CN106788369A - 具有改进偏置电路的射频开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明揭露了一种具有改进偏置电路的射频开关电路，其包括：第一射频端、第二射频端、第一电容、第二电容；射频开关，其包括源极、漏极、栅极以及体端，源极经过第一电容与第一射频端耦接，漏极经过第二电容与第二射频端耦接，偏置电路，其基于电池电压提供第一偏置电压、第二偏置电压和第三偏置电压，第一偏置电压大于第二偏置电压，第二偏置电压大于第三偏置电压，其中，第二偏置电压被耦接至射频开关的源极以及漏极，在需要控制所述射频开关导通时，第一偏置电压被耦接至射频开关的栅极，第二偏置电压被耦接至射频开关的体端，在需要控制射频开关截止时，第三偏置电压被耦接至射频开关的栅极和体端。这样可以节省芯片面积，降低成本。

Description

具有改进偏置电路的射频开关电路

【技术领域】

本发明涉及射频电路领域，特别涉及具有改进偏置电路的射频开关电路。

【背景技术】

现有的绝缘体上硅工艺(SOI CMOS)的射频开关的偏置电路的典型设计如下：在所述射频开关处于导通状态时，所述射频开关的栅极(Gate)电位偏置在2.5V，源极(Source)和漏极(Drain)电位偏置在0V，导通沟道下方的体端(Body)电位偏置在0V；在所述射频开关处于关闭状态时，所述射频开关的栅极(Gate)电位偏置在-2.5V，源极(Source)和漏极(Drain)电位偏置在0V，关闭沟道下方的体端(Body)电位偏置在-2.5V。

上述典型设计中需要用到负压电荷泵(Charge Pump，简称CP)以产生负压。所述负压电荷泵的作用是让需要关闭的射频开关进入深度关闭状态，使射频开关在大功率射频信号输入时得到很好的耐压和线性度。但电荷泵电路内包含振荡器电路，需在设计中规避相位噪声进入射频通道的风险，而且电荷泵电路占用的面积在整体版图比例中较大，会使芯片成本增加。

因此有必要提供一种新的解决方案来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种具有改进偏置电路的射频开关电路，在偏置电路中不需要设置负压电荷泵，就可以实现射频开关的偏置，从而可以节省芯片面积，降低成本。

根据本发明的目的，本发明提供一种射频开关电路，其包括：第一射频端、第二射频端、第一电容、第二电容；射频开关，其包括源极、漏极、栅极以及体端，其中所述源极经过第一电容与第一射频端耦接，所述漏极经过第二电容与第二射频端耦接；偏置电路，其基于电池电压提供第一偏置电压、第二偏置电压和第三偏置电压，第一偏置电压大于第二偏置电压，第二偏置电压大于第三偏置电压，第三偏置电压大于等于地电平，其中，第二偏置电压被耦接至所述射频开关的源极以及漏极，在需要控制所述射频开关导通时，第一偏置电压被耦接至所述射频开关的栅极，第二偏置电压被耦接至所述射频开关的体端，在需要控制所述射频开关截止时，第三偏置电压被耦接至所述射频开关的栅极和体端。

进一步的，在所述射频开关导通时，射频信号能够在第一射频端和第二射频端之间传输，在所述射频开关截止时，射频信号不能够在第一射频端和第二射频端之间传输。

进一步的，第一射频端为天线端。

进一步的，射频开关电路位于一个芯片内，所述电池电压由外部输入至所述芯片内。

进一步的，第三偏置电压为地电平，第二偏置电压为第一偏置电压的一半，第一偏置电压为电池电压。

进一步的，所述偏置电路包括：第一滤波电路，其对所述电池电压进行滤波后得到第一偏置电压，电压转换电路，其基于第一偏置电压得到第二偏置电压，其中第二偏置电压为第一偏置电压的一半，其中，所述偏置电路提供的第三偏置电压为地电平。

进一步的，所述第一滤波电路为连接于电池电压和接地端之间的第一滤波电容，所述第一滤波电容的与电池电压相连的一端提供第一偏置电压，所述电压转换电路包括：连接于第一偏置电压和接地端之间的第一电阻和第二电阻；连接于第一电阻和第二电阻的连接节点和接地端之间的第二滤波电容；缓冲放大器电路，其包括第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与第一电阻和第二电阻的连接节点相连，其第二输入端与其输出端相连，其输出端提供在需要控制所述射频开关导通时被耦接至所述射频开关的体端的第二偏置电压；射频隔离电路，其包括串联的第三电阻和第四电阻、连接于第三电阻和第四电阻之间的第三滤波电容，第三电阻的另一端与所述缓冲放大器电路的输出端相连，第四电阻的另一端提供耦接至所述射频开关的漏极以及源极的第二偏置电压。

与现有技术相比，本发明中的偏置电路不设置负压电荷泵，利用大于地电平的第二偏置电压对所述射频开关的源极和漏极进行电压偏置，而在所述射频开关截止时，利用大于等于地电平的第三偏置电压对所述射频开关的栅极进行电压偏置，从而可以节省芯片面积，降低成本。

【附图说明】

结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：

图1为本发明中的射频开关电路在一个实施例中的电路图；

图2为本发明中的偏置电路的第一实施例的电路图；

图3为本发明中的射频开关电路在一个实施例中的电路图，其中示意出了偏置电路的第二实施例；

图4示出了图3中的整流电路的电路示例；

图5示出了图3中的低通滤波电路的电路示例；

图6示出了图3中的相加电路的电路示例。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种具有改进偏置电路的射频开关电路，在偏置电路中不需要设置负压电荷泵，就可以实现射频开关的偏置，从而可以节省芯片面积，降低成本。

图1示意出了本发明中的射频开关电路100在一个实施例中的电路图。如图1所示的，所述射频开关电路110包括第一射频端RF1、第二射频端RF2、第一电容C1、第二电容C2、射频开关M1和偏置电路110。在所述射频开关M1导通时，射频信号能够在第一射频端RF1和第二射频端RF2之间传输，比如从第一射频端传送至第二射频端，或者从第二射频端传送至第一射频端，在所述射频开关M1截止时，射频信号不能够在第一射频端RF1和第二射频端RF2之间传输。在一个实施例中，第一射频端为天线端ANT。

所述射频开关M1包括源极S、漏极D、栅极G和体端(Body)B，其中所述源极S经过第一电容C1与第一射频端RF1耦接，所述漏极D经过第二电容C2与第二射频端RF2耦接。通过控制栅极G和体端B的偏置电压可以控制所述射频开关M1的导通和截止。

所述偏置电路110基于电池电压VBAT提供第一偏置电压VB1、第二偏置电压VB2和第三偏置电压VB3。第一偏置电压VB1大于第二偏置电压VB2，第二偏置电压VB2大于第三偏置电压VB3，第三偏置电压VB3大于等于地电平。第二偏置电压VB2被耦接至所述射频开关M1的源极以及漏极。在需要控制所述射频开关M1导通时，第一偏置电压VB1被耦接至所述射频开关M1的栅极G，第二偏置电压VB2被耦接至所述射频开关M1的体端B，在需要控制所述射频开关M1截止时，第三偏置电压VB3被耦接至所述射频开关M1的栅极G，第三偏置电压VB3被耦接至所述射频开关M1的体端。在一个实施例中，所述射频开关电路100位于一个芯片内，所述电池电压VBAT是由外部输入至所述芯片内的，所述电池电压比如可以是3.8V。

由于最小的第三偏置电压VB3也是大于等于地电平的，并且给所述射频开关M1的源极和漏极提供的第二偏置电压VB2也大于第三偏置电压，因此在所述偏置电路110中不需要设置负压电荷泵，就可以实现射频开关的偏置，从而可以节省芯片面积，降低成本。优选的，第三偏置电压为地电平，第二偏置电压为第一偏置电压的一半。

现代手机有大量应用在信号接收端的小功率射频开关的市场需求。此类产品客观需要针对降噪降本有技术上的突破。如此，典型小功率射频开关设计中所含电荷泵电路的潜在噪声风险和高成本的缺陷显得更加突出。值得注意到是，接收端小功率射频开关主要考虑插入损耗和隔离度等小信号射频指标，而对于耐压和线形度要求很低。大功率射频开关为满足耐压和线形度要求，其典型设计中正负2.5V偏置电压的压差高达5V。小功率射频开关偏置压差实际不需要5V，以至于设计中可以去掉电荷泵电路。可在电源电压VBAT到GND的3.8V压差范围内设计射频开关的场效应管的栅源漏体各极的偏置电压，并达到开关的射频指标要求。

图2为本发明中的偏置电路110的第一个实施例的电路图。如图2所示的，所述偏置电路110包括第一滤波电路111和电压转换电路112。

第一滤波电路111对所述电池电压VBAT进行滤波后得到第一偏置电压VB1。优选的，所述第一滤波电路111为连接于电池电压VABT和接地端之间的第一滤波电容C21。所述电压转换电路基于第一偏置电压VB1得到第二偏置电压VB2，其中第二偏置电压VB2为第一偏置电压VB1的一半。所述偏置电路直接将地电平作为第三偏置电压VB3。

在一个实施例中，所述电压转换电路112包括：连接于第一偏置电压VB1和接地端之间的第一电阻R21和第二电阻R22；连接于第一电阻R21和第二电阻R22的连接节点和接地端之间的第二滤波电容C22；缓冲放大器电路A1和射频隔离电路113。

所述缓冲放大器电路A1包括第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与第一电阻R21和第二电阻R22的连接节点相连，其第二输入端与其输出端相连，其输出端提供在需要控制所述射频开关M1导通时被耦接至所述射频开关M1的体端的第二偏置电压VB21。所述射频隔离电路包括串联的第三电阻R23和第四电阻R24、连接于第三电阻R23和第四电阻R24之间的第三滤波电容C23，第三电阻R23的另一端与所述缓冲放大器电路A1的输出端相连，第四电阻R24的另一端提供耦接至所述射频开关M1的漏极以及源极的第二偏置电压VB22。

第一电阻R21和第二电阻R22的电阻相等，这样第一电阻R21和第二电阻R22的连接节点提供的电压VE就等于第一偏置电压VB1的一半。所述缓冲放大器电路A1对电压VE进行稳压和放大电流驱动能力后输出第二偏置电压VB21。所述射频隔离电路得到第二偏置电压VB22，其会被提供给所述射频开关的源极和漏极，所述射频隔离电路113使第二偏置电压VB21不受到第二偏置电压VB22的场效应管的源极和漏极的射频信号的影响。大家都了解的是，耦接至所述射频开关M1的漏极以及源极的第二偏置电压VB22、耦接至所述射频开关M1的体端的第二偏置电压VB21都可以被称为第二偏置电压VB2。

针对图2所示的电路分析如下：

VE＝(R22/(R21+R22))*VB1，

电压VE可以根据R21和R22的比例调节，同时R21和R22必须采用兆欧级以上的电阻，保证VBAT的直流漏电在2uA以下。

VB21＝VE，

电压VE的电流驱动能力很弱，VE经过缓冲放大器电路A1输出VB21，使VB21拥有较强的直流电流驱动能力，可以为射频开关中处于导通状态的场效应管的体端(Body)偏置提供稳定的电位，

VB22＝VB21，

VB22被耦接至射频开关的源极(Source)和漏极(Drain)，该位置存在射频信号会影响VB21的稳定性，所以在VB21和VB21之间增加射频隔离电路，主要是利用串联第四电阻R24消除射频电压，利用并联电容C23消除射频电流，同时第三电阻R23进一步增强隔离性。

现有技术中为射频开关M1主要是提供±2.5V的偏置电压，总共需要5V的压差，而如果采用上述图2所示的偏置电压的实施例，虽然省面积(少了产生负压的电荷泵电路的面积)，但压差只能到电池电压VBAT(一般VBAT是3.8V左右)，在有些应用的情况下，可能导致所述射频开关的插损、谐波、隔离度等参数不是很理想。下面示意出了一种进一步改进的偏置电路，其可以解决偏置电压的压差较低的问题。

图3为本发明中的射频开关电路在一个实施例中的电路图，其中示意出了偏置电路的第二个实施例210。如图3所示的，所述偏置电路210包括整流电路211、低通滤波电路212、相加电路213和电压转换电路214。此时，优选的，第一射频端RF1为天线端ANT。

所述整流电路211将第一射频端RF1的射频信号进行整流产生一个直流电压。低通滤波电路212将整流出的直流电压进行低通滤波产生一个滤波后的射频直流电压V1。相加电路213将滤波后的射频直流电压V1与电池电压VBAT以预定比例系数相加得到第一偏置电压VB1。电压转换电路214基于第一偏置电压VB1得到第二偏置电压VB2，其中第二偏置电压VB2为第一偏置电压VB1的一半。所述偏置电路直接将地电平作为第三偏置电压VB3。所述电压转换电路214可以与图2中的电压转换电路112采用同样的电路结构，也可以采用不同的电路结构，比如直接用两个串联的电阻来分压所述第一偏置电压VB1得到第二偏置电压VB2，或者其他电路结构。

在图3所示的偏置电路210中，对天线端的射频信号进行整流、滤波产生一个射频直流电压，将其与电池电压VBAT以预定比例相加，可以产生一个高于电池电压VBAT的自适应直流电压，作为电压偏置提供给所述射频开关M1，使电压偏置的压差达到5V，达到和有负压电荷泵(chargepump)的射频开关同样的性能。

当射频信号的功率较小的时候，射频直流电压V1较小，在导通状态时提供给射频开关M1的栅极G的偏置电压就是电池电压VBAT；比如，电池电压VBAT的电压为3.8V，那么所述偏置电路相当于提供了±1.9V的电压偏置，这个值比现有技术中有电荷泵电路的版本的±2.5V的电压偏置低，但考虑到是功率较小，偏低的偏置电压对射频性能的影响不是很大。

当所述射频信号的功率较大的时候，比如当功率升高到35dBm时，AC峰值17.7V，整流滤波出来的射频直流电压V1大约是7V，射频直流电压V1较大，与电池电压按比例相加后，可以使得第一偏置电压达到5V，在导通状态时提供给所述射频开关M1的栅极的偏置电压就能大于等于电池电压VBAT，达到5V或更高，达到±2.5V的电压偏置，与有电荷泵的射频开关电路的偏置电压完全一致，不影响大功率下的射频性能。

这就是自适应偏置的原理：当功率小的时候，单电源偏置在3.8V(±1.9V)，这个时候偏置电压较低，但对小功率的射频性能影响不大；随着功率的慢慢上升，VB1的电压值也慢慢上升，对应着偏置电压也慢慢上升，改善射频性能；当射频功率达到35dBm时，VB1电压达到5V，电压偏置与有电荷泵的射频开关电路的完全一致，不影响大功率下的射频性能。

其中，整流电路以及相加电路的比例系数还可以灵活的调整，在需要的功率下得到需要的单电源偏置电压值。

图4示出了图3中的整流电路的电路示例；图5示出了图3中的低通滤波电路的电路示例；图6示出了图3中的相加电路的电路示例。

如图4所示的，所述整流电路211包括二极管D31、电阻R31和电容C31，其中二极管31的阳极作为所述整流电路211的输入端，其与所述天线端相连，二极管31的阴极与所述电阻R31的一端相连，所述电阻R31的另一端作为整流电路211的输出端，电容C31连接于所述电阻R31的另一端和接地端之间。

如图5所示的，所述低通滤波电路包括电阻R32和电容R32，电阻R32和电容R32相互并联，它们的一个连接端接地，另一个连接端作为所述低通滤波电路的输入端和输出端。

如图6所示的，所述相加电路213包括电阻R33、电阻R34、电阻R35和电容C33。其中电阻R33、电阻R34串联于第一输入端和第二输入端之间，其中第一输入端连接电池电压VBAT，第二输入端连接低通滤波器的输出端，接收射频直流电压V1，电阻R35和电容C33串联于电阻R33和电阻R34的中间节点与接地端之间，所述电阻R33和电阻R34的中间节点作为输出端VOUT输出第一偏置电压VB1。通过调整电阻R33、电阻R34的阻值可以设置所述电池电压VBAT和所述射频直流电压V1之间的相加的预定比例值，这个可以根据具体情况来设定。

另外，整流电路、低通滤波电路、相加电路还可以采用其他有相应的功能的电路，并不局限于上述示例，由于整流电路、低通滤波电路、相加电路的具体电路并不是本发明的重点，因此这里就不再一一列举了。

本发明中的“耦接”、“相连”、“相接”、“连接”、“接地”等表示电性连接的词，除了特别说明的外，都表示直接或间接的电性相连，间接的电性相连意味着中间可以串联一些器件，比如电阻或电感等。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于所述具体实施方式。

Claims (7)

1.一种射频开关电路，其特征在于，其包括：

第一射频端、第二射频端、第一电容、第二电容；

射频开关，其包括源极、漏极、栅极以及体端，其中所述源极经过第一电容与第一射频端耦接，所述漏极经过第二电容与第二射频端耦接；

偏置电路，其基于电池电压提供第一偏置电压、第二偏置电压和第三偏置电压，第一偏置电压大于第二偏置电压，第二偏置电压大于第三偏置电压，第三偏置电压大于等于地电平，

其中，第二偏置电压被耦接至所述射频开关的源极以及漏极，在需要控制所述射频开关导通时，第一偏置电压被耦接至所述射频开关的栅极，第二偏置电压被耦接至所述射频开关的体端，在需要控制所述射频开关截止时，第三偏置电压被耦接至所述射频开关的栅极和体端。

2.根据权利要求1所述的射频开关电路，其特征在于，在所述射频开关导通时，射频信号能够在第一射频端和第二射频端之间传输，在所述射频开关截止时，射频信号不能够在第一射频端和第二射频端之间传输。

3.根据权利要求1所述的射频开关电路，其特征在于，第一射频端为天线端。

4.根据权利要求1所述的射频开关电路，其特征在于，其位于一个芯片内，所述电池电压由外部输入至所述芯片内。

5.根据权利要求1所述的射频开关电路，其特征在于，第三偏置电压为地电平，第二偏置电压为第一偏置电压的一半，第一偏置电压为电池电压。

6.根据权利要求1所述的射频开关电路，其特征在于，所述偏置电路包括：

第一滤波电路，其对所述电池电压进行滤波后得到第一偏置电压，

电压转换电路，其基于第一偏置电压得到第二偏置电压，其中第二偏置电压为第一偏置电压的一半，

其中，所述偏置电路提供的第三偏置电压为地电平。

7.根据权利要求6所述的射频开关电路，其特征在于，所述第一滤波电路为连接于电池电压和接地端之间的第一滤波电容，所述第一滤波电容的与电池电压相连的一端提供第一偏置电压，

所述电压转换电路包括：

连接于第一偏置电压和接地端之间的第一电阻和第二电阻；

连接于第一电阻和第二电阻的连接节点和接地端之间的第二滤波电容；

缓冲放大器电路，其包括第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与第一电阻和第二电阻的连接节点相连，其第二输入端与其输出端相连，其输出端提供在需要控制所述射频开关导通时被耦接至所述射频开关的体端的第二偏置电压；

射频隔离电路，其包括串联的第三电阻和第四电阻、连接于第三电阻和第四电阻之间的第三滤波电容，第三电阻的另一端与所述缓冲放大器电路的输出端相连，第四电阻的另一端提供耦接至所述射频开关的漏极以及源极的第二偏置电压。