CN105897231A - Rf开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及RF开关，具体公开了用于射频信号的双极型晶体管开关。在实施例中，器件包括第一射频(RF)端子、第二RF端子、以及双极型晶体管，其中双极型晶体管的发射极耦合至第一RF端子，并且其中双极型晶体管的集电极端子耦合至第二RF端子。器件还包括基极电流供给电路，被配置为选择性地将基极电流提供至双极型晶体管的基极端子。
Description
技术领域
本申请涉及射频(RF)开关及其对应器件。
背景技术
射频(RF)开关用于选择性地打开或闭合用于射频信号(有时被称为高频信号)的电连接。该射频信号例如在移动通信应用中可以具有超过100MHz的频率，例如，在600MHz到5GHz的范围内。
在很多应用中，场效应晶体管(FET)用作RF开关。并且，有时使用PIN二极管。处于各种原因，还可以期望使用双极结型晶体管(BJT)作为RF开关。传统的解决方案(例如，使用基极发射极或基极集电极耦合用于该基于双极型晶体管的开关，即，RF信号源和经由开关将被选择性耦合的RF信号目的地)被分别耦合至BJT的基极和发射极或者基极和集电极。然而，至少在一些应用中，经由BJT的基极发射极二极管或者基极集电极二极管的耦合会具有相对高的衰减和/或相对低的线性。
发明内容
在下文中，将参照附图详细描述各实施例。应注意，这些实施例仅用于示出的目的并且不能用于限制的目的。例如，当实施例可以描述为包括多个部件或元件时，在其他实施例中，这些部件或元件的一些可以省略，和/或可以由备选部件或元件进行替换。在又一其他实施例中，可以提供除本文中详细描述的或附图中示出的部件或元件之外的附加部件或元件。此外，来自不同实施例的部件或元件可以合并以形成其他实施例。相对于一个实施例而进行的修改或改进还可以用于其他实施例。
图中所示或者本文描述的元件或部件之间的任何直接连接或耦合(即，不含中间元件的连接或耦合)还可以实施为间接连接或耦合(即，具有一个或多个中间元件的连接或耦合)，并且反之亦然，只要本质上保持连接或耦合的一般意义即可，例如传输特定种类的信号和/或传输特定种类的信息。当描述附图的“左侧”、“右侧”等时的任何方向性参照均仅是为了便于参照附图的各部分，而并不应理解为表示所述元件或部件的任何特定空间布置。
在一个实施例中，双极结型晶体管(BJT)的集电极发射极耦合用于切换射频(RF)信号，例如，具有超过100MHz(例如，在600MHz和5GHz之间)的频率的RF信号。
在一些实施例中，可以通过将基极电流提供至双极结型晶体管的基极端子来控制开关的闭合和打开。
在一些实施例中，可以将电容耦合至集电极和发射极端子以阻挡直流(DC)分量。
在一些实施例中，BJT可以工作在前向反向饱和区域中。
一般地，当其集电极和发射极端子之间主要为非导通时本申请文中的BJT可以描述为“打开”或“截止”，而当其集电极和发射极端子之间为导通RF信号时可以描述为“闭合”或“导通”。
附图说明
为了更为完整地理解本发明及其优点，现在参照附图进行描述，其中：
图1是示出根据实施例的器件的框图；
图2是示出可在实施例中使用的双极结型晶体管的示图；
图3和图4示出了用于示出一些实施例的工作的用于双极结型晶体管的特征曲线；
图5示出了处于截止状态的双极结型晶体管的小信号等效电路；
图6示出了处于导通状态的双极结型晶体管的小信号等效电路；
图7示出了根据实施例的器件的电路图；
图8示出了根据实施例的器件的电路图；
图9示出了根据实施例的器件的电路图；
图10示出了根据实施例的器件的电路图；以及
图11示出了根据实施例的器件的电路图。
具体实施方式
下面参照图1示出了根据实施例的器件。图1的器件10包括双极型开关器件11，双极型开关器件包括双极结型晶体管(BJT)以及选择性地附加元件，例如耦合至BJT的电容器或电阻器。
RF信号源12耦合至双极型开关器件11的BJT的集电极(C)或发射极(E)端子中的一个端子，并且RF信号目的地13耦合至双极型开关器件11的BJT的集电极或发射极中的另一个。RF信号源12可以是任何类型的生成RF信号的电路。通过选择性的打开或闭合双极型开关器件11并且特别是其BJT，RF信号可以选择性地提供至RF信号目的地13。RF信号目的地13可以例如是接收RF信号的电路，但是还可以是例如类似地的固定电势。在后一种情况中，双极型开关器件11可以用于选择性地将RF信号分流至地(仅为了给出一个示例)。
由控制器14控制双极型开关器件11。在实施例中，控制器14可以用作基极电流源，以选择性地将基极电流提供至双极型开关器件11的BJT的基极端子(B)。在一些实施例中，如下文中将要使用示例进行解释的，为了使能基极电流的流动，双极型结开关器件11的BJT的发射极端子可以经由电阻器或其他阻抗耦合至诸如地的参考电势。
下文将参照图7-图11讨论可在一些实施例中使用的双极型开关器件11的示例实施方式。为了更好地理解，在详细描述各示例实施方式之前，先参照图2-图6解释可在实施例中使用的双极结型晶体管的各种特性。
图2示出了用于下文中各个实施例的各种部件的示出的双极结型晶体管(BJT)26。图2中示出的示例中的双极结型晶体管26是NPN晶体管。然而，本文中公开的概念和技术还可以应用于PNP晶体管。NPN和PNP还可以称为转换的极性。
图2的实施例中BJT 26包括集电极端子20、基极端子21和发射极端子22。箭头23表示集电极发射极电压VCE，箭头25表示基极发射极电压VBE，以及箭头25表示基极电流IB。电压VCE、VBE和基极电流IB将在下文中用于解释的目的。
在一些实施例中，将用作RF开关，诸如图2中示出的双极型晶体管的双极型晶体管在正向饱和范围或反向饱和范围中工作。在一些实施例中，反向饱和范围中的电流消耗可以低于正向饱和范围中的电流消耗。为了更好地理解下文描述的实施例，下面将讨论工作的这些模式。
如已提及的，实施例使用集电极发射极耦合用于切换，例如，如图1所示，其中RF信号源耦合至集电极端子或发射极端子中的一个端子，并且RF信号目的地耦合至集电极端子或发射极端子中的另一个端子。基极电流可以用于控制耦合，例如用于打开或闭合开关。在实施例中，使用该集电极发射极耦合可以使能双极型技术中高线性和/或低损耗开关的实现。
在实施例中，使用的BJT的发射极端子(例如，图2的发射极端子22)可以经由电阻器与参考电势(例如，地)耦合。可选地，到参考电势的该耦合还可以为集电极端子而制成。在其他实施例中，耦合可以制成为到诸如外部阻挡线圈的另一阻挡阻抗。RF信号可以经由阻挡DC分量的电容耦合至集电极和/或发射极端子。在该情况下，发射极到参考电势的上述耦合可以使能基极电流以经由基极到参考电势而流动。依靠使用的基极电流IB，BJT(例如，BJT 26)可以设置为工作的正向或反向饱和模式。这种情况下的工作点可以取决于耦合至双极型晶体管的外部电路装置。例如，在集电极不耦合至其他电路装置的情况下，可以获得例如工作的正向饱和模式。在集电极耦合至另一电路装置的情况下，可以获得工作的反向饱和模式，其中基极发射极和基极集电极二极管是正偏二极管和负集电极电流结果。
BJT 26可以基于硅实现，但是还可以基于其他材料和/或使用异质结构实现，该异质结构是例如包含选自Si、SiGe、SiC和SiGeC的组中的至少两种材料的异质结构。BJT 26可以例如被实现为异质结双极型晶体管(HBT)。
工作的反向饱和模式中的BJT的集电极和发射极端子之间的低欧姆连接，即，开关的闭合，可以实现为如下：
特定基极电流IB提供至晶体管(例如，晶体管26)的基极发射极二极管。该基极电流产自从基极到发射极注入的少子(即，空穴)以及从发射极到基极注入的电子的注入。如图2的箭头24所示，该基极电流可以例如通过施加特定基极发射极电压VBE产生。在实施例中，晶体管的基极区域(例如，HBT的情况中)过薄，使得注入的电子可能在重新聚合在基极内之前扩散至集电极基极二极管的空间充电区域。
在如上所述的情境中，由于建立了集电极发射极电压VCE的工作点，在实施例中其可以小于10mV。在目前描述的情形中，集电极电流不是必须流动。然而，在反向操作中，会发生小于0的直流。
在用作RF开关的实施例中，当例如交流(AC)信号(例如，RF信号)施加至集电极(例如，图2的集电极端子20)时，由于集电极和发射极之间的电势差，电子被从集电极基极空间充电区域提供至集电极。由此，发射极跟随集电极电势。在反向情况中，发射极处的AC信号导致集电极电势(电压)跟随该RC信号。因此，诸如RF信号的AC信号可以从集电极传输至发射极，反之亦可。
作为DC电流的基极电流IB决定了集电极发射极耦合的极性。晶体管工作在饱和(不考虑前向或反向操作)时越多，集电极发射极耦合的欧姆就越低。
为了进一步示出该行为，图3和图4示出了实施例中可用的异质结双极型晶体管的特性曲线。图3和图4示出了对于范围在50μA到200μA内的不同基极电流的mA为单位的集电极电流IC相对于V为单位的集电极发射极电压VCE。图4示出了图3的一部分的放大图，具体为约在0V/0A的部分。
如所见，较高的基极电流会导致低欧姆集电极发射极耦合(相同电压VCE的更高电流IC)。正向饱和中的行为可见于第一象限(正VCE，正IC)；根据基极电流，饱和开始于约0.2V和0.5V之间。在反向突破开始之前，反向饱和可见于约-0.1V和-0.7V之间。
总之，实施例中可以使用的工作的两种模式(正向饱和和反向饱和)可以如下描述为：基极发射极和基极集电极二极管可以工作在正向偏置，并且在集电极和发射极之间存在低欧姆耦合。
在一些实施例中，集电极发射极电压(VCE)可以较小，例如，小于10mV。在该情况下，为了简化的目的，可以假定用于反向饱和模式的基极集电极二极管和基极发射极二极管的耦合大约平行。
为了更进一步示出，图5和图6示出了在一些实施例中可用的诸如异质结双极型晶体管的双极结型晶体管的小信号等效电路。
图5示出了晶体管的截止状态(打开状态)的小信号等效电路。在该情况下，仅基极集电极二极管和基极发射极二极管的耗尽层电容53和54分别主要在考虑范围内。数字50表示集电极端子，数字51表示发射极端子，以及数字52表示晶体管的基极端子。在许多应用中，表示基极集电极的电容53的电容CBC0小于基极发射极二极管54的电容CBE0。为了RF应用在截止状态下的优良隔离属性，低电容是可期望的。因此，在实施例中，基极集电极二极管及其电容53显著地贡献了实施例中闭合状态的隔离属性。
图6示出了双极结型晶体管的导通状态(闭合状态)的小信号等效电路。60表示集电极端子，61表示发射极端子，以及62表示基极端子。
闭合状态下的基极集电极二极管由非线性扩散电容器62(CBCd)、耗尽层电容器63(CBCi)和非线性电流源64(ibc)表示。类似地，基极发射极二极管由非线性扩散电容器67(CBEd)、耗尽层电容66(CBEi)和非线性电流源65(ibe)表示。此外，图6的等效电路包括耦合在集电极端子60和发射极端子61之间的电阻器68。电阻器68的电导值gce是基极电流Ib的函数，如图3和图4所示。
在正向饱和中，基本上仅基极发射极二极管工作(active)。在反向饱和中，两个二极管均工作。
例如，基于图5和图6的小信号等效电路，在一些实施例中，可以实现RF信号的高线性开关，其具有低损耗。该开关可以例如适用于具有相对低功率的RF信号。在该实施例中，双极结型晶体管的集电极发射极路径用于例如选择性耦合，如图1所示。图6的小信号电路还示出了集电极发射极耦合的工作，例如，发射极端子61的信号跟随集电极端子60处的信号，反之亦然(例如，由于电阻器68)。
实施例中的该晶体管的集电极端子可以耦合至最少加载剩余电路的位置处的剩余电路。参照图5，例如，当晶体管截止时，仅电容器53用作剩余电路的负载，电容器53在实施例中如所述具有低于电容器54的电容。例如，其可以降低电路上的总负载。
图7示出了根据实施例的开关器件的电路图。图7的开关器件包括第一端子70和第二端子76。图7的开关器件适用于选择性地提供耦合在端子70、76之间的射频(即，选择性地提供用于射频信号的低欧姆路径或者用于射频信号的高欧姆基本隔离)。为了提供该切换，图7的开关器件包括双极结型晶体管74，例如，异质结双极型晶体管。晶体管74的发射极端子经由电容器71耦合至端子70，以及晶体管74的集电极端子经由电容器75耦合至端子76。电容器71、75用于例如阻挡端子70或76处的信号的DC分量。因此，在DC情况下，晶体管74主要在端子70、76之间漂移并且仅从端子70或端子76接收AC信号，具体为RF信号。
此外，晶体管74的发射极端子经由电阻器72耦合至地。晶体管74的基极端子经由电阻器73和开关77耦合至正电源电压78。电阻器73和开关77是基极电流供给电路的示例。当开关77闭合时，基极电流Ibias流动，将晶体管74设置在导通状态(闭合状态)，因此使能了从端子70到端子76的RF信号的传输，或反之亦然。当开关77打开时，没有基极电流流动，其有效地使端子70从端子76去耦。
电阻器73、72可以设置工作点，具体地可以确定基极电流的幅值。此外，电阻器73、72用作阻挡电阻器，其避免RF信号的显著部分耦合至地，从而在实施例中使开关的损耗保持为低。电阻器72、73的电阻值均可以是50Ω以上，但是也不限于此。
除了所示的电阻器，在其他实施例中，还可以提供将晶体管74的集电极端子耦合至地的另一电阻器。在其他实施例中，除了一个或多个电阻器，还可以使用诸如阻挡电感的阻抗。
图7的基极电流Ibias的幅值可以为5mA以下，例如100μA以下，但也不限于此。当图7示出了使用NPN晶体管74的开关器件，在其他实施例中，例如可以通过反向涉及的极性来使用PNP晶体管。
在一些实施例中，为了提升开关器件的传输行为，可以使用电容性基极发射极耦合。用于该电容性基极发射极耦合的示例可以在下文中参照图9进行描述。
还可以使用图7中未详细示出的其他元件，例如用于在开关器件的截止状态中增加隔离的偏置或钳位。
之后，参照图8-图11，将使用其他开关器件，其至少部分地具有与图7的实施例相比较的附加元件或部件。
图8示出了根据例如可用作分路开关的另一实施例的开关器件。分路开关总体上可以理解为选择性地耦合电路的两个节点的开关，因此当开关闭合时可以在两个节点之间提供分路电路装置。
图8的开关器件包括第一端子80和第二端子81，其通过开关器件选择性地彼此耦合。作为切换元件，图8的开关器件包括两个双极型晶体管83、84。晶体管83、84的基极端子可以经由电阻器82提供基极电流Ibias，电阻82具有与图7的电阻器73基本相同的功能。晶体管83的集电极端子与端子80耦合，并且晶体管84的集电极端子与端子81耦合。晶体管83、84的发射极端子彼此耦合。此外，晶体管83、84的发射极端子经由电阻器87耦合至地，其具有与图7的电阻器72基本相同的功能。
此外，晶体管83的集电极端子经由电阻器85耦合至地，晶体管84的集电极端子经由电阻器86耦合至地。电阻器85、86可以将大小确定为与电阻器87类似并且用于调整工作点并用作阻挡电阻器，这与图8中电阻器72、73的描述类似。
通过提供晶体管83、84，由开关器件引入的衰减与使用一个转换的情况相比可能会增加。另一方面，通过提供具有所示耦合的两个晶体管83、84，在一些实施例中，可以增加线性。例如，诸如异质结构结晶体管的一些双极型晶体管可以具有不对称结构，从而得到从集电极到发射极以及从发射极到集电极的不同传输行为。通过图8所示的耦合增加对称性。此外，在一些实施例中，通过耦合晶体管82、84的集电极端子到端子80、81，连接至开关器件的电路的负载可能降低，如之前的截止状态下的基极集电极二极管的电容可能低于基极发射极二极管的电容所解释的。
尽管没有在图8中详细示出，但是与图7的实施例类似地，可以在端子80和晶体管83的集电极端子之间和/或在端子81和晶体管84的集电极端子之间提供电容器。
图9示出了开关器件的另一实施例。图9的开关器件包括两个输入端子90、99以及输出端子911。经由双极型晶体管913、914，输入端子90、99可以选择性地耦合至输出端子911，用于传输RF信号。
晶体管913的发射极端子经由电容器91耦合至端子90，电容器91用于阻挡DC分量(与图7的电容器71、75类似)。晶体管914的发射极端子经由电容器98耦合至端子99，同样用于阻挡DC分量。晶体管913、914的集电极端子耦合至输出端子911。
晶体管913的基极端子经由电阻器93和开关94耦合至电源电压VCC，电阻器93和开关94具有分别与图7的电阻73和开关77相同的作用，以选择性地将基极电流提供至晶体管913，以导通或截止晶体管913。同样，晶体管914的基极端子经由电阻器96和开关95耦合至电源电压VCC，以选择性地将基极电流提供至晶体管914，以选择性地导通或截止晶体管914。
此外，晶体管913的发射极端子经由电阻器910耦合至地，晶体管914的发射极端子经由电阻器912耦合至地。电阻器910、912的作用与之前已解释的图7的电阻器72相同，并且可以以类似方式确定大小，例如，它们均具有大于50Ω的电阻值。可选地(未在图9中示出)晶体管913、914的集电极端子可以经由另一电阻器(诸如图8的电阻器85、86)耦合至地。
此外，在图9的实施例中，晶体管913的基极端子和发射极端子由电容器92耦合，并且晶体管914的基极端子和发射极端子经由电容器97耦合。在一些实施例中，电容器92、97可以用于优化相应晶体管的传输行为，例如，以减轻非线性。具体地，电容器92、97可以提升开关器件的大信号行为。在其他实施例中，可以省略电容器92、97。
图10示出了开关器件的另一实施例。图10的开关器件选择性地提供端子100、108的耦合。如图所示具有反平行耦合的两个双极型晶体管105、106被提供为开关元件。晶体管105的发射极端子和晶体管106的集电极端子经由电容器101耦合至端子100，并且晶体管105的集电极端子和晶体管106的发射极端子经由电容器107耦合至端子108。电容器101、107用于阻挡DC分量，与图7的电容器71、75类似。
此外，晶体管105的发射极端子和晶体管106的集电极端子经由电阻器109耦合至地，并且晶体管105的集电极端子和晶体管106的发射极端子经由电阻器1010耦合至地。电容器109、1010所起的作用与图7的电阻器72相同，并且可以具有超过100Ω的电阻值。
将晶体管105的基极端子经由电阻器103和开关102耦合至电源电压VCC，并且晶体管106的基极端子经由电阻器104和开关102耦合至正电源电压VCC。
通过闭合开关102，晶体管105、106分别经由电阻器103、104提供有基极电流Ibias，故切换晶体管105、106导通。电阻器103、104所起主要作用与图7的电阻器73基本相同。尽管图10示出了两个电阻器103、104，但是在其他实施例中，晶体管105、106可以经由相同电阻器接收偏置电流。
通过将两个晶体管105、106提供有如图10所描述的反平行耦合，在实施例中，可以提高大信号行为和对称性，基本如同每个晶体管“负责”半波的传输。例如，通过提供非对称实现的晶体管情况下的两个晶体管(例如一些HBT)，该非对称可以得到补偿。
图11示出了可用作传输栅极的开关器件。图11的实施例包括第一端子110和第二端子118。提供NPN双极结型晶体管114和PNP双极结型晶体管作为开关元件。晶体管114、115的发射极端子经由电容器111耦合至端子110。晶体管114、115的集电极端子经由电容器117耦合至端子118。电容器111、117可以用于阻挡DC分量。
此外，晶体管114的基极端子经由电阻器113和开关112耦合至正电源电压VCC。晶体管115的基极端子经由电阻器116耦合至地。当开关112闭合时，基极电流Ibias经由电阻器113流至NPN晶体管114的基极端子，以及经由电阻器116从电阻器115的基极端子到地，因而将晶体管114、115切换至导通状态，使得RF信号从端子110传输至端子118，反之亦然。
应理解，根据PNP晶体管115的转换频率，可能限制图11的器件的工作频率。图11的实施例可以具有较好的大信号行为，例如，高线性。晶体管114、115可以通过堆叠两个晶体管来实现，这样例如可以实现两个基极发射极二极管的堆叠。
鉴于上述开关器件的多种改变和改进，很明显地，本文公开的技术不限于任何特定实施例，并且所述实施例仅用于示例。
尽管已经参照所示实施例描述了本发明，本说明书不旨在理解为用于限制。各种改进和示例性实施例的结合以及本发明的其他实施例对于本领域技术人员而言，在参照本说明书之后是显而易见的。因此，所附权利要求书旨在包含这些改进或实施例。
Claims (20)
1.一种器件，包括：
第一射频(RF)端子；
第二RF端子；
双极型晶体管，其中所述双极型晶体管的发射极端子耦合至所述第一RF端子，以及其中所述双极型晶体管的集电极端子耦合至所述第二RF端子；以及
基极电流供给电路，被配置为将基极电流选择性提供至所述双极型晶体管的基极端子。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述双极型晶体管被配置为当所述基极电流供给电路提供基极电流时在正向饱和或反向饱和中的一种状态下工作。
3.根据权利要求1所述的器件，进一步包括耦合在所述第一RF端子与所述发射极端子之间的电容器或者耦合在所述第二RF端子与所述集电极端子之间的电容器。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述基极电流供给电路包括串联耦合在电源电压和所述基极端子之间的开关和电阻器。
5.根据权利要求1所述的器件，进一步包括耦合在所述双极型晶体管的所述发射极端子与参考电势之间的阻抗。
6.根据权利要求5所述的器件，其中所述阻抗包括具有至少50Ω的电阻值的电阻器。
7.根据权利要求5所述的器件，其中所述参考电势是地。
8.根据权利要求1所述的器件，进一步包括耦合在所述晶体管的所述集电极端子与参考电势之间的阻抗。
9.根据权利要求1所述的器件，进一步包括耦合在所述晶体管的所述基极端子与所述晶体管的所述发射极端子之间的电容器。
10.根据权利要求1所述的器件，进一步包括耦合在所述第一RF端子与所述第二RF端子之间的又一双极型晶体管。
11.根据权利要求10所述的器件，其中所述又一晶体管串联耦合至所述晶体管。
12.根据权利要求11所述的器件，其中所述晶体管的发射极端子耦合至所述又一晶体管的发射极端子。
13.根据权利要求11所述的器件，其中所述晶体管的所述集电极端子耦合至所述又一晶体管的集电极端子，其中所述第一RF端子和所述第二RF端子是输入端子，其中RF输出端子耦合至所述晶体管的所述集电极端子与所述又一晶体管的所述集电极端子之间的节点。
14.根据权利要求10所述的器件，其中所述又一晶体管并行耦合至所述晶体管。
15.根据权利要求14所述的器件，其中所述晶体管的所述集电极端子耦合至所述又一晶体管的发射极端子，以及其中所述晶体管的所述发射极端子耦合至所述又一晶体管的集电极端子。
16.根据权利要求14所述的器件，其中所述晶体管和所述又一晶体管中的一个晶体管是NPN晶体管，以及其中所述晶体管和所述又一晶体管中的另一个晶体管是PNP晶体管，其中所述晶体管的所述发射极端子耦合至所述又一晶体管的发射极端子，以及其中所述晶体管的所述集电极端子耦合至所述又一晶体管的集电极端子。
17.一种射频(RF)开关器件，包括：
第一端子；
第二端子；
双极型晶体管，其中所述双极型晶体管的发射极端子耦合至所述第一端子，以及所述双极型晶体管的集电极端子耦合至所述第二端子；
第一电容器，耦合在所述发射极端子与所述第一端子之间；
第二电容器，耦合在所述集电极端子与所述第二端子之间；
阻抗，耦合在所述发射极端子与地之间；以及
开关，耦合在所述双极型晶体管的基极端子与正电源电压之间。
18.根据权利要求17所述的器件，进一步包括耦合在所述基极端子与所述正电源电压之间的电阻器。
19.根据权利要求17所述的器件，进一步包括串联或并联耦合至所述双极型晶体管的又一双极型晶体管。
20.根据权利要求17所述的器件，进一步包括耦合在所述基极端子与所述发射极端子之间的电容器。
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