CN112073041A - 包括具有体极连接的开关晶体管的rf电路 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及包括具有体极连接的开关晶体管的RF电路。在一些方法实施例和装置实施例中，RF电路包括具有源极、漏极、栅极以及体极的开关晶体管。栅极控制电压被施加到开关晶体管的栅极。体极控制电压被施加到开关晶体管的体极。当开关晶体管处于导通状态时，体极控制电压为正偏置电压。在一些实施例中，RF电路包括通过第一电阻施加到开关晶体管的栅极、并通过第二电阻施加到开关晶体管的体极的控制电压。第一电阻不同于第二电阻。

Description

包括具有体极连接的开关晶体管的RF电路
本申请是申请日为2016年3月4日、申请号为201680012669.X、发明名称为“包括具有体极连接的开关晶体管的RF电路”的中国发明专利申请的分案申请。
背景技术
射频(RF)电路通常具有在其中生成的不需要的谐波信号。谐波信号通常由RF电路中组件的非线性物理相互作用(即，电容、电阻和电感)引起。谐波信号通常降低RF电路的性能，并因此降低包含RF电路的整体器件的性能。因此，已经开发了各种技术来减轻RC电路内的谐波信号和/或它们的影响，例如，增加器件布局的对称性、通过引入介电衬底来减少半导体电容、在器件附近使用富陷阱层来减少自由载体的寿命等。
发明内容
在一些实施例中，一种RF电路包括具有源极、漏极、栅极和体极的开关晶体管。栅极控制电压被施加到开关晶体管的栅极。体极控制电压被施加到开关晶体管的体极。当开关晶体管处于导通状态时，体极控制电压为正偏置电压。
在一些实施例中，一种方法包括：将栅极控制电压施加到RF电路中的开关晶体管的栅极；以及将体极控制电压施加到开关晶体管的体极。当开关晶体管处于导通状态时，体极控制电压为正偏置电压。
在一些实施例中，一种RF电路包括具有源极、漏极、栅极和体极的开关晶体管。控制电压通过第一电阻被施加到开关晶体管的栅极，并且通过第二电阻被施加到开关晶体管的体极。第一电阻不同于第二电阻。
一些实施例涉及产生栅极控制电压的第一电压控制源以及产生体极控制电压的第二电压控制源。在一些实施例中，当开关晶体管处于导通状态时，正偏置电压大于约0.7伏特。在一些实施例中，当开关晶体管处于导通状态时，正偏置电压改善了RF电路的器件线性度，例如，谐波信号和/或互调失真。在一些实施例中，谐波信号在RF电路的基频的三倍处。
附图说明
图1是包括本发明的一个实施例的RF电路的简化电子示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的用于图1所示的RF电路的RF开关的简化电子示意图。
图3是包括本发明的一个备选实施例的另一RF电路的简化电子示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的用于图3所示的RF电路的另一RF开关的简化电子示意图。
图5是示出了包括本发明的一个实施例的示例RF开关的功能的谐波功率与输入功率的简化绘图。
图6是示出了包括本发明的一个实施例的示例RF开关的功能的体极电流与输入功率的简化绘图。
具体实施方式
在图1中示出了包括本发明的一个实施例的RF电路100的一部分。RF电路100总体上包括解码器101、电压控制源102和103的两个集合以及RF开关核心104。RF开关核心104总体上包括如图所示连接在节点RFC、RF1和RF2之间的RF开关105-108。在下面关于图2更详细地描述了RF开关105-108，但是RF开关105-108总体上包括开关场效应晶体管(SWFET)，其具有源极、漏极、栅极和体极(即，四端子SWFET配置)。在RF电路100的操作期间，RF开关105-108的SWFET导通和关断，并且在节点RFC和其他节点(RF1和RF2)之间传送RF载波信号(当在导通时)。由于体极结(body tie)，在SWFET的“导通”和“关断”状态下均可以实现器件线性度(例如，谐波和互调失真)的改善。特别地，在导通状态下，SWFET 105-108的体极接收正偏置的体极控制电压Vb。该正的体极控制偏置电压特征与常规的RF电路技术(其中体极偏置电压被保持为零伏特或被允许在大约为零处浮动)形成相对，因为正的体极控制偏置电压产生关于改善的线性度的意想不到的结果，例如，与常规技术相比，RF电路100的增强对谐波信号的增强减轻、RF电路100的改善的互调失真和改进改善的性能。线性度改善通常发生在体极控制电压Vb为相对较高的正的值或“基本上”正的值的情况下，大于约0.7-1伏特或约0.7-1伏特与约5伏特之间。(在本文中，体极控制电压Vb有时被描述为施加到SWFET 105-108的体极，但是在一些实施例中，除非本文另有说明，在到达SWFET 105-108的体极之前，实际上可以通过适当的电阻来施加体极控制电压Vb。当通过电阻施加时，体极处的实际偏置电压可能受到SWFET 105-108的通常内置的p-n结二极管的限制。)
节点RFC通常连接到RF电路100中的天线，以接收和发送RF载波信号。节点RF1和RF2通常连接到RF电路100中“下游”的电路组件。(术语“下游”不一定完全描述RF载波信号的传播方向，因为在两个方向上均可以接收和/或发射RF载波信号，因此，节点RFC可以被称为“上游节点”或“天线侧节点”或其他适当的指定。备选地，节点RF1和RF2可以被称为“下游节点”或“内部节点”或其他适当的指定。)RF开关核心104通常提供用于将RF载波信号路由到下游电路组件或内部电路组件的路径，以及从下游电路组件或内部电路组件路由RF载波信号的路径。在所示实施例中，仅示出了到两个下游节点(RF1和RF2)的两个路径。然而，其他实施例可以具有任何数目的路径和下游节点。
电压控制源102和103可以是可以产生如本文所述的控制电压的任何适当的组件。在所示实施例中，例如，电压控制源102和103可以是在正电压发生器109和110以及负电压发生器111和112的控制下操作的电压电平移位器，以产生栅极控制电压Vg和体极控制电压Vb。第一电压控制源102生成用于RF开关105-108的栅极控制电压Vg，并且第二电压控制源103生成用于RF开关105-108的体极控制电压Vb。因此，RF开关105-108在栅极控制电压Vg和体极控制电压Vb的控制下操作。栅极控制电压Vg例如通常使RF开关105-108导通和关断。当导通时，RF开关105-108使RF频率范围内的载波信号通过，例如，基频为大约900MHz。在导通状态期间，栅极控制电压Vg可以大于阈值电压Vt，或在大约+2.5至+5伏特之间。附加地，体极控制电压Vb通常根据需要将RF开关105-108的SWFET的体极偏置，包括在RF开关105-108的导通状态期间，用于减轻RF电路100中的谐波信号并改善RF电路100的性能的上述正体极控制偏置电压。在一些实施例中，在关断状态期间，SWFET 105-108的体极接收负偏置的体极控制电压Vb。
解码器101可以是通常接收控制信号CTRL1和CTRL2并产生解码信号113的任何适当的(一个或多个)组件。控制信号CTRL1和CTRL2通常由RF电路100外部的适当控制电路系统产生。解码信号113被提供给电压控制源102和103。在所示实施例中，作为由正电压发生器和负电压发生器109-112供电的电平移位器，电压控制源102和103通常对解码信号113进行电平移位，以产生栅极控制电压Vg和体极控制电压Vb。
图2中示出了RF开关108的一个示例实施例。这种相同的设计也可以被应用于开关105-107。RF开关108通常包括SWFET 114-116。SWFET 114-116从RF2串联连接(源极到漏极)到接地。来自电压控制源102的相应一个的栅极控制电压Vg通过电阻117连接到SWFET 114-116的栅极，以如上所述将SWFET 114-116在导通和关断状态之间切换。附加地，来自电压控制源103的相应一个的体极控制电压Vb通过电阻118连接到SWFET 114-116的体极，以提供如上所述偏置的期望的体极。在一些实施例中，电阻117和118不被认为是RF开关108的一部分，但是可以是可选的，或者可以位于RF电路100的另一部分中，例如，在电压控制源102和103与RF开关108之间的任何位置处。附加地，尽管RF开关108被示出为具有三个SWFET 114-116，但是其他实施例可以使用任何适当数目的SWFET。在所示实施例中，SWFET 114-116是N沟道晶体管。
在图3中示出了包括本发明的一个备选实施例的RF电路300的一部分。RF电路300总体上包括解码器301、电压控制源302的集合以及RF开关核心304。RF开关核心304总体上包括如图所示在节点RFC、RF1和RF2之间连接的RF开关305-308。在下面关于图4更详细地描述RF开关305-308，但RF开关305-308通常包括具有源极、漏极、栅极和体极的开关场效应晶体管(SWFET)。在RF电路300的操作期间，RF开关305-308的SWFET导通和关断，并且在节点RFC和其他节点(RF1和RF2)之间传送RF载波信号(当在导通时)。在“导通”状态期间，SWFET305-308的体极接收被正偏置的体极控制电压。这种正的体极控制偏置电压特征与常规的RF电路技术(其中，体极偏置电压被保持在零伏特或被允许在大约为零处浮动)形成对比，因为与常规技术相比，正的体极控制偏置电压产生了关于增强的对谐波信号的减轻和RF电路300的改善的性能的意想不到的结果。
节点RFC通常连接到RF电路300中的天线，以接收和发送RF载波信号。节点RF1和RF2通常连接到RF电路300中“下游”的电路组件。(术语“下游”不一定完全描述RF载波信号的传播方向，因为在两个方向上均可以接收和/或发射RF载波信号。因此，节点RFC可以被称为“上游节点”或“天线侧节点”或其他适当的指定。附加地，节点RF1和RF2可以被称为“下游节点”或“内部节点”或其他适当的指定。)RF开关核心304通常提供用于将RF载波信号路由到下游电路组件或者内部电路组件的路径，以及从下游电路组件或者内部电路组件路由RF载波信号的路径。在所示实施例中，仅示出了到两个下游节点(RF1和RF2)的两个路径。然而，其他实施例可以具有任何数目的路径和下游节点。
电压控制源302可以是可以产生如本文所述的控制电压的任何适当的组件。在所示实施例中，例如，电压控制源302可以是在正电压发生器309和负电压发生器311的控制下操作以产生控制电压Vc的电压电平移位器。将控制电压Vc作为上述的栅极控制电压Vg和体极控制电压Vb提供给RF开关305-308。因此，RF开关305-308在控制电压Vc的控制下操作。如下面参考图4所述，施加到RF开关305-308的栅极的直接栅极控制电压和施加到其体极的直接体极控制电压均是从控制电压Vc导出或基于控制电压Vc。例如，直接栅极控制电压通常使RF开关305-308导通和关断。当导通时，RF开关305-308使RF频率范围中(例如，基频为大约900MHz)的载波信号通过。附加地，在RF开关305-308的导通状态期间，直接体极控制电压通常根据需要来偏置RF开关305-308的SWFET的体极，以减轻RF电路300中的谐波信号并改善RF电路300的性能。此外，在关断状态期间，SWFET 305-308的体极接收负偏置的体极控制电压，因为在关断状态期间，栅极控制电压为负，并且体极控制电压与栅极控制电压直接相关。
解码器301可以是通常接收控制信号CTRL1和CTRL2并产生解码信号313的任何适当的一个组件(或多个组件)。解码信号313被提供给电压控制源302。在所示实施例中，作为由正电压发生器309和负电压发生器311供电的电平移位器，电压控制源302通常对解码信号313进行电平移位，以产生控制电压Vc。
图4中示出了RF开关308的一个示例实施例。这种相同的设计也可以被应用于开关305-307。RF开关308通常包括SWFET 314-316。SWFET 314-316从RF2串联连接(源极到漏极)到接地。来自电压控制源302的相应一个的单个控制电压Vc通过电阻317连接，以形成施加到SWFET 314-316的栅极的直接栅极控制电压Vg'，以将SWFET 314-316在如上所述的导通和关断状态之间切换。附加地，控制电压Vc也通过电阻318连接到SWFET 314-316的体极，以形成如上所述提供用于减轻谐波信号的期望体极偏置的直接体极控制电压Vb'。在一些实施例中，电阻317和318具有不同的值，因此即使电阻317和318共享公共电路节点319，直接栅极控制电压Vg'和体极控制电压Vb'也具有不同的值。在导通状态期间，直接栅极控制电压Vg'可以大于阈值电压Vt，或者在大约+2.5至+5伏特之间。附加地，尽管RF开关308被示为具有三个SWFET 314-316，但是其他实施例可以使用任何适当数目的SWFET。此外，在所示实施例中，SWFET 314-316是N沟道晶体管。
在图3和图4的实施例中，直接栅极控制电压Vg'和直接体极控制电压Vb'彼此不独立，因为它们均基于由相同的电压控制源302生成的相同的控制电压Vc，并且因此通过控制电压Vc的值和电阻317和318的(或其比例)的值彼此相关。(电阻317和318的电阻值通常在约100k欧姆到约1M欧姆的范围内，并且可以具有任何适当的比率(约1比1至约1比10的值之间)；从而导致直接栅极控制电压Vg'和直接体极控制电压Vb'的适当值或其之间的比例。另一方面，在图1和图2的实施例中，栅极控制电压Vg和体极控制电压Vb彼此独立，因为它们由不同的电压控制源102和103生成，并且因此可能彼此完全不相关。图1和图2的实施例因此通常涉及体极和栅极偏置连接的分离，使得它们由不同的电压控制源102和103独立地控制。
由于具有较少的组件(例如，仅具有电压控制源302的一个集合)，与图1和图2的实施例相比，图3和图4的实施例可以通常物理上更小(从而在半导体裸片上占据较少空间)。另一方面，由于栅极控制电压Vg和体极控制电压Vb由不同的电压控制源102和103独立生成，所以图1和图2的实施例可以通常更灵活，并且可以实现比图3和图4的实施例可以实现的更大范围的控制选项。
在图5中示出了根据本发明的一个实施例的在示例RF开关的基频的三倍(即，第三谐波，3f0或H3)处，谐波功率与针对谐波的输入功率的简化绘图501、502和503。(除了第三谐波之外的附加谐波信号也可以通过本发明的实施例来改善)。例如，类似于RF开关108或308的示例RF开关的功能在测试电路中被评估，以生成绘图501、502和503。对于示例RF开关的SWFET，栅极长度(Lg)约为0.19μm，并且栅极控制电压Vg约为+3伏特。绘图501中，体极控制电压Vb被设定为零伏特，绘图502中，体极控制电压Vb被设定为+3伏，并且绘图503中，体极控制电压Vb被设定为+5伏。
如绘图501-503所指示，通常贯穿约5-35dBm的输入功率范围，存在第三谐波的改善，除了在零附近之外，在越低的输入功率值，改进越大。例如，当输入功率小于约25dBm时，与当体极控制电压Vb被设定为+3伏特(绘图502)时相比，体极控制电压Vb被设定为+5伏特的情况下(绘图503)，第三谐波几乎有-10dB的改善。附加地，体极控制电压Vb在零伏特(绘图501)处的示例通常表示类似于常规技术(具有浮动体极或被保持为零伏的体极)的配置。对于这种情况，在约5-15dBm的输入功率的情况下，在+5伏特(绘图503)的体极控制电压Vb和零伏特的体极控制电压Vb(绘图501)之间，第三谐波存在大于-15dB的改善(由箭头BB表示)。因此，尽管绘图501-503通常在高输入功率电平收敛，但绘图501-503表示由于本发明的实现，在示例RF开关的性能中的第三谐波的改善。
提供图5中的绘图501-503的信息的示例RF开关具有与体极二极管串联的约500k欧姆的相对较高值的电阻器。以这种方式，只要二极管变为正向偏置，则体极电流就被限制，当体极控制电压Vb变得大于约0.7伏时，这近似发生。图6示出了体极电流与输入功率的绘图，其进一步示出了根据本发明的一个实施例的示例RF开关的功能。绘图600-605分别是从0-5伏特的整数值的体极控制电压Vb。
当体极控制电压Vb大于约0.7伏特(即，高于SWFET的内建p-n结二极管)时，体极电流通常线性地依赖于体极控制电压Vb，这意味着电流受到体极电阻器的限制，由欧姆定律表示：V＝IR。由于栅极电阻器值确定栅极开关的充电/放电时间以及RF开关与电荷泵(未示出)的相互作用，所以设计保持与栅极电阻器值无关的体极电阻器值是有益的。
如绘图601-605中的每一个的上升所示，在更高的输入功率(例如，高于大约25-30dBm)，附加的晶体管效应(可能在沟道中生成热载流子)增加了体极电流。体极电流中的这种增加通常与相对高的输入功率电平处的谐波功率振幅的收敛相关，从而指示利用独立的体极控制电压Vb的整体谐波改善的减小。
已经详细参考了所公开的发明的实施例，其一个或多个示例已经在附图中示出。已经通过对本技术的说明而不是本技术的限制的方式提供了每个示例。事实上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离其精神和范围的情况下，可以对本技术进行修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的功能可以与另一实施例一起使用，以产生又一实施例。因此，本主题旨在涵盖所附权利要求的范围内的所有这些修改和变化及其等同物。
虽然本发明的实施例主要针对其具体实施例进行了讨论，但其他的变化是可能的。可以使用所描述的结构或过程的各种配置来代替本文所呈现的配置，或者除了本文所呈现的配置之外，可以使用所描述的结构或过程的各种配置。
本领域技术人员将理解，前述描述仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明。本公开中的任何内容都不应指示本发明限于在单个晶片上实现的系统。本公开中的任何内容都不应指示本发明限于需要特定形式的半导体处理或集成电路的系统。本公开中的任何内容都不应将本发明限于基于硅的半导体器件。通常，所呈现的任何图表仅旨在表示一种可能的配置，并且许多变化是可能的。本领域技术人员还将理解，与本发明一致的方法和系统适用于包括半导体结构或电子电路的广泛应用。
虽然已经相对于本发明的具体实施例详细描述了说明书，但是应当理解，本领域技术人员在理解上述内容时，可以容易地设想到这些实施例的变化、变形和等同物。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以实践本发明的这些和其他修改和变化，这在所附权利要求书中更具体地阐述。

Claims (8)

1.一种方法，包括：
将栅极控制电压施加到RF电路中的开关晶体管的栅极；以及
将体极控制电压施加到所述开关晶体管的体极，其中当所述开关晶体管处于导通状态时，所述体极控制电压为正偏置电压，
其中所述栅极控制电压是从第一电压控制源施加到所述栅极的；以及
其中所述体极控制电压是从第二电压控制源施加到所述体极的，并且其中所述第二电压控制源独立于所述第一电压控制源。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述正偏置电压大于0.7伏特。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
当所述开关晶体管处于导通状态时，通过将所述正偏置电压施加到所述开关晶体管的所述体极来改善所述RF电路的器件线性度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：
改善的所述器件线性度是在所述RF电路的基频的三倍处的减轻的谐波信号。
5.一种RF电路，包括：
具有源极、漏极、栅极和体极的开关晶体管；
第一电压控制源，被配置为向所述栅极施加控制电压；以及
第二电压控制源，独立于所述第一电压控制源，被配置为向所述体极施加体极控制电压，使得当所述开关晶体管处于导通状态时，所述体极控制电压是正偏置电压。
6.根据权利要求5所述的RF电路，其中：
所述体极偏置电压是大于0.7伏特。
7.根据权利要求5所述的RF电路，其中：
所述第一电压控制源包括耦合至第一正电压生成器和第一负电压生成器的第一电压电平移位器；以及
所述第二电压控制源包括耦合至第二正电压生成器和第二负电压生成器的第二电压电平移位器。
8.根据权利要求5所述的RF电路，其中：
所述第二电压控制源被配置为当所述开关晶体管处于关断状态时施加负偏置电压。
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