CN117155363A - 一种低功耗射频开关 - Google Patents

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CN117155363A CN202311101609.3A CN202311101609A CN117155363A CN 117155363 A CN117155363 A CN 117155363A CN 202311101609 A CN202311101609 A CN 202311101609A CN 117155363 A CN117155363 A CN 117155363A
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赵强
谢卓恒
刘永光
吴炎辉
李明剑
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Abstract

本发明提出一种低功耗射频开关，包括：偏置电路，其输入端分别接入第一控制电压和第二控制电压，根据所述第一控制电压和第二控制电压产生偏置电压；开关电路，具有第一选通射频端、第二选通射频端和公共射频端，所述开关电路分别接入所述第一控制电压、所述第二控制电压和所述偏置电压，通过所述第一控制电压、所述第二控制电压和所述偏置电压，对所述第一选通射频端和所述第二选通射频端到所述公共射频端的导通路径进行通断控制；其中，所述第一控制电压和所述第二控制电压为非负电压。本发明实现了射频信号通道选择功能，具有低功耗、高隔离度、高线性且不需要负电源的特点，降低无线通信设备的功耗和体积。

Description

一种低功耗射频开关
技术领域
本发明涉及无线通信电子电路技术领域，尤其涉及一种低功耗射频开关。
背景技术
射频开关作为通用器件，被广泛应用于各种无线通信设备中，用于信号通道的切换。随着无线通信设备朝着多通道和低功耗方向不断发展，作为无线通信系统中的重要单元，低功耗的射频开关成为研究的重点。
射频开关电路主要由开关管及其控制电路构成。射频开关包含隔离度、插入损耗、开关时间和功率容量等指标，其中隔离度指开关在断开状态下的衰减量，即电路输入端和输出端之间的衰减度，是衡量开关截止有效性的指标，插入损耗(也称传输损耗)为开关处于导通状态下时损耗的总功率，由于插入损耗可以直接导致系统噪声系数的增大，因此插入损耗是最为关键的参数。传统的射频开关在保证低插入损耗的同时要达到高的隔离度就需要用到负电压，需要外接负电源或者由正电源通过电压转换电路转成负电压，电路复杂，功耗和体积较大。
发明内容
鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种低功耗射频开关，主要解决传统射频开关需要外接负电源、隔离度低及功耗大的问题。
为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。
本发明提供一种低功耗射频开关，包括：
偏置电路，其输入端分别接入第一控制电压和第二控制电压，根据所述第一控制电压和第二控制电压产生偏置电压；
开关电路，具有第一选通射频端、第二选通射频端和公共射频端，所述开关电路分别接入所述第一控制电压、所述第二控制电压和所述偏置电压，通过所述第一控制电压、所述第二控制电压和所述偏置电压，对所述第一选通射频端和所述第二选通射频端分别到所述公共射频端的导通路径进行通断控制。
在一实施例中，所述偏置电路，包括：
第一二极管，其正极接入所述第一控制电压；
第二二极管，其正极接入所述第二控制电压，所述第二二极管的负极连接所述第一二极管的负极；
第一PMOS管，其源极分别连接所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极；
第一NMOS管，其栅极连接所述第一PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的漏极连接所述第二二极管的负极；
第三二极管，其正极连接所述第一PMOS管的漏极和所述第一NMOS管的栅极；
第二PMOS管，其源极连接所述第一PMOS管的栅极和所述第三二极管的负极；
第四二极管，其正极连接所述第二PMOS管的漏极，所述第四二极管的负极连接所述第二PMOS管的栅极并接地；
第三PMOS管，其源极连接所述第一NMOS管的源极，所述第三PMOS管的栅极和漏极接地，所述第三PMOS管的源极输出偏置电压。
在一实施例中，所述偏置电路还包括第一电容，其第一端连接所述第三PMOS管的源极，所述第一电容的第二端连接所述第三PMOS管的漏极。
在一实施例中，NMOS管的宽长比大于POMS管的宽长比。
在一实施例中，所述开关电路，包括：
第二NMOS管，其栅极接入所述第一控制电压，所述第二NMOS管的源极连接所述第一选通射频端；
第三NMOS管，其漏极连接所述第二NMOS管的源极，所述第三NMOS管的栅极接入第二控制电压，所述第三NMOS管的源极接地；
第四NMOS管，其栅极接入所述第二控制电压，所述第四NMOS管的漏极连接所述第二NMOS管的漏极，所述第四NMOS管的源极经过一个电容连接所述第二选通射频端并接入所述偏置电压；
第五NMOS管，其漏极连接所述第四NOMS管的源极，所述第五NMOS管的栅极连接所述第一控制电压端，所述第五NMOS管的源极连接所述偏置电压端口并接地；
第一电阻，其第一端接入偏置电压，所述第一电阻的第二端连接所述第三NMOS管的漏极；
第二电阻，其第一端接入第一控制电压，所述第二电阻的第二端连接所述第二NMOS管的栅极；
第三电阻，其第一端接入第二控制电压，所述第三电阻的第二端连接所述第三NOMS管的栅极；
第四电阻，其第一端接入所述偏置电压，所述第四电阻的第二端连接所述第三NMOS管的源极；
第五电阻，其第一端接入所述偏置电压，所述第五电阻的第二端连接所述第四NOMS管的源极和所述第五NMOS管的漏极；
第六电阻，其第一端接入所述第二控制电压，所述第六电阻的第二端连接所述第四NMOS管的栅极；
第七电阻，其第一端接入所述第一控制电压，所述第七电阻的第二端连接所述第五NOMS管的栅极；
第八电阻，其第一端接入所述偏置电压，所述第八电阻的第二端连接所述第五NOMS管的源极；
第九电阻，其第一端连接所述第二NMOS管的漏极和所述第四NOMS管的漏极，所述第五电阻的第二端接入所述偏置电压。
在一实施例中，所述开关电路接入所述第一控制电压，所述第一选通射频端到所述公共射频端的路径导通；所述开关电路接入所述第二控制电压，所述第二选通射频端到所述公共射频端的路径导通。
在一实施例中，所述控制电压为为非负电压。
如上所述，本发明一种低功耗射频开关，具有以下有益效果：偏置电路分别接入第一控制电压和第二控制电压，根据所述控制电压产生偏置电压，控制开关电路中开关管的电压；开关电路，具有第一选通射频端、第二选通射频端和公共射频端，所述开关电路分别接入所述第一控制电压、所述第二控制电压和所述偏置电压，通过所述第一控制电压、所述第二控制电压和所述偏置电压，对所述第一选通射频端和所述第二选通射频端到所述公共射频端的导通路径进行通断控制。当接入第一控制电压的时候，第一选通射频端到公共射频端的路径导通；当接入第二控制电压的时候，第二选通选通射频端到公共射频端的路径导通，实现了射频信号通道选择功能。其中，所述控制电压均为非负电压，不需要使用负电源。本发明具有低功耗、高隔离度、高线性且不需要负电源的特点，降低无线通信设备的功耗和体积，可应用于多种无线通信系统中。
附图说明
图1为本发明一实施例中低功耗射频开关的架构框图。
图2为本发明一实施例中偏置电路的示意图。
图3为本发明一实施例中开关电路的示意图。
图4为本发明一实施例中不同控制电压下控制端口的电流曲线。
图5为本发明一实施例中不同工作频率下开关的隔离度曲线。
图6为本发明一实施例中各器件端口的电压示意图。
图7为本发明一实施例中不同工作频率下开关的隔离度曲线。
附图标号说明：
1-第一控制电压，2-第二控制电压，3-偏置电路，4-开关电路，5-第一选通射频端，6-第二选通射频端，7-公共射频端。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种低功耗射频开关，包括：
偏置电路，其输入端分别接入第一控制电压和第二控制电压，根据第一控制电压和第二控制电压产生偏置电压；
开关电路，具有第一选通射频端、第二选通射频端和公共射频端，所述开关电路分别接入第一控制电压、第二控制电压和所述偏置电压，通过第一控制电压、第二控制电压和偏置电压，对第一选通射频端和第二选通射频端分别到公共射频端的导通路径进行通断控制。
在一实施例中，开关电路接入第一控制电压，第一选通射频端到公共射频端的路径导通；开关电路接入第二控制电压，第二选通射频端到公共射频端的路径导通。
更具体地，请参阅图1，本发明提出的低功耗射频开关，包括偏置电路和开关电路。偏置电路的输入接两个接控制电压端口，第一控制电压端(V1)和第二控制电压端(V2)，输出接开关电路。开关电路分别连接第一选通射频端(RF1)和第二选通射频端(RF2)以及一个公共射频端RFC。由两个控制电压来选择两个射频端到公共射频端的导通或关断。在一实施例中，开关电路连接V1和V2，接收控制电压，偏置电路产生的偏置电压，将开关电路中开关管的源级和漏极接收到的控制电压偏置到二分之一的电压值，开关电路根据控制电压选择两个射频端到公共射频端的导通或关断。
当接入第一控制电压的时候，RF1到RFC导通，RF2到RFC断开；
当接入第二控制电压的时候，RF1到RFC断开，RF2到RFC导通。
请参阅图2，图2是开关管导通及关断原理图。射频开关原理如下：因NMOS管的导通电阻更小，射频开关管基本都采用NMOS管：对于NMOS管而言，当栅极为高电平时，NMOS管导通，射频通道导通：当栅极为0V时，NMOS管关断，射频通道关断：当栅极为负电压时，NMOS管不仅处于关断状态，且源极和漏极间的寄生电容会减小，进而提高开关的隔离度。同时，因为栅极电压低于源漏电压，即使很大的信号也不会导致关断的NMOS导通，从而提高了开关的线性度。
在一实施例中，偏置电路，包括：
第一二极管，其正极接入第一控制电压；
第二二极管，其正极接入第二控制电压，第二二极管的负极连接第一二极管的负极；
第一PMOS管，其源极分别连接第一二极管的负极和第二二极管的负极；
第一NMOS管，其栅极连接第一PMOS管的漏极，第一NMOS管的漏极连接第二二极管的负极；
第三二极管，其正极连接第一PMOS管的漏极和第一NMOS管的栅极；
第二PMOS管，其源极连接第一PMOS管的栅极和第三二极管的负极；
第四二极管，其正极连接第二PMOS管的漏极，第四二极管的负极连接第二PMOS管的栅极并接地；
第三PMOS管，其源极连接第一NMOS管的源极，第三PMOS管的栅极和漏极接地，第三PMOS管的源极输出偏置电压。
偏置电路还包括第一电容，其第一端连接第三PMOS管的源极，第一电容的第二端连接第三PMOS管的漏极。
在一实施例中，NMOS管的宽长比大于POMS管的宽长比。
更具体地，请参阅图3，偏置电路由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第一NMOS管NM1和第一电容C1构成。二级管D1的正极连接控制端口V1，负极分别连接二级管D2的负极、PMOS管PM1的源级、NMOS管NM1的漏极。二级管D2的正极连接控制端口V2。PMOS管PM1的栅极接二极管D3的负极和PMOS管PM2的源极，漏极接二极管D3的正极和NMOS管NM1的栅极。PMOS管PM2的栅极接地，漏极接二极管D4的正级。二极管D4的负级接地。NMOS管NM1的源级分别连接PMOS管PM3的源极、电容C1的一端以及偏置电压端口VB。PMOS管PM3的栅极和漏极、电容C1的另一端接地。
其中，在整个电路中，因开关电路中各端口全部被电容隔离，不会有电流，不会有电流，因此只有偏置电路会消耗电流。偏置电路中PM1、PM2和PM3均为宽长比非常小的PMOS管，其电流只有1nA左右。NM1为宽长比较大的NMOS，可以迅速将VB电压充到二分之一电源电压左右。因此，该结构在保证驱动能力的前提下实现了低功耗。
在一实施例中，开关电路，包括：
第二NMOS管，其栅极连接第一控制电压端，第二NMOS管的源极连接第一射频端；
第三NMOS管，其漏极连接第二NMOS管的源极，第三NMOS管的栅极连接第二控制电压端，第三NMOS管的源极接地；
第四NMOS管，其栅极连接第二控制电压端，第四NMOS管的漏极连接第二NMOS管的漏极，第四NMOS管的源极经过一个电容连接第二射频端和偏置电压端口；
第五NMOS管，其漏极连接第四NOMS管的源极，第五NMOS管的栅极连接第一控制电压端，第五NMOS管的源极连接偏置电压端口并接地。
第一电阻，其第一端接入偏置电压，第一电阻的第二端连接第三NMOS管的漏极；
第二电阻，其第一端接入第一控制电压，第二电阻的第二端连接第二NMOS管的栅极；
第三电阻，其第一端接入第二控制电压，第三电阻的第二端连接第三NOMS管的栅极；
第四电阻，其第一端接入所述偏置电压，第四电阻的第二端连接第三NMOS管的源极；
第五电阻，其第一端接入偏置电压，第五电阻的第二端连接第四NOMS管的源极和第五NMOS管的漏极；
第六电阻，其第一端接入所述第二控制电压，第六电阻的第二端连接第四NMOS管的栅极；
第七电阻，其第一端接入所述第一控制电压，第七电阻的第二端连接第五NOMS管的栅极；
第八电阻，其第一端接入所述偏置电压，第八电阻的第二端连接第五NOMS管的源极；
第九电阻，其第一端连接第二NMOS管的漏极和第四NOMS管的漏极，第五电阻的第二端接入偏置电压；
第二电容，其第一端连接所述第一选通射频端，第二电容的第二端连接第二NMOS管的源极；
第三电容，其第一端接地，第三电容的第二端连接第三NOMS管的源极和第四电阻的第二端；
第四电容，其第一端连接所述第一选通射频端，第四电容的第二端连接第四NMOS管的源极；
第五电容，其第一端接地，第五电容的第二端连接第五NMOS管的源极和第八电阻的第二端。
在一实施例中，请参阅图4，图4为传统单刀双掷开关电路及各端口电压，图中RFC-RF1通道导通，RFC-RF2通道关断。NM3和NM5作为并联支路，可以提高开关的隔离度。如果V1端口接2.5V，V2端口接0V，此时能实现单刀双掷射频开关的功能，但是线性度和隔离度很差。
要想实现更高的线性度和隔离度，关断的开关管的栅极必须接负电压，即V2端口必须接-2.5V电压。然而通信系统中大多数情况下是没有负电压的，需要用一个芯片将正电压转负电压，这就增加了系统的复杂度和功耗。
在一实施例中，请参阅图5，图5为本发明中开关电路的示意图，相较于传统开关，本发明设计不需要负电压。本发明的开关电路由第一NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5以及第六电容C6构成。电容C2的一端连接第一选通射频端RF1，另一端分别连接电阻R1的一端、NMOS管NM2的源级和NMOS管NM3的漏级。电阻R1的另一端接偏置电压VB。NMOS管NM3的栅级连接电阻R3的一端，源级分别连接电阻R4的一端和电容C3的一端。电阻R3的另一端连接控制端口V2，电阻R4的另一端连接偏置电压VB，电容C3的另一端接地。NMOS管NM2的栅极接电阻R2的一端，漏极分别接电阻R9的一端、电容C6的一端和NMOS管NM4的漏极。电阻R2的另一端连接控制端口V1，电阻R9的另一端连接偏置电压VB，电容C6的另一端连接射频公共端口RFC。NMOS管NM4的栅极连接电阻R6的一端，源级分别连接电阻R5的一端、电容C4的一端和NMOS管NM5的漏极。电阻R6的另一端连接控制端口V2，电阻R5的另一端连接偏置电压VB，电容C4的另一端连接射频端RF2。NMOS管NM5的栅极连接电阻R7的一端，源级分别连接电阻R8的一端和电容C5的一端。电阻R7的另一端连接控制端口V1，电阻R8的另一端连接偏置电压VB，电容C5的另一端接地。
相较于传统开关，本设计不需要负电压，以V1为5V，V2为0V为例，请参阅图6，图6所示为本设计中各器件端口的电压示意图,该控制端口的电压范围在0V～5V，可以看到控制端口电流很小。NM3和NM4的源和漏均为2.5V，栅极为0V，栅极相对于源漏就呈现-2.5V，达到接负电压的效果。从而在不需要负电压的情况下实现更高的线性度和隔离度。
请参阅图7，图7是本发明一实施例中不同工作频率下开关的隔离度曲线，图上显示出该低功耗射频开关在DC～8GHz频段内的隔离度很高。
综上所述，本发明一种低功耗射频开关，其中偏置电路分别接入第一控制电压和第二控制电压，根据所述控制电压产生偏置电压，控制开关电路中开关管的电压；开关电路，具有第一选通射频端、第二选通射频端和公共射频端，所述开关电路分别接入所述第一控制电压、所述第二控制电压和所述偏置电压，通过所述第一控制电压、所述第二控制电压和所述偏置电压，对所述第一选通射频端和所述第二选通射频端到所述公共射频端的导通路径进行通断控制。当接入第一控制电压的时候，第一选通射频端到公共射频端的路径导通；当接入第二控制电压的时候，第二选通选通射频端到公共射频端的路径导通，实现了射频信号通道选择功能。其中，所述控制电压均为非负电压，不需要使用负电源。本发明具有低功耗、高隔离度、高线性且不需要负电源的特点，降低无线通信设备的功耗和体积，可应用于多种无线通信系统中。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种低功耗射频开关，其特征在于，包括：
偏置电路，其输入端分别接入第一控制电压和第二控制电压，根据所述第一控制电压和第二控制电压产生偏置电压；
开关电路，具有第一选通射频端、第二选通射频端和公共射频端，所述开关电路分别接入所述第一控制电压、所述第二控制电压和所述偏置电压，通过所述第一控制电压、所述第二控制电压和所述偏置电压，对所述第一选通射频端和所述第二选通射频端分别到所述公共射频端的导通路径进行通断控制。
2.根据权利要求1所述的低功耗射频开关，其特征在于，所述偏置电路，包括：
第一二极管，其正极接入所述第一控制电压；
第二二极管，其正极接入所述第二控制电压，所述第二二极管的负极连接所述第一二极管的负极；
第一PMOS管，其源极分别连接所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极；
第一NMOS管，其栅极连接所述第一PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的漏极连接所述第二二极管的负极；
第三二极管，其正极连接所述第一PMOS管的漏极和所述第一NMOS管的栅极；
第二PMOS管，其源极连接所述第一PMOS管的栅极和所述第三二极管的负极；
第四二极管，其正极连接所述第二PMOS管的漏极，所述第四二极管的负极连接所述第二PMOS管的栅极并接地；
第三PMOS管，其源极连接所述第一NMOS管的源极，所述第三PMOS管的栅极和漏极接地，所述第三PMOS管的源极输出所述偏置电压。
3.根据权利要求2所述的低功耗射频开关，其特征在于，所述偏置电路还包括第一电容，其第一端连接所述第三PMOS管的源极，所述第一电容的第二端连接所述第三PMOS管的漏极。
4.根据权利要求2所述的低功耗射频开关，其特征在于，NMOS管的宽长比大于POMS管的宽长比。
5.根据权利要求1所述的低功耗射频开关，其特征在于，所述开关电路，包括：
第二NMOS管，其栅极接入所述第一控制电压，所述第二NMOS管的源极连接所述第一选通射频端；
第三NMOS管，其漏极连接所述第二NMOS管的源极，所述第三NMOS管的栅极接入第二控制电压，所述第三NMOS管的源极接地；
第四NMOS管，其栅极接入所述第二控制电压，所述第四NMOS管的漏极连接所述第二NMOS管的漏极，所述第四NMOS管的源极经过一个电容连接所述第二选通射频端并接入所述偏置电压；
第五NMOS管，其漏极连接所述第四NOMS管的源极，所述第五NMOS管的栅极连接所述第一控制电压端，所述第五NMOS管的源极连接所述偏置电压端口并接地；
第一电阻，其第一端接入所述偏置电压，所述第一电阻的第二端连接所述第三NMOS管的漏极；
第二电阻，其第一端接入所述第一控制电压，所述第二电阻的第二端连接所述第二NMOS管的栅极；
第三电阻，其第一端接入所述第二控制电压，所述第三电阻的第二端连接所述第三NOMS管的栅极；
第四电阻，其第一端接入所述偏置电压，所述第四电阻的第二端连接所述第三NMOS管的源极；
第五电阻，其第一端接入所述偏置电压，所述第五电阻的第二端连接所述第四NOMS管的源极和所述第五NMOS管的漏极；
第六电阻，其第一端接入所述第二控制电压，所述第六电阻的第二端连接所述第四NMOS管的栅极；
第七电阻，其第一端接入所述第一控制电压，所述第七电阻的第二端连接所述第五NOMS管的栅极；
第八电阻，其第一端接入所述偏置电压，所述第八电阻的第二端连接所述第五NOMS管的源极；
第九电阻，其第一端连接所述第二NMOS管的漏极和所述第四NOMS管的漏极，所述第五电阻的第二端接入所述偏置电压。
6.根据权利要求1所述的低功耗射频开关，其特征在于，所述开关电路接入所述第一控制电压，所述第一选通射频端到所述公共射频端的路径导通；所述开关电路接入所述第二控制电压，所述第二选通射频端到所述公共射频端的路径导通。
7.根据权利要求1所述的低功耗射频开关，其特征在于，所述控制电压为为非负电压。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117767934A (zh) * 2024-02-22 2024-03-26 苏州悉芯射频微电子有限公司 一种射频开关电路

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