CN112054815A - 无线设备、其收发射频电路及其esd保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了无线设备、其收发射频电路及其ESD保护电路，ESD保护电路包括泄放开关管、RC触发电路和静电电位传递电路；静电电位传递电路包括第一开关管；第一开关管的电流流入端连接于输入放大器与天线端口之间，第一开关管的电流流出端接地；第一开关管的控制端连接RC触发电路的输入端以将静电电位传递至RC触发电路的输入端，第一开关管的控制端还连接收发射频电路的高电位端，RC触发电路的输入端还与收发射频电路的高电位端连接，RC触发电路的输出端连接泄放开关管的控制端；泄放开关管的第一电流端连接于输入放大器与天线端口之间，泄放开关管的第二电流端接地。本发明的ESD保护电路不会影响发送和接收到的信号功率。

Description

无线设备、其收发射频电路及其ESD保护电路

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及无线设备、其收发射频电路及其ESD保护电路。

背景技术

无线设备的应用非常广泛，如蓝牙耳机、蓝牙音箱、WiFi智能音箱等。无线设备的天线集成在设备内部，或者设置在设备外部，在无线设备制造、存储、运输、工作等过程中，静电容易从射频天线端口进入芯片内部电路，对内部电路产生毁灭性的破坏。因此，在射频天线端口处设置ESD保护电路是必不可少的。

图1是现有技术常见的射频天线端口的ESD保护电路，在天线射频端口与地之间串联多个二极管D1-D10、以及二极管D11和D12。当芯片电路正常工作时，二极管D1-D10处于反偏状态，二极管D11和D12处于截止状态，ESD保护电路处于关闭状态。当射频天线端口存在负高压静电，二极管D1-D10导通，负静电经由二极管D1-D10泄放到地。当射频天线端口存在正高压静电，二极管D11、D12导通，正静电经由二极管D11、D12泄放到地。

但是研究发现，上述收发射频电路静电发生时天线端口的电压被钳位在较高电压(达到8V)，容易损坏内部电路，另外，由于上述结构的保护电路的存在，导致天线发射的射频信号功率以及接收的射频功率较小，尤其是发射的射频信号功率功率明显较小。

发明内容

基于上述现状，为了提高收发射频电路的射频信号功率(尤其是天线发射的射频信号功率)，本发明的主要目的在于提供一种新的无线设备、其收发射频电路及其ESD保护电路，在天线端口引入包括RC触发电路的ESD保护电路后，仍能够保证收发射频电路的正常工作，在更优的方案中，还能进一步提高收发射频信号的功率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种收发射频电路天线端口的ESD保护电路，所述收发射频电路包括输入阻抗匹配网络、输入放大器和天线端口，所述输入阻抗匹配网络设置在所述天线端口与输入放大器之间，其特征是，所述ESD保护电路包括泄放开关管、RC触发电路和静电电位传递电路；所述静电电位传递电路用于将所述输入放大器与所述天线端口之间的正静电电位传递至所述RC触发电路的输入端；所述静电电位传递电路包括第一开关管；所述第一开关管的电流流入端连接于所述输入放大器与所述天线端口之间，所述第一开关管的电流流出端接地；所述第一开关管的控制端连接所述RC触发电路的输入端以将静电电位传递至所述RC触发电路的输入端，所述第一开关管的控制端还连接所述收发射频电路的高电位端以使所述收发射频电路正常工作时所述静电电位传递电路不传递电位至RC触发电路的输入端，所述RC触发电路的输入端还与所述收发射频电路的高电位端连接，所述RC触发电路的输出端连接所述泄放开关管的控制端；所述泄放开关管的第一电流端连接于所述输入放大器与所述天线端口之间，所述泄放开关管的第二电流端接地。

在优选的方案中，所述第一开关管的电流流入端与所述天线端口直接连接。

在优选的方案中，所述泄放开关管的第一电流端连接于所述输入放大器与所述输入阻抗匹配网络之间。

在优选的方案中，所述静电电位传递电路还包括第二开关管、第三开关管、第一电阻、第二电阻和第三电阻；所述第一开关管的控制端通过所述第一电阻连接所述高电位端；所述第二开关管的电流流入端连接于所述第一开关管的控制端，所述第二开关管的电流流出端接地，所述第二开关管的控制端通过所述第二电阻连接所述高电位端；所述第三开关管的电流流入端连接于所述第二开关管的控制端，所述第三开关管的电流流出端接地，所述第三开关管的控制端通过所述第三电阻连接所述高电位端；所述RC触发电路的输入端通过所述第三电阻连接所述高电位端、且通过所述第三电阻和第二电阻连接所述第二开关管的控制端、以及通过所述第三电阻和第一电阻连接所述第一开关管的控制端。

在优选的方案中，所述输入阻抗匹配网络包括电感和调谐电容，所述电感第一端连接天线端口、第二端连接所述输入放大器的输入端；所述调谐电容一端连接所述电感的第二端、另一端接地。

在优选的方案中，所述第一开关管为PNP三极管。

在优选的方案中，所述第二开关管、第三开关管为PNP三极管。

在优选的方案中，所述泄放开关管为N沟道MOS管。

本发明还提供了一种收发射频电路，包括输入阻抗匹配网络、输入放大器和天线端口，所述输入阻抗匹配网络设置在所述天线端口与输入放大器之间，还包括任一所述的ESD保护电路。

在优选的方案中，还包括输出放大器和收发切换开关，所述输出放大器的输出端通过所述收发切换开关连接所述天线端口。

本发明还提供了一种无线设备，包括任一所述的收发射频电路。

【有益效果】

通过静电电位传递电路将天线端口的静电传递到RC触发电路，从而避免了RC触发电路直接连接于天线端口，否则如果RC触发电路的输入端直接连接天线端口，一方面，发送和接收的射频信号将通过RC触发电路流入地，导致发送和接收到的信号功率下降，影响收发性能，对于发送射频信号，射频信号功率下降尤其明显；另一方面，即使天线端口不存在静电，天线端口射频信号的幅度波动将引起RC触发电路的误触发，导致泄放开关管M导通。

在更优的方案中，第一开关管采用寄生电容和电阻很小的三极管，可以进一步减小发送和接收射频信号流入地的功率(具体而言，主要是寄生电容会造成射频信号流入地)，进一步提升收发性能。

在更优的方案中，泄放开关管优选连接于电感L与输入放大器之间，以进一步减小发送和接收射频信号流入地的功率。

在更优的方案中，静电电位传递电路连接于天线端口，且采用属于PNP三极管的第一开关管、第二开关管和第三开关管，寄生电容非常小，明显提高发送和接收射频信号功率。

本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。

附图说明

以下将参照附图对根据本发明的优选实施方式进行描述。图中：

图1是现有技术一种收发射频电路的ESD保护电路图

图2是本发明一种实施例无线设备的收发射频电路图

图3是图2收发射频电路正静电发生时ESD电流示意图

图4是图2收发射频电路负静电发生时ESD电流示意图

图5是现有RC触发电路的电路图

图6是本发明一种更优实施例无线设备的收发射频电路图

具体实施方式

图2是本发明一种实施例无线设备的收发射频电路，用于接收和发送无线射频信号，该收发射频电路包括输入放大器30、输出放大器40、输入阻抗匹配网络50、天线端口P1、天线ANT、收发切换开关K、ESD保护电路。

天线ANT连接设置于天线端口P1，输入阻抗匹配网50连接设置于天线端口P1与输入放大器30之间，通过调节输入阻抗匹配网络50的阻抗值可以使得经由天线ANT接收的射频信号能够较好地输送至输入放大器30。输入放大器30可以采用常见的低噪声放大器LNA，以放大接收到的微弱射频信号。

收发切换开关K用于切换动作以使天线ANT在发射射频信号和接收射频信号之间切换工作，该收发切换开关K可以设置在输出放大器40与天线端口P1之间，该输出放大器40可以采用常见的功率放大器PA。当在发送射频信号状态，控制收发切换开关K闭合，输出放大器40输出经过放大后的射频信号至天线端口P1，然后经由天线ANT将该射频信号发送出去；当在接收视频信号状态，控制收发切换开关K断开，射频信号经由天线ANT、天线端口P1、阻抗匹配网络后进入输入放大器30。

ESD保护电路包括泄放开关管M、RC触发电路20和静电电位传递电路10，静电电位传递电路10的输入端连接于天线端口P1，该静电电位传递电路10用于，在天线端口P1发生正静电时，将天线端口P1的正静电电位传递至RC触发电路20的输入端。静电电位传递电路10包括第一开关管Q1；第一开关管Q1的电流流入端连接于天线端口P1，第一开关管Q1的电流流出端接地。

第一开关管Q1的控制端连接RC触发电路20的输入端，以在静电发生时将静电电位(指在静电发生时，第一开关管Q1电流流入端的电位)传递至RC触发电路20的输入端，传递至RC触发电路20的输入端的电位基本与静电电位相同(等于静电电位减去第一开关管Q1的压降)。第一开关管Q1的控制端还通过第一电阻R1连接收发射频电路的高电位端P2(例如，该高电位端P2对应的高电位可以是输出放大器40的偏置电压，如3.3V)，以使收发射频电路正常工作时静电电位传递电路10不将天线端口P1的电位传递至RC触发电路20的输入端，并在收发射频电路未上电且发生静电时，为从第一开关管Q1控制端流出的电流提供经由第一电阻R1至高电位端P2的通路，其中，第一电阻R1是可选的。RC触发电路20的输出端连接泄放开关管M的控制端，RC触发电路20的输入端还与收发射频电路的高电位端P2连接，使得在收发射频电路上电后，RC触发电路20输出控制信号控制泄放开关管M关断。在一个实施例中，泄放开关管M的宽度可以达上千微米，以保证其导通时可以及时将静电泄放到地。

阻抗匹配网络50包括电感L和调谐电容Ctune，电感L一端连接天线端口P1、另一端连接输入放大器30的输入端。

具体而言，在收发射频电路上电前，例如在将包含该收发射频电路的电路板安装到无线设备的外壳内过程中，如果此时在天线端口P1产生高压正静电，那么第一开关管Q1导通，第一开关管Q1的控制端的电位被钳位在与该高压正静电接近的正静电电位(例如约等于静电电位减导通压降)，由于RC触发电路20的输入端连接第一开关管Q1的控制端，因此该静电电位将被RC触发电路20检测到，RC触发电路20的输出端输出控制信号控制泄放开关管M导通，天线端口P1的高压正静电经过电感L后从泄放开关管M到地，天线端口P1的电压被钳位在大约泄放开关管M的导通压降，其ESD电流如图3所示，天线端口P1被钳位在一个较低电压，不容易对内部电路造成损坏。在一个实施例中，泄放开关管M为N沟道MOS管，当上述安装过程中在天线端口P1产生负压静电，那么静电电位传递电路10和RC触发电路20不工作，此时由于N沟道MOS管存在寄生体二极管D，因此，ESD电流从地经过该寄生体二极管D和电感L后流到天线端口P1，如图4所示。

在收发射频电路上电后，如果天线端口P1不存在静电，由于第一开关管Q1的控制端连接高电位端P2，而发送或接收射频信号时天线端口P1的电位与该高电位端P2之间的电位差不足以使第一开关管Q1导通，因此静电电位传递电路10不工作，不向RC触发电路传递天线端口P1的电位；另外，由于RC触发电路20的输入端与高电位端P2连接，因此RC触发电路20的输出端输出控制信号控制泄放开关管M关断，射频信号不会从该泄放开关管M流入地，因此可以保证正常接收和发送射频信号。

根据上文可知，在收发射频电路上电后，如果天线端口P1出现正高压静电，由于第一开关管Q1的控制端连接高电位端P2，由于正高压静电通常远远大于高电位端P2的电压，因此静电电位传递电路10依然能工作，并引起RC触发电路20和泄放开关管M工作。

通过静电电位传递电路10将天线端口P1的静电传递到RC触发电路20，从而避免了RC触发电路20直接连接于天线端口P1，否则如果RC触发电路20的输入端直接连接天线端口P1，一方面，发送和接收的射频信号将通过RC触发电路20流入地，导致发送和接收到的信号功率下降，影响收发性能，尤其对于发送射频信号，射频信号功率下降尤其明显；另一方面，即使天线端口P1不存在静电，天线端口P1射频信号的幅度波动将引起RC触发电路20的误触发，导致泄放开关管M导通。

在更优的实施例中，第一开关管Q1采用寄生电容和电阻很小的三极管，可以进一步减小发送和接收射频信号流入地的功率(具体而言，主要是寄生电容会造成射频信号流入地)，进一步提升收发性能。例如第一开关管Q1可以采用PNP三极管(此时电流流入端、电流流出端和控制端分别为PNP三极管的射极、集电极和基极)。

需要指出的是，静电电位传递电路10可以连接于输入放大器30与天线端口P1之间任意节点，均可以将天线端口P1处的静电电位传递至RC触发电路20。静电电位传递电路10直接连接于电感L与输入放大器30之间时，由于电感L的存在，静电电位传递电路10的反应时间会存在一定延迟，并且，由于电感L会存在一定压降，这样会导致天线端口P1需要更大的静电电压才能触发静电电位传递电路10导通工作，换言之，会导致静电电位传递电路10的静电保护的灵敏度下降。不难理解，当静电电位传递电路10采用寄生电容较小的三极管时，静电电位传递电路10直接连接天线端口P1是最佳的。

泄放开关管M的第一电流端可以连接于输入放大器30与天线端口P1之间任意节点，但是，类似地考虑到泄放开关管M的寄生电容会降低收发功率，泄放开关管M优选连接于电感L与输入放大器30之间，以进一步减小发送和接收射频信号流入地的功率，例如在调谐电容Ctune与输入放大器30之间，同样，其对阻抗匹配网络50的电容的改变也可以通过调节调谐电容Ctune来进行弥补。

如图2-4所示，在一些实施例中，RC触发电路20可以采用常见的RC触发电路，包括电阻R、电容C和反相器A1，电阻R的第一端和反相器A1的电源端连接并作为RC触发电路20的输入端，电阻R的第二端通过电容C接地、且第二端连接反相器A1的输入端，反相器A1的输出端连接泄放开关管M的控制端，反相器A1的接地端接地。在收发射频电路上电后，如果天线端口P1不存在静电，电容C的电位为高电位，反相器A1输出低电平，N沟通MOS管截止；在收发射频电路上电前，如果天线端口P1出现正高压静电，第一开关管Q1导通后，RC触发电路20的输入端的电压变高，而电容C的电压从0开始缓慢上升，这个过程中反相器A1将输出高电平(如图5所示，以PMOS管和NMOS管构成的反相器A1为例，RC触发电路20的输入端的电压变高瞬间，而电容C的电压为0，PMOS导通，Vg被拉至高电平，从而控制NMOS管M导通；当电容C的电压充电上升到输入端的高电压时，PMOS关断，NMOS导通，Vg被拉至低电平，控制N沟通MOS管M关断)，控制N沟道MOS管导通，ESD电流从天线端口P1最终通过N沟道MOS管到地；在收发射频电路上电前，如果天线端口P1出现负高压静电，如前所述，ESD电流从地经过N沟道MOS管的寄生二极管D最终到天线端口P1。在一个实施例中，RC触发电路的RC时间常数为数百纳秒。

图6是本发明一种更佳实施例的收发射频电路，与图2相比，本实施例的主要区别在于静电电位传递电路10，本静电电位传递电路10还包括第二开关管Q2、第三开关管Q3、第二电阻R2和第三电阻R3；第二开关管Q2的电流流入端连接于第一开关管Q1的控制端，第二开关管Q2的电流流出端接地，第二开关管Q2的控制端通过第二电阻R2连接高电位端P2；第三开关管Q3的电流流入端连接于第二开关管Q2的控制端，第三开关管Q3的电流流出端接地，第三开关管Q3的控制端通过第三电阻R3连接高电位端P2；RC触发电路20的输入端通过第三电阻R3连接高电位端P2、且通过第三电阻R3和第二电阻R2连接第二开关管Q2的控制端、以及通过第三电阻R3和第一电阻R1连接第一开关管Q1的控制端。

在收发射频电路上电前，如果在天线端口P1产生正静电，那么正静电依次经过第一开关管Q1、第二开关管Q2和第三开关管Q3导通后传递到RC触发电路20的输入端，也就是第三开关管Q3的控制端，经过传递后的电位大小等于静电电位减导通压降(由于正静电通常上千伏以上，因此传递后的电位可以视为是静电电位)，由于RC触发电路20的输入端连接第三开关管Q3的控制端，因此该静电电位将被RC触发电路20检测到，RC触发电路20的输出端输出控制信号控制泄放开关管M导通，天线端口P1的高压正静电经过电感L后从泄放开关管M到地，天线端口P1的电压被钳位在大约泄放开关管M的导通压降。需要解释的是，在本实施例中，第一开关管Q1的控制端流出的电流一部分经由第一电阻R1进入高电位端P2(由于此时收发射频电路未上电，该高电位端P2的实际电位为0)、另一部分流入第二开关管Q2的电流流入端；从第二开关管Q2的控制端流出的电流一部分经由第二电阻R2进入高电位端P2、另一部分流入第三开关管Q3的电流流入端；从第三开关管Q3的控制端流出的电流一部分经由第三电阻R3进入高电位端P2、另一部分流入RC触发电路20的输入端。在一个实施例中，泄放开关管M为N沟道MOS管(连接输入放大器30的是漏极、接地的源极)，当天线端口P1产生负压静电，那么静电电位传递电路10和RC触发电路20不工作，此时由于N沟道MOS管存在寄生体二极管D，因此，ESD电流从地经过该寄生体二极管D和电感L后流到天线端口P1。在收发射频电路上电后，如果天线端口P1不存在静电，由于第一开关管Q1的控制端连接高电位端P2，而发送或接收射频信号时天线端口P1的电位与该高电位端P2之间的电位差不足以使第一开关管Q1导通，因此静电电位传递电路10不工作，不向RC触发电路20传递天线端口P1的电位。在一些实施例中，第二开关管Q2和第三开关管Q3为PNP三极管。

经过实验发现，如图6所示的静电电位传递电路10的寄生电容非常小，比图2-4中的静电电位传递电路10要小很多，从天线ANT发射的射频信号功率要大很多，具体而言，在输出放大器40采用3.3V偏置电压的场景下，从天线ANT发射的射频信号功率可以高达23dBm。

本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种收发射频电路天线端口的ESD保护电路，所述收发射频电路包括输入阻抗匹配网络、输入放大器和天线端口，所述输入阻抗匹配网络设置在所述天线端口与输入放大器之间，其特征是，所述ESD保护电路包括泄放开关管、RC触发电路和静电电位传递电路；

所述静电电位传递电路用于将所述输入放大器与所述天线端口之间的正静电电位传递至所述RC触发电路的输入端；

所述静电电位传递电路包括第一开关管；所述第一开关管的电流流入端连接于所述输入放大器与所述天线端口之间，所述第一开关管的电流流出端接地；

所述第一开关管的控制端连接所述RC触发电路的输入端以将静电电位传递至所述RC触发电路的输入端，所述第一开关管的控制端还连接所述收发射频电路的高电位端以使所述收发射频电路正常工作时所述静电电位传递电路不传递电位至RC触发电路的输入端，所述RC触发电路的输入端还与所述收发射频电路的高电位端连接，所述RC触发电路的输出端连接所述泄放开关管的控制端；

所述泄放开关管的第一电流端连接于所述输入放大器与所述天线端口之间，所述泄放开关管的第二电流端接地。

2.如权利要求1所述的ESD保护电路，其特征是，

所述第一开关管的电流流入端与所述天线端口直接连接。

3.如权利要求1所述的ESD保护电路，其特征是，

所述泄放开关管的第一电流端连接于所述输入放大器与所述输入阻抗匹配网络之间。

4.如权利要求1或2所述的ESD保护电路，其特征是，

所述静电电位传递电路还包括第二开关管、第三开关管、第一电阻、第二电阻和第三电阻；

所述第一开关管的控制端通过所述第一电阻连接所述高电位端；

所述第二开关管的电流流入端连接于所述第一开关管的控制端，所述第二开关管的电流流出端接地，所述第二开关管的控制端通过所述第二电阻连接所述高电位端；

所述第三开关管的电流流入端连接于所述第二开关管的控制端，所述第三开关管的电流流出端接地，所述第三开关管的控制端通过所述第三电阻连接所述高电位端；

所述RC触发电路的输入端通过所述第三电阻连接所述高电位端、且通过所述第三电阻和第二电阻连接所述第二开关管的控制端、以及通过所述第三电阻和第一电阻连接所述第一开关管的控制端。

5.如权利要求1或2所述的ESD保护电路，其特征是，

所述输入阻抗匹配网络包括电感和调谐电容，所述电感第一端连接天线端口、第二端连接所述输入放大器的输入端；所述调谐电容一端连接所述电感的第二端、另一端接地。

6.如权利要求1-5任一所述的ESD保护电路，其特征是，

所述第一开关管为PNP三极管。

7.如权利要求4所述的ESD保护电路，其特征是，

所述第二开关管、第三开关管为PNP三极管。

8.如权利要求1-7任一所述的ESD保护电路，其特征是，

所述泄放开关管为N沟道MOS管。

9.一种收发射频电路，包括输入阻抗匹配网络、输入放大器和天线端口，所述输入阻抗匹配网络设置在所述天线端口与输入放大器之间，其特征是，还包括如权利要求1-8任一所述的ESD保护电路。

10.如权利要求9所述的收发射频电路，其特征是，还包括输出放大器和收发切换开关，所述输出放大器的输出端通过所述收发切换开关连接所述天线端口。

11.一种无线设备，其特征是，包括如权利要求9-10任一所述的收发射频电路。

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