CN105159372A - 一种负电压生成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负电压生成电路，用于射频天线开关，包括：检测模块，对射频天线开关逻辑信号进行检测，识别逻辑信号中的使能信号；控制模块，根据射频天线开关逻辑信号的使能信号生成振荡器控制信号；振荡器，在振荡器控制信号的控制下工作在正常功耗模式或节能功耗模式，生成时钟信号，其中，在使能信号有效时振荡器工作在正常功耗模式，在使能信号失效时振荡器工作在节能功耗模式；电荷泵，响应于时钟信号将外部直流电压源转换为负电压。本申请可以降低负压生成电路中振荡器产生的功耗，并且负电压生成电路输出电压稳定，具有更好的瞬态响应。

Description

一种负电压生成电路

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体地说，涉及一种用于射频天线开关的负电压生成电路。

背景技术

在新兴通信技术的不断推动之下，3G、4G通技术已经成为了通信技术的主流。在新的移动通信设备中，需要支持更多的模式和更多频段，所以需要更复杂的射频系统。在复杂的射频通信系统中，需要用到2级或多级射频天线开关，开关需要支持高达16个频段，即开关需要16个射频通路，这意味着更大的芯片面积和更高的设计难度。在此种条件下，射频天线开关的性能在射频系统中影响更加明显。特别是在高发送功率下，射频天线开关的低插入损耗在射频系统中节省的功耗是十分可观的。

图1为现有的射频天线开关中射频通路的示意图。当射频天线开关导通时，MOS管栅极G端接高压，沟道B端接地。当射频天线开关关闭时，也就是处于隔离状态时，MOS管栅极G端接地，沟道B端接高电压。由于B端电位是不断变化的，为了避免不同通路的B端不同电压的相互影响，每一路天线开关都要加入隔直电容C301，C302。如果是单刀16掷开关，那么需要的隔直电容面积是非常大的，每一通路的面积加大，同时也会导致插入损耗加大。

为了克服上述问题，通常射频天线开关加入负压电路来为沟道B端提供负电压。图2为加入负电压的射频天线开关中射频通路的示意图。当射频天线开关导通时，MOS管栅极G端接高压，沟道B端接地。当射频天线开关关闭时，也就是处于隔离状态时，MOS管栅极G端接负压，沟道B端接地。由于B端电位是一直不变的，所以每一路天线开关不需要要加入隔直电容。

然而，在天线开关中加入负压电路后，需要设置很多电平转换电路进行逻辑信号处理，在输入逻辑信号翻转时电平转换电路耗电很大，造成射频天线开关整体功耗较大。

因此，亟需一种降低射频天线开关功耗的负电压生成电路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是克服现有技术中具有负电压生成电路的射频天线开关的功耗较大的不足。

为此，本发明提供了一种负电压生成电路，用于射频天线开关，包括：

检测模块，对射频天线开关逻辑信号进行检测，识别逻辑信号中的使能信号；

控制模块，根据射频天线开关逻辑信号的使能信号生成振荡器控制信号；

振荡器，在振荡器控制信号的控制下工作在正常功耗模式或节能功耗模式，生成时钟信号，其中，在使能信号有效时振荡器工作在正常功耗模式，在使能信号失效时振荡器工作在节能功耗模式；

电荷泵，响应于时钟信号将外部直流电压源转换为负电压。

在一个实施例中，还包括：

稳压模块，通过比较电荷泵输出负电压的分压电压和基准电压来检测输出负电压的变化，并基于输出负电压的变化控制电荷泵的输出电流，进而保持电荷泵稳定输出负电压。

在一个实施例中，所述稳压模块包括：

采样电路，其包括依次串接在电荷泵的负压输出端和参考电压之间的限流电阻、反馈电阻和至少一个采样电阻单元；

比较器，其同向输入端连接基准电压，其输出端通过所述反馈电阻连接至反向输入端。

在一个实施例中，所述采样电阻单元包括：

采样电阻；

开关元件，其控制端接收开关控制信号，其输入端、输出端与所述采样电阻的两端连接，其中，所述开关元件在开关控制信号的控制下导通或者关断，以调节采样电路中电阻的阻抗。

在一个实施例中，所述振荡器控制信号包括电流控制信号和/或频率控制信号；

在正常功耗模式下，振荡器根据电流控制信号设定正常工作电流，以及/或者根据频率控制信号设定正常工作频率，并依照正常工作电流和正常工作频率输出时钟信号；

在节能功耗模式下，振荡器根据电流控制信号设定节能工作电流，以及/或者根据频率控制信号设定节能工作频率；

其中，正常工作电流大于节能工作电流，且正常工作频率高于节能工作频率。

在一个实施例中，在射频天线开关逻辑信号为多路并行信号时，所述检测单元对各路逻辑信号进行或操作，由各路逻辑信号的每一高电平信号构成所述逻辑信号中的使能信号。

在一个实施例中，在射频天线开关逻辑信号为符合MIPI协议的串行信号时，所述检测单元将逻辑信号在高速数据传输模式的部分作为所述逻辑信号中的使能信号。

在一个实施例中，所述检测单元将取所述逻辑信号的上升沿和下降沿识别为逻辑信号中的使能信号。

与现有技术相比，本发明的实施例控制振荡器工作在正常功耗模式或者节能功耗模式，在节能功耗模式下振荡器的工作电流和工作频率较低，从而降低负压生成电路中振荡器产生的功耗。此外，通过控制负压生成电路的输出电流来控制负压生成电路输出的负电压，使得负压电路输出电压稳定，具有更好的瞬态响应。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有的射频天线开关中射频通路的示意图；

图2是加入负电压的射频天线开关中射频通路的示意图；

图3是本发明实施例的具有负电压生成电路的射频天线开关的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的负电压生成电路的结构示意图；

图5是电荷泵的原理性示意图；

图6是现有的电荷泵的控制调节电路的部分电路图；

图7是本发明实施例的电荷泵的控制调节电路的部分电路图；

图8a是现有的负电压生成电路加入负载时的瞬态响应曲线；

图8b是本发明实施例的负电压生成电路加入负载时的瞬态响应曲线；

图9是本发明实施例的控制环路振荡器的工作电流的示意图；

图10是本发明实施例的控制环路振荡器的工作频率的示意图；

图11是本发明实施例的并行逻辑信号与使能信号、控制信号的时序关系图；

图12是本发明实施例的串行逻辑信号与使能信号、控制信号的时序关系图；

图13是本发明实施例的逻辑信号上升沿和下降沿与使能信号、控制信号的时序关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

本发明的实施例提供一种全集成的利用正负电源供电的射频天线开关，并基于逻辑输入信号动态调节振荡器的工作电流和工作电压，从而降低负压生成电路中振荡器产生的功耗。此外，通过控制负压生成电路的输出电流来控制负压生成电路输出的负电压，使得负压电路输出电压稳定，具有更好的瞬态响应。

图3是本发明实施例的具有负压生成电路的射频天线开关的结构示意图。低压差稳压器为电平转换模块提供稳定的正电位电源，负电压生成电路将正电位的电压转换为负电位的电压，提供至电平转换模块。译码器将逻辑输入信号转换为符合接口协议的串行或者并行逻辑选择信号，用来选择不同的射频通路。具体来说，电平转换模块将逻辑选择信号转换为多级电平信号，由开关模块根据这些多级电平信号选择导通不同的射频通路，将输入的射频信号经由选择的射频通路输出。

然而，在图3的电平转换模块中需要数量庞大的电平转换电路，在输入逻辑信号翻转时电平转换电路耗电很大，所以对负压电路的输出电流能力和瞬态响应有很高的要求，同时功耗问题也是需要控制的。因此，需要保证负压生成电路在加入负载时保持稳定的输出电压，同时还要达到尽量小的功耗。

图4是本发明实施例提供的负压生成电路的结构示意图。该电路主要包括检测模块410、控制模块420、振荡器430和电荷泵440。

检测模块410对射频天线开关逻辑信号进行检测，识别逻辑信号中的使能信号。控制模块420与检测模块410连接，根据射频天线开关逻辑信号的使能信号生成振荡器控制信号。振荡器430与控制模块420连接，在振荡器控制信号的控制下工作在正常功耗模式或节能功耗模式，来生成时钟信号。在使能信号有效时振荡器工作在正常功耗模式，在使能信号失效时振荡器工作在节能功耗模式。电荷泵440与振荡器430连接，响应于时钟信号将外部直流正电压源转换为负电压。

稳压控制

电荷泵的电压转换过程就是电荷的传递过程。图5为电荷泵的原理性示意图。其中，S1，S2，S3，S4为电荷泵电路的开关，振荡器产生的时钟信号为非交叠的时钟信号，控制4个开关S1，S2，S3，S4的开启与关闭，其中S1，S2同时开启关闭，S3，S4同时开启关闭。通过这四个开关的开启与关闭的切换，电容C1在电荷输入输出转移过程中起到储存的作用，CAP+与CAP-表示电容C1的两个端点，C2为负压输出到地的输出电容。

当开关S1，S2导通，开关S3，S4关断时，输入的正电压V+对电容C1充电。接下来S1，S2关断，S3，S4导通，电容C1将部分电荷转移给C2，直到两个电容的电荷转移达到平衡。

在图5中，设输出负电压为V_o，输入端电压为V_i，负载从电路抽取电流I_o，振荡器输出的时钟控制信号频率为f_osc，可得：

$V_o=-\[V_i-\frac{I_o}{C_1\×f_{OSC}}\]---\left(1\right)$

从表达式(1)可以看出，负电压生成电路输出电压的大小与输入电压V_i，输出电流I_o，振荡器的频率f_osc都有关系。振荡器频率越高，电荷泵的转换效率越高，但振荡器频率越高，电路所消耗电流越大，功耗也越大。

因此，可以通过控制负电压生成电路输出电流I_o来保持输出稳定的负电压。并且，在保持振荡器的频率f_osc不变的前提下(为了保证电荷泵的转换效率)，通过调节振荡器中的工作电流来降低振荡器的功耗。

再次回到图4，本发明实施例中的负压生成电路还包括稳压模块450，其连接在电荷泵440的负电压输出端。稳压模块450用于调节输出电流I_o，来保证稳定输出负电压。在一个优选的示例中，稳压模块450利用控制调节电路来实现。

需要强调的是，现有的控制调节电路通常是对输出负电压进行采样，通过运放和控制电路控制输入电压V_i的大小，进而调节输出电压。图6是现有的电荷泵的控制调节电路的部分电路图。现有的控制调节电路包括电阻R1和R2、运算放大器和控制电路。电阻R1和R2串联在电荷泵输出端和参考电压Vref1之间。运算放大器的同相输入端连接基准电压，反向输入端通过采样电阻R2连接至电荷泵输出端。`

当运算放大器的反向输入端通过采样电阻R2获得的采样电压低于基准电压时，运算放大器输出电压升高，进而调节控制电路的输出，减小电荷泵的输入正电压Vi，由表达式(1)可知可以减小输出负电压Vo的电平值。当运算放大器的反向输入端通过采样电阻R2获得的采样电压高于基准电压时，运算放大器输出电压降低，进而调节控制电路的输出，增大电荷泵的输入正电压Vi，由表达式(1)可知可以增大输出负电压Vo的电平值。

在这种控制调节方式下，在加入负载时的瞬态响应曲线如图8a所示。可以看出在加入负载的瞬间输出负电压被明显地拉低，且恢复至正常的负电压值所需的时间较长。这是由于在射频开关管的状态切换时，由于开关管的面积较大，寄生电容也很大，而且电平转换模块在逻辑变换过程中也会导通，因为以上两方面原因导致在切换的过程中需要很大的输出电流I_o。根据表达式(1)可知，输出电流I_o增大，输出负电压Vo会减小。

与现有技术不同的是，本实施例中的稳压模块450通过比较电荷泵输出负电压的分压电压和基准电压来检测输出负电压的变化，并基于输出负电压的变化控制电荷泵的输出电流，进而保持电荷泵稳定输出负电压。稳压模块450包括如图7所示的控制调节电路。

具体而言，稳压模块450包括采样电路和比较器。其中，采样电路包括依次串接在电荷泵的负压输出端和参考电压(Vref1)之间的限流电阻R6和R9、反馈电阻R8和至少一个采样电阻单元。比较器的同向输入端连接基准电压，输出端通过反馈电阻R8连接至反向输入端。

为简便起见，在图7的示例中仅示出两个串联连接的采样电阻单元，不限于此，还可根据实际应用串联设置更多的采样电阻单元。其中，各个采样电阻单元的结构相同，现仅以其中一个采样电阻单元为例进行说明。采样电阻单元包括采样电阻R701和开关元件M1。稳压控制信号通过译码电路转换为开关控制信号。其中，通过几个比较器对Vfb与不同的基准电压进行比较，产生稳压控制信号，也可通过寄存器输出稳压控制信号，可根据不同应用情况选择不同的方式。，开关元件M1控制端接收开关控制信号，其输入端、输出端与采样电阻R701的两端连接。开关元件M1在开关控制信号的控制下导通或者关断，当开关元件M1导通时，该采样电阻单元的阻抗为零，当开关元件M1关断时，该采样电阻单元的阻抗为电阻R701的阻抗。

类似地，开关元件M2控制端同样接收开关控制信号。这样以来，开关元件M1、M2、…在稳压控制信号的控制下导通或者关断，以调节采样电路中电阻的阻抗，进而调节采样电阻R701、R702…的采样电压。

以下说明图7中的控制调节电路的工作过程。

当加入负载时，由于输出电流I_o增大，导致输出负电压Vo减小，采样电流I_d减小。因为V_ref1不变，所以反馈电压V_fb会增大，从而使得比较器输出V_ref2降低促使I_d增大进而增加输出负电压Vo。其中，M1和M2由开关控制信号控制其开关，从而可以对环路的反馈系数进行调节，控制环路的控制速度及稳定性。

当加入负载时的瞬态响应曲线如图8b所示。可以看出，瞬时响应的曲线尖峰较小，输出负电压能迅速恢复至正常的负电压数值。显然，本实施例中的控制调节电路的调节速度更快，并且由于引入的是小环路控制，所以环路带宽主要取决于运算放大器的带宽，不会引入过多的极点，因此可以把带宽做的比较宽从而有比较快的反馈速度。并且不受运算放大器带宽的限制。

功耗控制

逻辑信号中的使能信号用于指示振荡器设置更大的工作电流和更高的工作频率。相应地，振荡器具有两种工作状态：正常工作模式和节能工作模式。

在正常功耗模式下，振荡器根据电流控制信号设定正常工作电流，以及/或者根据频率控制信号设定正常工作频率，并依照正常工作电流和正常工作频率输出时钟信号；在节能功耗模式下，振荡器根据电流控制信号设定节能工作电流，以及/或者根据频率控制信号设定节能工作频率；其中，正常工作电流大于节能工作电流，且正常工作频率高于节能工作频率。

这样以来，本发明的实施例通过调节振荡器的电流来降低电路的功耗。在负电压生成电路中，振荡器消耗的电流是最大的，也会导致整个负压生成电路的功耗增大。因此，可以在不消耗电流，或消耗电流很小的时候降低振荡器的电流，从而降低整个负压生成电路的功耗。

以应用负电压生成电路的射频天线开关为例，在有逻辑信号输入时，译码器和电平转移电路等电路电平翻转时消耗电流；当没有逻辑信号输入时，输入逻辑信号电平不转换时基本不耗电，所以可以在负载耗电很小时，即没有逻辑信号输入时，降低振荡器的电流，进而降低平均功耗。或者，在负载耗电很小时，即没有逻辑信号输入时，降低振荡器的工作频率进而降低工作电流，也能降低平均功耗。

图9为控制环路振荡器的工作电流的示意图，例如可通过电流控制信号直接控制环形振荡器的电流，如控制镜像电流源中镜像管的倍数控制电流。图10为控制环路振荡器的工作频率的示意图，例如，通过频率控制信号控制环形振荡器RC延时时间来改变振荡器的振荡频率，进而改变电路的电流。

如图4所示，本实施例的负电压生成电路中的检测模块410用于对射频天线开关逻辑信号进行检测，识别逻辑信号中的使能信号。控制模块420根据射频天线开关逻辑信号的使能信号生成振荡器控制信号，该振荡器控制信号包括电流控制信号和/或频率控制信号。以使得在使能信号有效时，振荡器工作在正常功耗模式，在使能信号失效时振荡器工作在节能功耗模式。

以下说明使能信号和控制信号的产生过程。

在射频天线开关逻辑信号为多路并行信号(例如GPIO信号)时，检测单元410对各路逻辑信号进行或操作，由各路逻辑信号的每一高电平信号构成所述逻辑信号中的使能信号。如图11所示，逻辑信号1、逻辑信号2、…、逻辑信号n中的高电平信号为使能信号，在这些逻辑信号为高电平时指示振荡器工作在正常工作模式，而在这些逻辑信号均为低电平时，指示振荡器工作在节能工作模式。

一般而言，对各路逻辑信号进行或操作即可获得控制信号1。在一个优选的示例中，为了使控制信号1正确的控制振荡器，需要控制信号1相对逻辑信号有一定的余量，即控制信号1中的高电平宽度需要大于逻辑信号中的高电平宽度。可以把所有逻辑信号1、逻辑信号2和逻辑信号n进行或运算，可得控制信号1-a。可以把所有逻辑信号1、逻辑信号2和逻辑信号n进行延迟(延迟时间为t₁)，得到逻辑信号1-t、逻辑信号2-t和逻辑信号n-t。为了能使控制信号1高电平宽度大于逻辑信号中的高电平宽度，对控制信号1-a延迟t₂，得到控制信号1-2a，控制信号1-2a的延迟时间t₂需大于逻辑信号的延迟时间t₁，再对控制信号1-a和控制信号1-2a进行或运算得到控制信号1。

在射频天线开关逻辑信号为符合MIPI协议的串行信号时，如图12所示，检测单元将逻辑信号在高速数据传输模式的部分作为所述逻辑信号中的使能信号。优选的，还可进行延时处理保证控制信号2的上升沿提前于使能信号的起始时间，并保证控制信号2的下降沿落后于使能信号的结束时间。

此外，检测单元可将取所述逻辑信号的上升沿和下降沿识别为逻辑信号中的使能信号，如图13所示，对逻辑信号A进行延迟，再与原逻辑信号A信号进行异或，再根据需求进行延迟等处理得到所需的控制信号3。

这样根据不同类型的逻辑输入信号，对串行、并行信行运算和延迟等处理，或者提取逻辑信号的上升沿、下降沿，生成只在上升沿、下降沿阶段有效的控制信号，进而控制振荡器工作在两种状态或多种状态工作，输出高频时钟信号或者根据电路具体条件，输出低频时钟信号。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种负电压生成电路，用于射频天线开关，其特征在于，包括：

检测模块，对射频天线开关逻辑信号进行检测，识别逻辑信号中的使能信号；

控制模块，根据射频天线开关逻辑信号的使能信号生成振荡器控制信号；

振荡器，在振荡器控制信号的控制下工作在正常功耗模式或节能功耗模式来生成时钟信号，其中，在使能信号有效时振荡器工作在正常功耗模式，在使能信号失效时振荡器工作在节能功耗模式；

电荷泵，响应于时钟信号将外部直流电压源转换为负电压。

2.根据权利要求1所述的负电压生成电路，其特征在于，还包括：

稳压模块，通过比较电荷泵输出负电压的分压电压和基准电压来检测输出负电压的变化，并基于输出负电压的变化控制电荷泵的输出电流，进而保持电荷泵稳定输出负电压。

3.根据权利要求1或2所述的负电压生成电路，其特征在于，所述稳压模块包括：

采样电路，其包括依次串接在电荷泵的负压输出端和参考电压之间的限流电阻、反馈电阻和至少一个采样电阻单元；

比较器，其同向输入端连接基准电压，其输出端通过所述反馈电阻连接至反向输入端。

4.根据权利要求3所述的负电压生成电路，其特征在于，所述采样电阻单元包括：

采样电阻；

开关元件，其控制端接收开关控制信号，其输入端、输出端与所述采样电阻的两端连接，其中，所述开关元件在开关控制信号的控制下导通或者关断，以调节采样电路中电阻的阻抗。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的负电压生成电路，其特征在于，所述振荡器控制信号包括电流控制信号和/或频率控制信号；

在正常功耗模式下，振荡器根据电流控制信号设定正常工作电流，以及/或者根据频率控制信号设定正常工作频率，并依照正常工作电流和正常工作频率输出时钟信号；

在节能功耗模式下，振荡器根据电流控制信号设定节能工作电流，以及/或者根据频率控制信号设定节能工作频率；

其中，正常工作电流大于节能工作电流，且正常工作频率高于节能工作频率。

6.根据权利要求5所述的负电压生成电路，其特征在于，在射频天线开关逻辑信号为多路并行信号时，所述检测单元对各路逻辑信号进行或操作，由各路逻辑信号的每一高电平信号构成所述逻辑信号中的使能信号。

7.根据权利要求5所述的负电压生成电路，其特征在于，在射频天线开关逻辑信号为符合MIPI协议的串行信号时，所述检测单元将逻辑信号在高速数据传输模式的部分作为所述逻辑信号中的使能信号。

8.根据权利要求5所述的负电压生成电路，其特征在于，所述检测单元将取所述逻辑信号的上升沿和下降沿识别为逻辑信号中的使能信号。