CN1792034A - 用于高频开关的升压电路 - Google Patents

Abstract

一种偏压电路，包括：整流器，具有输入、输出以及DC控制电压输入，其中该整流器被配置来在该整流器输入处提供高很多的输入阻抗的同时产生整流器输出，即来自施加到整流器输入处的交流输入信号的经整流的电压；以及偏压抽取器，具有抽取器输入、控制电压输入以及抽取器输出，该偏压抽取器耦合至整流器输出，并且被配置来在抽取器输出处产生幅度大于DC控制电压输入的DC电压。

Description

用于高频开关的升压电路

相关申请

本申请与2003年5月16日提交的美国临时申请序列号60/471109有关，并要求其优先权。

技术领域

本发明涉及一种使用射频(RF)输入信号来提升DC电压的电路，其中该升压电路不会对RF信号路径造成较大的负载(衰减)。

背景技术

图1为传统的单刀四掷(SP4T)大功率场效应晶体管(FET)RF开关100的电路图。RF开关100包含如图所示连接的电阻器110-113、120-123、130-133、140-143和150-154、电容器160-164、RF源171-174、以及n通道场效应晶体管114-116、124-126、134-136和144-146。电阻器110-113与晶体管114-116形成第一开关元件191；电阻器120-123与晶体管124-126形成第二开关元件192；电阻器130-133与晶体管134-136形成第三开关元件193；而电阻器140-143与晶体管144-146形成第四开关元件194。

在正常操作期间，开关元件191-194中的一个(或者一个也没有)被使能。为了使能开关元件191-194中的一个，激活对应的DC控制电压V_C1-V_C4，从而导通相关联的开关晶体管组114-116、124-126、134-125或者144-146。例如，可以通过激活DC控制电压V_C1而使能开关元件191。激活的控制电压V_C1导通晶体管114-116(通过电阻器110-113)，由此允许来自RF源171的RF信号通过输入电阻器151、输入电容器161、晶体管114-116以及输出电容器160的路线而发送到负载电阻器150。输入电阻器151以及负载电阻器150一般匹配。例如，输入电阻器151与负载电阻器150的每个都可以具有50ohm的电阻。在该例子中，DC控制电压V_C2-V_C4被去活，从而开关元件191-194被禁止。

激活的控制电压(例如V_C1)一般由系统电压源提供(或者从其导出)。例如，激活的控制电压V_C1可以具有大约2.5伏特的标称值。当控制电压V_C1被激活时，小DC控制电流I_C1流经电阻器110(至电阻器111-113)。

人们希望RF开关100以线性方式工作，具有低控制电流(例如I_C1)。然而，半导体开关，例如RF开关100，固有地就是非线性的。作为半导体RF开关100的非线性特性的结果，会生成向RF输出信号添加失真的输出谐波。随着控制电压(例如V_C1)下降，这些输出谐波会显著增加。例如，如果控制电压V_C1下降到低于2.5伏特，则谐波会显著增加。

因此，人们希望具有一种能够响应于低控制电压以高度线性的方式工作的RF开关。人们还希望这样的RF开关不要在半导体芯片上占据太大的布置面积。人们还希望这样的RF开关不要向RF信号路径添加显著的非线性。人们还希望这样的RF开关不要显著增加所需的DC控制电流。人们还希望这样的RF开关不要显现出比RF开关100高得多的介入损失。

发明内容

相应地，本发明提供了一种DC电压提升电路，其响应于RF输入信号而提供经提升的DC输出电压。根据该DC电压提升电路的配置，所提升的DC输出电压可以是负或正电压。该DC电压提升电路包括：耦合用来接收RF输入信号的电容器、耦合至该电容器的高阻抗整流器电路、以及耦合至该高阻抗整流器电路的偏压抽取器电路(其提供经提升的DC输出电压)。

有利地是，该高阻抗整流器电路防止从RF输入信号源抽取高电流。作为结果，该DC电压提升电路只向RF输入信号添加最小的介入损失。

在一种实施方式中，DC控制电压被施加到整流器电路，由此该DC电压提升电路有效地提升了DC控制电压，从而建立经提升的DC输出电压。在一种实施方式中，经提升的DC输出电压等于DC控制电压加上大约2伏特。

经提升的DC输出电压可以(例如)用来控制RF开关元件。在该实施方式中，RF输入信号通过RF开关元件而发送。相对较高的经提升的DC输出电压用来导通RF开关元件，由此最小化从RF开关元件发送的DC输出信号中的输出谐波。

通过以下描述与附图，可以更全面地理解本发明。

附图说明

图1为传统SP4T大功率FET RF开关的电路图。

图2为根据本发明一种实施方式的包含四个升压电路的SP4T大功率FETRF开关的电路图。

图3为图示根据本发明一种实施方式的图2的RF开关的一部分的方框图。

图4为根据本发明一种实施方式的DC升压电路的电路图。

图5为图示施加到没有DC升压电路的RF开关中的晶体管的栅极的DC电压(V_G)以及施加到具有DC升压电路的RF开关中的晶体管的栅极的DC电压(V_G)相对于DC控制电压V_C1的图。

图6为图示从没有升压电路的RF开关以及具有升压电路的RF开关中的DC电压源抽取的DC控制电流(I_C1)相对于DC控制电压V_C1的图。

图7为图示没有升压电路的RF开关以及具有升压电路的RF开关的二次与三次输出谐波相对于控制电压V_C1的图。

图8为相对于RF输入信号R_FIN1的频率而比较没有升压电路的RF开关以及具有升压电路的RF开关的介入损失的图。

图9为图示根据本发明一种实施方式的图4的DC升压电路的布置图。

图10-22为图示根据本发明不同实施方式的图4的DC升压电路的变形的电路图。

具体实施方式

图2为包含根据本发明一种实施方式的升压电路201-204的单刀四掷(SP4T)大功率FETRF开关200的电路图。虽然本实施方式包括结合SP4T开关使用的升压电路，但是本领域普通技术人员应该知道如何在其他开关配置中使用本发明的升压电路。因为RF开关200类似于RF开关100(图1)，所以图1与2中类似的元件标有类似的标号。除电阻器110-113、120-123、130-133、140-143和150-154、n通道场效应晶体管114-116、124-126、134-136、和144-146、电容器160-164、RF源171-174之外，RF开关200还包含DC升压电路201-204。因为DC升压电路201-204改变了开关元件191-194的操作，所以在图2中这些开关元件被重新标为开关元件211-214。

每个DC升压电路201-204被配置来分别接收对应的DC控制电压V_C1-V_C4、以及分别接收对应的RF输入信号RF_IN1-RF_IN4。作为响应，每个DC升压电路201-204分别提供经提升的DC输出电压DC_OUT1-DC_OUT4。这些经提升的DC输出电压DC_OUT1-DC_OUT4分别被提供给开关晶体管114-116、124-126、134-136以及144-146的栅极。虽然在所述实施方式中每个开关元件211-214中存在三个开关晶体管(和三个关联的电阻器)，但是应该理解在其他实施方式中可以使用其他数目的开关晶体管(及关联的电阻器)。另外，虽然在所述实施方式中经提升的DC输出电压DC_OUT1-DC_OUT4分别用来驱动开关元件211-214，但是应该理解这样的DC升压电路201-204也可以用来在其他应用中生成用于其他目的的DC输出电压DC_OUT1-DC_OUT4。

在任意给定时间，最多激活一个开关元件211-214。因此，将相对于开关元件211及相关DC升压电路201更详细地描述本实施方式。但是，应该理解开关元件212-214及相关DC升压电路202-204以相同方式工作。

图3为图示电阻器150-151、RF源171、DC升压电路201以及开关元件211的方框图。为了清楚起见，在图3中未显示电容器160-161。DC升压电路201以旁路配置的方式与包含RF输入信号源171与电阻器150-151的射频信号路径耦合。如下更详细所述，DC升压电路201可以用来将与现有DC电压源(其提供DC控制电压V_C1)相关的电压提升到更高(或更低)的值，而不会显著增加由DC电压源提供的电流(I_C1)。

图4为根据本发明一种实施方式的DC升压电路201的电路图。DC升压电路201包括如图所示连接的电容器401-402、二极管元件411-412以及电阻器421-423。二极管元件411-412以及电阻器421-422被配置来形成整流器电路431。电容器402与电阻器423被配置来形成偏压抽取器电路431。一般地，响应于正DC输入电压V_C1，DC升压电路201如下操作。RF_IN1信号在负电压与正电压之间振荡。当RF_IN1信号具有足够低/负的电压时，二极管元件411导通，并且电容器401沿虚线450所示的方向充电。此时，二极管元件412关断，并且由电容器402提供DC_OUT1电压，如虚线451所示。

当RF_IN1信号具有足够高/正的电压时，二极管元件412导通，并且电容器401沿虚线452所示的方向放电，以提供DC_OUT1电压。此时，二极管元件411关断，并且电容器402沿虚线453所示的方向充电。

如上所述，二极管元件411与412作为整流器电路工作。电阻器421与422对RF源171呈现高阻抗(即提供整流器电路的高输入阻抗)。作为结果，电阻器421与422有利地防止DC升压电路201从RF源171抽取大电流。电容器402(与电阻器423)作为偏压抽取器工作，其响应于经整流器电路泵出的电荷而将经提升的DC输出电压DC_OUT1提供给开关元件191。有利的是，DC升压电路201在DC_OUT1输出端提供高AC阻抗。

如下更详细所述，升压电路201用来克服低DC控制电压(例如V_C1)对大功率FET RF开关谐波性能的有害作用。为了达到这一点，升压电路201利用部分RF输入信号(例如RF_IN1)来增加有效开关控制电压(例如开关晶体管114-116的栅极上的电压)。

通过以上方式，DC升压电路201响应于RF_IN1信号与V_C1控制电压而提供DC_OUT1电压。在特定实施方式中，电容器401具有0.4皮法拉(pF)的电容，并且电容器402具有0.8pF的电容。在该实施方式中，每个二极管元件411与412由具有共同耦合的源极与漏极区域的n通道场效应晶体管构成。每个晶体管的通道区域具有大约10微米的宽度。晶体管的栅极形成了二极管元件的阳极，而共同耦合的源极与漏极区域形成了二极管元件的阴极。虽然在所述实施方式中每个二极管元件411与412由单个二极管构成，但是应该理解在其他实施方式中每个二极管元件411与412可以由多个二极管构成。这些二极管(例如)可以串联连接。每个电阻器421与422具有大约15千欧姆(kΩ)的电阻，并且电阻器423具有大约10kΩ的电阻。在该实施方式中，升压电路201可以容易地从1-2瓦RF输入信号RF_IN1生成5-6伏特的DC升压(正或负)。

图5为图示施加到RF开关100(没有DC升压电路)中的晶体管114-116栅极的DC电压(V_G)以及施加到RF开关200(具有DC升压电路201)中的晶体管114-116的栅极的DC电压(V_G)相对于DC控制电压V_C1的图500。该图500假定RF输入信号RF_IN1具有1GHz的频率与34dBm的输入功率。RF开关100的DC栅极电压V_G被图示为线条501，而RF开关200的DC栅极电压V_G被图示为线条502。对于RF开关100，施加到晶体管114-116的栅极的DC栅极电压V_G总是略小于控制电压V_C1。然而，对于RF开关200，施加到晶体管114-116的栅极的DC栅极电压V_G比控制电压V_C1高大约2伏特。如下更详细所述，该高栅极电压V_G通过最小化谐波而有利地提高了RF开关200的线性。

图6为图示从RF开关100以及RF开关200中的DC电压源抽取的DC控制电流(I_C1)相对于DC控制电压V_C1的图600。与图500相同，图600也假定RF_IN1信号具有1GHz的频率与34dBm的输入功率。从RF开关100中的DC电压源抽取的DC控制电流I_C1被图示为线条601，而从RF开关200中的DC电压源抽取的DC控制电流I_C1被图示为线条602。在大于大约2.5伏特的电压上，从RF开关200中的DC电压源抽取的DC控制电流I_C1仅略大于从RF开关100中的DC电压源抽取的DC控制电流I_C1。更具体地，对于大于2.5伏特的控制电压V_C1，从RF开关200中的DC电压源抽取的DC控制电流I_C1只比从RF开关100中的DC电压源抽取的DC控制电流I_C1大大约5到6微安(μA)。有利的是，DC升压电路201不需要来自DC电压源的过量的附加电流。

图7为图示相对于控制电压V_C1的、RF开关100以及RF开关200的二次与三次输出谐波的图700。与图500与600相同，图700也假定RF_IN1信号具有1GHz的频率与34dBm的输入功率。RF开关100的二次与三次输出谐波分别被图示为线条701-702。RF开关200的二次与三次输出谐波分别被图示为线条711-712。以从载波信号向下的分贝或者dBC测量输出谐波。较高的dBC值表示较小的谐波，并且因此表示RF开关内的更线性的转移函数。对于小于大约2.5伏特的控制电压V_C1，RF电路100的三次谐波显著小于RF电路200的三次谐波。类似地，对于小于大约2伏特的控制电压V_C1，RF电路100的二次谐波显著小于RF电路200的二次谐波。由此，对于小于大约2.5伏特的控制电压V_C1，RF开关200有利地以比RF开关100线性更显著的方式工作。

图8为相对于RF输入信号RF_IN1的频率而比较RF开关100的介入损失以及RF开关200的介入损失的图。一般地，介入损失为输出功率相对于输入功率的量度。RF开关100的介入损失被图示为线条801，而RF开关200的介入损失被图示为线条802。如图所示，与添加DC升压电路201相关地，只有非常小的介入损失。例如，在1千兆赫兹(GHz)频率上，DC升压电路201只增加了大约0.05dB的介入损失(或者大约8％的介入损失)。一般地，升压电路201只提供大约0.04-0.05dB的RF信号路径衰减。

图9为图示根据本发明一种实施方式的DC升压电路201的布置图。该布置图图示了二极管元件411-412，其为二极管连接的FET(如上所述)；电阻器421-423，其可以是外延型、体效应、高电阻系数金属(例如镍铬铁合金、硅化钨、氮化钨)或者多晶硅轨迹(trace)；以及电容器401-402，其由半导体基底、在该半导体基底上形成的第一金属层、在第一金属层上形成的介电层、以及在该介电层上形成的第二金属层(例如金)形成。有利的是，可以使用标准半导体制造工艺在相对较小的面积上实现DC升压电路201。例如，利用传统的0.5微米砷化镓假晶高电子迁移率晶体管(pseudomorphic highelectron mobility transistor，PHEMT)工艺，DC升压电路201可以具有大约70×110微米²的面积。因此，DC升压电路201对于低成本应用是理想的。其他可接受的制造DC升压电路201的工艺包括CMOS工艺、硅绝缘体(silicon-on-insulator，SOI)工艺、或者任何离子注入MESFET工艺。

根据本发明的其他实施方式，可以修改DC升压电路201。图10-22为图示根据本发明各种实施方式的DC升压电路201的变形的电路图。因为图10-22的DC升压电路类似于DC升压电路201(图4)，所以图4与10-22中类似的元件标有类似的标号。

图10为根据本发明一种实施方式的DC升压电路1001的电路图。DC升压电路1001类似于DC升压电路201。然而，耦合电容器402以接收地电压，而非V_C1电压。电容器402至地电压的连接使该配置稍微复杂一些。该配置导致了整流器电路1031与偏压抽取器1032。

图11为根据本发明另一种实施方式的DC升压电路1101的电路图。DC升压电路1101类似于DC升压电路1001。然而，将电容器402耦合至DC升压电路的输出端，而非地电压。该配置导致了偏压抽取器1132。

图12为根据本发明另一种实施方式的DC升压电路1201的电路图。DC升压电路1201类似于DC升压电路1001。然而，从DC升压电路1201中去除了电容器402。在该实施方式中，负载的电容(例如晶体管114-116的栅极电容)用来替换电容器402。该配置导致了偏压抽取器电路1232。

图13为根据本发明另一种实施方式的DC升压电路1301的电路图。DC升压电路1301类似于DC升压电路201。然而，耦合二极管元件441的阳极以接收地电压，而非V_C1电压。二极管元件411至地电压的连接使该配置稍微复杂一些。该配置导致了整流器电路1331与偏压抽取器1332。

图14为根据本发明另一种实施方式的耦合至开关元件211的DC升压电路1401的电路图。DC升压电路1401类似于DC升压电路1301。然而，耦合电容器402以接收地电压，而非V_C1电压。由此，DC升压电路1401实现了整流器电路1331与偏压抽取器1032。有利地是，DC升压电路1401不需要DC控制电压V_C1。如图所示，通过将电阻器111耦合至地，还从开关元件211中去除了DC控制电压V_C1。作为结果，与提供此类控制电压相关的控制线可以被有利地从相关印刷电路板或模块中去除。在以相对恒定的功率工作的开关(例如那些用于无线局域网(LAN)发射器的开关)中，DC升压电路1401尤其有用。

图15为根据本发明另一种实施方式的DC升压电路1501的电路图。DC升压电路1501类似于DC升压电路1401。然而，从DC升压电路1501中去除了电容器402。在该实施方式中，负载的电容(例如晶体管114-116的栅极电容)用来替换电容器402。有利的是，DC升压电路1501不需要DC控制电压V_C1。

图16为根据本发明一种实施方式的DC升压电路1601的电路图。DC升压电路1601类似于DC升压电路201。然而，二极管元件411与412的连接被翻转，由此提供了二极管元件1611与1612。

当RF_IN1信号具有足够低/负的电压时，二极管元件1611导通，并且电容器401沿虚线1650所示的方向充电。此时，二极管元件1611关断，并且由电容器402提供DC_OUT1电压。

当RF_IN1信号具有足够高/正的电压时，二极管元件1611导通，并且电容器401沿虚线1651所示的方向放电至V_C1电源接线端。此时，二极管元件1612关断。该配置确保“经提升”的输出电压DC_OUT1小于DC控制电压V_C1。由此，如果DC控制电压V_C1为负电压，则DC_OUT1将为更负的电压(或者“经提升”的负电压)。由此，可以将DC升压电路1601称为负DC升压电路。

图17为根据本发明一种实施方式的DC升压电路1701的电路图。DC升压电路1701类似于DC升压电路1601。然而，耦合电容器402以接收地电压，而非V_C1电压。电容器402至地电压的连接使该配置稍微复杂一些。该配置导致了整流器电路1731与偏压抽取器1732。

图18为根据本发明另一种实施方式的DC升压电路1801的电路图。DC升压电路1801类似于DC升压电路1701。然而，将电容器402耦合至DC升压电路的输出端，而非地电压。该配置导致了偏压抽取器电路1832。

图19为根据本发明另一种实施方式的DC升压电路1901的电路图。DC升压电路1901类似于DC升压电路1601。然而，从DC升压电路1901中去除电容器402。在该实施方式中，负载的电容(例如晶体管114-116的栅极电容)用来替换电容器402。该配置导致了偏压抽取器电路1932。

图20为根据本发明另一种实施方式的DC升压电路2001的电路图。DC升压电路2001类似于DC升压电路1601。然而，耦合二极管元件1611的阳极以接收地电压，而非V_C1电压。二极管元件1611至地电压的连接使该配置稍微复杂一些。该配置导致了整流器电路2031与偏压抽取器2032。

图21为根据本发明另一种实施方式的DC升压电路2101的电路图。DC升压电路2101类似于DC升压电路2001。然而，耦合电容器402以接收地电压，而非V_C1电压。由此，DC升压电路2101实现了整流器电路2031与偏压抽取器1732。有利地是，DC升压电路1401不需要DC控制电压V_C1。DC升压电路2001可以以与DC升压电路1401(图14)相同的方式耦合至开关元件211。

图22为根据本发明另一种实施方式的DC升压电路2201的电路图。DC升压电路2201类似于DC升压电路2101。然而，从DC升压电路2201中去除电容器402。在该实施方式中，负载的电容(例如晶体管114-116的栅极电容)用来替换电容器402。有利的是，DC升压电路2201不需要DC控制电压V_C1。

本发明包括偏压电路，该偏压电路包括：整流器，具有整流器输入、DC控制电压输入以及整流器输出，其中该整流器被配置来在该整流器输入处提供高很多的输入阻抗的同时产生整流器输出，即来自在整流器输入处施加的交流输入信号的经整流的电压；以及偏压抽取器，具有抽取器输入、控制电压输入以及抽取器输出，该偏压抽取器耦合至整流器输出，并且被配置来在抽取器输出处产生幅度大于DC控制电压输入的DC电压。

虽然结合几种实施方式描述了本发明，但是应该理解：本发明不限于所公开的实施方式，而可能有各种修改，这些修改对于本领域普通技术人员是明显的。

Claims (20)

1.一种开关系统，包括：

射频开关元件，被配置来接收射频(RF)输入信号；

第一电压电源接线端，被配置来接收第一DC电源电压；

升压电路，被配置来接收RF输入信号以及第一DC电源电压，并且作为响应，提供偏压以控制开关元件。

2.如权利要求1所述的开关系统，其中该升压电路包括：

第一电容器，其第一端被耦合以接收RF输入信号；以及

整流器电路，被耦合至所述电容器的第二端以及第一电压电源接线端，其中该整流器电路被配置来响应于RF输入信号与第一DC电源电压而提供偏压。

3.如权利要求2所述的开关系统，其中该整流器电路包括在第一电压电源接线端与第一电容器的第二端之间串联耦合的第一二极管与第一电阻器。

4.如权利要求3所述的开关系统，其中该整流器电路进一步包括在第一电容器的第二端与开关元件之间串联耦合的第二二极管与第二电阻器。

5.如权利要求4所述的开关系统，进一步包括在第一电压电源接线端与开关元件之间耦合的第二电容器。

6.如权利要求5所述的开关系统，其中该第二电容器以及串联连接的第二二极管与第二电阻器在第一节点处耦合，并且进一步包括在第一节点与开关元件之间耦合的第三电阻器。

7.如权利要求4所述的开关系统，进一步包括在第二电压电源接线端与开关元件之间耦合的第二电容器。

8.如权利要求7所述的开关系统，其中第二电容器以及串联连接的第二二极管与第二电阻器在第一节点处耦合，并且进一步包括在第一节点与开关元件之间耦合的第三电阻器。

9.如权利要求4所述的开关系统，进一步包括在第二二极管与开关元件之间并联耦合的第二电容器与第三电阻器。

10.如权利要求4所述的开关系统，进一步包括与第二电阻器及第二二极管串联耦合的第三电阻器。

11.如权利要求3所述的开关系统，其中第一二极管元件的阴极耦合至第一电容器的第二端。

12.如权利要求3所述的开关系统，其中第一二极管元件的阳极耦合至第一电容器的第二端。

13.如权利要求4所述的开关系统，其中第一二极管元件的阴极与第二二极管元件的阳极耦合至第一电容器的第二端。

14.如权利要求3所述的开关系统，其中第一二极管元件的阳极与第二二极管元件的阴极耦合至第一电容器的第二端。

15.如权利要求1所述的开关系统，其中第一电源电压为地电压。

16.一种控制射频(RF)开关的方法，包含：

将RF输入信号施加到RF开关与升压电路；

将第一DC电源电压施加到该升压电路；

响应于第一DC电源电压与RF输入信号而生成偏压；以及

用该偏压控制开关元件。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述生成偏压的步骤包括：响应于第一DC电源电压与RF输入信号，而对第一电容器充电与放电。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述生成偏压的步骤进一步包括：响应于第一DC电源电压与RF输入信号，而对第二电容器充电与放电。

19.如权利要求17所述的方法，其中所述生成偏压的步骤进一步包括：响应于第二DC电源电压与RF输入信号，而对第二电容器充电与放电。

20.如权利要求17所述的方法，其中该偏压大于第一DC电源电压。

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