CN219718204U - 一种耐压堆叠开关管电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了耐压堆叠开关管电路，包括n个源极与漏极依次相连的开关管M_n～M₁；所有开关管的栅极分别连接至第一控制器；开关管M₁的源极接地；开关管M_n的漏极连接外部天线；开关管M_n的漏极与开关管M_n的栅极之间连接有电容C_n'；开关管M_i的栅极与开关管M_i+1的栅极之间连接有电容C_i'；其中i＝2,3,…,n。本电路通过在堆叠开关管的栅极之间增加电容的方法来提高功率承载能力，一方面需要的补偿电容更小，并且在版图中栅极之间的电容可以有更多绘画位置可以选择；另一方面避免将补偿电容直接接入电路中，减弱对开关管关断电容的影响，可以提高插损性能。

Description

一种耐压堆叠开关管电路

技术领域

本实用新型涉及半导体领域，具体涉及一种耐压堆叠开关管电路。

背景技术

射频开关是将多路射频信号中的任几路通过控制逻辑连通，以实现不同信号路径切换的电路元件。随着射频技术和工艺的发展，也为了满足日益提升的通讯传输需要，市场对射频开关传输功率的能力提出了更高的指标要求，因此，对相应的耐压堆叠开关管电路也就有了更高的耐压要求。

图3给出了传统射频开关的部分示意图(简化了射频开关的其他部分，只保留了需要承载功率的堆叠开关管)。其中第一控制器使开关管M₁～M_n处于关断状态，开关等效模型为一个大电阻(几十kΩ级别)并联一个小电容(几十fF)，呈现容性；ANT为天线端负责发射或接收信号。一般开关电路存在多个射频通道，当某个或某几个通道导通时其他通道处于断开状态，此时天线端信号功率便需要由图3所示的堆叠开关管来承载。

以硅基工艺为例，单个开关管的耐压是有限的，一般不会超过4V，而现在市场对高功率开关的要求甚至已经超过了200W，转换为电压约140V。传统做法是堆叠足够数量的开关管，使整个堆叠开关电路的耐压达到需求。然而实际上并没有这么理想，因为开关管与衬底之间存在寄生电容，如图4所示，其中“0”电位处表示衬底，此处忽略了B端口的影响；关断状态下的开关管堆叠在一起可以等效为图5所示的模型，其中串联电容为开关管电容，并联到地的电容为寄生电容。寄生电容相对开关管电容而言比较小，在堆叠开关管数量较少时，寄生电容的影响比较微弱；但随着堆叠开关管的数量越来越多，近地端开关管的等效电容将越来越大，甚至可以达到近天线端开关管等效电容的数倍甚至数十倍。承载大功率信号时，由电抗公式可知，等效电容越大的开关管上压降越小，靠近天线端的开关管会首先达到承载极限，而后堆叠的开关管上的压降会越来越小，即使可以无限堆叠，最末级的开关管能贡献的压降也会微乎其微，使得堆叠的开关管在堆叠到一定程度时便不存在堆叠价值，进而造成耐压瓶颈。

图6给出了一种目前市面上已经存在的改善方法的示意图，该方法是通过在开关管固有电容的基础上额外并联一个补偿电容，使得每个开关管的等效电容尽可能相同，这样可以让分布在每个开关管上的压降更加均匀，从而实现堆叠足够数量开关管以满足功率承载需求的目的。

在大功率电路的运用场景中，耐压堆叠开关的需求除了高功率承载能力外往往会伴随着极低的插损要求，以减少功率损耗和开关自身的发热量，这样一来单个开关管的尺寸一般会选的比较大，减少导通电阻的同时却会引入较大的衬底寄生电容。

在上述图6所示方案中讲到了补偿电容的近似计算方法，结合前文阐述可以知道，当堆叠的开关管数量比较多时，靠近天线端的开关管上需要的补偿电容会很大。这里就带来了几个问题：第一，由于电容是直接并联在开关管上的，势必会增加开关管的关断电容，而关断电容又影响了整个开关的插损；第二，由于电容是并联在源漏之间的，而开关管堆叠时是源漏依次相连，在版图绘画时补偿电容的画图区域受限；第三，当堆叠开关管的数量比较多时，补偿电容的取值会很大，不可避免的会引入其他寄生效应，从而影响该堆叠开关管的耐压均匀性。

实用新型内容

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的一种耐压堆叠开关管电路解决了天线远端开关管降压贡献低、现有改善电路影响插损性能的问题。

为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：

提供一种耐压堆叠开关管电路，其包括n个源极与漏极依次相连的开关管M_n～M₁；所有开关管的栅极分别连接至第一控制器；开关管M₁的源极接地；开关管M_n的漏极连接外部天线；开关管M_n的漏极与开关管M_n的栅极之间连接有电容C_n'；开关管M_i的栅极与开关管M_i+1的栅极之间连接有电容C_i'；其中i＝2,3,...,n。

进一步地，开关管M₁的栅极与开关管M₂的栅极之间连接有电容C_1'。

进一步地，所有开关管的栅极分别通过一个电阻连接至第一控制器；所有开关管的体端口分别通过一个电阻连接至第二控制器；每个开关管的漏极与源极之间连接有一个电阻；每个开关管的栅极与体端口之间连接有一个二极管。

本实用新型的有益效果为：本电路通过在堆叠开关管的栅极之间增加电容的方法来提高功率承载能力，一方面需要的补偿电容更小，并且在版图中栅极之间的电容可以有更多绘画位置可以选择；另一方面避免将补偿电容直接接入电路中，减弱对开关管关断电容的影响，可以提高插损性能。

附图说明

图1为实施例一种电路结构示意图；

图2为实施例二中电路结构示意图；

图3为传统射频开关承载功率部分示意图；

图4为开关管衬底等效模型示意图；

图5为堆叠开关管等效模型示意图；

图6为现有改进方案示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

实施例一：

如图1所示，该耐压堆叠开关管电路包括n个源极与漏极依次相连的开关管M_n～M₁；所有开关管的栅极分别连接至第一控制器(即栅极通断逻辑控制器)；开关管M₁的源极接地；开关管M_n的漏极连接外部天线；开关管M_n的漏极与开关管M_n的栅极之间连接有电容C_n'；开关管M_i的栅极与开关管M_i+1的栅极之间连接有电容C_i'；其中i＝2,3,...,n。

在本实施例中，开关管M₁的栅极与开关管M₂的栅极之间可以连接电容也可以不连接电容，不连接电容对均匀性没有实质性影响，但连接之后会更容易调节，因此i的取值可以为1。

实施例二：

如图2所示，所有开关管的栅极分别通过一个电阻连接至第一控制器；所有开关管的体端口分别通过一个电阻连接至第二控制器(即体端口逻辑控制器)；每个开关管的漏极与源极之间连接有一个电阻；每个开关管的栅极与体端口之间连接有一个二极管。

在具体实施过程中，在一个理想的堆叠开关管电路模型中，假定每个开关管到衬底的寄生电容相等，都为C₀，以图6方案中的结论为基础，既M_x开关管并联C_x(X≥2)补偿电容可以近似实现分压均匀，针对本电路，可以给出开关管栅极之间连接的电容满足以下关系：电容C_2'可以为开关管M₂的补偿电容C₂，即C_2'＝C₂；电容C_2'和电容C_3'的数值和为开关管M₃的补偿电容C₃，即C_2'+C_3'＝C₃；以此类推，电容C_n-1'和电容C_n'的和为开关管M_n的补偿电容C_n，即C_n-1'+C_n'＝C_n。最终可以归纳到C_n'＝(n-1)C₀+C_n-2，n≥3，且C_2'＝C₀，C_3'＝2C₀。这样一来，除了电容C_2'，其他电容容值的取值可以做到更小，并且随着堆叠开关管数量的增加，本电路的补偿电容的增加趋势更加平缓，可以支持更多级开关管的堆叠。

综上所述，本实用新型通过在堆叠开关管栅极之间增加电容的方法，同样可以起到均匀开关管压降的作用，使得整体堆叠的电路可以承载更高的功率以及拥有更好的线性度。

Claims (3)

1.一种耐压堆叠开关管电路，其特征在于，包括n个源极与漏极依次相连的开关管M_n～M₁；所有开关管的栅极分别连接至第一控制器；开关管M₁的源极接地；开关管M_n的漏极连接外部天线；开关管M_n的漏极与开关管M_n的栅极之间连接有电容C_n'；开关管M_i的栅极与开关管M_i+1的栅极之间连接有电容C_i'；其中i＝2,3,...,n。

2.根据权利要求1所述的耐压堆叠开关管电路，其特征在于，开关管M₁的栅极与开关管M₂的栅极之间连接有电容C_1'。

3.根据权利要求1所述的耐压堆叠开关管电路，其特征在于，所有开关管的栅极分别通过一个电阻连接至第一控制器；所有开关管的体端口分别通过一个电阻连接至第二控制器；每个开关管的漏极与源极之间连接有一个电阻；每个开关管的栅极与体端口之间连接有一个二极管。