CN115378411A

CN115378411A - 一种无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关

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Publication number: CN115378411A
Application number: CN202210819143.XA
Authority: CN
Inventors: 王春雷; 于松立; 赵晨曦; 康凯; 刘辉华; 余益明; 吴韵秋
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2022-11-22

Abstract

本发明属于射频开关技术领域，具体提供一种无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关，用以解决现有射频集成开关需要高控制电压、即在无外部电源电压的情况下低压控制信号会导致射频开关完全失效的问题。本发明在LDO模块、负压电荷泵模块与三相逻辑转换模块构成的负压模块基础上，创造性的提出电压检测模块对输入控制电压进行自适应监测，分辨输入控制信号的电压幅度，当输入控制电压满足传统射频集成开关所需工作电压时，控制信号直接经过负压模块对射频开关进行控制；当输入控制电压不满足传统射频集成开关所需工作电压时，控制信号会进入升压模块倍增后，经过负压模块对射频开关进行控制，即实现低压控制效果，保证开关的射频性能。

Description

一种无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关

技术领域

本发明属于射频开关技术领域，具体提供一种无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关。

背景技术

随着5G通信的发展，大规模MIMO技术得到发展，MIMO天线数量可以是成百上千个，因此射频开关的作用就极其重要；但随着先进制程的发展，低功耗设计使得诸多控制电路的输出控制电压远低于射频开关的开启电压，导致开关在工作时隔离度和插损的严重恶化，从而影响整个通信系统的性能。

最基本的串联形式单刀双掷开关如图1所示，发射支路采用晶体管M₁控制，接收支路采用晶体管M₂控制，两个晶体管的控制信号V₁与V₂为反相信号；发射支路TX工作时，晶体管M₁上施加的控制电压V₁为高电平，晶体管M₁导通，发射支路闭合，晶体管M₂上的电压V₂为低电平，晶体管M₂开路，接收支路开路；相反，接收支路RX工作时，晶体管M₂上施加高电平，晶体管M₁上施加低电平。在开关设计上，设计者们总是希望插入损耗尽可能小，为减小导通电阻R_on，则会采用较大尺寸的晶体管，然而晶体管尺寸越大，晶体管的关闭电容C_off越大，能量从开路支路泄漏的更多，使得开关难以满足射频频段下的隔离度要求，也在一定程度上增大了插入损耗。为保证射频开关的隔离度要求，更为经典的串并联形式的单刀双掷开关结构应运而生，如图2所示，其在图1的基础上增加了两个晶体管M₃与M₄作为并联支路；在串联支路关闭时，控制信号控制并联支路导通到地，因不增加额外的控制信号，所以有效IO口并没有增加；发射模式工作时，晶体管M₁与M₄导通，晶体管M₂与M₃截止；与串联形式的开关结构相比，串并形式的开关具有更好的隔离度，合理调整晶体管M₁、M₂与M₃、M₄的栅宽比，可以同时保证插入损耗与隔离度的要求。

进一步的，上述串并联形式的单刀双掷开关的工作原理示意图如图3所示，虽然层叠晶体管技术可以有效提高开关的线性度，但是当输入信号功率较高时，关闭支路的开关晶体管(V_off＝0V)由于平均分压的影响，使得其在大信号周期内存在部分时间切换为导通状态；考虑到晶体管漏源区对称，栅源寄生电容等于栅漏寄生电容即C_gs＝C_gd，晶体管关闭时的控制电压为0V，因此，栅源电压V_gs为0.5倍的源漏电压V_ds，当栅源电压V_gs在大信号周期内大于晶体管阈值电压V_th时，必有V_ds≥V_gs-V_th，晶体管工作在饱和状态也即晶体管导通，此时开关将出现非常大的功率泄漏，造成大的插入损耗及低的线性度。为了保持串并式开关的线性度，使关闭支路晶体管的状态不因输入大信号功率而改变，同时为减少堆叠晶体管的数量，采用开关控制器给电路提供负电压是行之有效的方法；当晶体管的控制电压为负压时，V_ds与V_gs的大信号摆幅将向下偏移，使得V_gs的大信号正半周期不超过阈值电压，这种方式可以明显提高天线开关的功率承载能力；在工程设计时，一般选择控制电压为±2.5V来实现高性能射频开关的设计，当控制信号为正压时，开关打开，另一路采用负压关闭，由于栅极为负压，晶体管沟道直接载流子更难移动，所以整体开关性能会得到优化。

综上所述，现有射频开关设计中，为了提高开关的功率承载能力和隔离度、提高开关性能，需要设计负压模块为晶体管的控制电压提供负电压，在传统负压模块设计中需要引入外部电源，利用片内LDO和模拟电路产生负压控制信号；然而，目前使用开关多数为无源结构，在无外界电源提供时，控制开关所需要的电压统一由控制信号产生，往往要求控制信号为3.3V或者5V；而随着低功耗的应用，芯片的控制信号已远远低于3.3V，当输入控制信号低于负压模块需要的电压时，传统内部电路如LDO等将无法工作，所以无外界电源提供时，开关将无法实现正常功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关，用以解决现有射频集成开关需要高控制电压、即在无外部电源电压的情况下低压控制信号会导致射频开关完全失效的问题。本发明创造性的提出电压检测模块对输入控制电压进行自适应监测，分辨输入控制信号的电压幅度，当输入控制信号满足射频开关所需工作电压时，控制信号直接经过负压模块(由LDO模块、负压电荷泵模块与三相逻辑转换模块构成)对射频开关进行控制；当输入控制信号不满足开关所需电压时，控制信号会进入升压模块倍增后，经过负压模块对射频开关进行控制，即实现低压控制效果，保证开关的射频性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:

一种无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关，包括：单刀双掷射频开关模块、LDO模块、三相逻辑转换模块、负压电荷泵模块、升压模块及电压检测模块；其中，LDO模块、负压电荷泵模块与三相逻辑转换模块构成负压模块，LDO模块为负压电荷泵模块与三相逻辑转换器模块提供正压偏置，负压电荷泵模块为三相逻辑转换器模块提供负压偏置，三相逻辑转换电路为射频开关提供三相控制信号；其特征在于，输入控制电压V₁与V₂分别经过二极管后合成为内部电压V_DD，电压检测模块对内部电压V_DD进行自适应监测，当内部电压V_DD大于等于电压检测模块的切换电压时、内部电压V_DD输入至LDO模块，否则、内部电压V_DD经过升压模块倍增后输入至LDO模块。

进一步的，所述电压检测模块包括：NMOS晶体管M₁、M₂、M₃、M₄、M₅，PMOS开关S₁、S₂、S₃，钳位电阻R，以及三级反相器，其中，每一个NMOS晶体管均采用二极管偏置连接(即：栅极与漏极相连)，NMOS晶体管M₃、M₄、M₅依次串联，NMOS晶体管M₃的源极接内部电压V_DD，NMOS晶体管M₅的漏极接三级反相器的输入端；三级反相器的第二级反相器的输出连接至PMOS开关S₁与S₂的控制端，PMOS开关S₁连接于内部电压V_DD与升压模块的输入端之间，PMOS开关S₂连接于升压模块的输出端与NMOS晶体管M₁的源极之间；三级反相器的第三级反相器的输出连接至PMOS开关S₃的控制端，PMOS开关S₃连接于内部电压V_DD与NMOS晶体管M₂的源极之间；NMOS晶体管M₁与M₂的漏极均连接LDO模块的输入端；钳位电阻R一端连接三级反相器的输入端、另一端接地，

更进一步的，通过调节钳位电阻R的阻值能够实现电压检测模块的切换电压设定。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关，在由单刀双掷射频开关模块与负压模块(由LDO模块、负压电荷泵模块与三相逻辑转换模块构成)构成的传统射频集成开关基础上，创造性的提出电压检测模块对输入控制电压进行自适应监测，分辨输入控制信号的电压幅度，当输入控制电压满足传统射频集成开关所需工作电压时(大于等于电压检测模块的切换电压)，控制信号直接经过负压模块对射频开关进行控制；当输入控制信号不满足传统射频集成开关所需工作电压时(小于电压检测模块的切换电压)，控制信号会进入升压模块进行倍增，然后再经过负压模块对射频开关进行控制，即实现低压控制效果，保证开关的射频性能；并且，电压检测模块的切换电压能够通过钳位电阻进行配置；由此可见，本发明实现了基于SOI工艺的无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关设计，在不牺牲开关性能的前提下，极大的扩展了开关的控制电压使用范围，并且具有可配置、集成度高、兼容无源开关的优点。

附图说明

图1为传统串联形式单刀双掷开关结构示意图。

图2为传统串并联形式的单刀双掷开关结构示意图。

图3为图2所示串并联形式的单刀双掷开关的工作原理示意图。

图4为本发明中无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关的结构示意图。

图5为本发明中无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关的工作原理示意图。

图6为本发明中电压检测电路的仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关，其结构如图4所示，具体包括：单刀双掷射频开关模块、LDO模块、三相逻辑转换模块、负压电荷泵模块、升压模块及电压检测模块；其中，输入控制电压V₁与V₂分别经过二极管后合成为内部电压V_DD，电压检测模块对内部电压V_DD进行自适应监测，当内部电压V_DD大于等于电压检测模块的切换电压时、内部电压V_DD输入至LDO模块，否则、内部电压V_DD经过升压模块倍增后输入至LDO模块；LDO模块为负压电荷泵模块与三相逻辑转换器模块提供正压偏置，负压电荷泵模块为三相逻辑转换器模块提供负压偏置，三相逻辑转换电路为射频开关提供三相控制信号。

进一步的，所述电压检测模块包括：NMOS晶体管M₁、M₂、M₃、M₄、M₅，PMOS开关S₁、S₂、S₃，钳位电阻R，以及三级反相器，其中，每一个NMOS晶体管均采用二极管偏置连接(即：栅极与漏极相连)，NMOS晶体管M₃、M₄、M₅依次串联，NMOS晶体管M₃的源极接内部电压V_DD，NMOS晶体管M₅的漏极接三级反相器的输入端；三级反相器的第二级反相器的输出连接至PMOS开关S₁与S₂的控制端，PMOS开关S₁连接于内部电压V_DD与升压模块的输入端之间，PMOS开关S₂连接于升压模块的输出端与NMOS晶体管M₁的源极之间；三级反相器的第三级反相器的输出连接至PMOS开关S₃的控制端，PMOS开关S₃连接于内部电压V_DD与NMOS晶体管M₂的源极之间；NMOS晶体管M₁与M₂的漏极均连接LDO模块的输入端；钳位电阻R一端连接三级反相器的输入端、另一端接地，进一步的，通过调节钳位电阻R的阻值能够实现电压检测模块的切换电压设定。

从工作原理上讲：

本实施例提供一种无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关，具有六个外部接口，分别为TX端、RX端、ANT端、GND端与两个控制信号端；其中，V₁与V₂为外部控制信号、分别控制TX端与RX端的导通与关断；由于无外部电源，所以内部电路的电源由V₁与V₂通过二极管合成实现，由于二极管的单向导电性，所以只要V₁与V₂中任一条信号为高电平、即V_{DD_ctrl}＝max{V₁,V₂}，则内部合成电源V_DD＝V_{DD_ctrl}-V_{th_diode}、V_{th_diode}为二极管的阈值电压(本实施例中使用的二极管的阈值电压约为0.65V)；

本实施例中，外部控制信号V₁与V₂的电压V_{DD_ctrl}的电压范围为1.8V～6V，经过二极管合成后，输入到内部的电压下降一个二极管的阈值电压0.65V，合成内部电源V_DD的电压范围为1.15V～5.35V，所以设定判决电压拐点为3.3-0.65＝2.65V；即当外部输入电压为1.8V～3.3V时，内部电压为1.15V～2.65V，经过升压模块后，最小进入LDO模块的电压大于2.5V(LDO正常工作，需要输入电压比稳压电压高，由于内部需要2.5V电压，所以升压模块输出的最小电压要大于2.5V，即1.15V倍压后要大于2.5V)，经过LDO模块稳压到2.5V；当外部输入电压为3.3V～6V是，内部电压为2.65V～5.35V，LDO模块可以直接稳压到2.5V，不需要进行升压；具体而言，合成后的内部电源V_DD会经过电压监测电路进行判断：当V_DD≥2.65V时，升压模块不会启动，内部电源直接通过LDO模块稳定到2.5V为负压电荷泵模块与三相逻辑转换器模块提供正电压；当V_DD＜2.65V时，升压模块启动，内部电源与LDO模块断开，内部电源V_DD通过升压电路进行倍压得到升压电压V_{DD_UP}，倍压后的电压V_{DD_UP}＞2.5V，LDO模块将输出稳定到2.5V为负压电荷泵模块与三相逻辑转换器模块提供正电压；负压电荷泵模块稳定后为三相逻辑转换器模块提供负压，三相逻辑转换电路为射频开关提供三相控制信号；由此，本发明射频集成开关实现了无外部电源偏置下的稳定工作，且开关性能优异，极大的扩展了控制电压的适用范围。

需要说明的是：所述三相逻辑转换器、负压电荷泵模块和LDO模块均为传统负压模块中的基本电路结构，升压模块采用传统结构的迪克森升压电路实现电压倍增，本发明不再赘述。而本发明的核心在于电压检测模块的创造性设计与使用，高电源电压经过电压检测电路直接进入LDO模块，低电源电压经过电压检测模块进入升压模块、实现电压的倍增后再进入LDO模块，两种方式经过LDO模块后均输出稳定的2.5V偏置电压；更为具体的讲：

如图5所示，晶体管M₁、M₂、M₃、M₄、M₅均为NMOS晶体管，且每个晶体管的栅极与漏极相互连接、组成二极管偏置连接方式；所述晶体管M₃、M₄、M₅相当于串联形式的二极管，晶体管M₃的源极接内部电源V_DD，当V_DD超过晶体管M₃、M₄、M₅的阈值电压(V_th)之和时候，晶体管M₃、M₄、M₅组成的二极管正偏，由于钳位电阻R的存在，电压经过晶体管M₃、M₄、M₅后变为V_IN接近为V_DD-3V_th，钳位电阻R越大、V_IN越接近V_DD-3V_th；因此，V_IN的输出曲线会随着V_DD的增加而增加，当V_IN达到反相器的翻转电压时，三级反相器开始工作；第二级反相器与第三级反相器输出相反的电平(PMOS开关S₁与S₂的控制信号PD、PMOS开关S₃的控制信号PD2)，分别控制PMOS开关S₁与S₂、S₃的闭合与断开；

当V_DD低于设定的切换电压时，V_IN相当于低电平，经过反相器输出，开关S₁与S₂闭合、开关S₃断开，升压电路开始工作，V_DD经过倍压升高到2V_DD，2V_DD由晶体管M₁进入LDO(低压差线性稳压器)模块的输入端，进而驱动后级LDO模块，LDO模块稳压到2.5V，为负压电荷泵、三相逻辑转换电路提供偏置；

当V_DD高于(等于)设定的切换电压时，V_IN相当于高电平，经过反相器输出，开关S₁与S₂断开、开关S₃闭合，升压电路不工作，V_DD直接由开关S₃与晶体管M₂进入LDO模块的输入端，进而驱动后级LDO模块，LDO模块稳压到2.5V，为负压电荷泵、三相逻辑转换电路提供偏置；

利用二极管的反偏电压很大这一电路特性；晶体管M₁、M₂组成的二极管实现电压单向传输，保证工作时两条支路互不干扰；

本实施例中，由于内部电源V_DD为二极管合成得到的，所以内部电压会比控制信号低一个二极管的阈值电压(本实施例中使用的二极管的阈值电压约为0.65V)，所以外部输入电压(控制信号V₁与V₂)为3.3V，经过二极管合成的内部电压V_DD约在2.65V附近，因此仿真设置切换电压为2.65V；本实施例中电压检测模块仿真结果如图6所示，其中，V_DD为内部电源、PD为PMOS开关S₁与S₂的控制信号、PD2为PMOS开关S₃的控制信号、LDO-IN为LDO模块的输入电压、LDO-OUT为LDO模块的输出电压，由图可见，当内部电源V_DD输入小于2.65V时，LDO模块不能稳定工作，则LDO模块需由升压电路供电；当内部电源V_DD输入大于2.65V时，LDO模块能将输出电压稳定在2.51V，则LDO模块直接由内部电源供电，即实现了电路监测的功能。

综上所述，本发明设计的电压检测模块能够实现切换电压的检测，并根据V_DD电压的大小选择是否倍压，两条支路最终均进入LDO模块的输入端，经过LDO模块输出稳定的2.5V偏置电压，为后级电路提供偏置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关，包括：单刀双掷射频开关模块、LDO模块、三相逻辑转换模块、负压电荷泵模块、升压模块及电压检测模块；其中，LDO模块、负压电荷泵模块与三相逻辑转换模块构成负压模块，LDO模块为负压电荷泵模块与三相逻辑转换器模块提供正压偏置，负压电荷泵模块为三相逻辑转换器模块提供负压偏置，三相逻辑转换电路为射频开关提供三相控制信号；其特征在于，输入控制电压V₁与V₂分别经过二极管后合成为内部电压V_DD，电压检测模块对内部电压V_DD进行自适应监测，当内部电压V_DD大于等于电压检测模块的切换电压时、内部电压V_DD输入至LDO模块，否则、内部电压V_DD经过升压模块倍增后输入至LDO模块。

2.按权利要求1所述无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关，其特征在于，所述电压检测模块包括：NMOS晶体管M₁、M₂、M₃、M₄、M₅，PMOS开关S₁、S₂、S₃，钳位电阻R，以及三级反相器，其中，每一个NMOS晶体管均采用二极管偏置连接，NMOS晶体管M₃、M₄、M₅依次串联，NMOS晶体管M₃的源极接内部电压V_DD，NMOS晶体管M₅的漏极接三级反相器的输入端；三级反相器的第二级反相器的输出连接至PMOS开关S₁与S₂的控制端，PMOS开关S₁连接于内部电压V_DD与升压模块的输入端之间，PMOS开关S₂连接于升压模块的输出端与NMOS晶体管M₁的源极之间；三级反相器的第三级反相器的输出连接至PMOS开关S₃的控制端，PMOS开关S₃连接于内部电压V_DD与NMOS晶体管M₂的源极之间；NMOS晶体管M₁与M₂的漏极均连接LDO模块的输入端；钳位电阻R一端连接三级反相器的输入端、另一端接地。

3.按权利要求2所述无电源式宽摆幅电压控制高性能射频集成开关，其特征在于，调节钳位电阻R的阻值能够实现电压检测模块的切换电压设定。