CN109150150A - 一种可改善射频开关特性的射频开关电路 - Google Patents

一种可改善射频开关特性的射频开关电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可改善射频开关特性的射频开关电路，包括：栅极电压控制模块,连接开关模块与体极电压控制模块，用于提供射频开关导通和截止的电压；开关模块，用于接通和断开射频信号通路；体极电压控制模块，连接该栅极电压控制模块与开关模块，用于在射频开关导通和截止时进一步减小导通电阻Ron和减小关断电容Coff，通过本发明，可减小射频开关电路的插损，优化隔离与谐波失真性能。

Description

一种可改善射频开关特性的射频开关电路
技术领域
本发明涉及一种射频开关电路，特别是涉及一种可改善射频开关特性的射频开关电路。
背景技术
品质因子FOM(Figure Of Merit)用于评价场效应管MOSFET的开关性能或工艺能力，它是插损(InsertionLoss)和隔离度(Isolation)的折中，插损用导通电阻Ron表征，隔离度取决于关断电容Coff，对N型MOSFET，如图1所示，定义当栅极电压Vg＝+VDD时漏源电阻为导通电阻Ron，定义当栅极电压Vg＝-VDD时漏源间电容为关断电容Coff。一般来说，品质因子(Figure of Merit,FOM)越低越好，这需要低导通电阻Ron和关断电容Coff，对电路而言，由MOSFET非线性引起的谐波失真(主要是二次和三次谐波)越低越好。
图2为现有技术一种射频开关电路的电路示意图。如图2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由一个栅极偏置电阻Rg1组成，体极电压控制模块30由一个体极偏置电阻Rb1组成，开关模块20由1个NMOS开关管M1和一个通路电阻Rds1组成，射频输入RFin连接至NMOS开关管M1的漏极，射频输出RFout连接至NMOS开关管M1的源极，通常，栅极偏置电阻Rg1、体极偏置电阻Rb1和通路电阻Rds1使用50K欧或以上电阻以减小射频损耗。导通时，Vb＝0V，Vg为正电源电压Vdd，截止时，Vg为负电源电压－Vdd。然而，现有的射频开关电路存在插损大、隔离性能较差以及谐波失真性能较差等缺点。
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可改善射频开关特性的射频开关电路，以减小射频开关电路的插损，优化隔离与谐波失真性能。
为达上述及其它目的，本发明提出一种可改善射频开关特性的射频开关电路，包括：
栅极电压控制模块,连接开关模块与体极电压控制模块，用于提供射频开关导通和截止的电压；
开关模块，用于接通和断开射频信号通路；
体极电压控制模块，连接该栅极电压控制模块与开关模块，用于在射频开关导通和截止时进一步减小导通电阻Ron和减小关断电容Coff。
优选地，所述栅极电压控制模块包括一栅极偏置电阻Rg1。
优选地，所述栅极偏置电阻Rg1一端连接栅极偏置电压Vg，另一端连接所述开关模块与体极电压控制模块。
优选地，所述体极电压控制模块包括一MOS开关管M1和一通路电阻Rds1。
优选地，所述MOS开关管M1为NMOS开关管。
优选地，射频输入RFin连接至所述NMOS开关管M1的漏极，射频输出RFout连接所述NMOS开关管M1的源极，所述通路电阻Rds1跨接在所述NMOS开关管M1的漏极和源极间，所述NMOS开关管M1的栅极连接所述栅极偏置电阻Rg1以及所述体极电压控制模块，所述NMOS开关管M1的体极连接所述体极电压控制模块。
优选地，所述体极电压控制模块包括多个级联的体极偏置二极管Dk，其中，级联的个数取决于射频开关的工作电压。
优选地，体极偏置二极管D1的阳极连接所述栅极偏置电阻Rg1以及所述NMOS开关管M1的栅极，其阴极连接体极偏置二极管D2的阳极，……，体极偏置二极管D(n-1)的阴极连接体极偏置二极管Dn的阳极，体极偏置二极管Dn的阴极连接所述NMOS开关管M1的体极。
优选地，射频开关导通时，栅极偏置电压Vg为正电源电压，所述NMOS开关管M1的栅极和体极间相当于一个二极管，级联的偏置不能完全导通，所述NMOS开关管M1的体极处于某一正电压，体极处于浮空状态，晶体管阈值电压降低，导通电阻Ron得到改善；而射频开关截止时，栅极偏置电压Vg为负电源电压，所述NMOS开关管M1的体极接负偏压，会减小结电容，从而得到较小的关断电容Coff。
优选地，所述栅极偏置电阻Rg1、体极偏置电阻Rds1使用50K欧或以上电阻以减小射频损耗。
与现有技术相比，本发明一种可改善射频开关特性的射频开关电路可实现减小射频开关电路的插损，优化隔离与谐波失真性能的目的。
附图说明
图1为现有技术中评价MOSFET品质因子(FOM)的参数示意图；
图2为现有技术一种射频开关电路的电路示意图；
图3为本发明一种可改善射频开关特性的射频开关电路的电路结构图；
图4为本发明和现有技术的插损(SP3T insertion loss)仿真比较示意图；
图5为本发明和现有技术的隔离(SP3T isolation)仿真比较示意图；
图6为本发明和现有技术的谐波(SP3T harmonic)仿真比较示意图。
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3为本发明一种可改善射频开关特性的射频开关电路的电路结构图。如图3所示，本发明一种可改善射频开关特性的射频开关电路，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由一个栅极偏置电阻Rg1组成，用于提供射频开关导通和截止的电压；开关模块20由1个NMOS开关管M1和一个通路电阻Rds1组成，用于接通和断开射频信号通路；体极电压控制模块30由多个级联的体极偏置二极管Dk(K＝1，2，……，n，n≥2)组成，用于在射频开关导通和截止时进一步减小导通电阻Ron和减小关断电容Coff，具体来说，按二极管导通电压0.7V计算，加上射频开关本身体区与源漏之间的结形成的等效二极管，级联的二极管个数n取决于射频开关的工作电压Vdd，例如Vdd＝2.5V，则需要级联n＝3个二极管，总共可以承受0.7*4＝2.8V的电压，大于2.5V，以保证体极在导通时处于浮空状态而在关断时处于负偏压。
射频输入RFin连接至NMOS开关管M1的漏极，射频输出RFout连接至NMOS开关管M1的源极，通路电阻Rds1跨接在NMOS开关管M1的漏极和源极间，栅极偏置电压Vg通过栅极偏置电阻Rg1连接至NMOS开关管M1的栅极和偏置二极管D1的阳极，偏置二极管D1的阴极连接偏置二极管D2的阳极，……，偏置二极管D(n-1)的阴极连接偏置二极管Dn的阳极，偏置二极管Dn的阴极连接NMOS开关管M1的体极。较佳地，栅极偏置电阻Rg1、体极偏置电阻Rds1使用50K欧或以上电阻以减小射频损耗。
当射频开关导通时，栅极偏置电压Vg为正电源电压Vdd(+2.5V)，NMOS开关管M1的栅极和体极间相当于一个二极管，级联的偏置不能完全导通，二极管NMOS开关管M1的体极处于某一正电压，体极(body)处于浮空状态(floating)，晶体管阈值电压降低，导通电阻Ron会改善；而射频开关截止时，栅极偏置电压Vg为负电源电压－Vdd(－2.5V)，体极(body)接负偏压，会减小结电容，从而得到较小的关断电容Coff。
图4为本发明和现有技术的插损(SP3T insertion loss)仿真比较示意图，其中，菱形连线S21,Dio_chain 3为本发明3个偏置二极管级联的情况，方形连线S21,Dio_chain4为本发明4个偏置二极管级联的情况，本发明二者基本重叠，三角形连线S21，HR50K SP3T为现有技术采用50K电阻的情况，显而易见，本发明的插损较现有技术小约0.1dB。
图5为本发明和现有技术的隔离(SP3T isolation)仿真比较示意图，其中，菱形连线S21,Dio_chain 3为本发明3个偏置二极管级联的情况，方形连线S21,Dio_chain 4为本发明4个偏置二极管级联的情况，本发明二者基本重叠，三角形连线S21,HR50K SP3T为现有技术采用50K电阻的情况，显而易见，本发明的隔离较现有技术存在轻微劣化但仍保持优于30dB。
图6为本发明和现有技术的谐波(SP3T harmonic)仿真比较示意图，其中，菱形连线H2,Dio_chain 3为本发明3个偏置二极管级联的二次谐波情况，三角形连线H2,Dio_chain 4为本发明4个偏置二极管级联的二次谐波情况，星形连线H2,HR50K SP3T为现有技术采用50K电阻的二次谐波情况，本发明在较低功率输出(20dBm)时较现有技术低近10dB，明显优化，在较高功率时和现有技术持平；方形连线H3,Dio_chain 3为本发明3个偏置二极管级联的三次谐波情况，叉形连线H3,Dio_chain 4为本发明4个偏置二极管级联的三次谐波情况，圆形连线H3,HR50K SP3T为现有技术采用50K电阻的三次谐波情况，本发明较现有技术略有优化。
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 (10)

1.一种可改善射频开关特性的射频开关电路，包括：
栅极电压控制模块,连接开关模块与体极电压控制模块，用于提供射频开关导通和截止的电压；
开关模块，用于接通和断开射频信号通路；
体极电压控制模块，连接该栅极电压控制模块与开关模块，用于在射频开关导通和截止时进一步减小导通电阻Ron和减小关断电容Coff。
2.如权利要求1所述的一种可改善射频开关特性的射频开关电路，其特征在于：所述栅极电压控制模块包括一栅极偏置电阻Rg1。
3.如权利要求2所述的一种可改善射频开关特性的射频开关电路，其特征在于：所述栅极偏置电阻Rg1一端连接栅极偏置电压Vg，另一端连接所述开关模块与体极电压控制模块。
4.如权利要求3所述的一种可改善射频开关特性的射频开关电路，其特征在于：所述体极电压控制模块包括一MOS开关管M1和一通路电阻Rds1。
5.如权利要求4所述的一种可改善射频开关特性的射频开关电路，其特征在于：所述MOS开关管M1为NMOS开关管。
6.如权利要求5所述的一种可改善射频开关特性的射频开关电路，其特征在于：射频输入RFin连接至所述NMOS开关管M1的漏极，射频输出RFout连接所述NMOS开关管M1的源极，所述通路电阻Rds1跨接在所述NMOS开关管M1的漏极和源极间，所述NMOS开关管M1的栅极连接所述栅极偏置电阻Rg1以及所述体极电压控制模块，所述NMOS开关管M1的体极连接所述体极电压控制模块。
7.如权利要求6所述的一种可改善射频开关特性的射频开关电路，其特征在于：所述体极电压控制模块包括多个级联的体极偏置二极管Dk，其中，级联的个数取决于射频开关的工作电压。
8.如权利要求7所述的一种可改善射频开关特性的射频开关电路，其特征在于：体极偏置二极管D1的阳极连接所述栅极偏置电阻Rg1以及所述NMOS开关管M1的栅极，其阴极连接体极偏置二极管D2的阳极，……，体极偏置二极管D(n-1)的阴极连接体极偏置二极管Dn的阳极，体极偏置二极管Dn的阴极连接所述NMOS开关管M1的体极。
9.如权利要求8所述的一种可改善射频开关特性的射频开关电路，其特征在于：射频开关导通时，栅极偏置电压Vg为正电源电压，所述NMOS开关管M1的栅极和体极间相当于一个二极管，级联的偏置不能完全导通，所述NMOS开关管M1的体极处于某一正电压，体极处于浮空状态，晶体管阈值电压降低，导通电阻Ron得到改善；而射频开关截止时，栅极偏置电压Vg为负电源电压，所述NMOS开关管M1的体极接负偏压，会减小结电容，从而得到较小的关断电容Coff。
10.如权利要求9所述的一种可改善射频开关特性的射频开关电路，其特征在于：所述栅极偏置电阻Rg1、体极偏置电阻Rds1使用50K欧或以上电阻以减小射频损耗。
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