CN115225073A - 一种新型双模式切换开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型双模式切换开关，双模式切换开关包括两个单刀双掷开关，两个单刀双掷开关左右镜像对称，进行三端口模式和四端口模式切换，三端口模式为一路输入两路输出(或两路输入一路输出)，四端口模式为两路输入两路输出。此开关可应用于毫米波发射机、接收机前端，作为信号切换，模式切换模块。相比于传统开关，本发明两种不同工作模式输出信号平衡，且具备插入损耗小，隔离度高，面积小，集成度高等优点。

Description

一种新型双模式切换开关

技术领域

本发明涉及一种新型双模式切换开关，具有新型拓扑结构的双模式切换开关，属于微电子与固体电子学的射频与模拟集成电路技术领域。

背景技术

近年来，随着5G的发展，通信的频率开始进入毫米波频段，同时相控阵技术开始广泛应用，高集成度，低功耗，可重构的射频收发机设计变得非常重要，射频开关作为毫米波相控阵的关键器件，应用于发射接收切换、可变衰减器、移相器和多标准通信系统。

射频开关通常使用基于III-V半导体的晶体管或二极管进行设计，随着CMOS工艺的进步，其低成本的优点愈加显现，越来越多的射频器件开始采用CMOS工艺。对于L，S波段的射频器件，CMOS工艺已经成为主流，对于10GHz以上的设计仍然具有挑战性，特别是毫米波频段的开关，更加具有难度。

CMOS晶体管做开关的主要限制是源漏极和衬底之间的节点二极管，节点二极管增加了信号泄露到衬底的损耗，也限制了信号的电压摆幅。晶体管导通时，源漏极之间的导通电阻，增加了损耗，晶体管关断时，源漏极存在的寄生电容会导致隔离度变差。此外，由于二极管电容的容性阻抗在毫米波频率下非常低，从二极管到衬底地的衬底电阻也是一个重要问题。

文献“B.W.Min and G.M.Rebeiz,“Ka-Band Low-Loss andHigh-IsolationSwitch Design in 0.13-um CMOS[C],IEEETransactions on Microwave Theory andTechniques,vol.56,no.6,pp. 1364–1371,June 2008.”中采用有衬底电阻网络的串联单刀双掷开关，在35GHz时的插入损耗为2.2dB，隔离度为32dB，但是每个单刀双掷开关需要四个电感，占用了大量面积。

文献“Low-loss and Small-size 28GHz CMOS SPDT Switchesusing SwitchedInductor[C]. IEEERadio Frequency Integrated Circuits Symposium，148-151,June2018.”中使用了一个开关式电感器，连接到一个关闭的串联MOSFET开关上，以实现谐振关断电容，实现了0.89dB插入损耗和18.2dB隔离度，隔离度较小且只是一个单刀双掷开关。

综合上述，此新型毫米波开关具有广阔的应用场景，对已有的设计有独特优势。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种新型双模式切换开关，该技术方案针对单输入双输出或双输入单输出、双输入双输出的切换需要，同时具有较小的面积、低插入损耗和高隔离度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种新型双模式切换开关，双模式切换开关包括两个单刀双掷开关，两个单刀双掷开关左右镜像对称，进行三端口模式和四端口模式切换。

进一步地，所述单刀双掷开关，包括两组开关逻辑相反的单刀单掷开关S1、S2和S3、 S4，其中S1串接在动端和不动端1之间，S2串接在动端和不动端2之间，S3和S4串联后接在两个不动端之间。

进一步地，两个单刀双掷开关左右镜像对称，一个单刀双掷开关不动端1与另一个单刀双掷开关的不动端1相连于连接点3，S3、S4的连接点1和S5、S6的连接点2相连，连接点1和连接点2连线的中点与连接点3相连。电路结构左右镜像对称可减小左右两路信号性能差异。

进一步地，三端口模式时，S1、S4、S6、S7导通，S2、S3、S5、S8关断，四端口模式时，S1、S4、S6、S7关断，S2、S3、S5、S8导通。三端口模式时，端口1、2、4导通，信号从端口4输入，端口1、2产生相同输出(或端口1、2输入相同信号，端口输出合成信号)；四端口模式时，端口1、3导通，2、4导通，一路信号从端口3输入，端口1输出(或端口1输入，端口3输出)，另一路信号从端口4输入，端口2输出(或端口2输入，端口4输出)；

进一步地，所述单刀单掷开关使用衬底串接电阻接地的晶体管实现，通过控制栅极的电压实现导通和关断。衬底串接大电阻可以减小信号通过衬底泄露到地，减小衬底损耗，从而提高整体开关性能。

进一步地，所述晶体管，两端并联谐振电感，两个晶体管(M1,M2)共享一个谐振电感。减少了电感数量可以大幅降低整体面积，降低成本。其中心频率由谐振电感和晶体管关断寄生电容决定，改变谐振电感值和晶体管总栅宽可调节中心频率。将此开关应用于不同的工作频段时，只需要调节电感值和晶体管总栅宽就可以调节中心频率到工作频段。

新型双模式切换开关的应用，新型双模式切换开关位于发射机前或接收机后，作为通道切换开关。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，1、该技术方案解决了相控阵需要双模式切换的问题；2、在导通端口之间的导通损耗小，非导通端口间的隔离度高；3、两个晶体管共享一个谐振电感，芯片总体面积明显缩小。4、该技术方案集成度高，可有效减少多通道系统面积。

附图说明

图1是本发明一种新型双模式切换开关的四端口模式功能图；

图2是本发明一种新型双模式切换开关的三端口模式功能图；

图3是本发明一种新型双模式切换开关的结构框图；

图4是本发明一种新型双模式切换开关的三端口模式结构图；

图5是本发明一种新型双模式切换开关的四端口模式结构图；

图6是本发明一种双模式切换开关的单刀双掷开关电路图；

图7是本发明一种新型双模式切换开关的具体实施电路图。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1-图7，一种新型双模式切换开关，包括两个单刀双掷开关，其中单刀双掷开关，包括一组开关的晶体管(M1、M2)和一组切换晶体管(M3、M4)。M1和M2的控制逻辑相反，M3和M4的控制逻辑相反，M1和M4的控制逻辑相同。M1和M2的源极相连作为动端，M1和M3的漏极相连作为一个动端，M2和M4的漏极相连作为另一个动端，M3和M4的源极相连。谐振电感负端接在动端，正端接在M3和M4的源极节点。两个单刀双掷开关左右对称，M1、M7的漏极相连后与两个电感正端连接，组成整个双模式开关，三端口模式时，S1、 S4、S6、S7导通，S2、S3、S5、S8关断，端口1、2、4导通，信号从端口4输入，端口1、 2产生相同输出(或端口1、2输入相同信号，端口输出合成信号)；四端口模式时，S1、S4、 S6、S7关断，S2、S3、S5、S8导通。四端口模式时，端口1、3导通，2、4导通，一路信号从端口3输入，端口1输出(或端口1输入，端口3输出)，另一路信号从端口4输入，端口 2输出(或端口2输入，端口4输出)；三端口模式时，Vc1为高电平，Vc2为低电平，M1、 M4、M6、M7导通，M2、M3、M5、M8关断。四端口模式时，Vc1为高电平，Vc2为低电平，M1、 M4、M6、M7关断，M2、M3、M5、M8导通。中心频率由谐振电感和晶体管关断寄生电容决定。

综上，本发明的新型双模式切换开关，可以进行三端口模式和四端口模式切换。晶体管选用较大尺寸的总栅宽实现了较小的导通损耗，谐振电感抵消晶体管关断电容，实现了较高隔离度。晶体管衬底串接电阻降低衬底损耗。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (7)

1.一种新型双模式切换开关，其特征在于，双模式切换开关包括两个单刀双掷开关，两个单刀双掷开关左右镜像对称，进行三端口模式和四端口模式切换。

2.根据权利要求1所述的新型双模式切换开关，其特征在于，所述单刀双掷开关，包括两组开关逻辑相反的单刀单掷开关S1、S2和S3、S4，其中S1串接在动端和不动端1之间，S2串接在动端和不动端2之间，S3和S4串联后接在两个不动端之间。

3.根据权利要求2所述的新型双模式切换开关，其特征在于，两个单刀双掷开关左右镜像对称，一个单刀双掷开关不动端1与另一个单刀双掷开关的不动端1相连于连接点3，S3、S4的连接点1和S5、S6的连接点2相连，连接点1和连接点2连线的中点与连接点3相连。

4.根据权利要求3所述的新型双模式切换开关，其特征在于，三端口模式时，S1、S4、S6、S7导通，S2、S3、S5、S8关断，四端口模式时，S1、S4、S6、S7关断，S2、S3、S5、S8导通。

5.根据权利要求4所述的新型双模式切换开关，其特征在于，所述单刀单掷开关使用衬底串接电阻接地的晶体管实现，通过控制栅极的电压实现导通和关断。

6.根据权利要求5所述的新型双模式切换开关，其特征在于，所述晶体管，两端并联谐振电感，两个晶体管(M1,M2)共享一个谐振电感。

7.权利要求1-6任意一项所述的新型双模式切换开关的应用，其特征在于，新型双模式切换开关位于发射机前或接收机后，作为通道切换开关。

Images