DE102007046883A1

DE102007046883A1 - Systeme, Verfahren und Vorrichtungen für CMOS-Antennenschalter unter Verwendung von Body Switching in einer Mehrstapelstruktur

Info

Publication number: DE102007046883A1
Application number: DE102007046883A
Authority: DE
Inventors: Min Ski Ahn; Chang Ho Lee; Chang Hyuk Cho; Jae Joon Chang; Wang Myong Woo; Hak Sun Doonsan Kim; Laskar Joy
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2006-10-03
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2027-09-29
Also published as: US20080079653A1; DE102007046883B4; KR100946001B1; FI20075675L; GB2442848A; FI20075675A0; FR2906655A1; KR20080031133A; GB0719303D0; FR2906655B1; GB2442848B; US7890063B2; CN101159440A; CN101159440B

Abstract

Die Erfindung schlägt einen CMOS-Antennenschalter vor, der als CMOS SP4T-Schalter bezeichnet werden kann. Der CMOS-Antennenschalter kann bei einer Mehrzahl von Frequenzen, z. B. ungefähr 900 MHz und 1,9 GHz, betrieben werden. Der CMOS-Antennenschalter kann sowohl einen Empfängerschalter als auch einen Sendeschalter aufweisen. Für den Empfängerschalter kann ein Multistack-Transistor mit Körpersubstratabstimmung verwendet werden, um Signale mit hoher Leistung für den Sendeweg zu sperren und um beim Empfangsweg einen niedrigen Einfügungsverlust aufzuweisen. Andererseits kann für den Sendeschalter eine Körpersubstratabstimmtechnik angewendet werden, um eine hohe Leistung zur Antenne zu liefern. Beispielhafte Ausführungsformen des CMOS-Antennenschalters können 31 dBm P 1 dB bei beiden Bändern (zum Beispiel 900 MHz und 1,8 GHz) vorsehen. Des Weiteren kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung jeweils ein 0,9 dB und -1,1 dB Einfügungsverlust erhalten werden.

Description

Für die vorliegende Anmeldung wird die Priorität der provisorischen U.S.-Anmeldung Nr. 60/827,931, angemeldet am 03. Oktober 2006, mit dem Titel "Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Antenna Switches using Body Switching in Multistacking Structure", beansprucht, die hier durch Bezugnahme vollständig eingeschlossen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Antennenschalter, und insbesondere CMOS(complemetary metal oxide semiconductor) Antennenschalter.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im letzten Jahrzehnt ist die Industrie für kabellose Kommunikation stark gewachsen, wodurch wiederum die Entwicklung der Industrie integrierter Schaltungen (IC = integrated circuit) beschleunigt wurde. Insbesondere wurden im Bereich der IC-Industrie viele mobile Anwendungssysteme wie rauscharme Verstärker (LNAs = low noise amplifiers), Mischer, spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCO = voltagecontrolled oscillator) in CMOS-Technologie ausgeführt. Zwei bedeutende mobile Anwendungsbauteile – Leistungsverstärker (PAs = power amplifiers) und Funkfrequenz-(RF = radio frequency)Schalter – wurden jedoch noch nicht kommerziell in CMOS-Technologie ausgeführt.
Jedoch bewegt sich die Forschung schnell in die Richtung in CMOS-Technologie ausgeführter Leistungsverstärker. Beispielsweise wird durch die aktuelle Forschung angezeigt, dass ein CMOS-Leistungsverstärker machbar ist und geeignet ist, für mobile Kommunikationen eine ansehnliche Leistung, vielleicht bis zu 2 W, bereitzustellen. Somit besteht, wenn der Leistungsverstärker in CMOS- Technologie ausgeführt wird, ein Bedarf nach einem RF-Schalter in CMOS-Technologie.
Jedoch gibt es bei der aktuellen CMOS-Technologie eine Vielzahl von Schwierigkeiten für deren Anwendung auf RF-Schalter. Zum Beispiel wurde aufgrund der Materialeigenschaften von CMOS, einschließlich verlustreicher Substrate aufgrund geringer Mobilität der Elektronen und niedriger Durchschlagsspannungen aufgrund des pn-Übergangs, Heißleitereffekten, verhindert, dass CMOS-Technologie für RF-Schalter verwendet wurde, für die Multibandbetrieb, hohe Leistungspegel und/oder Integration mit anderen Geräten und Schaltungen erforderlich ist.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Mit Ausführungsformen der Erfindung können CMOS-RF-Schalter vorgesehen werden, die als CMOS SP4T-Schalter bezeichnet werden können. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der CMOS-RF-Schalter unter Verwendung eines 0,18 μm-Prozesses hergestellt werden, obwohl andere Prozesse verwendet werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen. Um in einem Multibandbetrieb (beispielsweise ungefähr 900 MHz und 1,9 GHz) eine hohe Nennbelastbarkeit des CMOS-RF-Schalters vorzusehen, können Multistack-Transistoren mit Substrat-Bodyswitching für den Empfängerschalter verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der CMOS-RF-Schalter im Sendemodus (Tx) eine höhere Sperrfähigkeit sowie im Empfangsmodus (Rx) einen niedrigen Einfügungsverlust im Multiband (zum Beispiel 900 MHz und 1,9 GHz) vorsehen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein CMOS-Antennenschalter vorgesehen. Der CMOS-Antennenschalter kann aufweisen: eine Antenne, die bei einer Mehrzahl von Funkfrequenz-(RF)Bändern betrieben werden kann, einen Sendeschalter in Verbindung mit der Antenne, und einen Empfängerschalter in Verbindung mit der Antenne, wobei der Empfängerschalter eine Mehrzahl an Transistoren aufweisen kann, einschließlich eines ersten Transistors mit einem Körpersubstrat, wobei das Körpersubstrat selektiv mit einem Widerstand oder Masse verbunden werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines CMOS-Antennenschalters vorgesehen. Das Verfahren kann umfassen: eine Antenne, die bei einer Mehrzahl von Funkfrequenz-(RF)Bändern betrieben werden kann, das elektrische Verbinden eines Sendeschalters mit der Antenne und das elektrische Verbinden eines Empfängerschalters mit der Antenne, wobei der Empfängerschalter eine Mehrzahl an Transistoren aufweisen kann, einschließlich eines ersten Transistors mit einem Körpersubstrat, wobei das Körpersubstrat selektiv mit einem Widerstand oder Masse verbunden werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem die Erfindung allgemein beschrieben wurde, wird nun auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, welche nicht unbedingt maßstabsgetreu sind, und in denen:
1A, 1B und 1C vereinfachte Betriebsweisen eines Empfängerschalters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellen;
2A und 2B einen beispielhaften CMOS-Schalter unter Verwendung eines Multistack-Schalters in einem Sende-(Tx)Modus gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellen;
3 einen beispielhaften CMOS-Schalter unter Verwendung eines Multistack-Schalters in einem Empfangs-(Rx)Modus gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
4A ein beispielhaftes vereinfachtes Äquivalentmodell eines Body Floating-Transistors in einem AUS-Zustand gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
4B ein beispielhaftes vereinfachtes Äquivalentmodell eines körpergeerdeten Transistors in einem AUS-Zustand gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
5 ein vereinfachtes Äquivalentmodell eines Body Floating-Transistors in einem EIN-Zustand darstellt;
6A einen mehrfach gestapelten Schalter bei einem Sende-(Tx)Pfad gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
6B ein vereinfachtes Äquivalentmodell eines ausgeschalteten Schalters unter Verwendung eines Body Floating-Technik-Schalters mit Signalfluss gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
7 Simulationsergebnisse für einen beispielhaften Empfängerschalter gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
8 Simulationsergebnisse für einen beispielhaften Sendeschalter gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird nun genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen einige, aber nicht alle Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Die Erfindung kann nämlich in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein und sollte nicht als auf die hier beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt erachtet werden. Es werden durchgängig gleiche Bezugsziffern verwendet, um gleiche Komponenten zu kennzeichnen.
Ausführungsformen der Erfindung können CMOS-RF-Antennenschalter vorsehen, welche auch als SP4T CMOS-Schalter bezeichnet werden können. Die CMOS-RF-Antennenschalter gemäß Ausführungsformen der Erfindung können Multibandbetrieb und/oder hohe Leistungs-Nennbelastbarkeit und/oder Integration mit anderen Geräten und Schaltungen vorsehen. Im Allgemeinen kann der CMOS-Antennenschalter wenigstens einen Empfängerschalter und wenigstens einen Sendeschalter aufweisen. Für den Empfängerschalter können ein oder mehrere schaltende Substratkörper verwendet werden, wie unten genauer beschrieben wird. Für den Sendeschalter kann zusätzlich eine Substratkörperabstimmtechnik verwendet werden, wie ebenfalls unten genauer beschrieben wird.
I. Beispielhafte Ausführungsform eines CMOS-RF-Antennenschalters
Ein CMOS-RF-Antennenschalter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 1–3 beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl in den 1–3 eine bestimmte Ausführungsform der CMOS-RF-Antennenschalters beschrieben wird, andere Variationen des dargestellten CMOS-RF-Antennenschalters verfügbar sind, ohne von der Erfindung abzuweichen.
In 1A ist ein vereinfachter CMOS-RF-Antennenschalter und sein Betrieb gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der CMOS-RF-Antennenschalter kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung einen Sendeschalter 102 und einen Empfängerschalter 104 aufweisen. Des Weiteren kann der CMOS-RF-Antennenschalter eine Antenne 100 aufweisen, die wenigstens entweder mit dem Sendeschalter 102 oder mit dem Emp fängerschalter 104 verbunden ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Antenne 100 eine einzelne Mehrmodus-(zum Beispiel RX und TX)Mehrbandantenne sein, obwohl gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung eine Mehrzahl unterschiedlicher Antennen verwendet werden können. Der Empfängerschalter kann aus kaskadierten oder gestapelten Transistoren 108, 110, 112 und 106 bestehen, welche gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung CMOS-(Complementary Metal Oxide Semiconductor; komplementärer Metalloxid-Halbleiter)Transistoren sein können. Der Transistor 108 kann eine Source 108a, ein Gate 108b und einen Drain 108c und ein Körpersubstrat 108d aufweisen. Der Transistor 1110 kann eine Source 110a, ein Gate 110b, einen Drain 110c und ein Körpersubstrat 110d aufweisen. Der Transistor 112 kann eine Source 112a, ein Gate 112b, einen Drain 112c und ein Körpersubstrat 112d aufweisen. Der Transistor 106 kann eine Source 106a, ein Gate 106b, einen Drain 106c und ein Körpersubstrat (nicht dargestellt) aufweisen.
Der Drain 108c des Transistors 108 kann mit der Source 110a des Transistors 110 verbunden sein. Des Weiteren kann der Drain 110c des Transistors 110 mit der Source 112a des Transistors 112 verbunden sein. Der Drain 112c des Transistors 112 kann mit dem Empfangs-(RX)Block verbunden sein, um die von der Antenne 100 empfangenen Signale zu verarbeiten. Des Weiteren kann das Körpersubstrat 112a des Transistors 112 mit der Source 106a des Transistors 106 verbunden sein. Der Drain 106c des Transistors 106 kann mit der Erde (Masse) verbunden sein. Wie genauer beschrieben wird, kann gemäß einer beispielhaften Bodyswitching-Technik wenigstens ein Transistor 106, welcher als Substratkörperschalter für Transistor 112 dienen kann, an dem Substratkörper 112d vorgesehen sein. Insbesondere kann der wenigstens eine Transistor 106 in einen EIN-Zustand oder AUS-Zustand geschaltet werden, abhängig davon, ob der entsprechende Sende(Tx) Modus oder Empfangs-(Rx) Modus in Betrieb ist. Wie untenstehend genauer gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung beschrieben wird, kann der Empfängerschalter 104 aus 1A unterschiedliche Äquivalentschaltungen liefern, abhängig davon, ob der Empfängerschalter 104 wie in 1B dargestellt in einem AUS-Zustand oder wie in 1C dargestellt in einem EIN-Zustand ist.
A. Sende-(Tx)Modus
In 1B ist eine Äquivalentschaltung des Empfängerschalters 104 in einem AUS-(zum Beispiel deaktiviert, geblockt etc.) Zustand gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In 1B kann der Empfängerschalter 104 in den AUS-Zustand gebracht werden, um für eine Isolierung von dem Sendeschalter 102 zu sorgen. Ist der Empfängerschalter 104 in dem AUS-Zustand, kann ein Sendesignal von einem Sende-(Tx)Block zur Antenne 100 geliefert werden. Wie in 1B dargestellt ist, können, wenn der Empfängerschalter 104 in einem AUS-Zustand ist, die gestapelten Transistoren 108, 110, 112 dann in einen AUS-Zustand (das heißt, geöffnet) gebracht werden, wodurch eine höhere Impedanz geschaffen wird. Der gestapelte Transistor 106 kann in einen EIN-Zustand 114 (das heißt, geschlossen) gebracht werden, wodurch der Substratkörper 112d von Transistor 112 zur Erde (Masse) kurzgeschlossen wird und die Signalwege für den Leckstrom von der Source 112a zum Drain 112c verringert werden.
Bei der Anordnung aus 1B kann die Leistung des Sende-(Tx)Signals maximiert werden (und die Nennbelastbarkeit des Tx-Blocks maximiert werden). Die Nennbelastbarkeit des Sendeschalters 102 kann festgelegt werden, indem der Leckstrom, der zu dem Empfängerschalter 104 im AUS-Zustand gerichtet ist, sowie die Source-zu-Drain Durchschlagsspannung der kaskadierten Schalter 108, 110 und 112 des Empfängerschalters 104 gesteuert wird. Somit kann die maximale Sendeleistung des Sendeschalters 102 von den Eigenschaften des Empfängerschalters 104 abhängen.
Es wird darauf hingewiesen, dass, um die Nennbelastbarkeit des Tx-Schalters 102 zu erhöhen, die Anzahl an Multistack-Transistoren 108, 110, 112 erhöht werden kann, um die Durchschlagsbelastung jedes Transistors 108, 110, 112 zu reduzieren. Zum Beispiel können gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung mehr als drei Transistoren 108, 110, 112 kaskadiert werden. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass der letzte Transistor 112 von der Antenne 112 den Leckstrom an dem Empfängerschalter 104 steuern kann. Wenn der Leckstrom zu den Schaltern 108, 110 und 112 im AUS-Zustand in dem Rx-Weg minimiert wird, dann kann die maximale Leistung von dem Tx-Block zur Antenne 100 geliefert werden. Wie oben beschrieben, kann der Bodyswitching-Transistor, der zwischen Erde (Masse) und dem Körpersubstrat 112d des Transistors 112 angeschlossen ist, verwendet werden, um den Leckstrom an den Empfängerschalter 104 zu steuern. Insbesondere kann der Substratkörper 112d des letzten Transistors 112 durch Schalten des Bodyswitching-Transistors 106 in den EIN-Zustand 114 von der Antenne 100 zu dem Rx-Block geerdet werden, wodurch die Signalwege für Leckstrom von der Source 112a zum Drain 112c reduziert werden.
B. Empfangs-(Rx)Modus
In 10 ist eine Äquivalentschaltung des Empfängerschalters 104 in einem EIN-(zum Beispiel aktiviert, empfangen etc.)Zustand gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In Figur IC kann der Empfängerschalter 104 in der EIN-Position geschaltet werden, damit der Empfangs-(RX-)Block ein Signal von der Antenne 100 empfängt. Ist der Empfängerschalter 104 in dem EIN-Zustand, kann der Sendeschalter 102 in den AUS-(zum Beispiel deaktiviert, geblockt)Zustand geschaltet werden, um den Sendeschalter 102 von dem Empfängerschalter 104 zu isolieren. Wie in 10 dargestellt, kann, wenn der Empfängerschalter 104 in einem EIN-Zustand ist, der gestapelte Transistor 106 in einen AUS-Zustand 116 geschaltet werden, wodurch ein Äquivalentwiderstand zwischen dem Körpersubstrat 112d des Transistors 112 und Erde (Masse), das heißt, Body Floating, vorgesehen wird. Auf diese Weise kann der Einfügungsverlust an dem Empfangs-(Rx)Weg von der Antenne 100 zum Rx-Block minimiert werden.
II. Beispielhafte Ausführungsform eines Mehrband-CMOS-RF-Schalters
Ein Mehrband-CMOS-RF-Schalter gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 2A, 2B und 3 beschrieben. In 2A ist ein beispielhafter Betrieb eines CMOS-RF-Antennenschalters mit Mehrband in einem Sende-(Tx)Modus gemäß einer beispielhaften Ausfüh rungsform der Erfindung dargestellt. Insbesondere weist der CMOS-RF-Antennenschalter aus 2A eine Antenne 100 in Verbindung mit einem Sendeschalter 201 und einem Empfängerschalter 200 auf. Der Sendeschalter 201 kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung einen ersten Sendesignalweg Tx1 220 aufweisen, der von den Multistack-Transistorschaltern 202 gesteuert wird, sowie einen zweiten Sendesignalweg Tx2 222, der von den Multistack-Transistorschaltern 204 gesteuert wird. Die Transistorschalter 202 und 204 können parallel zu der Antenne 100 angeschlossen sein. Schalter 202 können CMOS-Transistorschalter 230, 231 und 232 aufweisen, die von Source zu Drain kaskadiert oder gestapelt sind. Zum Beispiel kann die Source des Transistorschalters 230 mit dem Drain des Transistorschalters 231 verbunden sein. Gleichermaßen kann die Source des Transistorschalters 231 mit dem Drain des Transistorschalters 232 verbunden sein. Gleichermaßen können die Schalter 204 CMOS-Transistorschalter 235, 236 und 237 aufweisen, die von Source zu Drain kaskadiert oder gestapelt sind. Zum Beispiel kann die Source des Transistorschalters 235 mit dem Drain des Transistorschalters 236 verbunden sein. Gleichermaßen kann die Source des Transistorschalters 236 mit dem Drain des Transistorschalters 237 verbunden sein.
Weiter unter Bezugnahme auf 2A kann der Empfängerschalter 200 einen ersten Empfangssignalweg Rx1 224 und einen zweiten Empfangssignalweg Rx2 226 aufweisen, die von einer Mehrzahl Transistorschalter, einschließlich einem oder mehreren Transistorschaltern 208, 210, 212, 205, 206, 214, 209, 210 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung gesteuert werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann einer oder mehrere der Transistorschalter 208, 210, 212, 205, 206, 214, 209, 210 CMOS-Transistorschalter aufweisen. Schalter 205 kann dazu dienen, das Körpersubstrat des Transistorschalters 212 mit Erde (Masse) oder einem Widerstand selektiv zu verbinden, so dass gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung der Transistorschalter 212 entweder körpergeerdet oder bodyfloating ist. Gleichermaßen kann der Schalter 209 dazu dienen, das Körpersubstrat des Transistorschalters 214 mit Erde (Masse) oder einem Widerstand selektiv zu verbinden, so dass gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung der Transistorschalter 214 entweder körpergeerdet oder bodyfloating ist.
A. Sende-(Tx)Modus
In 2B ist der CMOS-RF-Antennenschalter aus 2A dargestellt, wie er gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in einem Sende-(Tx)Modus betrieben wird. Insbesondere kann in 2B der CMOS-RF-Antennenschalter im Sende-(Tx)Modus für den ersten Sende-(Tx)Signalweg Tx1 220 sein. Mit dieser Tx-Modus-Anordnung können, um den Tx-Signalweg Tx1 220 zur Antenne 100 zu schaffen, die gestapelten Schalter 202 geschlossen sein, während die gestapelten Schalter 204 geöffnet sind. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die gestapelten Schalter 202 geschlossen werden, indem die Transistorschalter 230, 231 und 232 jeweils in einen EIN-Zustand gesetzt werden. Andererseits können die gestapelten Schalter 204 geöffnet werden, indem die Transistorschalter 235, 236 und 237 jeweils in einen AUS-Zustand gesetzt werden.
Des Weiteren kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in einer Tx-Modus-Anordnung der Empfängerschalter 200 in einen AUS-Zustand geschaltet werden. Insbesondere kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, um den Empfängerschalter in den AUS-Zustand zu schalten, wenigstens ein Transistorschalter 212, 214 körpergeerdet sein. Genauer können die Transistorschalter 205 und 209 geschlossen sein (z. B. im EIN-Zustand 216 vorgesehen), um das Körpersubstrat der Transistoren 212, 214 zur Erde zu kurzzuschließen, wodurch körpergeerdete Schalter 212, 214 geschaffen werden. Des Weiteren können die Transistorschalter 208, 210, 212 und 214 geöffnet sein, um Leckstrom zum Empfangs-(Rx)Weg, einschließlich der Empfangswege Rx1 224 und Rx2 226, zu reduzieren. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Transistorschalter 208, 210, 212 und 214 geöffnet werden, indem die Transistorschalter in einen AUS-Zustand gesetzt werden. Des Weiteren können optional die Schalter 206 und 210 geschlossen werden, um Lecksignale zur Erde (Masse) umzuleiten, um den rauscharmen Verstärker (LNA = low-noise amplifier) in dem Empfänger-(Rx)Block zu schützen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Nennbelastbarkeit des Sendeschalters 201 durch Steuern des Leckstroms) zu dem Empfängerschalter 200 im AUS-Zustand sowie der Source-zu-Drain Durchschlagsspannung der kaskadierten oder gestapelten Schalter 208, 210, 212 und 214 festgelegt werden kann. Mit anderen Worten kann die maximale Sendeleistung des Sendeschalters 201 von den Eigenschaften des Empfängerschalters 200 abhängen.
Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass Variationen von 2B möglich sind, ohne von Ausführungsformen der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann der zweite Signalweg Tx2 222 statt des ersten Signalwegs Tx1 220 in der Sende-(Tx)Modus-Anordnung aktiviert sein, ohne von Ausführungsformen der Erfindung abzuweichen.
Weiter unter Bezugnahme auf 2B können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, wenn der Empfängerschalter 200 in einem AUS-Zustand ist, die gestapelten Transistoren 208, 210 Body Floating-Transistoren sein – das heißt, ihre jeweiligen Substratkörper können durch einen Widerstand von der Erde (Masse) getrennt sein – während die gestapelten Transistoren 212, 214 körpergeerdete Transistoren sind. In 4A ist ein vereinfachtes Äquivalentmodell eines Body Floating-Transistors in einem AUS-Zustand 400, wie beispielsweise Transistoren 208, 210 in 2B, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In 4B ist ein vereinfachtes Äquivalentmodell eines körpergeerdeten Transistors in einem AUS-Zustand 402, wie beispielsweise Transistoren 212, 214 in 2B, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Äquivalentmodelle aus 4A und 4B können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung Kondensatoren 412, 414, 416, 418 sowie pn-Dioden 404, 406 aufweisen.
Wenn eine Spannungsschwingung an der Antenne 100 von dem Empfängerschalter 200 empfangen wird, kann die Spannungsschwingung unter den gestapelten Transistoren 208, 210, 212 und 214 geteilt werden. Demgemäss erhalten die letzten Transistoren 212 und 214 nur ein Drittel der gesamten Spannungsschwingung an der Antenne 100, wodurch die Möglichkeit einer Source-zu-Drain-Durchschlagsspannung, die für die Transistoren 212, 214 auftritt, verringert wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Spannungsschwingung bei den letzten Transistoren 212, 214 unterschiedlich, und vielleicht kleiner, sein kann, wenn zusätzliche vorgeschaltete Transistoren gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen werden, um die Belastung der gestapelten Transistoren 208, 210, 212 und 214 zu verringern.
Die Transistoren 208, 210 können Body Floating-Transistoren sein, wie in 4A dargestellt ist. Jedoch kann, um den Leckstrom zu dem Rx-Block zu reduzieren und die Nennbelastung des Tx-Blocks zur Antenne zu maximieren, einer oder beide der Bodyswitching-Transistoren 205, 209 in den EIN-Zustand 216 geschaltet werden, um die Substratkörper der Transistoren 212, 214 mit Erde (Masse) zu verbinden. Demgemäss kann einer der Transistoren 212, 214 oder beide ein körpergeerdeter Transistor sein, wie in 4B dargestellt ist, wodurch die Signalwege für Leckstrom von der Source zum Drain der jeweiligen Transistoren 212, 214 verringert werden.
Wenn eine negative Spannungsschwingung an den Empfängerschalter 200 angelegt wird, können die pn-Dioden 404, 406 jedes Transistors 212, 214 eingeschaltet werden, so dass der Leckstom auftreten kann durch den Strom, der durch die pn-Dioden 404, 406 fließt. Ein Ergebnis des Einschaltens der pn-Dioden 404, 406 kann das mögliche Begrenzen der negativen Spannungsschwingung sein, so dass die Nennbelastbarkeit des Tx-Blocks zur Antenne 100 begrenzt werden kann. Jedoch kann dieser durch die Kanalbildung der Transistoren 212, 214 im AUS-Zustand erzeugte Leckstrom verhindert werden, da der Spannungspegel an der Source der Transistoren 212, 214 durch die Einschaltspannung der pn-Diode 404 festgelegt sein kann. Die Multistack-Transistoren 208, 210, 212 und 214 im AUS-Zustand können die Spannungsschwingung an dem Anschluss der Antenne 100 teilen, so dass die letzten Transistoren 212, 214 im AUS-Zustand, und somit die pn-Dioden 404, 406, nur ein Drittel der Spannungsschwingung an Antenne 100 erfahren. Somit kann die gesamte Spannungsschwingung an dem Anschluss der Antenne 100 nicht ausreichend sein, um die pn-Dioden an dem letzten Transistor 112 einzuschalten.
B. Empfangs-(Rx)Modus
In 3 ist der beispielhafte Betrieb eines RF-Antennenschalters 200 im Empfangs-(Rx)Modus gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie in 3 dargestellt, können beide Schalter 202 und 204 des Sendeschalters 201 geöffnet sein, um jeweils eine Isolierung der Antenne 100 von den Sendesignalwegen Tx1 220 und Tx2 222 vorzusehen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung Schalter 220 geöffnet werden, indem die Transistorschalter 230, 231, 232 in einen AUS-Zustand geschaltet werden. Gleichermaßen können die Schalter 204 geöffnet werden, indem die Transistorschalter 235, 236, 237 in einen AUS-Zustand geschaltet werden.
Um den Empfangssignalweg Rx1 224 zu ermöglichen, können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Schalter 206, 214 geöffnet (z. B. in einen AUS-Zustand gebracht) sein, während die Schalter 208, 210, 212 geschlossen (z. B. in einen AUS-Zustand gebracht) sind. Gleichermaßen kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung der Transistorschalter 205 (und optional Schalter 209) offen (z. B. in einen AUS-Zustand 318 geschaltet) sein, so dass der Transistorschalter 205 (und Schalter 209) ein Body Floating-Transistorschalter ist. Des Weiteren kann optional der Schalter 210 durch Schalten in einen EIN-Zustand geschlossen werden, um Lecksignale zur Erde (Masse) umzuleiten, um den rauscharmen Verstärker (LNA = low-noise amplifier) in dem Empfangssignalweg Rx2 226 zu schützen. Der Fachmann wird erkennen, dass in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung statt des Signalwegs Rx1 der Signalweg Rx2 226 in 3 aktiviert werden kann, ohne von Ausführungsformen der Erfindung abzuweichen.
In 5 ist ein vereinfachtes Äquivalentmodell eines Body Floating-Transistors in einem EIN-Zustand 500 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie oben beschrieben können die Transistoren 205, 209 in einem AUS-Zustand 318 gebracht sein, um die Body Floating-Transistoren 212, 214 wie in dem reduzierten Äquivalentmodell aus 5 dargestellt, zu schaffen. In 5 können, wenn die Größe der Transistoren 212, 214 ansteigt, die parasitären Kondensatoren 504, 506, 508, 510 in dem EIN-Zustand 500 einen anderen Signalweg erzeugen. Insbesondere kann der Transistor im EIN-Zustand aus 5 einen EIN-Widerstand 502, einen Gate-Drain-Kondensator 508 zu Gate-Source-Kondensator 510 und einen Drain-Körperkondensator 504 und einen Körper-Source-Kondensator 506 als Signalwege aufweisen. Wären die Körpersubstrate geerdet, könnte einer dieser Signalwege durch Kondensatoren 504, 505 verloren sein, wodurch der Einfügungsverlust erhöht wird. Somit kann es erforderlich sein, dass, wenn der Empfängerschalter 200 im EIN-Zustand ist, der letzte Transistor 212 und/oder 214 (abhängig davon, an der Signalweg Rx1 224 oder Rx2 226 verwendet wird) in einem Body Floating-Zustand ist (zum Beispiel mit Transistorschalter 205, 209 im AUS-Zustand 318), um einen minimierten Einfügungsverlust zu gewährleisten.
III. Genaue Ausführungsform eines Sendeschalters
Ein Sendeschalter, wie beispielsweise die Sendeschalter 102 und 201, werden nun genauer unter Bezugnahme auf 6A und 6B beschrieben. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Sendeschalterstruktur aus 6A entweder für Schalter 202 des ersten Sendewegs TX1 220 oder Schalter 204 des zweiten Sendewegs TX2 222 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Wie in 6A dargestellt ist, kann der Sendeschalter 600 CMOS-Transistoren 602, 604 und 606 aufweisen, die von der Source zum Drain kaskadiert oder gestapelt sind. Durch Kaskadieren der Transistoren 602, 604 und 606 von der Source zum Drain kann die kumulative Durchschlagsspannung erhöht werden, da sie zwischen den Transistoren 602, 604 und 606 geteilt wird, wodurch eine höhere Leistungssperrfähigkeit vorgesehen wird. Eine derartige hohe Leistungssperrfähigkeit kann zum Beispiel bei Schaltern 204 beim zweiten Sendeweg Tx2 222 erforderlich sein, wenn die Schalter 202 bei dem ersten Sendeweg Tx1 220 geschlossen (zum Beispiel in einem EIN-Zustand) sind, um ein Signal zu senden.
Jedoch kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung durch Kaskadieren oder Stapeln der Transistoren 602, 604 und 606 der Einfügungsverlust des Sendeschalters 600 erhöht werden. Somit kann, wie in 6A dargestellt, eine Body Floating-Technik, welche das Verbinden hoher Widerstandswerte 608, 610 und 612 auf dem Körpersubstrat der jeweiligen Transistoren 602, 604, 606 aufweist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung für den Sendeschalter 102 verwendet werden. Somit können durch die Verwendung der Widerstände 608, 610, 612 Body Floating-Transistoren 602, 604 und 606 vorgesehen werden. Mit einer derartigen Body Floating-Technik können die Transistoren 602, 604 und 606 eine tiefe N-Wanne-Struktur eines 0,18 μm CMOS-Prozesses oder eines ähnlichen Prozesses verwenden, welche gegen mögliche Latchups aufgrund des Verbindens hoher Widerstandswerte 608, 610, 612 auf dem Körpersubstrat der Transistoren 602, 604, 606 immun sein können. Somit können die Widerstände 608, 610, 612, welche ebenfalls als Body Floating-Widerstände bezeichnet werden können, den Einfügungsverlust durch Sperren von Leckstrom von dem Substratkörper zur Erde (Masse) verringern.
In 6B ist der Signalfluss in einer Äquivalentschaltung für einen Einstufenschalter im AUS-Zustand dargestellt, wie beispielsweise Transistoren 602, 604 oder 606 aus 6A. Mit dem Anstieg der Größe (zum Beispiel des Widerstandswerts) eines Transistors 608, 610, 612 wird der parasitäre Kapazitätswert ausreichend groß, so dass der parasitäre Source-zu-Körper Kondensator 652 und der parasitäre Drain-zu-Körper Kondensator 654 mit Body Floating-Widerstand 656 als zusätzlicher Signalweg im EIN-Zustand verwendet werden kann. Ist der Körper jedoch geerdet, wird einer der Signalwege in 6B zur Erde (Masse) umgeleitet, was eine Verschlechterung des Einfügungsverlusts zur Folge hat.
IV. Simulationsergebnisse
In 7 sind Simulationsergebnisse für den Betrieb eines beispielhaften Mehrband-(zum Beispiel 900 MHz, 1,9 GHz) Empfängerschalters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Simulationsergebnisse stellen den Einfügungsverlust und die Isolierung von der Antenne 100 zu den Sendewegen Tx1 und Tx2 dar. Insbesondere wird durch die durchgezogene Linie das erste Band bei 1,9 GHz dargestellt, wohingegen durch die mit Kreisen versehene Linie das zweite Band bei 900 MHz dargestellt wird.
In 8 sind die Simulationsergebnisse für den Betrieb eines beispielhaften Mehrband-Sendeschalters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Insbesondere zeigen die Simulationsergebnisse in 8 die Nennbelastbarkeit des Sendeschalters für tiefe und hohe Bänder sowie die Isolierung von der Antenne zu den Empfangs-(Rx)Signalwegen Rx1 und Rx2.

Die untenstehende Tabelle I zeigt zusätzliche Simulationsergebnisse für einen SP4T CMOS-Schalter unter Verwendung einer Bodyswitching-Technik in einem Multistack-Transistor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie in Tabelle I dargestellt ist, erfüllen die Simulationsergebnisse die Anforderung der hohen Nennbelastbarkeit auf beiden Bändern (800–900 MHz und 1800–1900 MHz). Zum Beispiel kann der geschaltete Widerstand, der durch einen Empfängerschalter 200 an dem Empfangs-(Rx)Weg vorgesehen wird, in Verbindung mit den gestapelten Transistoren, die durch den Sendeschalter 201 vorgesehen werden, eine große Isolierung im Tx-Modus von der Antenne 100 zu Rx vorsehen, wodurch die Bauteile der Empfängerschaltung, wie beispielsweise LNAs, vor Tx-Signalen mit hoher Leistung geschützt werden. Des Weiteren kann, wenn ein erster Empfangswegmudus Rx1 in Betrieb ist, die Isolierung zwischen Rx1 und Rx2 ebenfalls hoch genug sein, um zu verhindern, dass ein Signal von einem Weg (zum Beispiel Rx2) in den anderen Weg (zum Beispiel Rx1) leckt.

Frequenz		800–900 MHz	1800–1900 MHz
TX	IL	–1,1 dB	–1,2 dB
	P1dB	31,5 dBm	31,5 dBm
	Isolierung Ant zu RX	–55 dB	–45 dB
RX	IL	–1 dB	–1,5 dB
	Isolierung Rx1 zu Rx2	–32 dB	–27 dB
	Isolierung Ant zu TX	–25 dB	–20 dB

Viele Änderungen und andere Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindungen werden dem Fachmann nach Studium der vorstehenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen offensichtlich werden. Somit wird darauf hingewiesen, dass die Erfindungen nicht auf die offenbarten spezifischen Ausführungsformen beschränkt sind und dass Änderungen und andere Ausführungsformen in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Obwohl hier spezifische Begriffe verwendet werden, werden diese nur auf allgemeine und beschreibende Weise verwendet und dienen nicht zur Einschränkung.

Claims

CMOS-Antennenschalter, welcher aufweist: eine Antenne, die bei einer Mehrzahl von Funkfrequenz-(RF)Bändern betrieben werden kann; einen Sendeschalter in Verbindung mit der Antenne; und einen Empfängerschalter in Verbindung mit der Antenne, wobei der Empfängerschalter eine Mehrzahl an Transistoren aufweisen kann, einschließlich eines ersten Transistors mit einem Körpersubstrat, wobei das Körpersubstrat selektiv mit einem Widerstand oder Masse verbunden werden kann.
Antennenschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Transistoren einen Bodyswitching-Transistor aufweist, wobei der Bodyswitching-Transistor dazu dient, das Körpersubstrat des ersten Transistors selektiv mit dem Widerstand oder Masse zu verbinden.
Antennenschalter gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodyswitching-Transistor eine Source und einen Drain aufweist, wobei die Source elektrisch mit dem Körpersubstrat des ersten Transistors und der Drain mit der Erde verbunden ist.
Antennenschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl Transistoren einen zweiten Transistor mit einem zweiten Körpersubstrat aufweist, wobei das zweite Körpersubstrat selektiv mit einem zweiten Widerstand und Masse verbunden werden kann, wobei der erste Transistor, wenigstens teilweise, zum Steuern eines ersten Empfangssignalwegs des Empfängerschalters vorgesehen ist, und wobei der zweite Transistor, wenigstens teilweise, zum Steuern eines zweiten Empfangssignalwegs des Empfängerschalters vorgesehen ist.
Antennenschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Sende-(Tx)Modus der Sendeschalter aktiviert ist, der Empfängerschalter deaktiviert ist und das Körpersubstrat des ersten Transistors mit Masse verbunden ist; und während eines Empfangs-(Rx)Modus der Sendeschalter deaktiviert ist, der Empfängerschalter aktiviert ist und das Körpersubstrat deaktiviert ist, um einen Widerstand zwischen dem Körpersubstrat des ersten Transistors und Masse vorzusehen.
Antennenschalter gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Sende-(Tx)Modus der Empfängerschalter wenigstens zum Teil durch Verbinden wenigstens eines Empfangssignalwegs des Empfängerschalters mit Masse deaktiviert ist.
Antennenschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Mehrzahl von Transistoren kaskadiert ist.
Antennenschalter gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor weiter eine erste Source und einen ersten Drain aufweist, wobei die Mehrzahl an Transistoren einen zweiten Transistor mit einer zweiten Source und einem zweiten Drain aufweist, wobei der erste und zweite Transistor kaskadiert sind, indem der zweite Drain mit der ersten Source elektrisch verbunden ist.
Antennenschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Transistoren eine erste Mehrzahl an Transistoren ist, und wobei der Sendeschalter eine zweite Mehrzahl an Transistoren aufweist, wobei wenigstens ein Teil der zweiten Mehrzahl an Transistoren kaskadiert ist.
Antennenschalter gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mehrzahl an Transistoren Body Floating-Transistoren aufweist.
Verfahren zum Vorsehen eines CMOS-Antennenschalters, welches umfasst: Vorsehen einer Antenne, die bei einer Mehrzahl von Funkfrequenz-(RF)Bändern betrieben werden kann; elektrisches Verbinden eines Sendeschalters mit der Antenne; und elektrisches Verbinden eines Empfängerschalters mit der Antenne, wobei der Empfängerschalter eine Mehrzahl an Transistoren aufweisen kann, einschließlich eines ersten Transistors mit einem Körpersubstrat, wobei das Körpersubstrat selektiv mit einem Widerstand und Masse verbunden werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Transistoren einen Bodyswitching-Transistor aufweist, wobei der Bodyswitching-Transistor dazu dient, das Körpersubstrat des ersten Transistors selektiv mit dem Widerstand oder Masse zu verbinden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodyswitching-Transistor eine Source und einen Drain aufweist, wobei die Source elektrisch mit dem Körpersubstrat des ersten Transistors und der Drain mit Masse verbunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl Transistoren einen zweiten Transistor mit einem zweiten Körpersubstrat aufweist, wobei das zweite Körpersubstrat selektiv mit einem zweiten Widerstand oder Masse verbunden werden kann, wobei der erste Transistor, wenigstens teilweise, zum Steuern eines ersten Empfangssignalwegs des Empfängerschalters vorgesehen ist, und wobei der zweite Transistor, wenigstens teilweise, zum Steuern eines zweiten Empfangssignalwegs des Empfängerschalters vorgesehen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Sende-(Tx)Modus der Sendeschalter aktiviert ist, der Empfängerschalter deaktiviert ist und das Körpersubstrat des ersten Transistors mit Masse verbunden ist; und während eines Empfangs-(Rx)Modus der Sendeschalter deaktiviert ist, der Empfängerschalter aktiviert ist und der Körpersubstratschalter deaktiviert ist, um einen Widerstand zwischen dem Körpersubstrat des ersten Transistors und Masse vorzusehen.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass während des Sende-(Tx)Modus der Empfängerschalter wenigstens zum Teil durch Verbinden wenigstens eines Empfangssignalwegs des Empfängerschalters mit Masse deaktiviert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Mehrzahl von Transistoren kaskadiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor weiter eine erste Source und einen ersten Drain aufweist, wobei die Mehrzahl an Transistoren einen zweiten Transistor mit einer zweiten Source und einem zweiten Drain aufweist, wobei der erste und zweite Transistor kaskadiert sind, indem der zweite Drain mit der ersten Source elektrisch verbunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Transistoren eine erste Mehrzahl an Transistoren ist, und wobei der Sendeschalter eine zweite Mehrzahl an Transistoren aufweist, wobei wenigstens ein Teil der zweiten Mehrzahl an Transistoren kaskadiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mehrzahl an Transistoren Body Floating-Transistoren aufweist.