CN1726571A - 利用并联的mems开关和固态开关的开关体系结构 - Google Patents

利用并联的mems开关和固态开关的开关体系结构 Download PDF

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Abstract

在转换方案中，将机械MEMS开关与固态开关并联。这种并联的MEMS开关/固态开关配置利用了固态开关的快速开关速度并且利用了MEMS开关的改善的插入损耗和隔离特性。固态开关仅需在与较慢的MEMS开关相关联的斜坡上升/下降周期期间受激励，所以可节省功率。另一优点是利用与MEMS开关并联的固态开关改善了转换操作时系统的瞬时频谱。

Description

利用并联的MEMS开关和固态开关的开关体系结构
发明领域
本发明的实施例涉及开关，更具体地说，涉及包括与固态开关并联组合的微机电系统开关的开关。
背景信息
有许多应用要求快速的开关速度。例如对于多模式多频带蜂窝电话应用，例如GSM(全球移动通信系统)，GPRS(通用分组无线电业务)以及3G(第三代无线)，天线转换器要将天线转换到不同的频带并在发射(TX)和接收(RX)模式之间转换。目前将固态开关用于此目的。虽然RF(射频)MEMS开关金属触点串联开关一般都具有好得多的插入损耗和隔离特性，但它们比固态开关慢得多。
参阅图1A和1B，图中分别示出MEMS直插式悬臂梁金属触点串联开关的侧视图和顶视图。这种类型的MEMS开关可以用已知的MEMS制造工艺制造。
如图所示，在衬底100上形成开关。可以在衬底100的一侧形成金属化的信号线102，并且可以在衬底100的第二侧形成第二信号线104。悬臂梁106可以固定在第二信号线104上。在第一信号线102的上方悬臂梁106的下侧形成凸块(电极)108。可以在悬臂梁106的下方，在衬底100上激励板110形成。通过在激励导线112上加电压使激励板激励，将悬臂梁106向下拉，导致凸块108与第一信号线102电接触。这接通了开关因而在第一信号线102和第二信号线104之间形成电信号通路。
对于TX/RX转换，通常需要几微秒的速度。MEMS开关为达到这个速度，开关结构(即悬臂梁106)最好是非常刚性的，使得机械谐振频率很高。这也就是说开关所需的激励电压较高(40-100V)才能克服此刚性。在这种情况下，就需要高电压驱动芯片。这种驱动芯片可以利用特殊的CMOS工艺制造以获得此激励电压。这些常常很昂贵，增加了开关模块的总成本。
附图简要说明
图1A和1B分别是MEMS开关的侧视图和顶视图；
图2是绘制激励电压和开关速度的关系曲线并示出MEMS开关的间隙大小的示意图；
图3是单刀双掷天线开关的方框图；
图4是将固态开关阵列用于TX模式而将单一固态开关用于RX模式的天线转换器的方框图；
图5是按照本发明一个实施例利用并联的固态开关和MEMS开关的天线转换器的方框图；
图6是显示在斜坡上升/下降期间以及在信号发射期间MEMS和固态开关序列的示意图；
图7是说明RX到TX转换序列的流程图；
图8是说明TX到RX转换序列的流程图。
详细说明
固态开关和MEMS开关在某些开关应用中都具有优点和缺点。具体地说，使用半导体组件且没有可动部分的高速固态开关速度很快但制造较昂贵。比起MEMS开关，它们工作所需的功率也较少。但固态开关往往比MEMS开关有较高的插入损耗。插入损耗是指在开关输入和开关输出之间信号所受到的功率损失。MEMS开关通常具有较小，也就是较好的插入损耗。但MEMS开关的制造成本较高且在高速应用时比固态开关要消耗更多的功率。
表1按照本发明的实施例对固态天线开关和MEMS RF(射频)开关的特性做了比较。
表1 MEMS开关和固态开关的比较
插入损耗(dB) 隔离(dB) 允许输入功率 速度(μs)
固态开关MEMS RF开关 ＞0.8＜0.3 ＜25＞35 2峰值2峰值 ＜0.15-25
如表所示，MEMS开关具有较好的插入损耗，但其代价是MEMS开关通常慢得多。事实上，MEMS开关可能太慢而不能应用于某些高速应用，例如天线转换应用等。此外，如图2所示，为了使MEMS开关更快，一般使它们更具刚性，于是需要更大的激励电压。在一些蜂窝电话中，最高的电压是大约15V，用于显示器。此外，许多CMOS工艺能够生产15-20V，但通常不能再高很多。对于实际的间隙大小(0.5-1μm)(指的是凸块108和接触信号线触点102之间的间隙)，15V激励电压的开关时间，即使不考虑开关的稳定时间，也比8μs大很多。
图3是用于单频带GSM蜂窝电话的单刀双掷天线转换器300的简单方框图。开关310只是在接收器314和发射器316之间转换天线312。但当使用MEMS开关时，每个单一开关可能不能传输用于GSM发射的足够的电流。
所以，如图4所示，串联开关阵列318用于发射(TX)，而单一开关320仍可以用于接收(RX)。而且，为了改善隔离，也可以使用分路开关322。为了改善隔离，当相应的分路开关318或320接通时，这些分路开关322或者将接收器314或者发射器316连接到地。
为了利用两种开关的所需特征，本发明的实施例提供一种利用并联的MEMS开关和固态开关的体系结构。按照实施例，通过固态开关获得较快的开关速度，通过MEMS串联开关获得较低的插入损耗，并通过MEMS分路开关获得高的隔离。
参阅图5，天线500通过多组并联连接的MEMS开关(M)和固态开关(S)连接到或者接收器502或者发射器504。如图所示，接收器502通过并联连接的固态开关S506和MEMS开关M508连接到天线500。同理，发射器通过固态开关S510和与固态开关S510并联连接的MEMS开关阵列M512连接到天线500。MEMS开关阵列M512包括多个MEMS开关(图中示出6个以示说明，即M514-M519)，以便容纳发射所需的较高电流。但在MEMS开关阵列中也可以使用较多或较少的开关，根据特定应用的发射电流而定。
为了改善接收器502的隔离特性，可以使用并联电路，所述并联电路包括最好是并联连接的MEMS开关M520和固态开关S522，以便在接收器502与天线500断开时将接收器502短路到地。同理，为了改善发射器504的隔离特性，也可以使用第二个并联电路，它包括并联连接的MEMS开关M524和固态开关S526，以便在发射器504与天线500断开时将发射器504短路到地。
本发明实施例最简单的形式可以包括连接到第一电气装置(在此例中为天线500)的第一触点507和连接到第二电气装置(在此例中或者是接收器502或者是发射器504)的第二触点509。将较快的开关例如固态开关S506连接在第一触点507和第二触点509之间。将较慢的开关例如机械(MEMS)开关M508以与所述固态开关S506并联的形式连接在第一触点507和第二触点509之间。这种并联的MEMS/固态开关配置利用了固态开关的快速转换时间并且利用了MEMS开关改善的插入损耗和隔离特性。作为另一个优点，利用与MEMS开关并联的固态开关改善了转换操作期间系统的瞬时频谱。
作为实例，参阅图6，对于GSM/GPRS(全球移动通信系统/通用分组无线电业务)应用，发射功率的斜坡上升和下降周期为28μs。所以，原则上只要MEMS开关能在斜坡周期接通或断开，利用MEMS开关就能满足要求。对于28μs的转换时间，MEMS开关的激励电压可以降到15V以下。15V以下的激励电压电源芯片可以用普通的CMOS工艺制造，因此生产成本比较经济。而且对于这种激励电压范围，可以利用蜂窝电话中已有的电压源，因为显示器一般使用15V左右的电压。
但是，即使MEMS开关能以可接受的速度在可接受的激励电压下进行转换，这些比较慢的MEMS开关仍会严重干扰斜坡(上升/下降)周期的瞬时频谱，这是不能接受的。这一缺点也要通过利用和MEMS开关并联的固态开关来解决，使得快速的固态开关能覆盖斜坡周期以避免瞬时频谱的问题。由于仅在斜坡周期需要固态开关，然后它们就被断开，低插入损耗的MEMS开关就覆盖了数据发射期间，用于固态开关的大约90％的功率就可节省下来。所以本发明的实施例也可降低功耗。
利用图5获得的图6显示当将接收器502或发射器504转接到天线500时在斜坡上升和下降期间固态转换和MEMS转换的曲线图。对于GSM或增强型GSM应用，分配28μs用作斜坡上升和斜坡下降。这样，只要MEMS转换动作在此斜坡周期内能够完成，所述开关配置就可适用。并联的转换较快的固态开关用来避免瞬时频谱问题。因MEMS开关的通断动作引起的干扰不会显著降低瞬时频谱的质量，并可通过斜坡DAC(数/模变换器)中预失真进行补补偿。所述预失真是用来对放大器的非线性进行补偿的一种技术。功率放大器(PA)通常在其输入和输出之间具有某种非线性转换功能。这种非线性应加以补偿(在一定程度上)以符合频谱发射的要求。所以，预失真可以认为是PA非线性的一种反演功能。
在此实例中，利用这种与固态开关并联的MEMS开关结构，对MEMS开关的速度要求可降低，仅需在28μs内达到稳定状态。如图所示，MEMS开关和固态开关二者同时接通(即关闭)。MEMS开关在连接到天线的整个持续时间内保持接通状态，负责进行信号发射。相反，固态开关仅在斜坡上升和斜坡下降期间被激励。换句话说，在整个开关周期，固态开关仅被激励28μs，而不是(2*28+542.8)μs，这将(固态开关的)总功耗降低了90％。在信号发射期间(542.8μs)，实现了MEMS开关的低插入损耗的优点。
图7是说明当天线在接收器和发射器之间转换时的转换序列的流程图。相反，图8是说明当天线在发射器和接收器之间转换时的转换序列的流程图。以有助于理解本发明实施例的方式，以依次进行的多个分立的方框的形式描述各种操作。但是不应该把描述它们的顺序理解为这些操作必需按此顺序进行，或操作必需以方框图所示的顺序进行。
参阅图7，当天线500在接收器502和发射器504之间转换时，在方框700，控制信号断开M508(S506已处于断开状态)，S522和M520接通。在接通状态时，M502在M508断开时对接收器502提供较好的隔离。在方框702，控制信号接通S510和MEMS阵列M512，而S526被断开(M524已处于断开状态)。在方框704，隔离开关S522断开以节省功率，而隔离开关M520保持接通。最后，在方框706，S510在斜坡周期后断开以节省功率，而MEMS阵列M512执行信号发射。
同理，图8示出当使天线在发射器504和接收器502之间转换时的转换序列。在方框800，控制信号断开MEMS阵列开关M512(S510已处于断开状态)，S526和M524接通，为发射器504提供改善的隔离。在方框802，控制信号接通S506和M508，将接收器502连接到天线500，隔离开关M520断开(隔离开关M520已处于断开状态)。在方框804，发射器隔离开关S526断开以节省功率，并且由M524提供隔离。最后，在方框806，在斜坡周期之后固态开关S506断开以节省功率，而由MEMS开关M508执行从天线500到接收器502的信号传输。
已对本发明的实施例做了具体的图示和/或说明。但是，应当指出，在不背离本发明的精神和范围情况下，对本发明的各种修改和变更被以上的论述所覆盖并且落在所附权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种开关电路，它包括：
连接到第一电气装置的第一触点；
连接到第二电气装置的第二触点；
连接在所述第一触点和所述第二触点之间的固态开关；
连接在所述第一触点和与所述固态开关并联的所述第二触点之间的机械开关。
2.如权利要求1所述的开关电路，其中所述机械开关包括：
连接在所述第一触点和所述第二触点之间的机械开关阵列。
3.如权利要求1所述的开关电路，其中还包括：
在所述第二触点和地之间的并联电路，所述并联电路包括：
固态开关；以及
与所述固态开关并联的机械开关。
4.如权利要求1所述的开关电路，其中所述机械开关是微机电系统(MEMs)开关。
5.一种用于通信装置的开关，它包括：
天线；
接收器；
发射器；
第一开关电路，它将所述天线连接到所述接收器，所述第一开关电路包括：
固态开关；以及
与所述固态开关并联的机械开关；
第二开关电路，它将所述天线连接到所述发射器，所述第二开关电路包括：
固态开关；以及
与所述固态开关并联的机械开关阵列。
6.如权利要求5所述的用于通信装置的开关，其中还包括：
接收器并联电路，它包括与机械开关并联的固态开关，用于在所述第一开关电路处于断开状态时将所述接收器短路到地。
7.如权利要求6所述的用于通信装置的开关，其中还包括：
发射器并联电路，它包括与机械开关并联的固态开关，用于在所述第二开关电路处于断开状态时将所述发射器短路到地。
8.如权利要求4所述的用于通信装置的开关，其中所述机械开关包括微机电系统(MEMs)开关。
9.一种转换方法，所述方法包括：
在两个电气装置之间设置第一开关；
设置与所述第一开关并联的第二开关，所述第二开关比所述第一开关更快，所述第一开关在接通时具有斜坡上升周期，断开时具有斜坡下降周期；
接通所述第一开关；
在所述斜坡上升周期期间接通所述第二开关，而在所述斜坡上升周期之后断开所述第二开关；
断开所述第一开关；
在所述斜坡下降周期期间接通所述第二开关，而在所述斜坡下降周期之后断开所述第二开关。
10.如权利要求9所述的方法，其中还包括：
设置第一隔离开关；
设置与所述第一隔离开关并联的第二隔离开关，所述第二隔离开关比所述第一隔离开关更快，所述第一隔离开关在接通时具有斜坡上升周期；
在所述第一开关和所述第二开关断开时接通所述第一隔离开关和所述第二隔离开关；以及
在所述第一隔离开关的所述斜坡上升周期之后断开所述第二隔离开关。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述第一开关包括微机电系统(MEMs)开关，而所述第二开关包括固态开关。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述第一隔离开关包括微机电系统(MEMs)开关，而所述第二隔离开关包括固态开关。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述第二开关包括第二开关阵列。
14.一种电路，它包括：
微机电系统(MEMs)开关；以及
并联连接到所述MEMs开关的固态开关。
15.如权利要求14所述的电路，其中所述电路将天线连接到发射器。
16.如权利要求14所述的电路，其中所述电路将天线连接到接收器。
17.如权利要求14所述的电路，其中所述电路将装置短路到地。
18.如权利要求15所述的电路，其中所述MEMs开关包括MEMs开关阵列。
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