CN110311666A - 用于快速切换的射频开关的偏置 - Google Patents

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Abstract

本文涉及用于快速切换的射频开关的偏置。公开了用于偏置射频(RF)开关以实现快速切换的装置和方法。在某些配置中，开关偏置电路产生开关控制电压以用于打开或关闭处理RF信号的开关。开关偏置电路通过电阻器将开关控制电压提供给开关的控制输入。另外，开关偏置电路在打开或关闭开关时脉冲开关控制电压，从而缩短开关时间。因此，可以快速打开或关闭开关，这允许在开关状态改变之后很快就可以使用开关。

Description

用于快速切换的射频开关的偏置
技术领域
本发明的实施例涉及电子系统，更具体地涉及射频开关的偏置。
背景技术
射频(RF)通信系统可以包括用于各种目的的RF开关。
在一个示例中，RF通信系统可以包括使用RF开关实现的天线开关模块(ASM)。另外，天线开关模块可用于将天线电连接到系统的特定发射或接收路径，从而允许多个组件接入天线。在另一个例子中，RF通信系统可以包括数字步进衰减器(DSA)，并且DSA可以包括开启或关闭的RF开关，以控制由DSA提供的衰减量。
发明内容
本文公开了用于偏置射频(RF)开关以实现快速切换的装置和方法。在某些配置中，开关偏置电路产生开关控制电压以用于打开或关闭处理RF信号的开关。开关偏置电路通过电阻器将开关控制电压提供给开关的控制输入。另外，开关偏置电路在打开或关闭开关时脉冲开关控制电压，从而缩短开关时间。因此，可以快速打开或关闭开关，这允许在开关状态改变之后很快就可以使用开关。
在一个方面，提供具有快速切换速度的RF系统。RF系统包括：RF开关，包括控制所述RF开关的阻抗的控制输入。RF系统还包括开关偏置电路，被配置为接收用于选择性地激活所述RF开关的控制信号，所述开关偏置电路包括被配置为提供开关控制电压的输出。RF系统还包括电阻器，电连接在所述开关偏置电路的输出和所述RF开关的控制输入之间。开关偏置电路被配置为响应于所述控制信号的转变而使所述开关控制电压脉冲，从而缩短切换所述RF开关的延迟。
在另外方面中，提供一种提供快速切换速度的开关控制方法。该方法包括：使用开关控制电压控制RF开关的阻抗；接收指示是打开还是关闭所述RF开关的控制信号；和响应于所述控制信号的转变产生开关控制电压的脉冲，从而缩短切换所述RF开关的延迟。
在另外方面中，提供RF开关电路。RF开关电路包括：包括栅极的FET开关；开关偏置电路，被配置为接收控制信号并输出开关控制电压；和电阻器，被配置为提供开关控制电压到所述FET开关的栅极。开关偏置电路被配置为响应于所述控制信号从关闭状态到打开状态的转变而产生所述开关控制电压的打开脉冲，并且响应于所述控制信号从所述打开状态到所述关闭状态的转变而产生所述开关控制电压的关闭脉冲。
附图说明
图1是根据本文的教导的可包括一个或多个RF开关电路的射频(RF)系统的一个示例的示意图。
图2A是根据一个实施例的RF开关电路的电路图。
图2B是图2A的RF开关电路的时序图的一个例子。
图3A是根据另一实施例的RF开关电路的电路图。
图3B是根据另一实施例的RF开关电路的电路图。
图4A是根据另一实施例的RF开关电路的电路图。
图4B是图4A的RF开关电路的时序图的一个示例。
图5A是根据另一实施例的RF开关电路的电路图。
图5B是图5A的RF开关电路的时序图的一个示例。
图6A是根据另一实施例的RF开关电路的电路图。
图6B是图6A的RF开关电路的时序图的一个示例。
图7A是根据另一实施例的RF开关电路的电路图。
图7B是图7A的RF开关电路的时序图的一个示例。
具体实施方式
以下对实施例的详细描述呈现了本发明的特定实施例的各种描述。在本说明书中，参考附图，其中相同的附图标记可表示相同或功能相似的元件。应该理解，图中所示的元件不一定按比例绘制。此外，应当理解，某些实施例可以包括比图中所示的元件更多的元件和/或图中所示的元件的子集。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适组合。
射频(RF)通信系统通过无线发送和接收RF信号进行通信。这种RF通信系统可以包括一个或多个RF开关，以提供对RF信号的路由、组件或电路之间的连接的控制，和/或提供各种其他切换功能。具有一个或多个RF开关的RF通信系统的示例包括但不限于基站，移动设备(例如，智能电话或手机)，膝上型计算机，平板电脑，物联网(IoT)设备和/或可穿戴电子产品。
某些RF开关电路包括场效应晶体管(FET)开关和开关偏置电路，其控制开关的栅极电压，从而改变开关的沟道阻抗并调制开关的导电性。例如，开关偏置电路可以将栅极电压控制到第一电平以关断FET开关，使得沟道阻抗高并且RF信号不通过FET开关。另外，开关偏置电路可以将栅极电压控制到第二电平以接通FET开关，使得沟道阻抗低并且RF信号通过FET开关。因此，开关偏置电路用于接通或断开FET开关以控制RF信号的通过。
RF信号可以通过FET开关的寄生栅极-漏极电容(Cgd)和/或寄生栅极-源极电容(Cgs)耦合到FET开关的栅极。为了提供隔离，可以在开关偏置电路的输出和FET开关的栅极之间包括栅极电阻器。
栅极电阻器的大电阻值提供了若干益处，例如低损耗和/或低截止频率，以提供宽带操作。然而，使栅极电阻器的电阻值变大也会不期望地延长FET开关的导通时间和关断时间。例如，当开关偏置电路改变FET开关的栅极电压时，基于由栅极电阻器的电阻和FET开关的栅极电容引起的电阻器-电容器(RC)时间常数，存在不期望的开关延迟。切换延迟导致开关的导通时间和关断时间增加。
因此，尽管实现具有高电阻的栅极电阻器提供了许多益处，但是它也降低了FET开关的开关性能。
本文公开了用于偏置RF开关以实现快速切换的装置和方法。在某些配置中，RF系统包括RF开关，其包括控制RF开关的阻抗的控制输入、被配置为接收用于选择性地激活RF开关的控制信号的开关偏置电路、以及电连接在开关偏置电路的输出和RF开关的控制输入之间的电阻器。开关偏置电路在输出端产生开关控制电压，并响应控制信号的转变而脉冲开关控制电压，从而缩短开关RF开关的延迟。
因此，不是将开关控制电压从导通电压直接转换为关断电压，反之亦然，而是在控制到稳态电压电平之前脉冲开关控制电压。通过以这种方式脉冲开关控制电压，RF开关的控制输入处的充电或放电发生得更快，这缩短了RF开关的切换延迟。
在某些实施方式中，开关偏置电路不仅利用稳态开关导通电压(例如，电源高电源电压)和稳态开关OFF电压(例如，电源低电源电压或接地电压)控制RF开关，还利用高于稳态开关导通电压的高电压和低于稳态开关关断电压的低电压。
例如，当导通n型场效应晶体管(NFET)开关时，开关偏置电路使用高电压来控制NFET开关的栅极电压一段时间，然后用稳态开关导通电压控制栅极电压。另外，当关闭NFET开关时，开关偏置电路使用低电压来控制NFET开关的栅极电压一段时间，然后用稳态开关OFF电压控制栅极电压。结果是加速了NFET开关的导通和关断时间。
在某些实施中，例如，基于计时器的延迟，开环控制脉冲的持续时间。在其他实施方式中，脉冲持续时间被控制为闭环。例如，开关偏置电路可以包括开关的复制品或副本，并监视复制品或复制开关的控制输入(例如，FET开关的栅极或FET开关的栅极-源极电压)，以确定何时结束脉冲并施加开关控制电压的稳态电压电平。
在某些实施方式中，脉冲的电压电平超过开关可以可靠地操作的击穿电压，例如，超过FET开关的最大栅极-源极电压。因此，如果用于控制处于稳态的开关，则由于可靠性考虑，脉冲电压电平将损坏开关。但是，通过电阻器施加脉冲，直接在开关控制输入端的电压保持在一个电压范围内，以便可靠地工作。因此，在不损坏开关的情况下实现了快速切换时间的益处。
脉冲开关控制电压提供了对开关速度的增强，而对RF开关的其他性能特性几乎没有影响，例如线性度、功率处理能力和/或插入损耗。例如，开关控制电压可以是脉冲的，而不需要沿着通过开关的RF信号路径或RF开关的控制输入端包括附加电路。因此，改善了开关速度，而无需添加诸如电阻器旁路开关的电路，这些电路可能通过寄生地加载RF开关而降低性能。
图1是根据本文的教导的RF通信系统10的一个示例的示意图，该RF通信系统10可以包括一个或多个RF开关电路。
尽管RF通信系统10示出了可以包括如本文所述的一个或多个RF开关电路的电子系统的一个示例，但是RF开关电路可以用在电子系统的其他配置中。
此外，尽管在图1中示出了组件的特定配置，但是RF通信系统10可以以各种方式进行调整和修改。例如，RF通信系统10可以包括更多或更少的接收路径和/或发送路径。另外，RF通信系统10可以被修改为包括更多或更少的组件和/或不同的组件布置，包括例如RF开关电路的不同布置。
在描述的配置中，RF通信系统10包括基带处理器1、I/Q调制器2、I/Q解调器3、第一数字步进衰减器4a、第二数字步进衰减器4b、滤波器5、功率放大器6、天线开关模块7、低噪声放大器8和天线9。
如图1所示，基带处理器1产生同相(I)传输信号和正交相位(Q)发送信号，它们被提供给I/Q调制器2。此外，基带处理器1接收来自I/Q解调器3的I接收信号和Q接收信号。I和Q发送信号对应于特定幅度、频率和相位的发送信号的信号分量。例如，I发送信号和Q发送信号分别表示同相正弦分量和正交相位正弦分量，并且可以是发送信号的等效表示。另外，I和Q接收信号对应于特定幅度、频率和相位的接收信号的信号分量。
在某些实施中，I发送信号、Q发送信号、I接收信号和Q接收信号是数字信号。另外，基带处理器1可以包括用于处理数字信号的数字信号处理器、微处理器或其组合。
I/Q调制器2接收来自基带处理器1的I和Q发送信号，并处理它们以产生调制的RF信号。在某些配置中，I/Q调制器2可以包括配置成将I和Q发送信号转换为模拟格式的DAC、用于将I和Q转换信号上变频到射频的混频器、以及用于将上变频的I和Q信号组合成调制的RF信号的信号组合器。
第一数字步进衰减器4a接收调制的RF信号，并衰减调制的RF信号以产生衰减的RF信号。第一数字步进衰减器4a可以帮助获得与传输相关的期望增益和/或功率电平。在描述的配置中，第一数字步进衰减器4a包括第一RF开关电路20a。第一数字步进衰减器4a示出了根据本文的教导可包括一个或多个RF开关电路的电路的一个示例。例如，第一数字步进衰减器4a可以包括级联的衰减器级，每个衰减器级可以使用RF开关电路被旁路，以帮助提供数字可调节量的衰减。
滤波器5接收来自第一数字步进衰减器4a的衰减的RF信号，并将滤波的RF信号提供给功率放大器6的输入。在某些配置中，滤波器5可以是带通滤波器，其被配置为提供带滤波。然而，取决于应用，滤波器5可以是低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器、高通滤波器或其组合。
功率放大器6可以放大滤波的RF信号以产生放大的RF信号，该RF信号被提供给天线开关模块7。天线开关模块7还电连接到天线9和低噪声放大器8的输入端。天线开关模块7可用于选择性地将天线9连接到功率放大器6的输出端或低噪声放大器8的输入端。在某些实施方式中，天线开关模块7可以提供许多其他功能，包括但不限于频带切换和/或不同功率模式之间的切换。
在描述的配置中，天线开关模块7包括第二RF开关电路20b。天线开关模块7示出了根据这里的教导可以包括一个或多个RF开关电路的电路的另一示例。例如，天线开关模块7可以包括实现为单刀多掷开关的RF开关电路。尽管图1示出了天线开关模块7作为单刀双掷开关操作的配置，但是天线开关模块7可以适于包括附加的极和/或投掷。
LNA8从天线开关模块7接收天线接收信号，并产生放大的天线接收信号，该信号被提供给第二数字步进衰减器4b。第二数字步进衰减器4b可以通过数字可控量的衰减来衰减放大的天线接收信号。如图1所示，第二数字步进衰减器4b产生衰减的接收信号，该信号被提供给I/Q解调器3。包括第二数字步进衰减器4b可以帮助为I/Q解调器3提供信号，具有期望的幅度和/或功率水平。在描述的配置中，第二数字步进衰减器4b包括第三RF开关电路20c。第二数字步进衰减器4b示出了根据本文的教导可以包括一个或多个RF开关电路的电路的另一示例。
I/Q解调器3可用于产生I接收信号和Q接收信号，如前所述。在某些配置中，I/Q解调器3可以包括一对混频器，用于将衰减的接收信号与一对大约90度异相的时钟信号混合。此外，混频器可以产生下变频信号，可以提供给用于产生I和Q接收信号的ADC。
RF开关电路20a-20c可用于使用各种通信标准处理RF信号，包括例如全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)、宽带CDMA(W-CDMA)、长期演进(LTE)、GSM演进的增强数据速率(EDGE)、3G、4G和/或5G、以及其他专有和非专有通信标准。
此外，RF开关电路20a-20c可以控制各种频率信号的切换，不仅包括100MHz和7GHz之间的RF信号，还包括更高的频率，例如X波段(约7GHz到12GHz)、Ku频段(约12GHz至18GHz)、K频段(约18GHz至27GHz)、Ka频段(约27GHz至40GHz)、V频段(约40GHz至75GHz)和/或W波段(约75GHz至110GHz)。因此，这里的教导适用于各种RF通信系统，包括微波通信系统。
在RF通信系统的发送或接收路径中提供RF开关会影响系统的性能。例如，RF开关的线性度、功率处理能力和插入损耗不仅会影响系统的运行，而且瞬态性能特性(如开启时间、关闭时间和/或稳定时间)也可以提供性能影响。这里的教导可以用于改善RF开关的瞬态性能特性，对RF开关的其他性能特性几乎没有影响，例如线性度、功率处理能力和/或插入损耗。
图2A是根据一个实施例的RF开关电路20的电路图。RF开关电路20包括n型场效应晶体管(NFET)开关21、开关偏置电路22和栅极偏置电阻器31。
如图2A所示，开关偏置电路22接收控制信号CTL，用于指示NFET开关21是应该由开关偏置电路22导通还是截止。因此，控制信号CTL用于选择性地激活NFET开关21。开关偏置电路22还接收电源高电源电压VDD、接地或电源低电源电压VSS、高于电源高电源电压VDD的高电压V高、以及低于电源低电源电压VSS的低电压V低。
尽管图2A示出了开关偏置电路22用于控制一个FET开关的配置，但是开关偏置电路22可以被配置为偏置一个或多个附加FET开关。在这样的配置中，开关偏置电路22可以包括附加的开关控制输入，例如与每个FET开关相关联的控制信号。然而，其他配置也是可能的，例如其中控制信号用于控制多个FET开关的实现。例如，在某些实施中，开关偏置电路用于控制串联FET开关以及分流FET开关。另外，串联FET开关和分流FET开关可以由公共控制信号控制，使得当串联FET开关接通时，分流FET开关被关断，反之亦然。
在描述的配置中，NFET开关21的源极电连接到RF输入RFIN，并且NFET开关21的漏极电连接到RF输出RFOUT。尽管RF开关连接在RF输入端子和RF输出端子之间的示例，但是其他配置也是可能的，例如RF开关连接在双向的第一RF端子和第二RF端子之间的实现。
如图2A所示，栅极偏置电阻器31电连接在开关偏置电路22的栅极偏置输出和NFET开关21的栅极之间。栅极偏置电阻器31可以增强开关偏置电路22的栅极偏置输出和NFET开关21的栅极之间的隔离。例如，高频信号分量可以通过寄生增益-漏极和/或栅极-源极电容耦合到NFET开关21的栅极上，并且栅极偏置电阻31可以提供阻止高频信号分量到达开关偏置电路22的栅极偏置输出的电阻。
尽管图2A示出了开关偏置电路22的输出经由电阻器31连接到NFET开关21的栅极，但是可以在开关偏置电路22的输出和NFET开关21的栅极之间连接任何合适的阻抗。例如，在另一个实施例中，电感器或电感器和电阻器的组合连接在开关偏置电路的输出和RF开关的控制输入之间。
NFET开关21可以以各种方式实现。在一个实施例中，NFET开关21被实现为绝缘体上硅(SOI)金属氧化物半导体(MOS)晶体管，其包括电浮动的主体。如本文所用并且如本领域普通技术人员将理解的，MOS晶体管可以具有由非金属材料制成的栅极，例如多晶硅，并且可以具有不仅用氧化硅而且用其他电介质(例如高k电介质)实现的介电区域。
尽管图2A示出了使用n型晶体管的配置，但是本文的教导适用于使用p型晶体管或n型和p型晶体管的组合的配置。此外，本文的教导适用于其他类型的RF开关，其包括用于控制RF开关的阻抗的控制输入。
RF开关电路20可以用于电子系统内的各种配置。例如，NFET开关21可以在RF通信系统的发送信号路径或接收信号路径中操作，例如图1的RF通信系统10。
继续参考图2A，开关偏置电路22接收控制信号CTL，用于选择性地激活NFET开关21。具体地，控制信号CTL指示开关偏置电路22是应该接通NFET开关21还是关闭NFET开关21。
开关偏置电路22在栅极偏置输出处产生开关控制电压，并响应于控制信号CTL的转变而脉冲开关控制电压，从而缩短切换NFET开关21的延迟。
因此，不是将开关控制电压从导通电压直接转变为关断电压，反之亦然，而是在控制到稳态电压电平之前暂时脉冲开关控制电压。通过以这种方式脉冲开关控制电压，NFET开关21的开关延迟缩短。
当接通NFET开关21时可以施加脉冲以改善导通速度和/或当关闭NFET开关21以提高关断速度时。虽然本文的各种实施例提供用于ON到OFF转变和OFF到ON转变的脉冲，但是本文的教导也适用于其中仅为ON到OFF转变提供脉冲或仅为OFF到ON转变提供脉冲的实现。
在某些实施方式中，当将NFET开关21从OFF状态切换到ON状态时，开关偏置电路22首先将开关控制电压从稳态开关OFF电压(例如，VSS)改变为高电压V高，然后从高电压V高改变为稳态开关导通电压(例如，VDD)。因此，开关偏置电路22在接通NFET开关21时脉冲开关控制电压。
通过以这种方式脉冲开关控制电压，NFET开关21的导通时间缩短。开关偏置电路22可以以各种方式控制脉冲的持续时间，包括开环控制(例如，基于定时器的延迟)或闭环控制(例如，通过监视NFET开关21的复制品或副本的栅极电压)。
在某些实施方式中，当将NFET开关21从打开状态切换到关闭状态时，开关偏置电路22首先将开关控制电压从稳态开关导通电压(例如，VDD)改变为低电压V低，然后从低电压V低改变为稳态开关OFF电压(例如，VSS)。因此，开关偏置电路22在关断NFET开关21时脉冲开关控制电压，从而缩短关断时间。可以以多种方式控制脉冲的持续时间，包括开环控制或闭环控制。在某些实现中，共享延迟控制电路用于控制导通和关闭脉冲的持续时间。在其他实施中，单独的延迟控制电路用于控制导通和关闭脉冲的持续时间。
高压V高和/或低压V低可以以多种方式产生，包括但不限于使用电荷泵或其他电压调节器。在某些实施方式中，高电压V高或低电压V低中的至少一个超出用于晶体管可靠性考虑的击穿电压，例如，超过用于制造NFET开关21的处理技术所允许的最大或最小栅极-源极电压。因此，由于晶体管可靠性限制，在稳态下用高电压V高和/或低电压V低控制NFET开关21的栅极可能会损坏RF开关21。
然而，通过将脉冲开关控制电压施加到栅极电阻器31的相对端作为连接到NFET开关21的栅极的端部，直接在栅极处的电压保持在NFET开关21可靠操作可接受的电压范围内。因此，在NFET开关21的电压限制或限制内操作时实现了快速切换时间的益处。
图2B是图2A的RF开关电路20的时序图的一个示例。时序图包括由开关偏置电路22输出的开关控制电压相对于时间的第一曲线11，以及NFET开关21的栅极电压相对于时间的第二曲线图12。时序图包括控制信号CTL转变以将NFET开关21从OFF状态转变为ON状态的第一时间t1，以及控制信号CTL转变以使NFET开关21从ON状态转变为OFF状态的第二时间t2。
如图2B所示，在本实施例中，开关偏置电路22在接通开关时以及在关闭开关时脉冲开关控制电压。例如，当NFET开关21在时间t1导通时，开关偏置电路22产生打开脉冲13，该打开脉冲13与首先将开关控制电压从VSS转变到V高，然后从V高转变到VDD有关。另外，当NFET开关21在时间t2截止时，开关偏置电路22产生关闭脉冲14，其与首先将开关控制电压从VDD转变到V低，然后从V低转变到VSS有关。
可以以各种方式控制打开脉冲13的持续时间15和关闭脉冲14的持续时间16。在第一示例中，开关偏置电路22包括用于控制脉冲宽度的计时器。在第二示例中，开关偏置电路22包括NFET开关21的复制品或副本，并监视复制品或复制开关的栅极电压以动态地控制脉冲宽度。在第三示例中，开关偏置电路22包括NFET开关21的复制品或副本，并监视复制或复制开关的栅极-源极电压差以动态地控制脉冲宽度。
如图2B所示，打开脉冲13和关闭脉冲14具有相反的极性。例如，打开脉冲13在稳定到较低电压电平之前具有增加的电压电平，而关闭脉冲14在稳定到较高电压电平之前具有降低的电压电平。在某些实施方式中，开关偏置电路响应于RF开关的ON到OFF转变而产生第一脉冲，并且响应于RF开关的OFF到ON转变而产生第二脉冲，并且第一和第二脉冲极性相反。
图3A是根据另一实施例的RF开关电路70的电路图。RF开关电路70包括RF开关50和开关偏置电路52。尽管图3A中示出了RF开关电路的一个实施例，但是本文的教导适用于以各种方式实现的RF开关电路。
RF开关50包括第一NFET开关21a，第二NFET开关21b，第三NFET开关21c、第一栅极偏置电阻器31a、第二栅极偏置电阻器31b、第三栅极偏置电阻器31c、第一沟道偏置电阻器32a、第二通道偏置电阻器32b、第三通道偏置电阻器32c、第四通道偏置电阻器32d、第一隔直流电容器41和第二隔直流电容器42。虽然RF开关的一个实施例如图3A所示，这里的教导适用于以各种方式实现的RF开关。
在所示实施例中，第一NFET开关21a、第二NFET开关21b和第三NFET开关21c彼此串联。串联多个FET开关元件可以提高RF开关的功率处理能力。尽管示出了串联三个FET开关的示例，但是可以包括更多或更少的FET开关以实现期望的性能特性。如图3A所示，栅极偏置电阻器31a-31c分别电连接在开关偏置电路52的栅极偏置输出和NFET开关21a-21c的栅极之间。开关偏置电路52也可以单独使用，以根据应用规范偏置NFET开关21a-21c中的每一个。
沟道偏置电阻器32a-32d共同操作以控制NFET开关21a-21c的源极和漏极的偏置电压，从而有助于控制晶体管的栅极-源极和栅极-漏极偏置特性。尽管示出了沟道偏置的一个示例，但是沟道偏置的其他实现是可能的，包括但不限于使用与一个或多个NFET开关的沟道并联的电阻器的实施方式。
第一DC阻塞电容器41和第二DC阻塞电容器42提供DC阻断，以允许NFET开关21a-21c的源极和漏极在与RF输入RFIN和RF输出RFOUT不同的DC电压电平下操作。然而，本文的教导也适用于在没有DC阻塞电容器的情况下操作的RF开关。
开关偏置电路52包括第一控制开关61、第二控制开关62、第三控制开关63、第四控制开关64和控制产生电路67。尽管示出了开关偏置电路52的一个实施例，本文的教导适用于以各种方式实现的开关偏置电路。
如图3A所示，控制产生电路67产生第一偏置控制信号用于选择性地接通第一控制开关61，从而用高电压V高控制开关偏置电路52的输出。控制产生电路67还产生第二偏置控制信号用于选择性地接通第二控制开关62，从而用低电压V低控制开关偏置电路52的输出。控制产生电路67还产生第三偏置控制信号用于选择性地接通第三控制开关63，从而利用控制信号CTL控制开关偏置电路52的输出。控制产生电路67还产生第四偏置控制信号用于选择性地接通第四控制开关64，从而利用控制信号CTL控制开关偏置电路52的输出。偏置控制信号可以具有任何合适的电压电平，例如，基于过程设备可靠性限制选择的电压电平。
控制产生电路67包括分别用于在打开或关闭RF开关50时控制脉冲持续时间的延迟电路68，以及用于选择性地激活偏置控制信号以接通控制开关61-64的控制逻辑69。
在所示实施例中，响应于控制信号CTL从关闭值(例如，VSS)到开启值(例如，VDD)的转变，控制逻辑69最初激活第一控制开关61(同时保持控制开关62-64断开，从而将开关偏置电路52的输出控制为高电压V高。在由延迟电路68控制的持续时间之后，控制逻辑69关闭第一控制开关61并接通第三控制开关63(同时保持控制开关62和64断开)，从而将开关偏置电路52的输出控制为控制信号CTL的导通值，控制信号CTL的导通值在某些实现中可以是VDD。
另外，响应于控制信号CTL从接通值到断开值的转变，控制逻辑69最初激活第二控制开关62(同时保持控制开关61、63和64断开)，从而控制开关偏置电路52的输出到低电压V低。在由延迟电路68控制的持续时间之后，控制逻辑69关闭第二控制开关62并接通第四控制开关64(同时保持控制开关61和63断开)，从而将开关偏置电路52的输出控制为控制信号CTL的关闭值，控制信号CTL的关闭值在某些实现中可以是VSS。
图3B是根据另一实施例的RF开关电路70'的电路图。图3B的RF开关电路70'类似于图3A的RF开关电路70，除了RF开关电路70'包括具有用于第三控制开关63和第四控制开关64的不同连接的开关偏置电路52'。
特别地，在图3B所示的实施例中，第三控制开关63连接在VDD和开关偏置电路52'的输出之间，第四控制开关64连接在VSS和开关偏置电路52'的输出之间。
以这种方式连接控制开关63和64仍允许开关偏置电路52'响应于控制信号CTL的转变而将开关控制电压脉冲到适当的电压电平，并减小控制信号CTL的电容性负载。然而，图3A的实施例可以通过使用控制信号CTL在控制信号CTL已经转变之后但在控制生成电路67响应于转变而改变控制开关61-64的状态之前提供开关偏置电路52的输出的初始充电或放电来提供优异的瞬态性能。
图4A是根据另一实施例的RF开关电路100的电路图。RF开关电路100包括RF开关50、开关偏置电路72、正电荷泵73和负电荷泵74。
除了图4A的开关偏置电路72包括图3A的控制产生电路67的特定实现之外，图4A的RF开关电路100类似于图3A的RF开关电路70。此外，图4A的RF开关电路100还包括用于产生高电压V高的正电荷泵73和用于产生低电压V低的负电荷泵74。
继续参考图4A，图4A的控制产生电路77包括延迟电路78、控制逻辑79和控制信号反相器80。延迟电路78包括电阻器85和电容器86，它们作为计时器工作，提供基于电阻器85和电容器86的电阻器-电容器(RC)时间常数的延迟。控制逻辑79包括第一反相器81、第二反相器82、第三反相器83、第一与门91、第二与门92、第三与门93和第四与门94。在某些实施中，延迟电路78实现为反相器或反相器链。
图4B是图4A的RF开关电路100的时序图的一个示例。时序图包括控制信号CTL、第一偏置控制信号第二偏置控制信号第三偏置控制信号和第四偏置控制信号的示例电压对时间波形。时序图还包括输出节点OUT的电压-时间波形，其对应于图4A的开关偏置电路72的输出。时序图还包括栅极节点GATE的电压-时间波形，其对应于NFET开关21a的栅极电压。时序图还包括栅极节点GATE'的电压-时间波形，其对应于NFET开关21a的栅极电压，用于其中开关偏置电路的输出不是脉冲的实施方式。
参考图4A和4B，控制逻辑79操作以在任何给定时间接通四个控制开关61-64中的一个，从而偏置输出节点OUT。
响应于控制信号CTL从低到高的转变(对应于导通FET开关50，在该实施例中)，被去激活并且被激活，从而将输出节点OUT控制到V高并对栅极节点GATE充电。输出节点OUT处的打开脉冲的持续时间τ由延迟电路78的RC时间常数和反相器81的阈值电压确定。在脉冲延迟之后，被去激活并且被激活，以将输出节点OUT控制到控制信号CTL的高电平，在某些实现中，控制信号CTL是VDD。
响应于控制信号CTL从高转变为低的转变(对应于关闭FET开关50，在该实施例中)，被去激活并且被激活，从而将输出节点OUT控制到V低并对栅极节点GATE放电。输出节点OUT处的关闭脉冲的持续时间τ由延迟电路78的RC时间常数和反相器81的阈值电压确定。在脉冲延迟之后，被去激活并且被激活，以将输出节点OUT控制到控制信号CTL的低电平，在某些实现中，控制信号CTL是VSS。
如GATE和GATE'的比较所示，相对于输出不是脉冲的实现，脉冲开关偏置电路的输出提供了RF开关的导通时间和关闭时间的改善。
图5A是根据另一实施例的RF开关电路130的电路图。RF开关电路130包括RF开关50、开关偏置电路102、正电荷泵73和负电荷泵74。
除了图5A的开关偏置电路102包括相对于图4A的开关偏置电路72的控制产生电路107的不同实现之外，图5A的RF开关电路130类似于图4A的RF开关电路100。
如图5A所示，控制产生电路107包括延迟电路108和控制逻辑109。延迟电路108包括复制开关110、第一比较器121和第二比较器122。复制开关110包括复制栅极电阻器113、复制NFET开关115、第一复制通道偏置电阻器111和第二复制通道偏置电阻器112。控制逻辑109包括第一反相器81、第二反相器82、第三反相器83、第四反相器84、第一与门91、第二与门92、第三与门93和第四与门94。
所示实施例使用闭环控制来确定由开关偏置电路130产生的栅极控制电压的脉冲的持续时间。具体地，第一比较器121将复制NFET开关115的栅极电压与高阈值VTH进行比较，以响应于接通RF开关50来控制栅极控制电压的打开脉冲宽度(例如，图2B的持续时间15)。另外，第二比较器122将复制NFET开关115的栅极电压与低阈值电压VTL进行比较，以响应于关闭RF开关50来控制栅极控制电压的关闭脉冲宽度(例如，图2B的持续时间16)。
反馈回路用于监视复制NFET开关115的栅极电压，从而终止脉冲电压电平并施加稳态电压电平。通过使用复制FET开关，在不加载RF开关50的实际栅极节点的情况下间接地检测或估计栅极节点处的电压，这导致开关性能下降，例如损耗、降低截止频率或降低功率处理。
使用闭环控制可以提供相对于开环控制的增强性能，开环控制可以选择固定时间延迟小于RF开关的建立时间，以避免将RF开关晶体管的栅极电压控制在可能超过晶体管可靠性水平并导致晶体管损坏的电压电平(例如，栅极氧化物损坏)。
尽管示出了副本交换机的一种实现，但是可以以各种方式实现副本交换机。在某些配置中，复制开关在尺寸上相对于实际RF开关缩放，例如，尺寸更小以减小开关偏置电路的布局面积。此外，复制开关不需要包括RF开关的每个元件的副本，而是可以复制RF开关的一部分。
图5B是图5A的RF开关电路150的时序图的一个示例。时序图包括控制信号CTL、第一偏置控制信号第二偏置控制信号第三偏置控制信号第四偏置控制信号输出节点OUT、栅极节点GATE(NFET开关21a的栅极电压)和栅极节点GATE'(用于开关偏置电路的输出未被脉冲的实施方式的NFET开关21a的栅极电压)的示例电压对时间波形。
图5B的时序图类似于图4B的时序图，除了时序图包括闭环控制以动态地控制输出节点OUT的脉冲的持续时间。特别是，当接通RF开关50时，基于复制开关110的栅极电压的稳定来动态地控制打开脉冲宽度τh。另外，当关闭RF开关50时，基于复制开关110的栅极电压的稳定来动态控制关闭脉冲宽度τ1。
如图5B所示，脉冲宽度τh和脉冲宽度τ1不需要相同，而是动态地跟踪复制开关110的稳定。此外，脉冲宽度可以改变以跟踪过程、电压和/或温度的变化，从而通过调整脉冲持续时间到操作条件和/或补偿制造变化来提高性能。如通过比较图5B的栅极节点GATE的波形相对于图4B的栅极节点GATE所示，脉冲宽度的闭环控制实现了相对于脉冲宽度的开环控制的更快的切换速度。
图6A是根据另一实施例的RF开关电路300的电路图。RF开关电路300包括第一开关偏置电路22a、第二开关偏置电路22b、第一串联RF开关201、第二串联RF开关202、第一分流RF开关203和第二分流RF开关204。
如图6A所示，第一串联RF开关201包括NFET开关晶体管221a、221b、221c和栅极电阻器231a、231b、231c。另外，第二串联RF开关202包括NFET开关晶体管241a、241b、241c和栅极电阻器251a、251b、251c。此外，第一分流RF开关203包括NFET开关晶体管261a、261b和栅极电阻器271a、271b。另外，第二分流RF开关204包括NFET开关晶体管281a、281b和栅极电阻器291a、291b。为清楚起见，图6A中未示出用于偏置晶体管的源极和漏极区域的电路。
RF开关电路300示出了使用脉冲开关偏置以增强多掷开关的切换速度的一个示例。例如，RF开关电路300示出了单极(RFC)和双掷(RF1/RF2)开关的一个示例，其可以用作频带选择开关、发送/接收开关或其他合适的开关功能。
尽管示出了单刀双掷(SPDT)开关的一个示例，但是本文的教导适用于以各种方式实现的SPDT开关。此外，本文的教导适用于包括其他数量的极和/或抛出的RF开关。
图6B是图6A的RF开关路300的时序图的一个示例。时序图包括在终端RFC处存在RF信号的条件下控制信号CTL的电压-时间波形301和终端RF1的电压-时间波形302。时序图还描绘了用于没有脉冲的实施方式的端子RF1的电压对时间波形303。
如波形302和波形303的比较所示，脉冲FET开关的栅极控制电压增强了RF开关的开关性能，包括RF开关的导通时间和关闭时间的改善。
尽管上面提供了各种模拟结果，但是模拟结果可以基于各种因素而不同，例如电路实现、仿真模型、仿真参数和/或仿真工具。因此，其他模拟结果也是可能的。
图7A是根据另一实施例的RF开关电路400的电路图。RF开关电路400包括p型场效应晶体管(PFET)开关421、开关偏置电路22和栅极偏置电阻器31。图7A的RF开关电路400类似于图2A的RF开关电路20，除了图7A的RF开关电路400包括PFET开关421而不是NFET开关21之外。在某些实施中，PFET开关421是p型金属氧化物半导体(PMOS)开关。
图7B是图7A的RF开关电路400的时序图的一个示例。时序图包括由开关偏置电路22输出的开关控制电压相对于时间的第一曲线411，以及PFET开关421的栅极电压相对于时间的第二曲线412。时序图包括控制信号CTL转变以将PFET开关421从打开状态转变为关闭状态的第一时间t1，以及控制信号CTL转变以使PFET开关421从关闭状态转变为打开状态的第二时间t2。
如图7B所示，在该实施例中，开关偏置电路22在关闭开关时以及在接通开关时脉冲开关控制电压。例如，当PFET开关421在时间t1截止时，开关偏置电路22产生关闭脉冲413，其与首先将开关控制电压从VSS转变到V高，然后从V高转变到VDD相关联。另外，当PFET开关421在时间t2导通时，开关偏置电路22产生打开脉冲414，该打开脉冲414与首先将开关控制电压从VDD转变到V低，然后从V低转变到VSS有关。
尽管在图7A-7B中示出了具有PFET开关的RF开关电路的一个示例，但是本文中的任何RF开关电路可以用PFET开关实现。
应用
采用上述方案的设备可以实现为各种电子设备。电子设备的示例包括但不限于RF通信系统、消费电子产品、电子测试设备、通信基础设施等。例如，具有快速切换的RF开关可用于各种RF通信系统，包括但不限于基站，移动设备(例如，智能手机或手机)，膝上型计算机，平板电脑，物联网(IoT)设备和/或可穿戴电子设备。这里的教导适用于在宽范围的频率和频带上操作的RF通信系统，包括使用时分双工(TDD)和/或频分双工(FDD)的那些。
结论
前面的描述可以将元件或特征称为“连接”或“耦合”在一起。如本文所用，除非另有明确说明，否则“连接”意味着一个元件/特征直接或间接地连接到另一个元件/特征，并且不一定是机械连接。同样地，除非另有明确说明，否则“耦合”意味着一个元件/特征直接或间接地耦合到另一个元件/特征，并且不一定是机械地耦合。因此，尽管图中所示的各种示意图描绘了元件和组件的示例性布置，但是在实际实施例中可以存在附加的中间元件、装置、特征或组件(假设所描绘的电路的功能不会受到不利影响)。
尽管已经根据某些实施例描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其他实施例，包括不提供本文所述的所有特征和优点的实施例，也在本发明的范围内。此外，可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。另外，在一个实施例的上下文中示出的某些特征也可以结合到其他实施例中。因此，仅通过参考所附权利要求来限定本发明的范围。

Claims (20)

1.具有快速切换速度的射频(RF)系统，所述RF系统包括：
RF开关，包括控制所述RF开关的阻抗的控制输入；
开关偏置电路，被配置为接收用于选择性地激活所述RF开关的控制信号，所述开关偏置电路包括被配置为提供开关控制电压的输出；和
电阻器，电连接在所述开关偏置电路的输出和所述RF开关的控制输入之间，
其中所述开关偏置电路被配置为响应于所述控制信号的转变而使所述开关控制电压脉冲，从而缩短切换所述RF开关的延迟。
2.权利要求1所述的RF系统，其中所述开关偏置电路被配置为通过将所述开关控制电压控制到第一电压电平脉冲持续时间、然后到第二电压电平来产生脉冲。
3.权利要求2所述的RF系统，其中所述开关偏置电路包括配置为控制脉冲持续时间的计时器。
4.权利要求2所述的RF系统，其中所述开关偏置电路包括所述RF开关的至少一部分的复制，其中所述开关偏置电路进一步被配置为通过监视所述复制的信号条件来控制脉冲持续时间。
5.权利要求2所述的RF系统，其中所述第一电压电平超过所述RF开关的击穿电压。
6.权利要求5所述的RF系统，还包括电荷泵，被配置为产生所述第一电压电平。
7.权利要求1所述的RF系统，其中所述RF开关是金属氧化物半导体(MOS)开关。
8.权利要求1所述的RF系统，其中所述开关偏置电路被配置为响应于指示所述RF开关的打开的控制信号的第一转变而产生所述开关控制电压的第一脉冲，并且响应于指示所述RF开关的关闭的控制信号的第二转变而产生所述开关控制电压的第二脉冲，其中所述第一脉冲和所述第二脉冲具有相反的极性。
9.一种提供快速切换速度的开关控制方法，该方法包括：
使用开关控制电压控制射频(RF)开关的阻抗；
接收指示是打开还是关闭所述RF开关的控制信号；和
响应于所述控制信号的转变产生开关控制电压的脉冲，从而缩短切换所述RF开关的延迟。
10.权利要求9所述的方法，还包括基于监视所述RF开关的至少一部分的复制的信号条件来控制脉冲持续时间。
11.权利要求9所述的方法，还包括使用电荷泵电压来控制所述脉冲的电压电平。
12.权利要求9所述的方法，还包括通过阻抗将开关控制电压提供给所述RF开关的控制输入，并控制所述脉冲的电压电平超过所述RF开关的击穿电压。
13.射频(RF)开关电路，包括：
包括栅极的场效应晶体管(FET)开关；
开关偏置电路，被配置为接收控制信号并输出开关控制电压；和
电阻器，被配置为提供开关控制电压到所述FET开关的栅极，
其中所述开关偏置电路被配置为响应于所述控制信号从关闭状态到打开状态的转变而产生所述开关控制电压的打开脉冲，并且响应于所述控制信号从所述打开状态到所述关闭状态的转变而产生所述开关控制电压的关闭脉冲。
14.权利要求13所述的RF开关电路，其中所述开关偏置电路包括计时器，被配置为控制打开脉冲的持续时间或关闭脉冲的持续时间中的至少一种。
15.权利要求13所述的RF开关电路，其中所述开关偏置电路包括所述RF开关的至少一部分的复制，其中所述复制控制打开脉冲的持续时间或关闭脉冲的持续时间中的至少一种。
16.权利要求13所述的RF开关电路，其中所述FET开关是n-型金属氧化物半导体(NMOS)开关或p-型金属氧化物半导体(PMOS)开关。
17.权利要求13所述的RF开关电路，其中所述开关偏置电路被配置为通过控制所述开关控制电压到第一脉冲电压电平打开脉冲的持续时间、然后到电压的稳态打开来产生所述打开脉冲，并且通过控制所述开关控制电压到第二脉冲电压电平关闭脉冲的持续时间、然后到电压的稳态关闭来产生所述关闭脉冲。
18.权利要求17所述的RF开关电路，还包括：第一电荷泵，配置为产生第一脉冲电压电平；以及第二电荷泵，配置为产生第二脉冲电压电平。
19.权利要求17所述的RF开关电路，其中所述第一脉冲电压电平或所述第二脉冲电压电平中的至少一种超出所述FET开关的击穿电压。
20.权利要求17所述的RF开关电路，其中所述开关偏置电路包括：第一控制开关，被配置为选择性地控制所述开关控制电压到第一脉冲电压电平；第二控制开关，被配置为选择性地控制所述开关控制电压到第二脉冲电压电平；以及第三控制开关和第四控制开关，被配置为利用控制信号选择性地控制所述开关控制电压。
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