CN212210967U - 一种开关的快速充放电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种开关的快速充放电电路，包括快速充放电模块、接收端开关和发射端开关，发射端开关连接发射端，接收端开关连接接收端，发射端开关和接收端开关共同输出至天线端，发射端开关的控制信号包括互为反向的信号cr_p与信号cr_n，接收端开关的控制信号包括信号cr_n和vg1，信号vg1与快速充放电模块相连。本实用新型的技术通过开关管控制端电压的反馈，实现在确保器件安全的条件下，对快速充放电通路进行高压控制，使得其随着控制电压上升，仍然能够保持原有的充电速度。

Description

一种开关的快速充放电电路

技术领域

本实用新型涉及集成电路设计与制造技术领域，尤其涉及一种开关的快速充放电电路。

背景技术

随着通讯系统迅速发展，芯片设计电路中对于开关的切换速度的要求越来越高。芯片中开关一般包括发射端、接收端和天线端，发射端和接收端一般采用开关管，发射端受芯片内部的控制信号控制，接收端受外部信号或者芯片内部射频信号控制。开关的切换速度受限于开关管控制端的充放电时间。传统的开关设计中，充放电时间受限于控制端的大电阻以及开关管的尺寸，而电阻的大小以及开关管尺寸显著影响开关的插损、隔离度、压缩点等关键性能。

实用新型内容

为解决现有的技术问题，本实用新型提供了一种开关的快速充放电电路，实现了在保证开关原有性能的基础上对开关管控制端的快速充放电，从而使得开关的切换速度不再受限于控制端的电阻以及开关管的尺寸，极大的降低了设计难度，开关的切换速度大大提高。

本实用新型的具体内容如下：包括快速充放电模块、接收端开关和发射端开关，发射端开关连接发射端，接收端开关连接接收端，发射端开关和接收端开关共同输出至天线端，发射端开关的控制信号包括互为反向的信号cr_p与信号cr_n，接收端开关的控制信号包括信号cr_n和vg1，信号vg1与快速充放电模块相连；快速充放电模块包括快速充电控制模块104、第一堆叠MOS管和并联电阻；

第一堆叠MOS管包括若干个串联的MOS管，接收端开关的控制信号vg1分别进入第一堆叠MOS管的源端和快速充电控制模块104，第一堆叠MOS管的漏端和源端之间设有并联电阻，快速充电控制模块104的输出电压信号ctr进入第一堆叠MOS管的栅极，cr_p信号还输入到第一堆叠MOS管的漏端。

进一步的，所述接收端开关包括第二堆叠MOS管和第三堆叠MOS管，

第二堆叠MOS管包括若干个串联的MOS管，第二堆叠MOS管的漏极与发射端开关相连，第三堆叠MOS管的漏极连接到第二堆叠MOS管的源极，第二堆叠MOS管中MOS管的栅极由电阻串联至信号vg1；

第三堆叠MOS管包括若干组互相并联的MOS管组，每组MOS管组中均包括两个串联的MOS管，每组MOS管组的漏极连接第二堆叠MOS管，源极接地，第三堆叠MOS管的栅极通过电阻串联至控制信号cr_n。

进一步的，所述发射端开关包括第四堆叠MOS管和第五堆叠MOS管；

第四堆叠MOS管包括若干个互相串联的MOS管，第五堆叠MOS管的漏端连接到第四堆叠MOS管的源端，第四堆叠MOS管中的MOS管的栅极由电阻串联至控制信号cr_n；

第五堆叠MOS管包括若干组互相并联的MOS管组，每组MOS管组包括若干个串联的MOS管，第五堆叠MOS管中MOS管的栅极通过电阻串联至控制信号cr_p。

进一步的，控制信号cr_p通过延时链路产生延时控制信号cr_d_p以及延时反向控制信号cr_d_n，信号cr_d_p和信号cr_d_n均与第五堆叠MOS管相连。

进一步的，延时链路包括若干个级联的反相器，控制信号cr_p经过偶数个反相器之后得到延时控制信号cr_d_p，再经过奇数个反相器之后得到延时反向控制信号cr_d_n。

进一步的，所述快速充电控制模块104包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、反相器I1和电容C，

快速充电控制模块104的电源电压VCC依次连接电阻R1、电阻R2、电阻R3之后接地，电阻R1和电阻R2之间输出电压信号ctr，电压信号ctr连接到第一堆叠MOS管，MOS管M1漏端接电压信号ctr，源端接控制信号cr_p，栅极接信号cr_d_n；

信号vg1通过电阻R4以及反相器I1连接至MOS管M3的栅极；

MOS管M2和MOS管M3分别与电阻R3并联；

MOS管M2的栅极接信号cr_d_p。

进一步的，电阻R1、电阻R2、电阻R3满足VCC*R2/(R1+R2)与MOS管的导通高电平电压相同，VCC*(R2+R3)/(R1+R2+R3)与MOS管的导通高电平电压和阈值电压之和相同。

进一步的，延时链路包括若干个电容电阻RC延迟电路，电容电阻RC延迟电路设置在反相器之间。

本实用新型的技术通过对开关管控制端大电阻建立并联的快速充放电通路的方法，实现快速充放电的效果，同时在充放电完成后，快速充放电通路保持高阻状态，避免了对开关性能的负面影响。本实用新型的技术通过开关管控制端电压的反馈，实现在确保器件安全的条件下，对快速充放电通路进行高压控制，使得其随着控制电压上升，仍然能够保持原有的充电速度。本实用新型的技术通过堆叠MOS管作为快速充放电通路，其堆叠的特性使得其能够在信号幅度较大时仍然保持高阻，避免了对开关压缩点、插损等性能的影响。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步阐明。

图1为本实用新型的开关的快速充放电电路的原理示意图；

图2为本实用新型的开关结构示意图；

图3为本实用新型的快速充放电模块示意图；

图4为本实用新型的延时链路的示意图；

图5为本实用新型的瞬态波形图。

具体实施方式

结合图1-图5，本实施例公开了一种开关的快速充放电电路，包括快速充放电模块102、接收端开关100和发射端开关101，发射端开关101连接发射端，接收端开关100连接接收端，发射端开关101和接收端开关100共同输出至天线端，快速充放电模块102包括快速充电控制模块104、第一堆叠MOS管105和并联电阻103；

接收端开关100的控制信号vg1分别进入第一堆叠MOS管105的源端和快速充电控制模块104，第一堆叠MOS管105的漏端和源端之间设有并联电阻103，快速充电控制模块104的输出信号ctr进入第一堆叠MOS管105的栅极；

发射端开关101的控制信号包括互为反向的cr_p与cr_n，cr_p信号还输入到第一堆叠MOS管105的漏端，cr_n信号还与接收端开关100相连。本实施例中选择并联电阻103为30kΩ。

本实施例中采用的MOS管为2.5V MOS管，因此MOS管任意两端电压差不得超过2.5V。控制信号cr_p与cr_n为互为反向的接收端控制信号，当cr_p＝2.5V,cr_n＝0V时，接收端开关100通道打开，发射端开关101关闭，反之接收端关闭，发射端打开。一般情况下接收端开关100打开时，发射端开关101关闭，发射端开关101打开时，接收端开关100关闭，从而收发开关分为发射态和接收态。

充电时，利用开关管的控制电压反馈，当控制电压上升至阈值电压时，快速充放电模块102的控制电压上升至高于最大控制电压的较高电压，使得第一堆叠MOS管105在充电过程中始终保持导通低阻状态。充电完成后，第一堆叠MOS管105控制电压恢复至最大控制电压，堆叠MOS管关断，电流通过并联电阻103，充电速度急剧下降，对开关性能无影响。通过堆叠MOS管作为快速充放电通路，其堆叠的特性使得其能够在信号幅度较大时仍然保持高阻，避免了对开关压缩点、插损等性能的影响。

本实施例中接收端开关和发射端开关可采用本领域的通用结构，接收端开关100包括第二堆叠MOS管201和第三堆叠MOS管202，

第二堆叠MOS管201包括若干个串联的MOS管，第二堆叠MOS管201的漏极与发射端开关101相连，第三堆叠MOS管202的漏极连接到第二堆叠MOS管201的源极，第二堆叠MOS管201中MOS管的栅极由电阻串联至信号vg1，本实施例中该电阻为3kΩ；

第三堆叠MOS管202包括若干组互相并联的MOS管组，每组MOS管组中均包括两个串联的MOS管，每组MOS管组的漏极连接第二堆叠MOS管201，源极接地，第三堆叠MOS管202的栅极通过电阻串联至控制信号cr_n，本实施例中该电阻为30kΩ。

发射端开关101包括第四堆叠MOS管203和第五堆叠MOS管204；

第四堆叠MOS管203包括若干个互相串联的MOS管，第五堆叠MOS管204的漏端连接到第四堆叠MOS管203的源端，第四堆叠MOS管203中的MOS管的栅极由电阻串联至控制信号cr_n，本实施例中该电阻为30kΩ；

第五堆叠MOS管204包括若干组互相并联的MOS管组，每组MOS管组包括若干个串联的MOS管，第五堆叠MOS管204中MOS管的栅极通过电阻串联至控制信号cr_p，本实施例中该电阻为30kΩ。

本实施例中，串联的MOS管组指的是MOS管组中的前一MOS管的漏极与后一MOS管的源极相连，最终的MOS管组以第一个MOS管的漏极为漏端，以最后一个MOS管的源极为源端。

由于收发开关的接收端在射频最前端，其插损显著影响整体系统的噪声系数，为了降低插损，第一堆叠MOS管105尺寸均比较大，同时MOS管的栅极等效至地的阻抗需要很大，避免信号从栅极泄漏影响插损，因此第一堆叠MOS管105的栅极充放电比较慢。

如图4所示，本实施例中的控制信号经过延时链路401生成，延时链路401包括7个级联的反相器，其中，在第一个和第二个反相器之间、第二个和第三个反相器之间、第五个和第六个反相器之间分别设有RC电容电阻RC延迟电路，延时链路401的输入为控制信号cr_p，经过四个反相器之后产生延时控制信号cr_d_p，再经过三个反相器之后产生延时反向控制信号cr_d_n。

如图3所示，快速充电控制模块104包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、反相器I1和电容C，

快速充电控制模块104的电源电压VCC依次连接电阻R1、电阻R2、电阻R3之后接地，电阻R1和电阻R2之间输出电压信号ctr，电压信号ctr连接到第一堆叠MOS管105，MOS管M1漏端接电压信号ctr，源端接控制信号cr_p，栅极接信号cr_d_n；信号vg1通过电阻R4以及反相器I1连接至MOS管M3的栅极；MOS管M2和MOS管M3分别与电阻R3并联；MOS管M2的栅极接信号cr_d_p。本实施例中，选择电源电压VCC为3.3V。

如图4所示为本实施例的瞬态波形图，包括放电和充电过程中各信号的变化，结合图4，本实施例的工作过程如下：

本实施例利用电阻R1、R2、R3分压得到快速充放电模块102的控制电压ctr，当M2、M3均关断时，ctr＝3.3*(R2+R3)/(R1+R2+R3)＝2.9V，当M2或M3任意一个导通时，ctr＝3.3*R2/(R1+R2)＝2.5V。

发射态时，cr_p＝0V,cr_n＝2.5V，此时延时控制信号cr_d_p＝0V，cr_d_n＝2.5V。此时MOS管M1导通，因此信号ctr短路到地，信号ctr电压为0，第一堆叠MOS管105关断，vg1＝cr_p＝0V，M2关断，M3导通。

发射态切换接收态，此时信号cr_p从0V上升至2.5V，信号cr_n从2.5V下降至0V，信号cr_p通过延时链路401401后得到延时控制信号cr_d_p以及其反向信号cr_d_n。结合图4的时序图，在延迟时间内，信号cr_d_n仍然为2.5V，而信号cr_p为2.5V，因此信号ctr从0上升至2.5V，M1关断，第一堆叠MOS管105导通，此时导通电阻远小于并联电阻103，此时对vg1以及整个第二堆叠MOS管201进行充电，此时由于第二堆叠MOS管201的栅极电阻较小，约为3K，此时充电较快，为快速充电。

随着充电进行中，vg1电压不断上升，理论上此时如果不采取任何措施，那么当vg1上升至2.5-vth时，第一堆叠MOS管105将关断，此时充电通路将通过并联电阻103，约为30k，充电速度将急剧下降。本方案中，在vg1上升过程中，当vg1超过vth时，经过反相器I1后产生的电压信号vg_m3将从2.5V下降至0V，MOS管M3关断，信号cr_d_p仍然保持0，此时MOS管M2仍然关断，因此ctr上升至2.9V，从而第一堆叠MOS管105在vg1从0-2.5V期间一直保持导通，保持快速充电状态。并且由于信号ctr是在vg1上升至vth之后才开始上升至2.9V，(本实施例中vth＝0.4V)，因此对于第一堆叠MOS管105，并未出现两端电压差超过2.5V的情况。同时，在ctr上升至2.9V过程中，信号cr_p为2.5V，信号cr_d_n也为2.5V，因此MOS管M1也未出现两端电压超过2.5V的情况。

随后，充电完毕后，延时信号cr_d_p以及cr_d_n发生变化，信号cr_d_p上升至2.5V，此时MOS管M2导通，ctr恢复至2.5V，信号cr_d_n下降至0，MOS管M1关断。至此，快速充电完成，开关已切换至接收态。在此状态下，第一堆叠MOS管105各个端口均为2.5V，处于良好的截止状态，阻抗较大，因此对于第二堆叠MOS管201，其栅端等效至地阻抗很大(远大于3k欧姆)，接收插损受快速充电影响微乎其微。

接收态切发射态时，信号cr_p从2.5V下降至0V，此时信号cr_d_n仍然为0V，cr_d_p仍然为2.5V，因此MOS管M1仍然关断，MOS管M2仍然导通，ctr保持在2.5V，此时第一堆叠MOS管105导通(MOS管具有对称性)，第二堆叠MOS管201栅极通过导通的第一堆叠MOS管105进行快速放电。

随着放电进行，vg1不断下降，当其下降小于vth时，vg_m3上升至2.5V，M3导通。随后放电完成后，延时控制信号发生变化，信号cr_d_n上升至2.5V，信号cr_d_p下降至0V，此时M2关断，M1导通，此时ctr将通过MOS管M1被下拉至cr_p即0V，第一堆叠MOS管105关断。至此，快速放电完成，开关已切换至发射态。同时，在此状态下，第一堆叠MOS管105各个端口均为0V，处于良好的截止状态，阻抗较大，因此对于第二堆叠MOS管201，其栅端等效至地阻抗同样很大，因此发射信号通过第二堆叠MOS管201栅端泄漏同样较小，对发射性能影响微乎其微。

另外，在发射态时，天线端信号幅度较大，此时第二堆叠MOS管201中越靠近天线端的MOS管，其栅级电压摆幅越大，因此vg1也会有较为可观的电压摆幅，本方案中，第一堆叠MOS管105采用堆叠的方法，避免vg1摆幅较大使得MOS管107有导通，信号从此通路泄漏的情况，影响发射性能。

通过本方案，即可实现对收发开关中较大尺寸的接收端的第二堆叠MOS管201的栅端进行快速充电，在不影响收发性能的同时，实现收发的快速切换。

本实用新型的技术通过开关管控制端电压的反馈，实现在确保器件安全的条件下，对快速充放电通路进行高压控制，使得其随着控制电压上升，仍然能够保持原有的充电速度。

本实施例通过堆叠MOS管作为快速充放电通路，其堆叠的特性使得其能够在信号幅度较大时仍然保持高阻，避免了对开关压缩点、插损等性能的影响。

本实施例利用延时链路产生延时控制信号，以控制快速充放电过程，在延时时间内进行快速充放电。通过本技术即可实现充放电速度受延时时间的控制，不再受限于开关管控制端电阻以及开关管的尺寸，从而实现了不影响开关性能的技术上快速的开关切换。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是以上描述仅是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本实用新型不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种开关的快速充放电电路，其特征在于：包括快速充放电模块、接收端开关和发射端开关，发射端开关连接发射端，接收端开关连接接收端，发射端开关和接收端开关共同输出至天线端，发射端开关的控制信号包括互为反向的信号cr_p与信号cr_n，接收端开关的控制信号包括信号cr_n和vg1，信号vg1与快速充放电模块相连；快速充放电模块包括快速充电控制模块、第一堆叠MOS管和并联电阻；

第一堆叠MOS管包括若干个串联的MOS管，接收端开关的控制信号vg1分别进入第一堆叠MOS管的源端和快速充电控制模块，第一堆叠MOS管的漏端和源端之间设有并联电阻，快速充电控制模块的输出电压信号ctr进入第一堆叠MOS管的栅极，cr_p信号还输入到第一堆叠MOS管的漏端。

2.根据权利要求1所述的开关的快速充放电电路，其特征在于：所述接收端开关包括第二堆叠MOS管和第三堆叠MOS管，

第二堆叠MOS管包括若干个串联的MOS管，第二堆叠MOS管的漏极与发射端开关相连，第三堆叠MOS管的漏极连接到第二堆叠MOS管的源极，第二堆叠MOS管中MOS管的栅极由电阻串联至信号vg1；

第三堆叠MOS管包括若干组互相并联的MOS管组，每组MOS管组中均包括两个串联的MOS管，每组MOS管组的漏极连接第二堆叠MOS管，源极接地，第三堆叠MOS管的栅极通过电阻串联至控制信号cr_n。

3.根据权利要求1所述的开关的快速充放电电路，其特征在于：所述发射端开关包括第四堆叠MOS管和第五堆叠MOS管；

第四堆叠MOS管包括若干个互相串联的MOS管，第五堆叠MOS管的漏端连接到第四堆叠MOS管的源端，第四堆叠MOS管中的MOS管的栅极由电阻串联至控制信号cr_n；

第五堆叠MOS管包括若干组互相并联的MOS管组，每组MOS管组包括若干个串联的MOS管，第五堆叠MOS管中MOS管的栅极通过电阻串联至控制信号cr_p。

4.根据权利要求1所述的开关的快速充放电电路，其特征在于：控制信号cr_p通过延时链路产生延时控制信号cr_d_p以及延时反向控制信号cr_d_n，信号cr_d_p和信号cr_d_n均与第五堆叠MOS管相连。

5.根据权利要求4所述的开关的快速充放电电路，其特征在于：延时链路包括若干个级联的反相器，控制信号cr_p经过偶数个反相器之后得到延时控制信号cr_d_p，再经过奇数个反相器之后得到延时反向控制信号cr_d_n。

6.根据权利要求4所述的开关的快速充放电电路，其特征在于：所述快速充电控制模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、反相器I1和电容C，

快速充电控制模块的电源电压VCC依次连接电阻R1、电阻R2、电阻R3之后接地，电阻R1和电阻R2之间输出电压信号ctr，电压信号ctr连接到第一堆叠MOS管，MOS管M1漏端接电压信号ctr，源端接控制信号cr_p，栅极接信号cr_d_n；

信号vg1通过电阻R4以及反相器I1连接至MOS管M3的栅极；

MOS管M2和MOS管M3分别与电阻R3并联；

MOS管M2的栅极接信号cr_d_p。

7.根据权利要求4所述的开关的快速充放电电路，其特征在于：电阻R1、电阻R2、电阻R3满足VCC*R2/(R1+R2)与MOS管的导通高电平电压相同，VCC*(R2+R3)/(R1+R2+R3)与MOS管的导通高电压电平和阈值电压之和相同。

8.根据权利要求5所述的开关的快速充放电电路，其特征在于：延时链路包括若干个电容电阻RC延迟电路，电容电阻RC延迟电路设置在反相器之间。

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