CN108566187B - 一种隔离开关 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的是一种隔离开关，其结构包括输入变压器单元，反相信号前馈单元和开关单元，其中输入变压器单元的输入端连接单端射频输入信号端口，输入变压器单元的A耦合输出端和B耦合输出端分别连接开关单元的C输入端和反相信号前馈单元的输入端，反相信号前馈单元的A输出端和B输出端分别连接开关单元的A输入端和B输入端，开关单元的输出端连接单端射频输出信号端口。优点：可采用RF CMOS、GaAs、BiCMOS、SOI等多种工艺实现，工作频段宽，利用栅极以及衬底至源、漏极的耦合作用对射频泄露信号进行抵消，大幅提高开关在关断模式下的隔离度；同时具有阻抗匹配作用，可单片集成，亦可采用分立器件搭建，应用灵活，成本较低，具有广阔的应用前景和价值。

Description

一种隔离开关
技术领域
本发明涉及一种隔离开关，属于集成电路领域。
背景技术
无线通信是现代生活不可缺少的组成部分。目前，在无线通信领域应用比较普遍的蓝牙和无线局域网(WLAN)等都属于时分双工(TDD)通信系统。在这些系统中，射频收发开关(RF T/R sw itch)作为无线通信系统的关键部件，其性能优劣决定着很多电子产品的性能。
传统的开关电路结构如图1所示，控制信号通过电阻R1连接NMOS FET的栅极，控制开关的开启和关断。采用NMOS FET作为开关管没有静态功耗，因此这种结构在无线通信系统中被广泛使用。
传统的开关电路结构具有以下缺点：1）输入输出隔离性能差：由于需要实现较小的插入损耗，开关管的面积通常较大，因此当开关管工作在关断时，输入输出端口之间的寄生电容通常较大，这将导致开关在关闭情况下，输入信号向输出端口的馈通；因此这种结构在兼顾插损性能的情况下，无法获得较好的输入输出端口隔离性能；
2）输入输出直流电平相互影响：该结构在开关打开时，输入输出端口通过开关管直接相连，因此采用这种结构时，输入和输出端口的直流电平必须一致，否则会产生较大的功耗；
3）不具有输入阻抗匹配的作用：这种结构在使用时要求输入阻抗和输出阻抗完全一致，如果出现阻抗不一致的情况需要另加匹配网络进行匹配。
发明内容
本发明提出的是一种隔离开关，其目的是为克服传统开关电路的不足，能在保证开关插损性能的基础上，提高开关的隔离性能，同时具备输入输出阻抗匹配的作用。
本发明采取的技术方案如下：一种隔离开关，其结构包括输入变压器单元，反相信号前馈单元和开关单元，其中输入变压器单元的输入端连接单端射频输入信号端口，输入变压器单元的A耦合输出端和B耦合输出端分别连接开关单元的C输入端和反相信号前馈单元的输入端，反相信号前馈单元的A输出端和B输出端分别连接开关单元的A输入端和B输入端，开关单元的输出端连接单端射频输出信号端口。
本发明的优点：
（1）隔离度高：利用衬底以及栅端口至源、漏极的耦合作用，将反相信号耦合至输出端，在输出端同相信号和反相信号相互抵消，大幅提高开关在关断模式下的隔离度；
（2）输入输出直流电平相互独立：通过输入变压器单元将输入信号耦合至开关单元，实现了输入输出端口直流电平的隔离，开关输入输出端口可以采用不一致的直流电平，大大增加的应用的灵活性，在系统应用时，可以省去开关输入输出端口的隔直电容器件，降低系统成本；
（3）具有阻抗匹配作用：可以通过调节变压器初级线圈和次级线圈的匝数比实现源阻抗和负载阻抗的匹配，克服了传统开关结构不具有阻抗匹配作用，在应用时需要源和负载阻抗保持一致的缺点；
（4）可以大幅提高开关的隔离度，隔离输入和输出端口直流电平，同时可以进行阻抗匹配，所有元件均可在片内实现，减少外围电路元件，降低成本，可以广泛应用于现代通信系统中。
附图说明
图1是传统的开关电路原理图。
图2是隔离开关电路方框图。
图3是隔离开关电路原理图。
图4（a）和图4（b）是开关关闭情况下传统开关与隔离开关信号泄漏情况对比图，其中图4（a）是传统开关在关断时的信号泄漏情况，图4（b）是本发明在关断时的信号泄漏情况。
图5是相同插损下隔离开关与传统开关电路隔离性能仿真曲线比较图。
图6是源阻抗为25ohm、负载阻抗为75ohm时隔离开关与传统开关输入驻波比较图。
具体实施方式
如图2所示，一种隔离开关，其结构包括输入变压器单元，反相信号前馈单元和开关单元，其中输入变压器单元的输入端连接单端射频输入信号端口RFin，输入变压器单元的A耦合输出端连接开关单元的C输入端，输入变压器单元B耦合输出端连接反相信号前馈单元的输入端，反相信号前馈单元的A输出端连接开关单元的A输入端，反相信号前馈单元的B输出端连接开关单元的B输入端，开关单元的输出端连接单端射频输出信号端口RFout。
如图3所示，所述的输入变压器单元包括变压器T1，其中变压器T1的初级线圈一端连接单端射频输入信号端口RFin，另一端接地；变压器T1的次级线圈的o1端口连接开关单元的C输入端，次级线圈的o2端口连接反相信号前馈单元的输入端。
所述的反相信号前馈单元包括M1、M2、M3三个NMOS管和R1、R2、R3三个电阻，其中第一个NMOS管M1的栅极和第一个电阻R1的一端连接，M1的源极连接输入变压器单元中变压器T1的次级线圈o2端口，M1的漏极输出反相信号至开关单元，R1的另一端连接VCF控制信号端口；
第二个NMOS管M2的源极连接第一个NMOS管M1的源极，M2的栅极连接第二个电阻R2的一端，M2的漏极输出反相信号至开关单元，R2的另一端连接VCF控制信号端口；
第三个NMOS管M3的栅极连接第三个电阻R3的一端，M3的漏极连接第一个NMOS管M1的源极，M3的源极接地，R3的另一端连接VC控制信号端口。
所述的开关单元包括第四个NMOS管M4、第四个电阻R4、第五个电阻R5；其中第四个NMOS管M4的栅极连接R4的一端，同时连接反相信号前馈单元中M1的漏极，M4的源极连接输入变压器单元中变压器T1的次级线圈o1端口，M4的衬底端口连接R5的一端，同时连接反相信号前馈单元中M2的漏极，M4的漏极连接单端射频输出信号端口RFout，R4的另一端连接VC控制信号端口， R5的另一端接地。
电路中的VC控制信号端口和VCF控制信号端口输出的信号是一对反相控制信号，当VC控制信号端口输出为高电平时，第三个NMOS管M3、第四个NMOS管M4打开，第一个NMOS管M1、第二个NMOS管M2关闭，输入信号直接通过变压器T1和第四个NMOS管M4输出，同时可以通过优化变压器T1初级线圈和次级线圈的匝数比实现源和负载的阻抗匹配；当VC控制信号端口输出为低电平时，晶体管第一个NMOS管M1、第二个NMOS管M2打开，第三个NMOS管M3、第四个NMOS管M4关闭，同相信号通过第四个NMOS管M4的源极耦合至输出端口，反相信号通过第四个NMOS管M4的衬底和栅极耦合至输出端口，与同相信号进行抵消，大幅提高开关在关闭状态下的隔离度。
传统开关和本发明开关在关闭情况下，信号的泄漏情况对比如图4（a）、（b）所示：传统开关在关闭情况下，由于寄生电容的存在，信号会耦合至输出端，无法实现理想关闭，即开关在关闭时的隔离度差；本发明提出的开关在关闭状态时，先将单端信号转换成差分信号，由于开关管M4源、漏端口的耦合作用，将同相信号耦合至输出端，同时反相信号加至开关管M4的衬底和栅端口，利用衬底以及栅端口至源、漏极的耦合作用，将反相信号耦合至输出端，在输出端同相信号和反相信号相互抵消，大幅提高开关在关断模式下的隔离度。
如图5所示，在同种工艺平台下，同样实现0.35dB插损时，相对于传统开关，本发明提出的开关的隔离度在1GHz、5GHz和10GHz频率处分别提高了23dB、15dB和13dB。
如图6所示，当源阻抗为25ohm、负载阻抗为75ohm时，传统开关的输入驻波为-6dB，而采用本发明提出的开关输入驻波为-30dB（变压器匝数比为1:1.7），因此本发明可以大大简化开关前后级器件间的匹配电路，降低系统成本。

Claims (3)

1.一种隔离开关，其特征是包括单端射频输入信号端口、单端射频输出信号端口、输入变压器单元，反相信号前馈单元和开关单元，其中单端射频输入信号端口（RFin）连接输入变压器单元的输入端，输入变压器单元的A耦合输出端连接开关单元的C输入端，输入变压器单元B耦合输出端连接反相信号前馈单元的输入端，反相信号前馈单元的A输出端连接开关单元的A输入端，反相信号前馈单元的B输出端连接开关单元的B输入端，开关单元的输出端连接单端射频输出信号端口（RFout）；
所述的反相信号前馈单元包括三个NMOS管和三个电阻；其中第一个NMOS管（M1）的栅极和第一个电阻（R1）的一端连接，第一个NMOS管（M1）的源极连接输入变压器单元中变压器（T1）的次级线圈o2端口，第一个NMOS管（M1）的漏极输出反相信号至开关单元，第一个电阻（R1）的另一端连接VCF控制信号端口；第二个NMOS管（M2）的源极连接第一个NMOS管（M1）的源极，第二个NMOS管（M2）的栅极连接第二个电阻（R2）的一端，第二个NMOS管（M2）的漏极输出反相信号至开关单元，第二个电阻（R2）的另一端连接VCF控制信号端口；第三个NMOS管（M3）的栅极连接第三个电阻（R3）的一端，第三个NMOS管（M3）的漏极连接第一个NMOS管（M1）的源极，第三个NMOS管（M3）的源极接地，第三个电阻（R3）的另一端连接VC控制信号端口，VC控制信号端口和VCF 控制信号端口输出的信号是一对反相控制信号；
所述的开关单元包括第四个NMOS管（M4）、第四个电阻（R4）、第五个电阻（R5）；其中第四个NMOS管（M4）的栅极连接第四个电阻（R4）的一端，同时连接反相信号前馈单元中第一个NMOS管（M1）的漏极，第四个NMOS管（M4）的源极连接输入变压器单元中变压器（T1）的次级线圈o1端口，第四个NMOS管（M4）的衬底端口连接第五个电阻（R5）的一端，同时连接反相信号前馈单元中第二个NMOS管（M2）的漏极，第四个NMOS管（M4）的漏极连接单端射频输出信号端口（RFout），第四个电阻（R4）的另一端连接VC控制信号端口，第五个电阻（R5）的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种隔离开关，其特征是所述的输入变压器单元包括变压器（T1），其中变压器（T1）的初级线圈一端连接单端射频输入信号端口（RFin），另一端接地；变压器（T1）的次级线圈的o1端口连接开关单元的C输入端，次级线圈的o2端口连接反相信号前馈单元的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种隔离开关，其特征在于，所述的VC控制信号端口和VCF控制信号端口输出的信号是一对反相控制信号，当VC控制信号端口输出为高电平时，第三个NMOS管（M3）、第四个NMOS管（M4）打开，第一个NMOS管（M1）、第二个NMOS管（M2）关闭，输入信号直接通过变压器（T1）和第四个NMOS管（M4）输出，同时可以通过优化变压器（T1）初级线圈和次级线圈的匝数比实现源和负载的阻抗匹配；当VC控制信号端口输出为低电平时，晶体管第一个NMOS管（M1）、第二个NMOS管（M2）打开，第三个NMOS管（M3）、第四个NMOS管（M4）关闭，同相信号通过第四个NMOS管（M4）的源极耦合至输出端口，反相信号通过第四个NMOS管（M4）的衬底和栅极耦合至输出端口，与同相信号进行抵消，大幅提高开关在关闭状态下的隔离度。
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