CN110365323A - TypeC接口的单刀双掷开关电路、模拟开关芯片与电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种TypeC接口的单刀双掷开关电路、模拟开关芯片与电子设备，能够在第一二极管两端产生反向偏置电压，由于PN结加一个反向偏置电压后，可使得该PN结的电容值会显著减小。进而，可有效降低第一场效应管即音频通路关断时COM点处的对地电容，从而避免因过大电容而导致数字通路的带宽变小。可见，基于本发明，可便于同时实现第一场效应管的大尺寸与数字通路的高带宽，从而可便于同时提升模拟音频通路的THD性能与数字通路的带宽，避免两者间的冲突。

Description

TypeC接口的单刀双掷开关电路、模拟开关芯片与电子设备
技术领域
本发明涉及电子设备，尤其涉及一种TypeC接口的单刀双掷开关电路、模拟开关芯片与电子设备。
背景技术
对于支持TypeC接口的电子产品，往往需要利用内含两路单刀双掷开关电路的专用模拟开关芯片，其中，可通过TypeC接口中的D+管脚和D-管脚可分时输出高速USB数字信号和模拟音频信号。
为了适于分时输出高速USB数字信号和模拟音频信号，电路中可设有用于输出USB数字信号的数字通路，以及用于输出模拟音频信号的模拟音频通路。
现有相关技术中，数字通路中高速USB数字信号的传输需要支持高带宽，而模拟音频通路的模拟音频信号传输又需支持极小的总谐波失真。这两个需求在模拟音频通路会产生冲突，例如：
为了确保模拟音频通路的音频的THD性能很好，需要尽可能加大构成模拟音频通路的场效应管的尺寸，然而，若加大了模拟音频通路中场效应管的尺寸，会导致模拟音频通路关断时的关断电容变大，而模拟音频通路关断时过大的关断电容会导致数字通路带宽变小。
可见，现有技术中，难以兼顾模拟音频通路的音频的THD性能与数字通路的带宽。
发明内容
本发明提供了一种TypeC接口的单刀双掷开关电路、模拟开关芯片与电子设备，以解决难以兼顾模拟音频通路的音频的THD性能与数字通路的带宽的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种TypeC接口的单刀双掷开关电路，包括：能够分时导通，且连接于同一COM端口的数字通路与模拟音频通路，所述COM端口的两个管脚分别连接至TypeC接口的D+管脚和D-管脚；所述模拟音频通路设有第一场效应管，所述第一场效应管的衬底和源极之间的PN结能够形成第一二极管；其中，所述第一场效应管的衬底为所述第一二极管的第一端，所述第一场效应管的源极为所述第一二极管的第二端；
所述的电路，还包括：反向偏置电压模块；
所述反向偏置电压模块连接于所述第一二极管之间，用于在所述第一二极管的两端产生反向偏置电压。
可选的，所述反向偏置电压模块包括隔离用场效应管、电压调节单元，以及能够在流经电流时产生压降的阻抗单元，所述隔离用场效应管的漏极连接其他电路，所述隔离用场效应管的源极连接所述阻抗单元的一端；
所述隔离用场效应管的栅极与所述第一二极管的第二端共接于第一节点；所述阻抗单元的另一端与所述第一二极管的第一端共接于第二节点；
所述反向偏置电压产生时，所述第一节点的电位高于所述第二节点的电位，所述第一节点与所述第二节点间的电压为所述反向偏置电压；
所述电压调节单元连接所述第二节点，用于调节所述反向偏置电压，以使得所述反向偏置电压处于所需的取值范围内或处于所需的取值。
可选的，所述电压调节单元包括连接所述第二节点的电流确定器件；
所述电流确定器件用于确定所述第二节点的电流大小，以使得所述反向偏置电压能够处于所需的取值范围内或处于所需的取值。
可选的，所述电流确定器件包括连接所述第二节点的电流源。
可选的，所述阻抗单元包括串联于所述隔离用场效应管的源极与所述第二节点之间的电阻。
可选的，所述第二节点还连接至第三节点，所述第三节点的电位低于所述第二节点，所述电压调节单元包括设于所述第二节点与所述第三节点之间的可变电压源，所述可变电压源用于确定所述第三节点与所述第二节点间的电压，以使得所述反向偏置电压能够处于所需的取值范围内或处于所需的取值。
可选的，所述反向偏置电压的电压值的取值范围为4伏至5伏。
可选的，所述数字通路设有第二场效应管，所述第二场效应管的衬底和源极之间的PN结能够形成第二二极管。
根据本发明的第二方面，提供了一种模拟开关芯片，包括两路第一方面及其可选方案涉及的TypeC接口的单刀双掷开关电路。
根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括第二方面及其可选方案涉及的模拟开关芯片。
本发明提供的TypeC接口的单刀双掷开关电路、模拟开关芯片与电子设备，能够在第一二极管两端产生反向偏置电压，由于PN结加一个反向偏置电压后，可使得该PN结的电容值会显著减小。进而，可有效降低第一场效应管即音频通路关断时COM点处的对地电容，从而避免因过大电容而导致数字通路的带宽变小。可见，基于本发明，可便于同时实现第一场效应管的大尺寸与数字通路的高带宽，从而可便于同时提升模拟音频通路的THD性能与数字通路的带宽，避免两者间的冲突。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中TypeC接口的单刀双掷开关电路的构造示意图一；
图2是反向偏置电压下PN结的一种电压-电容特性示意图；
图3是本发明一实施例中TypeC接口的单刀双掷开关电路的构造示意图二；
图4是本发明一实施例中TypeC接口的单刀双掷开关电路的构造示意图三；
图5是本发明一实施例中TypeC接口的单刀双掷开关电路的电路示意图。
附图标记说明：
1、N1-第一场效应管；
2、N2-第二场效应管；
3、D1-第一二极管；
4-反向偏置电压模块；
41、N3-隔离用场效应管；
42-阻抗单元；
R-电阻；
43-电压调节单元；
431-电流确定器件；
4311-电流源；
5-COM端口；
6-第一节点；
7-第二节点；
8-第三节点；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1是本发明一实施例中TypeC接口的单刀双掷开关电路的构造示意图一。
请参考图1，请参考图1，TypeC接口的单刀双掷开关电路，包括：能够分时导通，且连接于同一COM端口5的数字通路与模拟音频通路，所述COM端口5的两个管脚分别连接至TypeC接口的D+管脚和D-管脚。
模拟音频通路，可理解为用于传输模拟音频信号的通路，该通路是通过各器件与连接线路而形成的。
本实施例中，所述模拟音频通路设有第一场效应管1，所述第一场效应管1的衬底和源极之间的PN结能够形成第一二极管3；其中，所述第一场效应管1的衬底为所述第一二极管3的第一端，所述第一场效应管1的源极为所述第一二极管3的第二端。
具体可例如：在场效应管的结构中，P型硅片衬底上可形成两个N区，分别作为源区与漏区，接对应的电极，其中衬底与单个N区之间存在一个PN结，进而该PN结可形成以上所涉及的第一二极管与后文所涉及的第二二极管。
进而，具有第一场效应管1的任意用于传输模拟音频信号的通路均可理解为本实施例所涉及的模拟音频通路。
数字通路，可理解为用于传输高速USB数字信号的通路，该通路是通过各器件与连接线路而形成的。
其中一种实施方式中，数字通路设有第二场效应管，进一步的，所述第二场效应管2的衬底和源极之间的PN结能够形成第二二极管。其中，第二场效应管与第二二极管的关系，可参照第一场效应管与第一二极管的关系理解。
请参考图1，本实施例中，所述的电路，还包括：反向偏置电压模块4；所述反向偏置电压模块4连接于所述第一二极管3的两端，用于在所述第一二极管3的两端产生反向偏置电压。进而，反向偏置电压模块4也即在第一场效应管1的衬底与源极产生反向偏置电压。
其中，反向偏置电压的电压值可根据需求任意配置或变化。具体实施过程中，该电压值的取值范围可以为4伏至5伏。其可理解为是常用的取值范围，本实施例并不排除其他取值范围或取值的实施方式。
以上所涉及的反向偏置电压模块4的电路结构可以是多样的，任意可产生反向偏置电压的电路模块均不脱离本实施例的描述。
图2是反向偏置电压下PN结的一种电压-电容特性示意图。
请参考图2，其中的横轴可表示PN结的电压的数值，其单位可以为伏特，对应可通过V表征，竖轴可表示PN结的关断电容的电容值，其单位可以为皮法，对应可通过pF表征。
其中的PN结，可理解为：P型与N型半导体制作在同一块半导体基片上，由此交界面而形成空间电荷区称为PN结
其中关断电容，可理解为当音频通道的场效应管关断时COM点处(即第一二极管的第二端)对应的对地电容Coff。如图2所示，给PN结加一个反向偏置电压后，该PN结的电容值会显著减小进而显著降低COM点处对应的对地电容Coff。
故而，本实施例可有效降低第一场效应管关断时COM点处的对地电容，从而避免因过大电容而导致数字通路的带宽变小。可见，基于本发明，可便于同时实现第一场效应管的大尺寸与数字通路的高带宽，从而可便于同时提升模拟音频通路的THD性能与数字通路的带宽，避免两者间的冲突。
基于本实施例所涉及的思路，可帮助相关人员做出比目前市场上的产品性能好更多的产品。
图3是本发明一实施例中TypeC接口的单刀双掷开关电路的构造示意图二。
请参考图3，所述反向偏置电压模块包括隔离用场效应管41、电压调节单元43，以及能够在流经电流时产生压降的阻抗单元42，所述隔离用场效应管41的漏极连接其他电路(未图示，其可以为任意芯片中的其他电路)，所述隔离用场效应管41的源极连接所述阻抗单元42的一端。
所述隔离用场效应管41的栅极与所述第一二极管3的第二端(或表征为所述第一场效应管1的源极)共接于第一节点6；所述阻抗单元42的另一端与所述第一二极管3的第一端(或表征为所述第一场效应管1的衬底)共接于第二节点7。
其中的第一节点与第二节点，以及后文所涉及的第三节点，可理解为：在将电路表征为电路图时，因电位相同，实际电路中的相同电路位置，或者互相连接且电位相同的不同电路位置，可被表征为同一节点，以上实施方式通过节点的描述方式，可对电位相同且相连接的电路位置进行统一表征，进而可更清楚地表征电路的连接关系与作用原理。
其也可理解为：第一节点指的是分别接至所述隔离用场效应管41的栅极与所述第一二极管3的第二端(或表征为所述第一场效应管1的源极)，进而与之电位相同的任意电路位置；第一节点指的是分别接至所述阻抗单元42的另一端与所述第一二极管3的第一端(或表征为所述第一场效应管1的衬底)，进而与之电位相同的任意电路位置。
故而，本实施例及其可选方案所涉及的节点可以并非单指某一个连接的管脚、端子、器件等。同时，本实施例也不排除节点为某一个管脚、端子、器件的情形。
所述反向偏置电压产生时，所述第一节点6的电位高于所述第二节点7的电位，所述第一节点6与所述第二节点7间的电压为所述反向偏置电压。
所述电压调节单元43连接所述第二节点7，用于调节所述反向偏置电压，以使得所述反向偏置电压处于所需的取值范围内或处于所需的取值。
具体地，若流经阻抗单元42的电流的电流值表征为I，阻抗单元42所产生的阻抗的电阻值表征为R，隔离用场效应管41的栅极与源极间的电压的电压值可表征为Vgs，其通常为一固定值，则：在隔离用场效应管41导通时所产生的反向偏置电压的电压值Vx可以通过如下公式计算确定：Vx＝Vgs+I*R。
进而，在以上实施方式中，通过选择不同电阻值的阻抗单元42，可实现不同的反向偏置电压，从而满足各种多样的需求。
其中一种举例中，阻抗单元42可以包括串联于所述隔离用场效应管41的源极与所述第二节点7之间的电阻，例如可以包括一个或多个电阻，若包括多个电阻，阻抗单元42可以是多个电阻串联和/或并联后确定的。
在其他举例中，阻抗单元42也可以包括齐纳二极管，和/或：其它可产生阻抗的元件。
除了阻抗单元42与隔离用场效应管41，还可通过对流经阻抗单元42的电流进行变化，从而调整反向偏置电压，进一步满足各种多样的需求。
图4是本发明一实施例中TypeC接口的单刀双掷开关电路的构造示意图三。
请参考图4，所述电压调节单元43包括连接所述第二节点7的电流确定器件431，其中：所述第二节点7还连接至第三节点8，所述第三节点8的电位小于所述第二节点7的电位，电流确定器件431设于所述第二节点7与所述第三节点8之间。
所述电流确定器件431，可理解为用于确定所述第二节点7的电流大小以使得所述反向偏置电压能够处于所需的取值范围内或处于所需的取值的任意电路结构。当第二节点7电流变化时，阻抗单元42的电流也可随同变化，具体实施过程中，第二节点7的电流可以与流经阻抗单元42的电流相同或相近。
其中一种举例中，所述电流确定器件431包括连接所述第二节点7的电流源，其可如图5中所示的电流源4311。
通过对电流电源中电流大小的变化，例如调节电流源的电流值，可便于调节反向偏置电压，进一步满足需求。
在其他可选实施方式中，除了以上所涉及的实施方式，第二节点7也可连接一个可变电压源，而非采用电流单元43。例如：所述电压调节单元43包括设于所述第二节点与所述第三节点之间的可变电压源，所述可变电压源用于确定所述第三节点与所述第二节点间的电压，以使得所述反向偏置电压能够处于所需的取值范围内或处于所需的取值。该可变电压源可以可使得第二节点8与第一节点6的电压保持一个固定的电压差。
以上实施方式中，通过隔离用场效应管41，可以实现COM端口对新增电流源及相关电路的隔离。
图5是本发明一实施例中TypeC接口的单刀双掷开关电路的电路示意图。
请参考图5，其中，可利用N1来表征第一场效应管，N2来表征第二场效应管，N3来表征隔离用场效应管，D1来表征第一二极管，为了便于理解，图5中具体所画出了前文所涉及的第一二极管D1，其实际为第一场效应管N1中源极与衬底之间的PN结。同时，还可对A节点、B节点、C节点、D节点与E节点进行表征，其中的C节点可理解为前文所涉及的第一节点，其中的D节点可理解为前文所涉及的第二节点，其中的E节点可理解为前文所涉及的第三节点。
进而，A节点与C节点之间的通路可列举为数字通路，B节点与C节点之间的通路可列举为模拟音频通路。
其中，所增加的反向偏置电压可使得节点C对应的关断电容明显减小，进而可便于提升COM端口5到节点A的信号带宽。
同时，还可增大第一场效应管1的尺寸来改善COM端口到节点B的模拟信号的THD性能，与此同时，还可继续增加第一二极管D1上的反向偏置电压来维持关断电容不增大或仍然略微减小来确保COM端口到节点A的信号带宽不受影响。
具体实施过程中，通过本实施例可选方案的实施，可将关断电容由原来的约4pF大幅降低到约1pF，从而极大地改善开关的性能参数。
以上所涉及的THD，具体可以为：Total Harmonic Distortion，其可被描述为：总谐波失真，例如可以利用输出信号比输入信号多出的各种谐波成分的均方根与输入信号的比值来表征，可见，THD与音频的性能相关性很大，对其改善可有效提高音频的性能。
以上所涉及的带宽，可以表征为BW，具体为Bandwidth，例如可以通过某信号通道的信号之最高频率和最低频率之差来表征。
本实施例还提供了一种模拟开关芯片，包括两路以上可选方案涉及的TypeC接口的单刀双掷开关电路。
本实施例还提供了一种电子设备，包括以上可选方案涉及的模拟开关芯片。
综上所述，本实施例提供的TypeC接口的单刀双掷开关电路、模拟开关芯片与电子设备，能够在第一二极管两端产生反向偏置电压，由于PN结加一个反向偏置电压后，可使得该PN结的电容值会显著减小。进而，可有效降低第一场效应管即音频通路关断时COM点处的对地电容，从而避免因过大电容而导致数字通路的带宽变小。可见，基于本发明，可便于同时实现第一场效应管的大尺寸与数字通路的高带宽，从而可便于同时提升模拟音频通路的THD性能与数字通路的带宽，避免两者间的冲突。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种TypeC接口的单刀双掷开关电路，包括：能够分时导通，且连接于同一COM端口的数字通路与模拟音频通路，所述COM端口的两个管脚分别连接至TypeC接口的D+管脚和D-管脚；所述模拟音频通路设有第一场效应管，所述第一场效应管的衬底和源极之间的PN结能够形成第一二极管；其中，所述第一场效应管的衬底为所述第一二极管的第一端，所述第一场效应管的源极为所述第一二极管的第二端，其特征在于，还包括：反向偏置电压模块；
所述反向偏置电压模块连接于所述第一二极管之间，用于在所述第一二极管的两端产生反向偏置电压。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述反向偏置电压模块包括隔离用场效应管、电压调节单元，以及能够在流经电流时产生压降的阻抗单元，所述隔离用场效应管的漏极连接其他电路，所述隔离用场效应管的源极连接所述阻抗单元的一端；
所述隔离用场效应管的栅极与所述第一二极管的第二端共接于第一节点；所述阻抗单元的另一端与所述第一二极管的第一端共接于第二节点；
所述反向偏置电压产生时，所述第一节点的电位高于所述第二节点的电位，所述第一节点与所述第二节点间的电压为所述反向偏置电压；
所述电压调节单元连接所述第二节点，用于调节所述反向偏置电压，以使得所述反向偏置电压处于所需的取值范围内或处于所需的取值。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电压调节单元包括连接所述第二节点的电流确定器件；
所述电流确定器件用于确定所述第二节点的电流大小，以使得所述反向偏置电压能够处于所需的取值范围内或处于所需的取值。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述电流确定器件包括连接所述第二节点的电流源。
5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述阻抗单元包括串联于所述隔离用场效应管的源极与所述第二节点之间的电阻。
6.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第二节点还连接至第三节点，所述第三节点的电位低于所述第二节点，所述电压调节单元包括设于所述第二节点与所述第三节点之间的可变电压源，所述可变电压源用于确定所述第三节点与所述第二节点间的电压，以使得所述反向偏置电压能够处于所需的取值范围内或处于所需的取值。
7.根据权利要求1至6任一项所述的电路，其特征在于，所述反向偏置电压的取值范围为4伏至5伏。
8.根据权利要求1至6任一项所述的电路，其特征在于，所述数字通路设有第二场效应管，所述第二场效应管的衬底和源极之间的PN结能够形成第二二极管。
9.一种模拟开关芯片，其特征在于，包括两路权利要求1至8任一项所述的TypeC接口的单刀双掷开关电路。
10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求9所述的模拟开关芯片。
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