CN105049016A - 单刀单掷射频开关及其构成的单刀双掷射频开关和单刀多掷射频开关 - Google Patents
单刀单掷射频开关及其构成的单刀双掷射频开关和单刀多掷射频开关 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种单刀单掷射频开关，包括：半导体开关器件其第一端通过第一电容连接该单刀单掷射频开关第一端并通过第一电阻连接第一状态控制信号输入端；其第二端通过第二电阻连接第二状态控制信号输入端；其第三端通过第四电阻接地并连接第一二极管正极，第一二极管负极连接第二二极管负极并通过第六电阻接电源电压，第二二极管正极通过第五电阻接地；其第四端通过第二电容连接该单刀单掷射频开关第二端并通过第三电阻连接第三状态控制信号输入端；第一电感跨接于第一电容、半导体开关器件和第二电容所组成串联电路两端。本发明还公开了一种单刀双掷射频开关和一种单刀多掷射频开关。本发明的单刀单掷射频开关具有更高隔离度，产生更少高次谐波。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种单刀单掷射频开关。本发明还涉及由所述单刀单掷射频开关构成的单刀双掷射频开关和单刀多掷射频开关。
背景技术
随着现代通信技术的深入发展通信设备正在向小型化和低能耗发展，这就要求通信设备内的每个组件都采用小型化设计，尽量控制器件尺寸和厚度，同时也要尽量减少组件数量及组件功率消耗。
射频信号输入输出模块主要可实现对接收射频信号的低噪声放大和发射射频信号的功率放大等功能，是射频通信设备中不可或缺的组成部分，其中，单刀单掷开关和单刀多掷开关用以实现射频信号的信号流向控制等作用。在目前的微波通讯系统中，功率开关通常采用几种形式：(1)采用分立的硅材料的PIN二极管，采用混合电路的方式实现，其缺点是体积大，工作频率窄且控制电路复杂。(2)采用砷化镓(GaAs)高电子迁移率晶体管(pHEMT)单片开关，高电子迁移率晶体管开关具有体积小、应用频带宽等特点，但是，不易于和其它的射频电路做单芯片整合。(3)采用MOS器件的开关，有价格优势，适于和其它部分通信电路做片上集成，缺点是耐压和耐大功率的能力有限。除此之外，现有的功率开关还急需克服插入损耗大、隔离度不理想、输入输出驻波比大和开关响应时间长等缺点，随着现代通信技术的不断发展和人们对通信质量要求地日益苛刻，传统的功率开关已不能满足实际使用的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种与现有单刀单掷射频开关相比较具有更高隔离度，线性度更好，产生更少高次谐波的单刀单掷射频开关。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种具有所述单刀单掷射频开关的与现有技术相比较在发射模式下能处理更高的传输功率，同时保持良好的线性性能的单刀双掷射频开关；以及，一种单刀多掷射频开关。
为解决上述技术问题本发明提供的单刀单掷射频开关，包括：
半导体开关器件T第一端连接第一电容C1一端和第一电阻R1一端，第一电容C1的另一端连接该单刀单掷射频开关第一端P1，第一电阻R1另一端连接第一状态控制信号输入端S1；
半导体开关器件T第二端连接第二电阻R2一端，第二电阻R2另一端连接第二状态控制信号输入端S2；
半导体开关器件T第三端连接第四电阻R4一端和第一二极管D1正极，第四电阻R4另一端接地，第一二极管D1负极连接第二二极管D2负极并通过第六电阻R6接电源电压VDD，第二二极管D2正极通过第五电阻R5接地；
半导体开关器件T第四端连接第二电容C2一端和第三电阻R3一端，第二电容C2的另一端连接该单刀单掷射频开关第二端P2，第三电阻R3另一端连接第三状态控制信号输入端S3；
第一电感L1跨接于第一电容C1、半导体开关器件T和第二电容C2所组成串联电路的两端。
其中，第一电容C1和第二电容C2在半导体开关器件T导通时与第一电感L1并联谐振。
其中，所述半导体开关器件T为:PMOS、NMOS、HEMT或LDMOS均可使用。
以NMOS为例，第一端是源极也可以是漏极，第二端是栅极，第三端是衬底，第四端是漏极也可以是源极。
一种具有上述任意一项所述单刀单掷射频开关的单刀双掷射频开关，包括：
一接收臂，其第一端连接该单刀双掷射频开关的接收端P3，其第二端连接该单刀双掷射频开关的天线端P4；
一发射臂，其第一端连接该单刀双掷射频开关的天线端P4，其第二端连接该单刀双掷射频开关的发射端P5；
所述接收臂包括：单刀单掷射频开关第一端(P1)连接第三电容C3第一端，第三电容C3第二端连接低噪声放大器LNA的输入端，低噪声放大器LNA的输出端作为接收臂的第一端；
所述发射臂包括：单刀单掷射频开关第一端P1作为该发射臂的第一端，该单刀单掷射频开关第二端P2作为该发射臂的第二端。
还包括开关SW，开关SW)一端连接在接收臂低噪声放大器LNA输入端和第三电容C3第二端之间，另一端接地。
一种具有上述任意一项所述单刀单掷射频开关的单刀多掷射频开关，包括：
至少两个接收臂和一个发射臂；
每个接收臂的第一端连接该单刀多掷射频开关的接收端P3，每个接收臂的第二端连接该单刀多掷射频开关的天线端P4；
每个发射臂的第一端连接该单刀多掷射频开关的天线端P4，每个发射臂的第二端连接该单刀多掷射频开关的发射端P5；
所述接收臂包括：单刀单掷射频开关第一端P1连接第三电容C3第一端，第三电容C3第二端连接低噪声放大器LNA的输入端，低噪声放大器LNA的输出端作为接收臂的第一端；
所述发射臂包括：单刀单掷射频开关第一端P1作为该发射臂的第一端，该单刀单掷射频开关第二端P2作为该发射臂的第二端。
其中，任一发射臂的第二端具有ESD器件接入点E，任一接收臂的第一端具有ESD器件接入点E，该单刀多掷射频开关的天线端具有ESD器件接入点E，上述各ESD接入点其中任一处连接有ESD保护器件，所述ESD保护器件是ESD二极管、ESD三极管或接地电感。
其中，每个接收臂还包括开关SW，开关SW一端连接在接收臂低噪声放大器LNA输入端和第三电容C3第二端之间，另一端接地。
本发明提供的单刀单掷射频开关，半导体开关器件T控制接收臂的工作状态。电阻R1、R2和R3分别接入状态控制信号SW1EN、SW1ENB和SW1EN，并且提供控制端相应的射频隔离。本发明结构中的第一电感L1跨接在耦合电容和开关管串联电路的两端，发明结构中的耦合电容C1和C2被设计为开关管导通时与第一电感L1并联谐振，因此可以使用比现有结构隔直电容更小的电容值，因此进一步减少芯片使用面积。
本发明单刀单掷射频开关工作原理：当SW1ENB接高电平，SW1EN接低电平，开关管T导通，耦合电容C1和C2和第一电感L1并联谐振在工作频段内，使端P1和P2高阻隔离，在工作频段内的等效电路如图2所示，其中RSW1on为半导体开关器件T的等效导通电阻。当SW1ENB接低电平，SW1EN接高电平，接收臂的开关管关断，呈现很小的关断电容Coff，它与电容C1、C2和第一电感L1谐振比工作频段更高的频率上，因此在工作频段上呈现为电感，在工作频段内的等效电路如图3所示。由此可见，在发明结构中，半导体开关器件T的工作状态和控制逻辑，与整个单刀单掷射频开关的工作状态是相反的，这有利于收发射频开关的设计。
第一电感L1值的选取需要兼顾接收和发射状态，第一电感L1在发射状态时根据能实现的Q值选择略高阻抗的合理值，保证良好的单刀单掷射频开关隔离度；同时在接收状态时，图3的等效电路和串联电容在史密斯圆图上呈现的阻抗变换路径控制在合理长度，保证在呈现给低噪声放大器LNA输入端最优阻抗点Sopt的同时，还有较小的插入损耗。
本发明的单刀双掷射频开关的接收臂为第一单刀单掷射频开关，发射臂为第二单刀单掷射频开关。此时接收和发射臂的半导体开关器件T都由相同的逻辑控制，即，同时导通时，单刀双掷开关处于发射模式；同时关断时，单刀双掷开关处于接收模式；这与通常的射频开关设计是不同的。发射状态时，即使处于天线口通过射频功率比较大的情形，由于接收臂的半导体开关器件T处于导通状态，其对于系统谐波性能的失真明显优于现有技术。
本发明的单刀多掷射频开关的应用显示了利用所发明的单刀单掷射频开关组成的单刀多掷射频开关，可以由m(m≥2的整数)个接收臂和n(n≥1为的整数)个发射臂组成。由于结构中各个发射和接收臂都有横跨开关管与耦合电容的电感，因此对于直流和低频相当于多点短路，而这些点正是各自单独结构中ESD需要考虑的地方，如图5中椭圆E所表示的几个区域。在本结构的开关中只要有一个椭圆区域放置带有ESD功能的器件，如ESD二极管、ESD三极管、接地电感等，则整个电路都有ESD防护功能。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明单刀单掷射频开关一实施例的结构示意图。
图2是图1所示实施例开关器件T导通状态等效电路图。
图3是图1所示实施例开关器件T关断状态等效电路图。
图4是本发明单刀双掷射频开关一实施例的结构示意图。
图5是本发明单刀多掷射频开关一实施例的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的单刀单掷射频开关一实施例，包括：
半导体开关器件T第一端连接第一电容C1一端和第一电阻R1一端，第一电容C1的另一端连接该单刀单掷射频开关第一端P1，第一电阻R1另一端连接第一状态控制信号输入端S1；
半导体开关器件T第二端连接第二电阻R2一端，第二电阻R2另一端连接第二状态控制信号输入端S2；
半导体开关器件T第三端连接第四电阻R4一端和第一二极管D1正极，第四电阻R4另一端接地，第一二极管D1负极连接第二二极管D2负极并通过第六电阻R6接电源电压VDD，第二二极管D2正极通过第五电阻R5接地；
半导体开关器件T第四端连接第二电容C2一端和第三电阻R3一端，第二电容C2的另一端连接该单刀单掷射频开关第二端P2，第三电阻R3另一端连接第三状态控制信号输入端S3；
第一电感L1跨接于第一电容C1、半导体开关器件T和第二电容C2所组成串联电路的两端。
其中，第一电容C1和第二电容C2在半导体开关器件T导通时与第一电感L1并联谐振。
其中，所述半导体开关器件T为NMOS，其第一端是源极(也可以是漏极)，第二端是栅极，第三端是衬底，第四端是漏极(也可以是源极)。
如图4所示，本发明提供具有上述任意一项所述单刀单掷射频开关的单刀双掷射频开关一实施例，包括：
一接收臂，其第一端连接该单刀双掷射频开关的接收端P3，其第二端连接该单刀双掷射频开关的天线端P4；
一发射臂，其第一端连接该单刀双掷射频开关的天线端P4，其第二端连接该单刀双掷射频开关的发射端P5；
所述接收臂包括：单刀单掷射频开关第一端P1连接第三电容C3第一端，第三电容C3第二端连接低噪声放大器LNA的输入端，低噪声放大器LNA的输出端作为接收臂的第一端；
所述发射臂包括：单刀单掷射频开关第一端P1作为该发射臂的第一端，该单刀单掷射频开关第二端P2作为该发射臂的第二端。
还包括开关SW，开关SW一端连接在接收臂低噪声放大器LNA输入端和第三电容C3第二端之间，另一端接地。
如图5所示，本发明提供具有上述任意一项所述单刀单掷射频开关的单刀多掷射频开关一实施例，包括：两个接收臂和一个发射臂；
每个接收臂的第一端连接该单刀多掷射频开关的接收端P3，每个接收臂的第二端连接该单刀多掷射频开关的天线端P4；
每个发射臂的第一端连接该单刀多掷射频开关的天线端P4，每个发射臂的第二端连接该单刀多掷射频开关的发射端P5；
所述接收臂包括：单刀单掷射频开关第一端P1连接第三电容C3第一端，第三电容C3第二端连接低噪声放大器LNA的输入端，低噪声放大器LNA的输出端作为接收臂的第一端；
所述发射臂包括：单刀单掷射频开关第一端P1作为该发射臂的第一端，该单刀单掷射频开关第二端P2作为该发射臂的第二端。
其中，任一发射臂的电容和单刀单掷射频开关之间具有ESD器件接入点E，任一接收臂的第二端具有ESD器件接入点E，该单刀多掷射频开关的天线端具有ESD器件接入点E，上述各ESD接入点其中任一处连接有ESD保护器件，所述ESD保护器件是ESD二极管、ESD三极管或接地电感。
其中，每个接收臂还包括开关SW，开关SW一端连接在接收臂低噪声放大器LNA输入端和第三电容C3第二端之间，另一端接地。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种单刀单掷射频开关，其特征在于，包括：
半导体开关器件(T)第一端连接第一电容(C1)一端和第一电阻(R1)一端，第一电容(C1)的另一端连接该单刀单掷射频开关第一端(P1)，第一电阻(R1)另一端连接第一状态控制信号输入端(S1)；
半导体开关器件(T)第二端连接第二电阻(R2)一端，第二电阻(R2)另一端连接第二状态控制信号输入端(S2)；
半导体开关器件(T)第三端连接第四电阻(R4)一端和第一二极管(D1)正极，第四电阻(R4)另一端接地，第一二极管(D1)负极连接第二二极管(D2)负极并通过第六电阻(R6)接电源电压(VDD)，第二二极管(D2)正极通过第五电阻(R5)接地；
半导体开关器件(T)第四端连接第二电容(C2)一端和第三电阻(R3)一端，第二电容(C2)的另一端连接该单刀单掷射频开关第二端(P2)，第三电阻(R3)另一端连接第三状态控制信号输入端(S3)；
第一电感(L1)跨接于第一电容(C1)、半导体开关器件(T)和第二电容(C2)所组成串联电路的两端。
2.如权利要求所述的单刀单掷射频开关，其特征在于：第一电容(C1)和第二电容(C2)在半导体开关器件(T)导通时与第一电感(L1)并联谐振。
3.如权利要求所述的单刀单掷射频开关，其特征在于：所述半导体开关器件(T)为:PMOS、NMOS、HEMT或LDMOS。
4.一种具有权利要求1～3任意一项所述单刀单掷射频开关的单刀双掷射频开关，其特征在于,包括：
一接收臂，其第一端连接该单刀双掷射频开关的接收端(P3)，其第二端连接该单刀双掷射频开关的天线端(P4)；
一发射臂，其第一端连接该单刀双掷射频开关的天线端(P4)，其第二端连接该单刀双掷射频开关的发射端(P5)；
所述接收臂包括：单刀单掷射频开关第一端(P1)连接第三电容(C3)第一端，第三电容(C3)第二端连接低噪声放大器(LNA)的输入端，低噪声放大器(LNA)的接收端作为接收臂的第一端；
所述发射臂包括：单刀单掷射频开关第一端(P1)作为该发射臂的第一端，该单刀单掷射频开关第二端(P2)作为该发射臂的第二端。
5.一种具有权利要求4所述的单刀双掷射频开关，其特征在于：还包括开关(SW)，开关(SW)一端连接在接收臂低噪声放大器(LNA)输入端和第三电容(C3)第二端之间，另一端接地。
6.一种具有权利要求1～3任意一项所述单刀单掷射频开关的单刀多掷射频开关，其特征在于,包括：至少两个接收臂和一个发射臂；
每个接收臂的第一端连接该单刀多掷射频开关的接收端(P3)，每个接收臂的第二端连接该单刀多掷射频开关的天线端(P4)；
每个发射臂的第一端连接该单刀多掷射频开关的天线端(P4)，每个发射臂的第二端连接该单刀多掷射频开关的发射端(P5)；
所述接收臂包括：单刀单掷射频开关第一端(P1)连接第三电容(C3)第一端，第三电容(C3)第二端连接低噪声放大器(LNA)的输入端，低噪声放大器(LNA)的输出端作为接收臂的第一端；
所述发射臂包括：单刀单掷射频开关第一端(P1)作为该发射臂的第一端，该单刀单掷射频开关第二端(P2)作为该发射臂的第二端。
7.一种具有权利要求6所述的单刀多掷射频开关，其特征在于：任一发射臂的第二端具有ESD器件接入点(E)，任一接收臂的第一端具有ESD器件接入点E，该单刀多掷射频开关的天线端具有ESD器件接入点(E)，上述各ESD接入点其中任一处能连接有ESD保护器件。
8.如权利要求7所述的单刀多掷射频开关，其特征在于：所述ESD保护器件是ESD二极管、ESD三极管或接地电感。
9.如权利要求7所述的单刀多掷射频开关，其特征在于：每个接收臂还包括开关(SW)，开关(SW)一端连接在接收臂低噪声放大器(LNA)输入端和第三电容(C3)第二端之间，另一端接地。
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