CN117459045A - 调谐开关电路及射频芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通讯技术领域，本发明公开了一种调谐开关电路及射频芯片，调谐开关电路包括调谐开关单元和调谐器件单元，调谐开关单元包括第一电阻、第一晶体管、第二电阻和第二晶体管；第一电阻的第一端和第二电阻的第一端连接并共同作为调谐开关单元的输入端，第一电阻的第二端连接第一晶体管的栅极，第一晶体管的漏极连接调谐器件单元的输入端，第一晶体管的源极连接第二晶体管的漏极，第二电阻的第二端连接第二晶体管的栅极，第二晶体管的源极接地；第一电阻的阻值大于第二电阻的阻值；第一晶体管的栅宽大于第二晶体管的栅宽；第一晶体管的栅长大于第二晶体管的栅长。本发明的调谐开关电路能够以更小的面积实现更大的耐压值和更低的Fom值。
Description
技术领域
本发明涉及无线通讯技术领域，尤其是涉及一种调谐开关电路及射频芯片。
背景技术
随着集成电路和无线通信技术的快速发展，手机成为了人们生活中的必需品。进入5G时代后，由于用户对数据收发速度和稳定性的要求不断提升，导致智能手机运行所需的频段、功能和模式的数量不断增加。
对于上述需求，在无线通信领域一般使用CA (载波聚合)、MIMO（多输入多输出）和新的宽带 5G 频段来提供更高的数据速率，因此在手机中需要采用更多天线。与此同时，更多天线导致单个天线的空间缩小，最终导致天线效率降低。目前，为了克服因天线面积和效率降低所导致的问题，主流方法是使用天线调谐器件对天线进行调谐。而天线调谐开关是天线调谐器件中必不可缺的一部分。调谐开关（Tuner）由于常处于非50Ω系统中，电压驻波比（VSWR）可达5：1，因此对调谐开关耐压值有较高要求，往往达到48dBm（80V）。而绝缘体上硅（SOI）工艺下场效应管源漏击穿电压通常为3V左右，因此需要串联多个场效应管来满足使用需求。
在传统的开关设计中，一般使用场效应管串联堆叠结构来均分天线端电压摆幅从而提高开关承载功率的能力。在此结构中，有从晶体管M1到Mn共n个相同尺寸和类型的场效应管串联而成。但是在不增加额外分压电路的情况下，晶体管堆叠（Stack）之间电压差并非完全相等，从而导致了实际使用过程中耐压值比理论设计值偏小，在设计过程中需要更多串联Stack来满足实际使用需求。而额外增加的串联stack会导致整个调谐芯片的面积增大，导通阻抗（Ron）增大，插入损耗 (IL)恶化。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种调谐开关电路，通过在增大了栅长的同时为了导通电阻考虑，可以同步的增加靠近天线端场效应晶体管的栅宽；以解决现有的调谐芯片面积过大，导通阻抗增大，导致插入损耗恶化的问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种调谐开关电路，所述调谐开关电路包括调谐开关单元和调谐器件单元，所述调谐开关单元的输入端用于连接第一偏置电压，所述调谐开关单元的输出端连接所述调谐器件单元的输入端，所述调谐器件单元的输出端用于连接天线；
所述调谐开关单元包括第一电阻、第一晶体管、第二电阻和第二晶体管；所述第一电阻的第一端和所述第二电阻的第一端连接并共同作为所述调谐开关单元的输入端，所述第一电阻的第二端连接所述第一晶体管的栅极，所述第一晶体管的漏极连接所述调谐器件单元的输入端，所述第一晶体管的源极连接所述第二晶体管的漏极，所述第二电阻的第二端连接所述第二晶体管的栅极，所述第二晶体管的源极接地；所述第一晶体管的衬底和所述第二晶体管的衬底分别用于连接第二偏置电压，所述第二偏置电压用于分别控制所述第一晶体管和所述第二晶体管的阈值电压；
其中，所述第一电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值；所述第一晶体管的栅宽大于所述第二晶体管的栅宽；所述第一晶体管的栅长大于所述第二晶体管的栅长。
优选的，所述调谐开关单元包括n个电阻和n晶体管，第n电阻的第一端连接至所述第一电阻的第一端，所述第n电阻的第二端连接至第n晶体管的栅极，所述第n晶体管的漏极连接至第n-1晶体管的源极，所述第n晶体管的源极接地；所述第n晶体管的衬底用于连接所述第二偏置电压；其中，n≥3；
所述第n电阻的阻值小于第n-1电阻的阻值，所述第n晶体管的栅宽小于所述第n-1晶体管的栅宽，所述第n晶体管的栅长小于所述第n-1晶体管的栅长。
优选的，所述第一晶体管至所述第n晶体管采用非均匀堆叠晶体管的方式连接形成晶体管，最靠近所述天线的输入端的晶体管其栅长最大，所述晶体管的导通阻抗值如下公式：
其中，Ron为n个所述电阻连接后的导通电阻值，gm为所述晶体管的跨导，un为所述晶体管的载流子迁移率，Cox为所述晶体管单位面积的栅氧化层电容，Vgs为所述晶体管的栅源电压，Vth为所述晶体管的阈值电压，W为所述晶体管的栅宽，L为所述晶体管的栅长。
优选的，所述调谐器件单元为电容，所述电容的第一端作为所述调谐器件单元的输入端，所述电容的第二端作为所述调谐器件单元的输出端。
优选的，所述调谐器件单元为电感，所述电感的第一端作为所述调谐器件单元的输入端，所述电感的第二端作为所述调谐器件单元的输出端。
第二方面，本发明实施例提供一种射频芯片，所述射频芯片包括上述的调谐开关电路。
与现有技术相比，本发明中的调谐开关电路，通过将第一电阻的第一端和第二电阻的第一端连接并共同作为调谐开关单元的输入端，第一电阻的第二端连接第一晶体管的栅极，第一晶体管的漏极连接调谐器件单元的输入端，第一晶体管的源极连接第二晶体管的漏极，第二电阻的第二端连接第二晶体管的栅极，第二晶体管的源极接地；第一晶体管的衬底和第二晶体管的衬底分别用于连接第二偏置电压，第二偏置电压用于分别控制第一晶体管和第二晶体管的阈值电压；第一电阻的阻值大于第二电阻的阻值；第一晶体管的栅宽大于第二晶体管的栅宽；第一晶体管的栅长大于第二晶体管的栅长。这样在增大了栅长的同时为了导通电阻考虑，可以同步的增加靠近天线端场效应晶体管的栅宽，在靠近地的端口采用更小尺寸的场效应晶体管，在减小栅宽的同时为了面积考虑，可以同步的减小靠近地端场效应晶体管的栅宽；从而能以更小的面积实现更大的耐压值和更低的导通阻抗值的天线调谐开关。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明实施列提供的调谐开关电路的整体结构示意图。
图中，100、调谐开关电路，1、调谐开关单元，2、调谐器件单元，3、天线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1所示，本发明实施例提供了一种调谐开关电路100，所述调谐开关电路100包括调谐开关单元1和调谐器件单元2，所述调谐开关单元1的输入端用于连接第一偏置电压Vgate，所述调谐开关单元1的输出端连接所述调谐器件单元2的输入端，所述调谐器件单元2的输出端用于连接天线3。
所述调谐开关单元1包括第一电阻R1、第一晶体管M1、第二电阻R2和第二晶体管M2；所述第一电阻R1的第一端和所述第二电阻R2的第一端连接并共同作为所述调谐开关单元1的输入端，所述第一电阻R1的第二端连接所述第一晶体管M1的栅极，所述第一晶体管M1的漏极连接所述调谐器件单元2的输入端，所述第一晶体管M1的源极连接所述第二晶体管M2的漏极，所述第二电阻R2的第二端连接所述第二晶体管M2的栅极，所述第二晶体管M2的源极接地；所述第一晶体管M1的衬底Stack 1和所述第二晶体管M2的衬底Stack 2分别用于连接第二偏置电压Vbody，所述第二偏置电压Vbody用于分别控制所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2的阈值电压。
其中，所述第一电阻R1的阻值大于所述第二电阻R2的阻值；所述第一晶体管M1的栅宽大于所述第二晶体管M2的栅宽；所述第一晶体管M1的栅长大于所述第二晶体管M2的栅长。通过在增大了栅长的同时为了导通电阻考虑，可以同步的增加靠近天线3的场效应晶体管的栅宽，在靠近地的端口采用更小尺寸的场效应晶体管，在减小栅宽的同时为了面积考虑，可以同步的减小靠近地端场效应晶体管的栅宽；从而能以更小的面积实现更大的耐压值和更低的导通阻抗值的天线调谐开关。
其中，晶体管的栅极宽度是指晶体管中栅极的宽度，晶体管的栅长是指晶体管的栅极电极的长度，晶体管的栅宽和栅长为提供不同的晶体管的栅极，不同工艺提供选择。
本实施例中，所述调谐开关单元1包括n个电阻和n个晶体管，第n电阻Rn的第一端连接至所述第一电阻R1的第一端，所述第n电阻Rn的第二端连接至第n晶体管Mn的栅极，所述第n晶体管Mn的漏极连接至第n-1晶体管Mn-1的源极，所述第n晶体管Mn的源极接地；所述第n晶体管Mn的衬底Stack n用于连接所述第二偏置电压Vbody；其中，n≥3；
所述第n电阻Rn的阻值小于所述第n-1电阻Rn-1的阻值，所述第n晶体管Mn的栅宽小于所述第n-1晶体管Mn-1的栅宽，所述第n晶体管Mn的栅长小于所述第n-1晶体管Mn-1的栅长。
具体的，将第一晶体管M1的漏极连接调谐器件单元2，将第二晶体管M2的漏极连接第一晶体管M1的源极，以此类推，第n晶体管Mn的漏级连接到第n-1晶体管Mn-1的源极。其中，第一晶体管M1靠近天线3的输入端，当天线3进行谐振时，会形成驻波电压，而且谐振时，驻波电压最大值远大于输入信号的幅度。此时的第一晶体管M1的漏极由于接在调谐器件单元2上，则第一晶体管M1非常容易击穿。可以同步的减小靠近地端场效应晶体管的栅宽；从而能以更小的面积实现更大的耐压值和更低的导通阻抗值的天线调谐开关。
本实施例中，所述第一晶体管M1至所述第n晶体管Mn为采用非均匀堆叠晶体管的方式连接形成的晶体管，最靠近所述天线3的输入端的晶体管其栅长最大，所述晶体管的导通阻抗值如下公式：
其中，Ron为n所述电阻Rn连接后的导通电阻值，gm为所述晶体管的跨导，un为所述晶体管的载流子迁移率，Cox为所述晶体管单位面积的栅氧化层电容，Vgs为所述晶体管的栅源电压，Vth为所述晶体管的阈值电压，W为所述晶体管的栅宽，L为所述晶体管的栅长。
优选的，L1＞L2＞···＞Ln-1＞Ln； W1＞W2＞···＞Wn-1＞Wn；R1＞R2···＞Rn-1＞Rn，便于以更小的面积实现更大的耐压值和更低的Fom值（射频指标）的天线调谐开关设计。
本实施例中，所述调谐器件单元2为电容，所述电容的第一端作为所述调谐器件单元2的输入端，所述电容的第二端作为所述调谐器件单元2的输出端。将第一晶体管M1的漏极连接电容的第一端，将电容的第二端连接天线3的输入端。
本实施例中，所述调谐器件单元2为电感，所述电感的第一端作为所述调谐器件单元2的输入端，所述电感的第二端作为所述调谐器件单元2的输出端。将第一晶体管M1的漏极连接电感的第一端，将电感的第二端连接天线3的输入端。
其中，所述调谐器件单元2为电容或电感，优选的，调谐器件单元2为电容，电容的电荷储存效果好，电路电压稳定。
实施例二
本发明实施例提供一种射频芯片，所述射频芯片包括上述的调谐开关电路100。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种调谐开关电路，其特征在于，所述调谐开关电路包括调谐开关单元和调谐器件单元，所述调谐开关单元的输入端用于连接第一偏置电压，所述调谐开关单元的输出端连接所述调谐器件单元的输入端，所述调谐器件单元的输出端用于连接天线；
所述调谐开关单元包括第一电阻、第一晶体管、第二电阻和第二晶体管；所述第一电阻的第一端和所述第二电阻的第一端连接并共同作为所述调谐开关单元的输入端，所述第一电阻的第二端连接所述第一晶体管的栅极，所述第一晶体管的漏极连接所述调谐器件单元的输入端，所述第一晶体管的源极连接所述第二晶体管的漏极，所述第二电阻的第二端连接所述第二晶体管的栅极，所述第二晶体管的源极接地；所述第一晶体管的衬底和所述第二晶体管的衬底分别用于连接第二偏置电压，所述第二偏置电压用于分别控制所述第一晶体管和所述第二晶体管的阈值电压；
其中，所述第一电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值；所述第一晶体管的栅宽大于所述第二晶体管的栅宽；所述第一晶体管的栅长大于所述第二晶体管的栅长。
2.如权利要求1所述的调谐开关电路，其特征在于，所述调谐开关单元包括n个电阻和n晶体管，第n电阻的第一端连接至所述第一电阻的第一端，所述第n电阻的第二端连接至第n晶体管的栅极，所述第n晶体管的漏极连接至第n-1晶体管的源极，所述第n晶体管的源极接地；所述第n晶体管的衬底用于连接所述第二偏置电压；其中，n≥3；
所述第n电阻的阻值小于第n-1电阻的阻值，所述第n晶体管的栅宽小于所述第n-1晶体管的栅宽，所述第n晶体管的栅长小于所述第n-1晶体管的栅长。
3.如权利要求2所述的调谐开关电路，其特征在于，所述第一晶体管至所述第n晶体管采用非均匀堆叠晶体管的方式连接形成晶体管，最靠近所述天线的输入端的晶体管其栅长最大，所述晶体管的导通阻抗值如下公式：
其中，Ron为n个所述电阻连接后的导通电阻值，gm为所述晶体管的跨导，un为所述晶体管的载流子迁移率，Cox为所述晶体管单位面积的栅氧化层电容，Vgs为所述晶体管的栅源电压，Vth为所述晶体管的阈值电压，W为所述晶体管的栅宽，L为所述晶体管的栅长。
4.如权利要求1所述的调谐开关电路，其特征在于，所述调谐器件单元为电容，所述电容的第一端作为所述调谐器件单元的输入端，所述电容的第二端作为所述调谐器件单元的输出端。
5.如权利要求1所述的调谐开关电路，其特征在于，所述调谐器件单元为电感，所述电感的第一端作为所述调谐器件单元的输入端，所述电感的第二端作为所述调谐器件单元的输出端。
6.一种射频芯片，其特征在于，所述射频芯片包括如权利要求1-5任一项所述的调谐开关电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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