CN108111155B - 一种改善非线性的射频开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善非线性的射频开关电路，包括栅极电压控制模块、开关模块以及体极电压控制模块，所述开关模块包括N个级联的NMOS管开关单元，各NMOS管开关单元的NMOS开关管的源极S/漏极D与体极B通过可控选择串并联单元连接，减小射频电路的谐波非线性，本发明通过增加源漏与体极的可控选择串并联单元，可以减小谐波非线性，同时能够优化导通电阻Ron、减小关断电容Coff。

Description

一种改善非线性的射频开关电路

技术领域

本发明涉及一种射频开关电路，特别是涉及一种改善非线性的射频开关电路。

背景技术

射频开关是用于控制射频信号传输路径及信号大小的控制器件之一，在无线通信、电子对抗、雷达系统及电子测量仪器等许多领域有广泛用途。众所周知，在射频开关电路中，谐波等非线性特性对射频开关功率处理能力至关重要，同时关断电容Coff的减小有助于改善隔离度及阻抗失配插损。

图1为现有技术一种射频开关电路的电路示意图。如图1所示，现有技术的射频开关电路包括栅极电压控制模块10、开关模块20和体极电压控制模块30，栅极电压控制模块10和体极电压控制模块30各由一个公共偏置电阻组成，开关模块20由多个级联的NMOS管M1、M2、……、Mn、多个体极偏置电阻Rbk、多个栅极偏置电阻Rgk以及多个通路电阻Rdsk组成，开关模块20与栅极控制电压VG、体极控制电压VB之间连接公共偏置电阻Rgc、Rbc。

现有技术的射频开关电路采用层叠设计，其导通电阻Ron与关断电容Coff的乘积表征射频开关电路的射频特性：Ron·Coff＝FoM。

图2为图1射频开关电路中开关模块的各开关单元的结构图。当射频开关导通(ON)时，射频信号电流Iout＝Iin-Ib，其中，Iin为从射频输入端RFin流入的射频电流，Iout为从射频输出端RFout流出的射频电流，Ib为体极流出的漏电流，如果Ib≈0，射频开关传递函数为奇函数，奇函数不产生偶次谐波，具有较好的偶次谐波非线性，Rb>>Rdb及Rsb时，Ib≈0，Rb为体极电阻，Rdb为漏极D与体极B间等效电阻，Rsb为源极S与体极B间等效电阻；

图3为另一种开关源极S/漏极D与体极B仅接小开关的射频开关单元的结构图。当开关导通(ON)时将漏极D与体极B及漏极D与源极S通过NMOS管短接，可以使Rdb＝Rsb<<Rb，开关导通(ON)态射频开关近似为奇函数改善偶次谐波非线性，同时增减并联通路可以减小射频开关导通电阻Ron而减小奇次谐波。

然而，上述现有技术中，当开关截止(OFF)态时射频开关增加并联电容通路，会增加射频开关关断电容Coff。

因此，实有必要提出一种技术手段，以解决上述问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种改善非线性的射频开关电路，其通过增加源漏与体极的可控选择串并联单元，可以减小谐波非线性，同时能够优化导通电阻Ron、减小关断电容Coff。

为达上述及其它目的，本发明提出一种改善非线性的射频开关电路，包括栅极电压控制模块、开关模块以及体极电压控制模块，所述开关模块包括N个级联的NMOS管开关单元，各NMOS管开关单元的NMOS开关管的源极S/漏极D与体极B通过可控选择串并联单元连接，减小射频电路的谐波非线性。

进一步地，所述开关模块的各NMOS开关管的源极S/漏极D与体极B通过两级串联的NMOS管小开关控制单元连接。

进一步地，所述两级串联的NMOS管小开关控制单元的中间节点经可控MOS管通路提供并联小电容至地路径。

进一步地，所述开关模块的每个开关单元包括NMOS开关管Msw、体极偏置电阻Rb、栅极偏置电阻Rg、通路电阻Rds、构成漏体并联支路的串联NMOS管Mdb1和Mdb2、构成源体并联支路的串联NMOS管Msb1和Msb2、漏体并联支路的串联NMOS管并联分布电容控制MOS管Md、漏极至地电容Cd、源体并联支路的串联NMOS管并联分布电容控制MOS管Ms以及源极至地电容Cs。

进一步地，射频输入信号RFin连接至第一级NMOS管开关单元的NMOS开关管的漏极，第一级NMOS开关单元的NMOS开关管的源极连接第二级NMOS管开关单元的NMOS开关管的漏极，第二级NMOS开关单元的NMOS开关管的源极连接第三级NMOS开关单元的NMOS开关管的漏极，……，第n-2级NMOS开关单元的NMOS开关管的源极连接第n-1级NMOS开关单元的NMOS开关管的漏极，第n-1级NMOS开关单元的NMOS开关管的源极连接第n级NMOS开关单元的NMOS开关管的漏极，第n级NMOS开关单元的NMOS开关管的源极为所述射频开关电路的输出RFout。

进一步地，漏体并联支路MOS管Mdb1的漏极连接至NMOS管Msw的漏极，漏体并联支路MOS管Mdb1的源极连接漏体并联支路MOS管Mdb2的漏极和漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Md的源极，漏体并联支路MOS管Mdb2的源极连接至NMOS管Msw的体极，漏体并联支路MOS管Mdb1的栅极、漏体并联支路MOS管Mdb2的栅极和漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Md的栅极连接至NMOS管Msw的栅极，漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Md的漏极连接至漏极电容Cd的一端，漏极电容Cd的另一端接地，源体并联支路MOS管Msb1的漏极连接至NMOS管Msw的源极，源体并联支路MOS管Msb1的源极连接源体并联支路MOS管Msb2的漏极和源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Ms的源极，源体并联支路MOS管Msb2的源极连接至NMOS管Msw的体极，源体并联支路MOS管Msb1的栅极、源体并联支路MOS管Msb2的栅极和源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Ms的栅极连接至NMOS管Msw的栅极，源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Ms的漏极连接至源极电容Cs的一端，源极电容Cs的另一端接地,通路电阻Rds连接在NMOS管Msw的漏极和源极间，体极偏置电阻Rb的一端连接至NMOS管Msw的体极，体极偏置电阻Rb的另一端连接至所述体极电压控制模块，栅极偏置电阻Rg的一端连接至NMOS管Msw的栅极，栅极偏置电阻Rg的另一端连接至所述栅极电压控制模块。

进一步地，所述漏体并联支路MOS管Mdb1和Mdb2、源体并联支路MOS管Msb1和Msb2为NMOS管。

进一步地，所述漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Md、源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Ms为PMOS管。

进一步地，当NMOS管Msw开启时，PMOS管关断与地射频浮空，NMOS管Msw开启使得源极S/漏极D与体极B短接，射频开关电路为奇函数，以改善偶次谐波非线性。

进一步地，当NMOS管Msw关闭时，NMOS管Msw关断表现为关断电容，而PMOS管开启提供至地并联小电容通路，使NMOS管Msw关断电容为接地电容而减小NMOS管Msw的关断电容。

与现有技术相比，本发明一种改善非线性的射频开关电路通过将开关模块的NMOS开关管的源极S/漏极D与体极B通过两级串联NMOS小开关控制单元连接，其中间节点经可控MOS管通路提供并联小电容至地路径，可以减小射频开关电路的谐波非线性，同时能够优化其导通电阻Ron、减小关断Coff。

附图说明

图1为现有技术一种射频开关电路的电路示意图；

图2为图1射频开关电路中开关模块的各开关单元的结构图；

图3为另一种开关源极S/漏极D与体极B仅接小开关的射频开关单元的结构图；

图4为本发明一种改善非线性的射频开关电路的电路结构图；

图5为本发明具体实施例中开关模块的NMOS开关单元的细部结构图；

图6为本发明导通电阻Ron和关断电容Coff的仿真比较图；

图7为本发明和现有技术的谐波非线性比较示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图4为本发明一种改善非线性的射频开关电路的电路结构图。如图4所示，本发明一种改善非线性的射频开关电路，包括:栅极电压控制模块10、开关模块20和体极电压控制模块30。

其中，栅极电压控制模块10由第一公共偏置电阻Rgc组成，用于建立控制开关模块20导通或关断的栅极控制电压VG；开关模块20由多个级联的开关201、202、……、20n组成，每个开关20k由NMOS开关管Mswk、体极偏置电阻Rbk、栅极偏置电阻Rgk、通路电阻Rdsk、两个漏体并联支路MOS管Mdb1k和Mdb2k、两个源体并联支路MOS管Msb2k和Msb1k、漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Mdk、漏极电容Cdk、源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Msk以及源极电容Csk组成(k＝1,2,……,n)，用于在栅极控制电压VG和体极控制电压VB的控制下将射频输入信号RFin连接或不连接至射频输出端RFout；体极电压控制模块30由第二公共偏置电阻Rbc组成，用于建立控制开关模块20导通或关断的体极控制电压VB。

开关模块20的n个NMOS开关单元201、202、……、20n依次级联，即射频输入信号RFin连接至NMOS开关单元201的NMOS开关管Msw1的漏极，NMOS开关单元201的NMOS管Msw1的源极连接NMOS开关单元202的NMOS开关管Msw2的漏极，NMOS开关单元202的NMOS开关管Msw2的源极连接NMOS开关单元203的NMOS开关管Msw3的漏极，……，NMOS开关单元20(n-2)的NMOS开关管Msw(n-2)的源极连接NMOS开关单元20(n-1)的NMOS开关管Msw(n-1)的漏极，NMOS开关单元20(n-1)的NMOS开关管Msw(n-1)的源极连接NMOS开关单元20n的NMOS开关管Mswn的漏极，NMOS开关单元20n的NMOS开关管Mswn的源极为射频开关的输出RFout，漏体并联支路MOS管Mdb1k的漏极连接至NMOS管Mswk的漏极(k＝1,2,……,n)，漏体并联支路MOS管Mdb1k的源极连接漏体并联支路MOS管Mdb2k的漏极和漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Mdk的源极(k＝1,2,……,n)，漏体并联支路MOS管Mdb2k的源极连接至NMOS管Mswk的体极(k＝1,2,……,n)，漏体并联支路MOS管Mdb1k的栅极、漏体并联支路MOS管Mdb2k的栅极和漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Mdk的栅极连接至NMOS管Mswk的栅极(k＝1,2,……,n)，漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Mdk的漏极连接至漏极电容Cdk的一端(k＝1,2,……,n)，漏极电容Cdk的另一端接地(k＝1,2,……,n)，源体并联支路MOS管Msb1k的漏极连接至NMOS管Mswk的源极(k＝1,2,……,n)，源体并联支路MOS管Msb1k的源极连接源体并联支路MOS管Msb2k的漏极和源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Msk的源极(k＝1,2,……,n)，源体并联支路MOS管Msb2k的源极连接至NMOS管Mswk的体极(k＝1,2,……,n)，源体并联支路MOS管Msb1k的栅极、源体并联支路MOS管Msb2k的栅极和源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Msk的栅极连接至NMOS管Mswk的栅极(k＝1,2,……,n)，源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Msk的漏极连接至源极电容Csk的一端(k＝1,2,……,n)，源极电容Csk的另一端接地(k＝1,2,……,n)，通路电阻Rdsk连接在NMOS管Mswk的漏极和源极间(k＝1，2，……，n)，体极偏置电阻Rbk的一端连接至NMOS管Mswk的体极(k＝1，2，……，n)，体极偏置电阻Rbk(k＝1，2，……，n)的另一端连接至第二公共偏置电阻Rbc的一端，第二公共偏置电阻Rbc的另一端即体极控制电压VB节点，栅极偏置电阻Rgk的一端连接至NMOS管Mswk的栅极(k＝1，2，……，n)，栅极偏置电阻Rgk(k＝1，2，……，n)的另一端连接至第一公共偏置电阻Rgc的一端，第一公共偏置电阻Rgc的另一端即栅极控制电压VG节点。

图5为本发明具体实施例中开关模块的NMOS开关单元的细部结构图。其中NMOS管Msw的源极S/漏极D与体极B通过两级串联的NMOS小开关控制单元(源极S接串联的NMOS小开关Msb1/Msb2，漏极D接串联的NMOS小开关Mdb1/Mdb2，小开关控制单元的尺寸一般为主开关Msw的1/10，设计时根据应用需求与面积要求决定，一般比Msw小)连接，其NMOS小开关控制单元的中间节点经可控MOS管通路(Ms/Md)提供并联小电容至地路径。

当NMOS管Msw开启(ON)时，PMOS管关断与地RF浮空，NMOS开启使得源极S/漏极D与体极B短接，射频开关单元为奇函数，改善偶次谐波非线性；并联(即Mdb1与Mdb2、Msb1与Msb2串联后与NMOS管Msw并联)减小导通电阻Ron改善奇次谐波。

当NMOS管Msw关断(OFF)时，NMOS关断表现为关断电容，但是PMOS开启提供至地并联小电容通路，使NMOS关断电容为接地电容而减小NMOS管Msw的关断电容。

图6为本发明导通电阻Ron和关断电容Coff的仿真比较，Typical1对应图1现有技术时的情况，Typical2对应图3所示S/D与B仅接小开关的射频开关单元技术时的情况，Novel对应本发明情况，菱形标记对应导通电阻Ron，圆形标记对应关断电容Coff。

图3所示S/D与B仅接小开关的射频开关单元技术时(Typical2)，其导通电阻Ron(图6之菱形标记)较现有技术时的导通电阻(Typical 1)减小-5.6％，但是关断电容Coff(图6之圆形标记)会显著增加10.5％，实际FOM变为(1-5.6％)x(1+10.5％)＝1.04312；

本发明(Novel)导通电阻Ron(图6之菱形标记)减小趋势缩小至-1.6％，但是可以显著优化关断电容Coff使其减小-6.5％，，实际FOM变为(1-1.6％)x(1-6.5％)＝0.9204，整体可以优化缩小FOM。

图7为本发明和现有技术的谐波非线性比较示意图，实线三角标记Novel H4为发明之4次谐波，虚线三角标记Typical H4为现有技术之4次谐波，实线菱形标记Novel H3为发明之3次谐波，虚线菱形标记Typical H3为现有技术之3次谐波，实线圆形标记Novel H2为发明之2次谐波，虚线圆形标记Typical H2为现有技术之2次谐波，发明各指标均低于现有技术。

可见，偶次谐波(2次谐波和4次谐波)非线性改善7.5dB，奇次(3次谐波)谐波改善1.8dB。

综上所述，本发明一种改善非线性的射频开关电路通过将开关模块的NMOS开关管的源极S/漏极D与体极B通过两级串联NMOS小开关控制单元连接，其中间节点经可控MOS管通路提供并联小电容至地路径，可以减小射频开关电路的谐波非线性，同时能够优化其导通电阻Ron、减小关断Coff。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种改善非线性的射频开关电路，包括栅极电压控制模块、开关模块以及体极电压控制模块，其特征在于：所述开关模块包括N个级联的NMOS管开关单元，各NMOS管开关单元的NMOS开关管的源极S/漏极D与体极B通过可控选择串并联单元连接，减小射频电路的谐波非线性；

其中，所述开关模块的各NMOS开关管的源极S/漏极D与体极B通过两级串联的NMOS管小开关控制单元连接；所述两级串联的NMOS管小开关控制单元的中间节点经可控MOS管通路提供并联小电容至地路径。

2.如权利要求1所述的一种改善非线性的射频开关电路，其特征在于：所述开关模块的每个开关单元包括NMOS开关管Msw、体极偏置电阻Rb、栅极偏置电阻Rg、通路电阻Rds、构成漏体并联支路的串联NMOS管Mdb1和Mdb2、构成源体并联支路的串联NMOS管Msb1和Msb2、漏体并联支路的串联NMOS管并联分布电容控制MOS管Md、漏极至地电容Cd、源体并联支路的串联NMOS管并联分布电容控制MOS管Ms以及源极至地电容Cs。

3.如权利要求2所述的一种改善非线性的射频开关电路，其特征在于：射频输入信号RFin连接至第一级NMOS管开关单元的NMOS开关管的漏极，第一级NMOS开关单元的NMOS开关管的源极连接第二级NMOS管开关单元的NMOS开关管的漏极，第二级NMOS开关单元的NMOS开关管的源极连接第三级NMOS开关单元的NMOS开关管的漏极，……，第n-2级NMOS开关单元的NMOS开关管的源极连接第n-1级NMOS开关单元的NMOS开关管的漏极，第n-1级NMOS开关单元的NMOS开关管的源极连接第n级NMOS开关单元的NMOS开关管的漏极，第n级NMOS开关单元的NMOS开关管的源极为所述射频开关电路的输出RFout。

4.如权利要求3所述的一种改善非线性的射频开关电路，其特征在于：漏体并联支路MOS管Mdb1的漏极连接至NMOS管Msw的漏极，漏体并联支路MOS管Mdb1的源极连接漏体并联支路MOS管Mdb2的漏极和漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Md的源极，漏体并联支路MOS管Mdb2的源极连接至NMOS管Msw的体极，漏体并联支路MOS管Mdb1的栅极、漏体并联支路MOS管Mdb2的栅极和漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Md的栅极连接至NMOS管Msw的栅极，漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Md的漏极连接至漏极电容Cd的一端，漏极电容Cd的另一端接地，源体并联支路MOS管Msb1的漏极连接至NMOS管Msw的源极，源体并联支路MOS管Msb1的源极连接源体并联支路MOS管Msb2的漏极和源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Ms的源极，源体并联支路MOS管Msb2的源极连接至NMOS管Msw的体极，源体并联支路MOS管Msb1的栅极、源体并联支路MOS管Msb2的栅极和源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Ms的栅极连接至NMOS管Msw的栅极，源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Ms的漏极连接至源极电容Cs的一端，源极电容Cs的另一端接地,通路电阻Rds连接在NMOS管Msw的漏极和源极间，体极偏置电阻Rb的一端连接至NMOS管Msw的体极，体极偏置电阻Rb的另一端连接至所述体极电压控制模块，栅极偏置电阻Rg的一端连接至NMOS管Msw的栅极，栅极偏置电阻Rg的另一端连接至所述栅极电压控制模块。

5.如权利要求4所述的一种改善非线性的射频开关电路，其特征在于：所述漏体并联支路MOS管Mdb1和Mdb2、源体并联支路MOS管Msb1和Msb2为NMOS管。

6.如权利要求5所述的一种改善非线性的射频开关电路，其特征在于：所述漏体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Md、源体并联支路的串联NMOS管分布电容控制MOS管Ms为PMOS管。

7.如权利要求6所述的一种改善非线性的射频开关电路，其特征在于：当NMOS管Msw开启时，PMOS管关断与地射频浮空，NMOS管Msw开启使得源极S/漏极D与体极B短接，射频开关电路为奇函数，以改善偶次谐波非线性。

8.如权利要求6所述的一种改善非线性的射频开关电路，其特征在于：当NMOS管Msw关闭时，NMOS管Msw关断表现为关断电容，而PMOS管开启提供至地并联小电容通路，使NMOS管Msw关断电容为接地电容而减小NMOS管Msw的关断电容。

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