，该开关与该接收器串接在一起，而不是与该发送器串接在一起，这是由于发送器关于信号失真与频带外发射(Out-of-band emission)的要求比该接收器关于信号线性度的要求来得严厉所致。举例来说，在一接收信号模式下，当该开关开启(亦即短路)时，该开关应具有低插入损耗(Insertion loss)、大的输入范围、低信号失真、占用面积小等特性；而在一传送信号模式下，当该开关关闭(亦即开路)时，该开关应具有承受得住大摆幅信号、低信号失真、不干扰该传送器的传送信号等特性。然而，由于该接收器与该发送器的电路结构都相当复杂，因此要制造出一个符合上述特征，且可以承受该接收器所能接受的最大射频输入信号和/或该发送器所能产生的最大射频输出信号的开关其实是相当困难的。因此，提供一个符合上述特征的开关给该无线通讯系统已成为本领域技术人员所亟需解决的问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明之一目的在于提供能够处理大摆幅信号的一开关装置，以承受该接收器所能接受的最大射频输入信号和/或该发送器所能产生的最大射频输出信号。
依据本发明的一实施例，其提供一种开关装置。该开关装置包含有一第一开关电路，具有一控制端点耦接于一第一控制信号，该第一开关电路用来依据该第一控制信号选择性地将一信号端点耦接至一第一放大电路；以及一第一控制电路，具有一第一控制端点与一第二控制端点分别耦接于该第一开关电路的该控制端点与该信号端点，其中当该第一开关电路被控制以电性切断该信号端点与该第一放大电路之间的连接，该第一控制电路被关闭使得该第一开关电路的控制端点和该信号端点不连接直到该信号端点的一电压电平到达一第一预定电压电平，当该信号端点的该电压电平到达该第一预定电压电平时，该第一控制电路用来将该第一开关电路的该控制端点电性连接至该信号端点。
依据本发明的另一实施例，其提供一种开关装置。该开关装置具有一控制端点耦接于一第一控制信号，该开关电路依据该第一控制信号来选择性地将一信号端点耦接于一第一放大电路，该开关电路包含有：一场效应晶体管，具有一栅极端耦接于该第一控制信号，一第一连接端耦接于该信号端点，以及一第二连接端耦接于该第一放大电路，该场效应晶体管形成于一第一掺杂井内；一第一电阻性电路，该第一电阻性电路与该第一掺杂井串接，当该开关电路被控制来电性切断该信号端点与该第一放大电路之间的连接，且当该信号端点上的电压电平达到一第二预定电压电平时，该第一电阻性电路用来限制流入该第一掺杂井的一电流；以及一电容性电路，耦接于该场效应晶体管的该第一连接端与该第一掺杂井之间，用来使得该第一掺杂井上的交流电压跟随着该场效应晶体管的该第一连接端的交流电压一起变化。
上述开关装置，能够处理大摆幅信号，以承受该接收器所能接受的最大射频输入信号和/或该发送器所能产生的最大射频输出信号。
【附图说明】
图1为本发明的前端电路的一实施例的电路示意图；
图2A为本发明的第一开关电路的一实施例的简化纵切面结构示意图；
图2B为本发明包含有图2A所示的第一开关电路的前端电路的的一实施例的电路示意图；
图2C为本发明包含有图2A所示的第一开关电路的前端电路的另一实施例的电路示意图；
图2D为本发明包含有图2A所示的第一开关电路的前端电路的再一实施例的电路示意图。
【具体实施方式】
在说明书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段，因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或者透过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
请参考图1，图1为本发明的前端电路的一实施例的电路示意图。前端电路100包含有开关装置102、低噪声放大器104、功率放大器106、垫108、电感110以及偏压电路112，其中开关装置102、低噪声放大器104、功率放大器106以及垫108设置于一集成电路内，亦即一单芯片。电感110的第一端从外部经由垫108耦接于该集成电路，而电感110的第二端耦接于接地电压AVSS。此外，一嵌入式的天线(未显示于图中)用来直接连接于垫108以使得该嵌入式的天线并联于电感110。换句话说，本实施例并没有使用交流(Alternating Current,AC)耦合电容来连接在该嵌入式天线与垫108之间，因此连接该嵌入式天线的垫108上的直流(Direct Current,DC)偏压点会大致上为0V(伏特)。此外，在本较佳实施例中，前端电路100可以为一频率调变通讯系统的前段电路。
开关装置102包含有第一开关电路1022、第一控制电路1024以及第二控制电路1026。第一开关电路1022可以为一T/R(传送器/接收器)开关，该T/R开关会具有一控制端点N1耦接于第一控制信号Sc1，且第一开关电路1022用来依据第一控制信号Sc1选择性地将一信号端点N2耦接至第一放大电路(亦即低噪声放大器104)。第一控制电路1024具有第一控制端点与第二控制端点分别耦接于第一开关电路1022的控制端点N1与信号端点N2。当第一开关电路1022被控制以电性切断信号端点N2与低噪声放大器104之间的连接，且当信号端点N2的一电压电平Vn2到达第一预定电压电平Vp1时，第一控制电路1024用来将第一开关电路1022的控制端点N1电性连接至信号端点N2。
此外，在此较佳实施例中，第一开关电路1022可以为一场效应晶体管。进一步来说，第一开关电路1022会包含有N型场效应晶体管MN1，如图1所示，N型场效应晶体管MN1会具有栅极端耦接于第一控制信号Sc1、第一连接端耦接于信号端点N2以及第二连接端耦接于低噪声放大器104。
更进一步而言，第一开关电路1022另包含有第一电阻性电路1022a、电容性电路1022b以及第二电阻性电路1022c。在此较佳实施例中，N型场效应晶体管MN1形成于第一掺杂井(well)中，例如P型井(P-well)。第一电阻性电路1022a的一端点串接于该P型井，而第一电阻性电路1022a的另一端点耦接于一接地电压AVSS。当第一开关电路1022被控制来电性切断信号端点N2与低噪声放大器104之间的连接，且当信号端点N2上的电压电平达到一第二预定电压电平Vp2时，第一电阻性电路1022a用来限制流入该P型井的一电流。电容性电路1022b耦接于N型场效应晶体管MN1的第一连接端(亦即N2)与该P型井之间。请注意，在此较佳实施例中，N型场效应晶体管MN1另形成于一第二掺杂井中，例如一深N型井(deep N-well)。此外，第二电阻性电路1022c的一端点串接于该深N型井，而第二电阻性电路1022c的另一端点耦接于一供应电压AVDD。
此外，第一控制电路1024包含有一场效应晶体管1024a、一电阻性电路1024b、一电阻性电路1024c以及一电阻性电路1024d。场效应晶体管1024a可以为一N型场效应晶体管，而场效应晶体管1024a具有一栅极端耦接于一参考电压(例如接地电压AVSS)、一第一连接端耦接于该第一控制端点(亦即控制端点N1)以及一第二连接端耦接于该第二控制端点(亦即信号端点N2)。电阻性电路1024b耦接于场效应晶体管1024a的第二连接端N3与第二控制端点N2之间。电阻性电路1024c耦接于场效应晶体管1024a的栅极端与参考电压AVSS之间。电阻性电路1024d耦接于第一开关电路1022的控制端点N1与第一控制信号Sc1之间。
第二控制电路1026具有一第三控制端点与第四控制端点分别耦接于第一开关电路1022的控制端点(亦即N1)与一参考电压(亦即一供应电压AVDD)。当第一开关电路1022被用来将信号端点N2连接至该第一放大电路(亦即低噪声放大器104)时，第二控制电路1026用来将第一开关电路1022的控制端点(亦即N1)上的一电压电平大致上维持不变。在此较佳实施例中，第二控制电路1026可以为一场效应晶体管。进一步而言，第二控制电路1026可以为一P型场效应晶体管，如图1所示。该P型场效应晶体管具有一栅极端耦接于一第二控制信号Sc2，一第三连接端耦接于第一开关电路1022的该控制端点(亦即N1)以及一第四连接端耦接于供应电压AVDD。此外，第二控制信号Sc2为第一控制信号Sc1的一反相信号。
偏压电路112包含有一第一电阻性电路RS1以及一第二电阻性电路RS2耦接于供应电压AVDD与接地电压AVSS之间。当第一开关电路1022被控制来电性切断信号端点N2与该第一放大电路(亦即低噪声放大器104)之间的连接时，第一电阻性电路RS1与第二电阻性电路RS2用来将N型场效应晶体管MN1的第二连接端偏压在一第三预定电压电平Vp3，如图1所示。
在传送信号模式下，当前端电路100用来传送一射频信号Srf至该嵌入式天线时，第一控制信号Sc1会关闭第一开关电路1022以使得信号端点N2与低噪声放大器104之间电性断开，亦即第一控制信号Sc1的电压电平会被切换至低电压电平(例如0V)以关闭第一开关电路1022。接着，功率放大器106就会用来产生射频信号Srf，并经由垫108传送至该嵌入式天线。由于信号端点N2耦接于垫108，故射频信号Srf的大摆幅有可能会受到第一开关电路1022的操作状态的影响。进一步而言，射频信号Srf的大摆幅有可能会启动N型场效应晶体管MN1的漏基PN接面(drain-bulk PN junction)。因此，第一电阻性电路1022a用来耦接于该基体(亦即该P型井)与接地电压AVSS之间，以于信号端点N2上的电压电平达到第二预定电压电平Vp2时限制电流I1从接地电压AVSS流至该基底。
请参考图2A与图2B。图2A为本发明的第一开关电路的一实施例的简化纵切面结构示意图，该第一开关电路1022不具有第一电阻性电路1022a、电容性电路1022b与第二电阻性电路1022c。图2B为本发明包含有图2A所示的第一开关电路的前端电路的一实施例的电路示意图，其中第一电阻性电路1022a设置于该P型井与接地电压AVSS之间。如图2A所示，当信号端点N2的电压电平到达第二预定电压电平Vp2时，电流I1会被产生并流过N型场效应晶体管MN1的漏基PN接面(亦即PN接面PN1)，并使得PN接面PN1的压降为一临界电压(亦即Vth)。简言之，第二预定电压电平Vp2设为0V。如图2B所示，当第一电阻性电路1022a被设置于该P型井与接地电压AVSS之间时，第一电阻性电路1022a会限制由射频信号Srf的摆幅所导致的电流I1。请注意，在此较佳实施例中电流I1为一交流电流，而PN接面PN2则为N型场效应晶体管MN1的源基PN接面。
此外，为了进一步改良第一开关电路1022，本发明另设置了电容性电路1022b，电容性电路1022b耦接于N型场效应晶体管MN1的漏极(亦即N2)与该P型井之间，以使得该P型井的交流电压会跟随着N型场效应晶体管MN1的漏极的电压一起变化，如图2C所示。图2C为本发明包含有图2A所示的第一开关电路1022的前端电路的另一实施例的电路示意图，其中第一电容性电路1022b设置于N型场效应晶体管MN1的漏极与该P型井之间。如此一来，该P型井上的一交流电压就会随着N型场效应晶体管MN1的漏极(亦即信号端点N2)上的一交流电压一起变化，因此当射频信号Srf的摆幅引导出电流I1时，PN接面PN1就可以保证不会被导通。更进一步而言，第一电阻性电路1022a与电容性电路1022b用来构成一高通电阻电容滤波器，而此高通电阻电容滤波器的3分贝(dB)转角频率可以设计为比该频率调变频带低10倍的频率。
此外，出现于该P型井与该深N型井之间的寄生电容Cp会形成一零点，此零点会造成由第一电阻性电路1022a与电容性电路1022b所构成的该高通电阻电容滤波器的功能变差。因此，第二电阻性电路1022c会设计为具有一大电阻值，并将第二电阻性电路1022c串接于N型场效应晶体管MN1的深N型井以调整该零点的频率，进而减少寄生电容Cp对该高通电阻电容滤波器所造成的冲击，如图2D所示。图2D为本发明包含有图2A所示的第一开关电路1022的前端电路的再一实施例的电路示意图，其中第二电阻性电路1022c串接于N型场效应晶体管MN1的深N型井。请注意，PN接面PN3为N型场效应晶体管MN1的该P型井与该深N型井之间所形成的PN接面。
另一方面，在传送信号模式下时，当射频信号Srf足够大时，射频信号Srf还可能会导通N型场效应晶体管MN1，这是因为在传送信号模式下时，第一控制信号Sc1的电压电平设定为0V，而信号端点N2上的直流电压也偏压在0V。因此，在传送信号模式下，当信号端点N2的电压电平Vn2达到第一预定电压电平Vp1时，本发明另提供了第一控制电路1024来将第一开关电路1022的控制端点N1电性连接至信号端点N2。请再次参考图1。第一控制电路1024的场效应晶体管1024a(亦即N型场效应晶体管)的栅极耦接于接地电压AVSS，而场效应晶体管1024a的源极耦接于信号端点N2，而信号端点N2在传送信号模式下也是偏压在0V。因此，在传送信号模式下场效应晶体管1024a是关闭的。然而，若射频信号Srf的功率足够大以及射频信号Srf的摆幅到达低于接地电压AVSS的至少一个临界电压Vth时，场效应晶体管1024a将会被导通而将N型场效应晶体管MN1的漏极(亦即N2)连接至N型场效应晶体管MN1的栅极(亦即N1)。因此，当场效应晶体管1024a被导通时，N型场效应晶体管MN1的栅极(亦即N1)就会追随N型场效应晶体管MN1的漏极(亦即N2)的交流摆幅。如此一来，就算射频信号Srf的摆幅过大时，N型场效应晶体管MN1也不会被导通。请注意，在此较佳实施例中，第一预定电压电平Vp1可以设定为低于接地电压AVSS至少一个临界电压Vth的电压。
此外，上述关于第一开关电路1022的技术还可以应用在场效应晶体管1024a上以防止相同的问题，即防止场效应晶体管1024a的汲基PN接面的导通，其原因已教导于上述段落中，故在此不另赘述。
另一方面，在接收信号模式下，当前端电路100用来经由该嵌入式天线接收一射频信号Srf时，第一控制信号Sc1用来导通第一开关电路1022以使得信号端点N2连接至低噪声放大器104，即第一控制信号Sc1的电压电平会被切换至一高的电压电平(例如AVDD)以导通第一开关电路1022。接着，低噪声放大器104被用来经由垫108接收来自该嵌入式天线的射频信号Srf。依据此较佳实施例，第二控制电路1026的P型场效应晶体管用来于该接收信号模式下导通以提供供应电压AVDD给第一开关电路1022的该控制端点(亦即N1)。进一步来说，当前端电路100操作在接收模式下，若没有该P型场效应晶体管(亦即1026)时，射频信号Srf的大摆幅就会造成场效应晶体管1024a意外导通。因此，射频信号Srf的功率就会被传送到N型场效应晶体管MN1的栅极(亦即N1)，进而恶化所接收的射频信号Srf的品质(例如线性度)。因此，当具有P型场效应晶体管(亦即1026)时，第二控制信号Sc2(亦即第一控制信号Sc1的一反相信号)就可以用来导通P型场效应晶体管(亦即1026)以提供供应电压AVDD给N型场效应晶体管MN1的栅极(亦即N1)。如此一来，N型场效应晶体管MN1的栅极(亦即N1)就可以持续偏压在供应电压AVDD，而不受所接收的射频信号Srf的摆幅所影响。
另一方面，当前端电路100操作在该传送信号模式下，偏压电路112用来将N型场效应晶体管MN1的源极偏压在第三预定电压电平Vp3(例如AVDD与AVSS之间的任一电压电平)，以使得低噪声放大器104的该输入端偏压在第三预定电压电平Vp3。然而，当前端电路100操作在接收信号模式下，偏压电路112的第一电阻性电路RS1与第二电阻性电路RS2都会被控制以电性断开与N型场效应晶体管MN1的源极的连接，以保证N型场效应晶体管MN1中源极至基底的二极管在大摆幅信号下不会被导通。
依据此较佳实施例，使用电阻性电路1024b的目的是处理静电(ElectrostaticDischarge,ESD)防护。换句话说，电阻性电路1024b要用来保护面积相对较小的元件1024a以避免受到静电的影响。进一步而言，电阻性电路1024b在大摆幅信号下会提供一压降，就如同上述导通N型场效应晶体管MN1的情况一样。
此外，使用电阻性电路1024c与电阻性电路1024d的目的是为了要减少场效应晶体管1024a与N型场效应晶体管MN1分别的非线性电容(亦即栅极-漏极电容Cgd与栅极-源极电容Cgs)所造成的影响。换句话说，电阻性电路1024c与电阻性电路1024d可用来改善信号失真的问题。请注意，由于场效应晶体管1024a的面积远小于N型场效应晶体管MN1的面积，电阻性电路1024c可以设计为具有相对较小的电阻值，并主要是用来改善场效应晶体管1024a的静电保护特性。
综上所述，本发明的实施例于该T/R开关操作在该传送信号模式时，利用第一电阻性电路1022a来限制从该P型井流至接地电压AVSS的电流；于该T/R开关操作在该传送信号模式时，利用场效应晶体管1024a来使得N型场效应晶体管MN1持续地关闭；以及于该T/R开关操作在该接收信号模式时，利用第一开关电路1022来使得N型场效应晶体管MN1持续地导通。如此一来，该T/R开关会具有高线性度、低信号失真、低插入损耗以及承受高信号摆幅的特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明说明书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (13)

1.一种开关装置，包含有：
一第一开关电路，具有一控制端点耦接于一第一控制信号，该第一开关电路用来依据该第一控制信号选择性地将一信号端点耦接至一第一放大电路；以及
一第一控制电路，具有一第一控制端点与一第二控制端点分别耦接于该第一开关电路的该控制端点与该信号端点，其中当该第一开关电路被控制以电性切断该信号端点与该第一放大电路之间的连接，该第一控制电路被关闭使得该第一开关电路的控制端点和该信号端点不连接直到该信号端点的一电压电平到达一第一预定电压电平，当该信号端点的该电压电平到达该第一预定电压电平时，该第一控制电路用来将该第一开关电路的该控制端点电性连接至该信号端点。
2.如权利要求1所述的开关装置，其中该第一控制电路包含有：
一场效应晶体管，具有一栅极端耦接于一参考电压，一第一连接端耦接于该第一控制端点，以及一第二连接端耦接于该第二控制端点。
3.如权利要求2所述的开关装置，其中该第一控制电路另包含有：第一电阻性电路、第二电阻性电路以及第三电阻性电路中至少一个，其中
所述第一电阻性电路，耦接于该场效应晶体管的该第二连接端与该第二控制端点之间；
所述第二电阻性电路，耦接于该场效应晶体管的该栅极端与该参考电压之间；
所述第三电阻性电路，耦接于该第一开关电路的该控制端点与该第一控制信号之间。
4.如权利要求1所述的开关装置，另包含有：
一第二控制电路，具有一第三控制端点与一第四控制端点分别耦接于该第一开关电路的该控制端点与一参考电压，当该第一开关电路被用来将该信号端点连接至该第一放大电路时，该第二控制电路用来将该第一开关电路的该控制端点上的一电压电平大致上维持不变。
5.如权利要求4所述的开关装置，其中该第二控制电路包含有：
一场效应晶体管，具有一栅极端耦接于一第二控制信号，一第一连接端耦接于该第一开关电路的该控制端点，以及一第二连接端耦接于该参考电压。
6.如权利要求5所述的开关装置，其中该第二控制信号为该第一控制信号的一反相信号。
7.如权利要求1所述的开关装置，其中该第一开关电路包含有：
一场效应晶体管，具有一栅极端耦接于该第一控制信号，一第一连接端耦接于该信号端点，以及一第二连接端耦接于该第一放大电路，该场效应晶体管形成于一第一掺杂井内；以及
一第一电阻性电路，该第一电阻性电路的一端点串接于该第一掺杂井，另一端点耦接于一接地电压，当该第一开关电路被控制来电性切断该信号端点与该第一放大电路之间的连接，且当该信号端点上的该电压电平达到一第二预定电压电平时，该第一电阻性电路用来限制流入该第一掺杂井的电流。
8.如权利要求7所述的开关装置，其中该第一开关电路另包含有：
一电容性电路，耦接于该场效应晶体管的该第一连接端与该第一掺杂井之间。
9.如权利要求7所述的开关装置，其中该场效应晶体管另形成在一第二掺杂井内，以及该第一开关电路另包含有：
一第二电阻性电路，该第二电阻性电路的一端点串接于该第二掺杂井，另一端点耦接于一供应电压。
10.如权利要求7所述的开关装置，另包含有：
一偏压电路，当该第一开关电路被控制来电性切断该信号端点与该第一放大电路之间的连接时，该偏压电路用来将该场效应晶体管的该第二连接端偏压在一第三预定电压电平。
11.一种开关装置，包含有：
一开关电路，具有一控制端点耦接于一第一控制信号，该开关电路依据该第一控制信号来选择性地将一信号端点耦接于一第一放大电路，该开关电路包含有：
一场效应晶体管，具有一栅极端耦接于该第一控制信号，一第一连接端耦接于该信号端点，以及一第二连接端耦接于该第一放大电路，该场效应晶体管形成于一第一掺杂井内；
一第一电阻性电路，该第一电阻性电路与该第一掺杂井串接，当该开关电路被控制来电性切断该信号端点与该第一放大电路之间的连接，且当该信号端点上的电压电平达到一第二预定电压电平时，该第一电阻性电路用来限制流入该第一掺杂井的一电流；以及
一电容性电路，耦接于该场效应晶体管的该第一连接端与该第一掺杂井之间，用来使得该第一掺杂井上的交流电压跟随着该场效应晶体管的该第一连接端的交流电压一起变化。
12.如权利要求11所述的开关装置，其中该场效应晶体管另形成于一第二掺杂井内，并形成一零点，该零点由该第一掺杂井与该第二掺杂井之间的一寄生电容所造成，该开关电路另包含有：
一第二电阻性电路，串接于该第二掺杂井，用来调整该零点的频率。
13.如权利要求11所述的开关装置，其中该开关电路另包含有：
一电阻性电路，耦接于该场效应晶体管的该栅极端与该第一控制信号之间，用来减小由该场效应晶体管所造成的信号失真。
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