DE102014106633A1

DE102014106633A1 - System und Verfahren für eine schaltbare Kapazität

Info

Publication number: DE102014106633A1
Application number: DE102014106633.2A
Authority: DE
Inventors: Winfried Bakalski
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2014-11-20
Also published as: CN104158524A; KR101659651B1; US9281802B2; US20140340181A1; KR20140134630A; CN104158524B

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform weist eine schaltbare Kapazitätsschaltung eine Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen auf, die jeweils einen ersten Halbleiterschaltschaltkreis und eine Kapazitätsschaltung mit einem ersten Anschluss, der mit dem ersten Halbleiterschaltschaltkreis verbunden ist, aufweisen. Ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen liegt innerhalb einer ersten Toleranz eines Widerstands des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen, und eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle liegt innerhalb einer zweiten Toleranz einer Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein eine elektronische Vorrichtung und insbesondere ein System und Verfahren für eine schaltbare Kapazität.
HINTERGRUND
Abstimmbare passive Elemente, wie z. B. Kondensatoren und Induktivitäten, werden in verschiedenen Hochfrequenz-(HF-)Schaltungen eingesetzt, um einstellbare Anpassungsnetzwerke für Antennen und Leistungsverstärker umzusetzen und um Einstellabstimmung für Hochfrequenzfilter bereitzustellen. Aufgrund der hohen Nachfrage nach und Produktion von tragbaren Geräten sind solche abstimmbaren passiven Elemente in Produkten wie Mobiltelefonen, Smartphones und tragbaren Computern zu finden. Die Bereitstellung von Abstimmung für HF-Schaltungen in solchen Produkten ermöglicht es diesen Produkten, Hochleistungs-HF-Übertragung und -Empfang unter verschiedenen HF-Bedingungen bereitzustellen. Programmierbare Abstimmung ist auch hilfreich in HF-Geräten, die konfiguriert sind, um über unterschiedliche HF-Bänder zu arbeiten und/oder konfiguriert sind, um unter Verwendung unterschiedlicher Standards zu arbeiten.
Abstimmbare Kondensatoren können auf unterschiedliche Arten umgesetzt werden. Beispielsweise kann ein spannungsgesteuerter Kondensator verwendet werden, um eine variable Kapazität bereitzustellen. Solch eine variable Kapazität kann unter Verwendung eines in Rückwärtsrichtung vorgespannten Diodenübergangs mit einer Kapazität umgesetzt werden, die umgekehrt proportional zur angelegten, in Rückwärtsrichtung vorgespannten Spannung ist. Eine weitere Möglichkeit zur Umsetzung einer abstimmbaren Kapazität ist die Verwendung einer Anordnung von schaltbaren Kondensatoren, deren unterschiedliche Elemente entweder über steuerbare Schalter verbunden oder getrennt werden. Eine Herausforderung beim Entwurf von schaltbaren Kondensatoren ist die Aufrechterhaltung eines hohen Gütefaktors (Q), der durch den Widerstand der steuerbaren Schalter verringert werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es besteht Bedarf an der Bereitstellung eines Konzepts für eine schaltbare Kapazitätsschaltung.
Solch ein Bedarf kann durch den Gegenstand der Ansprüche erfüllt werden.
Einige Ausführungsformen betreffen eine schaltbare Kapazitätsschaltung, die eine Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst, wobei jede Kapazitätsschaltzelle einen ersten Halbleiterschaltschaltkreis und eine Kapazitätsschaltung mit einem ersten Anschluss, der mit dem ersten Halbleiterschaltschaltkreis verbunden ist, umfasst, wobei ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen innerhalb einer ersten Toleranz eines Widerstands des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen liegt, und eine Kapazität des Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle innerhalb einer zweiten Toleranz eines Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle liegt.
Gegebenenfalls umfasst der Halbleiterschaltschaltkreis eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern und die Kapazitätsschaltung umfasst eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren.
Ferner umfasst gegebenenfalls jeder der Vielzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern einen Transistor und einen Widerstand, die mit einem Gate des Transistors in Reihe geschaltet sind.
Gemäß einem Aspekt ist die Anzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern größer als oder gleich groß wie die maximal erwartete Betriebsspannung der schaltbaren Kapazitätsschaltung dividiert durch die maximal erwartete Betriebsspannung von einem der Halbleiterschalter, und die Anzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren ist größer als oder gleich groß wie die maximal erwartete Betriebsspannung der schaltbaren Kapazitätsschaltung dividiert durch die maximale Betriebsspannung von einem der in Reihe geschalteten Kondensatoren.
Gegebenenfalls ist die maximal erwartete Betriebsspannung größer als 50 V.
Ferner umfasst gegebenenfalls jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen außerdem einen zweiten Halbleiterschaltschaltkreis, der mit einem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist.
Die schaltbare Kapazitätsschaltung kann ferner einen dritten Halbleiterschaltschaltkreis umfassen, der ein erstes Ende, das mit dem ersten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, und ein zweites Ende aufweist, das mit dem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist.
Gegebenenfalls umfasst die Kapazitätsschaltung einen Metall-Isolator-Metall-(MIM)Kondensator und der erste Halbleiterschaltschaltkreis ist unter dem MIM-Kondensator angeordnet.
Ferner sind gegebenenfalls die erste Toleranz und die zweite Toleranz geringer als 1%.
Einige Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Betreiben einer schaltbaren Kapazitätsschaltung, wobei das Verfahren das Erhöhen einer Lastkapazität der schaltbaren Kapazitätsschaltung, was das Einschalten von zumindest einer aus einer Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst, wobei jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen einen ersten Halbleiterschaltschaltkreis und eine Kapazitätsschaltung mit einem ersten Anschluss, der mit dem ersten Halbleiterschaltschaltkreis verbunden ist, umfasst, und ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen innerhalb einer ersten Toleranz eines Widerstands des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen liegt, und eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle innerhalb einer zweiten Toleranz einer Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle liegt, und das Einschalten das Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen und das Verringern der Lastkapazität der schaltbaren Kapazitätsschaltung umfasst, was das Abschalten zumindest einer der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst, wobei das Abschalten das Deaktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst.
Gegebenenfalls umfasst das Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen ferner das Aktivieren einer Vielzahl von Halbleiterschaltungen, die in Reihe geschaltet sind.
Ferner umfasst gegebenenfalls jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen einen zweiten Halbleiterschaltschaltkreis, der mit einem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, und das Einschalten umfasst ferner das Aktivieren des zweiten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen.
Gemäß einem Aspekt umfasst jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen ferner einen Überbrückungsschalter, der ein Ende, das mit dem ersten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit dem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, aufweist und wobei das Verfahren ferner das Überbrücken der schaltbaren Kapazitätsschaltung umfasst, wobei das Überbrücken das Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises, des zweiten Halbleiterschaltschaltkreises und des Überbrückungsschalters für zumindest eine der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst.
Das beanspruchte Verfahren kann ferner das Anlegen eines Hochfrequenz-(HF-)Signals an die schaltbare Kapazitätsschaltung umfassen.
Ferner kann das Verfahren das Verbinden der schaltbaren Kapazitätsschaltung mit einer Antenne und das Abstimmen der Antenne durch Erhöhen und Verringern der Lastkapazität der schaltbaren Kapazitätsschaltung umfassen.
Ferner kann das Verfahren das Empfangen eines Befehls von einer digitalen Schnittstelle und das Dekodieren des Befehls umfassen, wobei das Erhöhen und Verringern der Lastkapazität ferner das selektive Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen gemäß dem dekodierten Befehl umfasst.
Gegebenenfalls sind die erste Toleranz und die zweite Toleranz geringer als 1%.
Einige Ausführungsformen betreffen eine abstimmbare Hochfrequenz-(HF-)Schaltung, die ein Halbleitersubstrat und eine Vielzahl von auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Kapazitätsschaltzellen umfasst, wobei jede der Kapazitätsschaltzellen eine Kapazitätsschaltung, einen ersten Halbleiterschaltschaltkreis, der zwischen ein erstes Ende der Kapazitätsschaltung und einem ersten Ausgangsanschluss der HF-Schaltung geschaltet ist, und einen zweiten Halbleiterschaltschaltkreis, der zwischen ein zweites Ende der Kapazitätsschaltung und einem zweiten Ausgangsanschluss der HF-Schaltung geschaltet ist, umfasst, wobei ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen innerhalb einer ersten Toleranz eines Widerstands des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen liegt und eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle innerhalb einer zweiten Toleranz einer Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle liegt.
Gegebenenfalls umfasst der erste Halbleiterschaltschaltkreis eine Vielzahl von ersten Transistoren, die in Reihe geschaltet sind, und der zweite Halbleiterschaltschaltkreis umfasst eine Vielzahl von zweiten Transistoren, die in Reihe geschaltet sind.
Ferner umfasst gegebenenfalls jeder der Vielzahl von ersten Transistoren und jeder der Vielzahl von zweiten Transistoren einen MOS-Transistor und einen Widerstand, der mit einem Gate des MOS-Transistors in Reihe geschaltet ist.
Die HF-Schaltung kann ferner eine erste Ausgangskontaktstelle, die mit dem ersten Ausgangsanschluss der HF-Schaltung verbunden ist, und eine zweite Ausgangskontaktstelle, die mit dem zweiten Ausgangsanschluss der HF-Schaltung verbunden ist, umfassen.
Gegebenenfalls umfasst jede Kapazitätsschaltzelle einen dritten Halbleiterschaltschaltkreis, der zwischen das erste Ende und das zweite Ende der Kapazitätsschaltung geschaltet ist.
Ferner umfasst die Kapazitätsschaltung gegebenenfalls einen Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Kondensator, und der dritte Halbleiterschaltschaltkreis ist unter dem MIM-Kondensator angeordnet.
Gegebenenfalls sind die erste Toleranz und die zweite Toleranz geringer als 1%.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine schaltbare Kapazitätsschaltung eine Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen auf, die jeweils einen ersten Halbleiterschaltschaltkreis und eine Kapazitätsschaltung mit einem ersten Anschluss, der mit dem ersten Halbleiterschaltschaltkreis verbunden ist, aufweisen. Ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen liegt innerhalb einer ersten Toleranz eines Widerstands des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen, und eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle liegt innerhalb einer zweiten Toleranz einer Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICNUNGEN
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die nachfolgenden Beschreibungen zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
1a–c schematische Darstellungen und ein entsprechendes Leistungsverhaltensdiagramm einer herkömmlichen digital abstimmbaren Kapazität zeigen;
2a–c schematische Darstellungen und ein entsprechendes Leistungsverhaltensdiagramm einer herkömmlichen digital abstimmbaren Kapazität zeigen;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer digital abstimmbaren Kapazität zeigt;
4a–b eine schematische Darstellung und einen entsprechenden Querschnitt einer digital abstimmbaren Kapazität mit einem Überbrückungsschalter zeigen;
5 eine weitere Ausführungsform einer digital abstimmbaren Kapazität mit einem Überbrückungsschalter zeigt;
6 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer integrierten Schaltung zeigt;
7a–e eine Ausführungsform von Anpassungsschaltungen und zugeordnete Smith-Diagramme zeigen; und
8 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zeigt.
Einander entsprechende Zahlen und Symbole in unterschiedlichen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf einander entsprechende Teile, sofern nicht anders angegeben ist. Die Figuren sind so gezeichnet, dass sie die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen klar zeigen, und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Um bestimmte Ausführungsformen klarer darzustellen kann ein Buchstabe, der Variationen der gleichen Struktur, des gleichen Materials oder des gleichen Verfahrensschritts angibt, auf eine Figurennummer folgen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Herstellung und Verwendung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen sind nachstehend im Detail erläutert. Es gilt jedoch anzumerken, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in eine Vielzahl von spezifischen Kontexten umgesetzt werden können. Die erläuterten spezifischen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung bestimmter Wege zur Herstellung und Verwendung der Erfindung und nicht zur Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen in einem bestimmten Kontext, System und Verfahren für eine schaltbare Kapazität beschrieben, die in HF-Schaltungen eingesetzt werden kann, um Antennen, Anpassungsnetzwerke und Filter abstimmbar zu machen. Die Erfindung kann auch in anderen Systemen und Anwendungen eingesetzt werden, die andere Schaltungen umfassen, in denen eine programmierbare Kapazität, wie z. B. digital abstimmbare Oszillatoren, verwendet werden, um einen weiten Ausgabefrequenzbereich zu ermöglichen, und Ladungspumpen, um einen Betrieb mit variabler Frequenz zu ermöglichen.
1a zeigt eine herkömmliche digital abstimmbare Kondensatorschaltung 100, die binär gewichtete Kapazitäten 104, 106, 108, 110 und 112 aufweist, von denen jede mit Serienschaltern 120, 122, 124, 126 bzw. 128 verbunden ist. Die Werte der Kapazitäten 104, 106, 108, 110 und 112 sind 8 pF, 4 pF, 2 pF, 1 pF bzw. 0,5 pF. Jeder der Kondensatoren 104, 106, 108, 110 und 112 ist mit einer Ausgangskontaktstelle 102 sowie einem Schutztransistor 113 vor elektrostatischer Entladung (ESD) verbunden. Die an der Ausgangskontaktstelle 102 vorhandene Kapazitätsmenge ist unter Verwendung von digitalen Signalen D4, D3, D2, D1 und D0 steuerbar. Wenn beispielsweise das Signal D3 logisch eins ist, wodurch der Serienschalter 122 eingeschaltet wird, und die Signale D4, D2, D1 und D0 logisch null sind, wodurch die Schalter 120, 124, 126 und 128 abgeschaltet werden, dann beträgt die an der Kontaktstelle 102 gesehene kapazitive Last etwa 4 pF. Desgleichen ist, wenn alle Signale D3, D2, D1 und D0 logisch eins sind, die von der Ausgangskontaktstelle 102 gesehene kapazitive Last etwa 15,5 pF.
Viele Systeme, die digital abstimmbare Kondensatoren verwenden, können digital höheren Spannungen am abstimmbaren Kondensator ausgesetzt sein. Ein Beispiel dafür ist die Antennenschnittstelle eines Mobiltelefons. Beispielsweise kann der Sender des Mobiltelefons eine Leistung von etwa 33 dBm an 50 Ohm ausgeben, was einer Spannung von etwa 20 V entspricht. An der Antennenschnittstelle kann es jedoch Impedanzen geben, die weit über 50 Ohm liegen, wodurch vorübergehende Spannungen im Bereich von 50 V bis 60 V erzeugt werden. Da Vorrichtungen in vielen Halbleiterprozessen nur Spannungen im Bereich von 10 V standhalten können, werden Vorrichtungen gestapelt, um Durchbruch und Zerstörung der Vorrichtung zu verhindern. Wie dargestellt ist jeder der Kondensatoren 104, 106, 108, 110 und 112 unter Verwendung einer Reihenkombination von Kondensatoren umgesetzt. Desgleichen ist jeder der Serienschalter 120, 122, 124, 126 und 128 unter Verwendung von in Reihe geschalteten Transistoren 116 umgesetzt, von denen jeder einen Widerstand 118 aufweist, der mit seinem Gate in Reihe geschaltet ist. Widerstände 118 halten die Gate-Impedanz hoch genug, um die HF-Impedanz der Kondensator-Schalter-Kombination nicht zu beeinflussen.
Ein wichtiger Gütefaktor für einen Kondensator ist der Q-Faktor, der als Q = Im(Z) / Re(Z) definiert ist, wobei Z die komplexe Impedanz des kapazitiven Elements ist, Im(Z) der Imaginärteil der Impedanz ist und Re(Z) der Realteil der Impedanz ist. Im Falle eines Kondensators, der mit einem Schalter in Reihe geschaltet ist, kann die folgende Approximation durchgeführt werden: Im(Z) = Im( 1 / jωC) = 1 / ωC, Re(Z) = Ron, wobei C der Wert der Kapazität ist, Ron der Eingeschaltet-Widerstand des Schalters ist und ω die Winkelfrequenz ist. Daher kann Q des Kondensators wie folgt ausgedrückt werden:
Wie aus dem obigen zu sehen ist wird der Q-Faktor besser wenn C oder Ron abnimmt. Daher ist der Q-Faktor umso niedriger, je mehr in Reihe geschaltete Vorrichtungen vorhanden sind.
1b zeigt ein Diagramm 130 des Q-Faktors über die effektive Kapazität für eine binär gewichtete 5-Bit-Schaltkondensatoranordnung. Wie dargestellt variiert der Q-Faktor deutlich über die Ausgangskapazität CEFF. Beispielsweise ist der Q-Faktor bei Punkt 132 entsprechend einer Kapazität von etwa 12 pF, während der Q-Faktor bei Punkt 134, der einer Kapazität von etwa 12,5 pF entspricht, etwa 19 ist. Diese Schwankung des Q-Faktors ist auf Schwankungen im Verhältnis zwischen C und Ron für jeden Zweig zurückzuführen. Wenn der Q-Faktor konstanter gemacht würde, indem das Verhältnis zwischen C und Ron für jeden Zweig ausgeglichen würde, würden anderen Probleme auftreten. Beispielsweise wäre ein sehr breiter Niedrig-Widerstandsschalter für den höchsten Kondensator notwendig, und ein sehr kleiner und/oder langer und schmaler Transistor wäre für die kleineren Transistoren notwendig. Dieser Unterschied in den Schalterabmessungen würde insgesamt mehr Fläche auf dem Chip einnehmen und könnte Probleme in Zusammenhang mit der Stromverteilung verursachen. Schalter mit mehreren hochohmigen Transistoren in Reihe können Probleme beim vollständigen Einschalten haben, und die Einschaltdauer kann zwischen Zweigen unterschiedlicher Kondensatorgrößen und Schalterwiderständen stark variieren.
1c veranschaulicht die Wirkung einer Wechselspannung von 60 V, die an einen Schalter 154 mit 8 pF einer in Reihe geschalteten Kapazität 152 angelegt ist. Das Diagramm 150 zeigt den Fall, wenn der Schalter 154 eingeschaltet ist, und das Diagramm 158 zeigt den Fall, wenn der Schalter 154 ausgeschaltet ist. Wie dargestellt ist, wenn der Schalter 154 eingeschaltet ist, etwa 0 V Wechselspannung an den Schalter 154 angelegt, und die gesamte Wechselspannung von 60 V wird vom Kondensator 152 gesehen. Wenn der Schalter 154 ausgeschaltet ist, liegen jedoch etwa 0,1 V an der Kapazität 152 und über die kapazitive Kopplung etwa 59,9 V am Schalter 154 an. Obwohl der Schalter 154 nicht mit der angelegten Spannung gleichspannungsgekoppelt ist, muss der Schalter 154 aufgrund der über die Kapazität 152 gekoppelte Spannung immer noch fast dem gesamten angelegten Spannungshub standhalten.
2a veranschaulicht eine digital abstimmbare Kondensatorschaltung 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die gleich gewichtete Kapazitätsschaltzellen 204 aufweist, die mit einer Ausgangskontaktstelle 102 verbunden sind. Jede Schaltung 204 weist eine Kapazität 224 auf, die mit einem Schalterstromkreis 220 in Reihe geschaltet ist. Im veranschaulichten Beispiel ist die Kapazität 224 etwa 0.5 pF, die von einer Reihenkombination von Kondensatoren gebildet wird. In einem Beispiel wird die Kapazität 224 durch Verbindung von fünf Kondensatoren mit 2.5 pF in Reihe gebildet, um eine äquivalente Kapazität von 0.5 pF zu erhalten. Alternativ dazu können, in Abhängigkeit vom jeweiligen System und seinen Spezifikationen, mehr oder weniger Kondensatoren in Reihe geschaltet werden. In manchen Ausführungsformen kann eine einzelne Kapazität verwendet werden. Der Schalter 220 wird durch eine Reihenkombination von Transistoren 212 gebildet, die jeweils Widerstände 210 in Reihe mit dem Gate geschaltet aufweisen. Wie oben erläutert hält dieser Reihenwiderstand die Gate-Impedanz hoch genug, dass die HF-Impedanz der Kondensator-Schalter-Kombination 204 nicht beeinflusst wird.
Die Transistoren 212 können beispielsweise unter Verwendung von CMOS-Schalttransistoren umgesetzt werden. Wie dargestellt werden NMOS-Transistoren verwendet, aber PMOS-Transistoren oder CMOS-Übertragungsgates, die sowohl einen PMOS-Transistor als auch einen NMOS-Transistor parallel geschaltet aufweisen, können ebenfalls eingesetzt werden. In alternativen Ausführungsformen können andere Transistorarten eingesetzt werden, einschließlich, nicht jedoch eingeschränkt auf, Bipolartransistoren und JFETs. Die Kondensatoren in der Kapazität 224 können unter Verwendung von Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Kondensatoren umgesetzt werden. Jede Kapazität 224 kann eine Vielzahl von Kondensatoren aufweisen, die in Reihe geschaltet sind. In alternativen Ausführungsformen kann ein einzelner Kondensator verwendet werden, beispielsweise in Ausführungsformen in denen ein einzelner Kondensator dem maximal angelegten Wechselstromspannungshub standhalten kann.
In einer Ausführungsform kann jede Kondensator-Schalter-Kombination 204 unter Verwendung eines thermometerkodierten Aktivierungsverfahrens über entsprechende Steuerleitungen S1, S2, S3, S4 und Sn aktiviert oder deaktiviert werden. Wenn beispielsweise 2,5 pF Kapazität erforderlich sind, werden vier Schalter aktiviert. Wenn andererseits nur 0,5 pF erforderlich sind, wird nur ein Schalter aktiviert.
Die Kapazität-Schalter-Kombination 204 wird unter Verwendung einer gleich angepassten Zelle konstruiert. Mit anderen Worten werden die Anzahl an in Reihe geschalteten Bauteilen und die Geometrie der jeweiligen Bauteile so gewählt, dass sie gleich sind. Unter Verwendung der gleichen Geometrien und Werte kann der Q-Faktor über den angelegten, digital selektiven Kapazitätswert konstanter gehalten werden. Außerdem ist die Schaltdauer aller Kondensator-Schalter-Kombinationen 204 ebenfalls etwa gleich. Es versteht sich, dass in manchen alternativen Ausführungsformen manche der Zellen unter Verwendung unterschiedlicher Werte und Geometrien umgesetzt werden können, beispielsweise zur Kalibrierung und/oder um eine Feinabstimmung der Ausgangskapazitätswerte bereitzustellen. In manchen Ausführungsformen liegt der Widerstand der Schalter 220 innerhalb einer ersten Toleranz zueinander, und die Kapazität der Kondensatoren 224 liegt innerhalb einer zweiten Toleranz zueinander. In manchen Fällen können die erste und zweite Toleranz weniger als 10% oder weniger als 5% betragen. Alternativ dazu können die erste und zweite Toleranz weniger als 1% betragen und/oder so gewählt sein, dass die Widerstände der Schalter 220 im Wesentlichen gleich zueinander sind und die Kapazitäten der Kondensatoren 224 im Wesentlichen gleich zueinander sind.
2b zeigt ein Diagramm eines Q-Faktors über einem Ausgangskapazitätswert, der bei 800 MHz für eine Ausführungsform mit 40 Kapazität-Schalter-Zellen mit jeweils etwa 0,4 pF gemessen wurde. Wie dargestellt ist der Q-Faktor etwa 25 oder höher, und die Kurve der Q-Faktoren über der Kapazität verläuft stetig und im Wesentlichen monoton. Bei Kapazitäten über etwa 3 pF ist der Q-Faktor relativ flach in Bezug auf die Kapazität. Bei niedrigeren Kapazitäten ist der Q-Faktor aufgrund niedrigerer Kapazitätswerte und weil die parasitäre Kapazität der Schalter beginnt, die Kapazität zu dominieren, höher.
2c zeigt die Wirkung einer Wechselspannung von 60 V, die an eine Ausführungsform eines Schalters 220 mit 0,5 pF eines in Reihe geschalteten äquivalenten Kondensators 224 angelegt ist. Die Kapazität-Schalter-Kombination 250 zeigt den Fall, wenn der Schalter 220 eingeschaltet ist, und die Kapazität-Schalter-Kombination 252 zeigt den Fall, wenn der Schalter 220 ausgeschaltet ist. Wie dargestellt ist, wenn der Schalter 220 eingeschaltet ist, etwa 0 V Wechselspannung an den Schalter 220 angelegt, und die gesamte Wechselspannung von 60 V wird von dem Kondensator 224 gesehen. Wenn der Schalter 220 ausgeschaltet ist, liegen jedoch etwa 5,5 V am Kondensator 224 an und über die kapazitive Kopplung etwa 54,4 V am Schalter 220. Die parasitäre Kapazität Coff beträgt in diesem Beispiel etwa 50 fF. Die 54,5 V, die am Schalter 220 anliegen, sind weniger als die 59,9 V, die am Schalter 154 anliegen (1c), weil die Kapazität 224 eine niedrigere Kapazität (0,5 pF) aufweist als die Kapazität 152 (8 pF), wodurch weniger kapazitive Kopplung der angelegten Spannung verursacht wird, wenn der Schalter 220 ausgeschaltet ist. In manchen Ausführungsformen müssen aufgrund der Verwendung einer niedrigeren Reihenkapazität weniger Transistoren in Reihe geschaltet werden, um der gekoppelten angelegten Spannung standzuhalten.
3 zeigt eine Ausführungsform einer digital abstimmbaren Kondensatorschaltung 300 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt weist jede Kapazitätsschaltzelle 302 eine Kapazität 306 auf, die zwischen die Schaltkreise 308 und 310 geschaltet ist. Durch Koppeln der Kapazität 306 zwischen den Schaltern 308 und 310 kann den Kondensatoren innerhalb der Kapazitätsschaltung 306 über Schalter 310 ESD-Schutz bereitgestellt werden. Wenn ein ESD-Impuls an Kontaktstellen 102 und/oder 103 angelegt wird, werden parasitäre NPN-Transistoren innerhalb der Transistoren in Gegenwart einer hohen Spannung aktiviert. In einem Beispiel leitet, wenn eine positive ESD-Spannung an die Kontaktstellen 102 und 103 angelegt wird, ein Lawinendurchbruch innerhalb der Transistoren 212 ESD-Strom zum Substrat um. Wird andererseits eine negative ESD-Spannung angelegt, werden die Diodenübergänge, die durch die Source/Drain-Regionen und die Wanne und/oder das Substrat gebildet werden, in Durchlassrichtung vorgespannt. In manchen Ausführungsformen reicht der durch die Transistoren 212 bereitgestellte ESD-Schutz aus, um die Kondensatoren 306 zu schützen, und es ist keine weitere ESD-Schutzschaltung notwendig.
4a zeigt eine Ausführungsform einer digital abstimmbaren Kondensatorschaltung 320 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ähnliche wie in 3 weist jede Kapazitätsschaltzelle 322 eine Kapazität 306 auf, die zwischen die Schaltkreise 308 und 310 geschaltet ist. Außerdem weist die Kapazitätsschaltzelle 322 einen Überbrückungsschalter 325 auf, der mit der Kapazität 306 parallel geschaltet ist, die zum Betreiben der digital abstimmbaren Kondensatorschaltung 320 im Überbrückungsmodus verwendet werden kann. In manchen Ausführungsformen kann ein Überbrückungsmodus verwendet werden, um den erforderlichen Abstimmbereich zu reduzieren. Beispielsweise würde anstatt des Anlegens einer sehr hohen Kapazität (z. B. 15 pF in 2 GHz), was keine starke Anpassungswirkung hat, das Überbrücken der Kapazität eine ähnliche Wirkung haben. So kann der Abstimmbereich auf kleinere Kapazitätswerte reduziert werden, beispielsweise zwischen etwa 0.5 pF und etwa 5 pF. Folglich weist eine digital abstimmbare Kapazitätsschaltung 320 aufgrund der niedrigeren Kapazitätswerte im Allgemeinen einen verbesserten Q-Faktor auf. Außerdem können Schalttransistoren wiederverwendet werden, die beispielsweise eine sehr hohe Transistorbreite und einen niedrigen Ron aufweisen. Die digital abstimmbare Kondensatorschaltung 320 kann auch bei einer bandselektiven Schaltung eingesetzt werden. In manchen Ausführungsformen kann das Überbrücken der Kapazität verwendet werden, um LC-Resonanzen mit hoher Frequenz zu vermeiden, wenn das System, das eine digital abstimmbare Kondensatorschaltung 320 verwendet, bei niedrigeren Frequenzen arbeitet.
4b zeigt eine Querschnittsansicht 350 einer integrierten Schaltung, die verwendet werden kann, um eine Ausführungsform einer digital abstimmbaren Kondensatorschaltung umzusetzen. Ein MIM-Kondensator wird unter Verwendung von Metallisierungsschichten 352 und 354 umgesetzt, dessen Bodenplatte über Schalttransistoren 356 und 358 mit einer Kontaktstelle 102 verbunden ist, und dessen Deckplatte über Schalttransistoren 362 und 364 mit einer Kontaktstelle 103 verbunden ist. In alternativen Ausführungsformen können andere Kondensatorstrukturen neben einer MIM-Kappengekoppelten Platte verwendet werden. Beispielsweise kann ein Kondensator mit Platten aus einer oder mehreren Polysiliciumschichten oder anderen Schichten verwendet werden. Ein Überbrückungsschalttransistor 360 kann unter der MIM-Kappe angeordnet sein. In manchen Ausführungsformen kann die parasitäre Kapazität Coff des Überbrückungsschalttransistors 360, wenn der Transistor abgeschaltet ist, zur Ergänzung der Kapazität der MIM-Kappe eingesetzt werden, wodurch die Chipfläche verringert wird, die zur Umsetzung eines bestimmten Kapazitätswerts erforderlich ist. Jeder Schalttransistor 356, 358, 360, 263 und 364 ist als NMOS-Transistor mit n+ Source/Drain-Regionen in p-Wannen in einem p-Substrat 370 dargestellt. Verbindungen zwischen Bauteilen sind der Einfachheit halber so dargestellt, dass sie durch einfache Drähte verbunden sind. Es versteht sich jedoch, dass die Zwischenverbindung unter Verwendung von Durchkontaktierungen und verschiedenen Metall- und Polysiliciumschichten, wie sie auf dem Gebiet der Erfindung bekannt sind, umgesetzt werden kann. In alternativen Ausführungsformen können die MIM-Kondensatoren und Schalttransistoren auf andere Weise umgesetzt werden, und sie können in unterschiedlichen Prozessen umgesetzt werden. Beispielsweise können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einem Silicium-auf-Isolator-(SOI-)Prozess, einem Prozess mit einem Substrat vom n-Typ, oder in einem anderen Prozesstyp umgesetzt werden.
5 zeigt eine Ausführungsform einer digital abstimmbaren Kondensatorschaltung 380, die in Reihe geschaltete Kondensatoren 390 aufweist, die in Blöcken 382 und 384 individuell überbrückt werden. Durch selektives Überbrücken der Kondensatoren 390 und 392 kann die Kapazität von Schaltkapazitätsblöcken 381 weiter individuell angepasst werden. So kann eine Kapazitätsabstimmung mit feinerer Auflösung erreicht werden, während hohe Q-Faktoren aufrecht erhalten bleiben. In manchen Ausführungsformen können die Blöcke 382 und 384 zur Kalibrierung der Kapazität in Bezug auf eine Eingabewortbeziehung der digital abstimmbaren Kondensatorschaltung 380 verwendet werden. Solche eine Kalibrierung kann beispielsweise verwendet werden, um Fehler aufgrund von geometrischer Fehlanpassung anzupassen oder Prozessfehler zu korrigieren.
6 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer integrierten Schaltung 400, die eine schaltbare Kondensatorschaltung 402, einen digitalen Dekodierer 404, einen integrierten Spannungsregler 430 und eine Ladungspumpe 432 für die Schalttransistoren und die digitale Schnittstelle 406 aufweist. In einer Ausführungsform kann die schaltbare Kondensatorschaltung 402 gemäß den oben beschriebenen digital abstimmbaren Kapazitäten ausgeführt sein und beispielsweise über elektrische Anschlussstifte 420 und 422 mit externen HF-Schaltungen verbunden sein. Die digitale Schnittstelle 406 ist als serielle Schnittstelle mit einem Taktanschlussstift 424 und dem Datenanschluss 426 umgesetzt dargestellt. Die serielle Schnittstelle kann beispielsweise unter Verwendung einer SPI-Schnittstelle und I2C-Schnittstelle, MIPI/RFFE oder eine andere auf dem Gebiet der Erfindung bekannte serielle Schnittstelle umgesetzt sein. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die digitale Schnittstelle 406 auch unter Verwendung einer parallelen Schnittstelle umgesetzt sein.
Der Dekodierer 404, der mit einem Ausgang der digitalen Schnittstelle 406 verbunden ist, wandelt einen gewünschten Satz von Kapazitätswerten von der digitalen Schnittstelle 406 in thermometerkodierte Steuersignale um, die zur Selektion der Kondensatorschaltzweige innerhalb der schaltbaren Kondensatorschaltung 402 verwendet werden können. In manchen Ausführungsformen kann der Dekodierer 404 auch Steuersignale bereitstellen, die kalibrierte Werte sowie die Aktivierung und Deaktivierung verschiedener Überbrückungsmodi berücksichtigen. In einigen Ausführungsformen kann die integrierte Schaltung 400 in verschiedenen Gehäusen eingehäust sein. In auf HF-Schaltungen ausgerichteten Ausführungsformen können Gehäuse verwendet werden, die für Hochfrequenzbetrieb geeignet sind. In manchen Ausführungsformen kann die integrierte Schaltung 400 direkt auf eine Leiterplatte Kontakthöcker-gebondet sein, um die Induktivität der Verdrahtung und andere parasitäre Elemente zu verringern.
7 zeigt ein Antennenanpassungssystem 500 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System 500 weist einen HF-Sender/Empfänger 502 auf, der über ein Anpassungsnetzwerk 510 mit einer Antenne 508 verbunden ist, das zumindest eine Ausführungsform einer schaltbaren Kondensatorschaltung aufweist. In einigen Ausführungsformen kann das Anpassungsnetzwerk 510 eine induktive Impedanz der Antenne 508 in eine weniger induktive und/oder reelle Impedanz umwandeln, beispielsweise 50 Ω. Der HF-Sender/Empfänger 502 kann ein HF-Empfangsteil eines Mobiltelefons, WLAN-Sendeempfängers oder ein anderes HF-Empfangsteil sein. In manchen Ausführungsformen ist das Anpassungsnetzwerk 510 zwischen gesendeten und/oder empfangenen Datenrahmen eingestellt, um den HF-Sender/Empfänger 502 während des Betriebs des HF-Systems adaptiv an die Antenne 508 anzupassen.
7b zeigt ein Smith-Diagramm 520, welches das Prinzip der Anpassung einer induktiven Impedanz, wie z. B. einer Antenne, zeigt. Wie dargestellt stellt die Zone 522 einen Bereich von Induktivität dar, die in einer bestimmten Antenne auftreten können, und Punkt 523 in der Zone 522 stellt die induktive Impedanz einer Antenne bei einer bestimmten Betriebsfrequenz dar. Die Bahn 524 stellt den Ort von Impedanzen als Werte einer Reihenkapazität dar. Bei einer bestimmten Kapazität erreicht die Bahn 524 das Zentrum des Smith-Diagramms 520, das eine reelle oder angepasste Impedanz darstellt. Der Mittelpunkt des Smith-Diagramms 510 kann eine 50 Ω- oder andere charakteristische Impedanz darstellen, je nach System und seinen Spezifikationen.
7c und 7d zeigen Beispiele für Anpassungsnetzwerke, die zur Anpassung einer induktiven Antenne verwendet werden können, die als Induktivität 538 dargestellt ist. In 7c ist ein PI-Netzwerk 530 dargestellt, das eine Ausführungsform von digital abstimmbaren Kapazitäten 532, 534 und 536 aufweist. In manchen Ausführungsformen sind alle Kapazitäten 532, 534 und 536 unter Verwendung von Ausführungsformen eines abstimmbaren Kondensators, wie sie oben beschrieben ist, umgesetzt. Alternativ dazu können eine oder mehrere Kapazitäten 532, 534 und 536 unter Verwendung einer fixen Kapazität umgesetzt sein. 7d zeigt ein PI-Netzwerk 540, das Ausführungsformen von digital abstimmbaren Kondensatoren 542 und 546 und eine Induktivität 544 aufweist. In manchen Ausführungsformen kann entweder der Kondensator 542 oder der Kondensator 546 unter Verwendung einer fixen Kapazität umgesetzt sein, die von den jeweiligen Ausführungsformen und ihren Spezifikationen abhängt.
Alternativ dazu können Ausführungsformen von digital abstimmbaren Kapazitätsschaltungen für andere Anpassungsnetzwerke und Topologien, wie sie auf dem Gebiet der Erfindung bekannt sind, eingesetzt werden. 7e zeigt eine Reihe von Anpassungstopologien und zugehörige Smith-Diagramme mit gefüllten Bereichen, die anpassbare Impedanzen darstellen. Kapazitive Elemente 550, die in den Netzwerken a, b, d, f, g und i dargestellt sind, können unter Verwendung von Ausführungsformen von digital abstimmbaren Kapazitätsschaltungen umgesetzt sein. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen aus 7a–e lediglich einige wenige Ausführungsbeispiele von Anwendungen sind, in denen die Ausführungsformen von digital abstimmbaren Kapazitäten eingesetzt werden können. Ausführungsformen von digital adressierbaren Kapazitäten können beispielsweise auch in Systemen verwendet werden, die andere Anpassungsnetzwerke, abstimmbare Filter und dergleichen umfassen, nicht jedoch darauf eingeschränkt sind.
8 zeigt ein Verfahren 600 zum Betreiben einer Ausführungsform einer digital adressierbaren Kapazität. In Schritt 602 wird eine digitale Einstellung an einer digitalen Schnittstelle empfangen. Diese digitale Einstellung kann beispielsweise von einer seriellen Schnittstelle, einer parallelen Schnittstelle oder einer anderen digitalen Schnittstelle empfangen werden. Die digitale Einstellung kann unter Verwendung eines Codes adressiert werden, welcher der jeweiligen Kapazität entspricht, oder sie kann unter Verwendung eines Codes adressiert werden, der einer Kapazitätsdifferenz entspricht. Die empfangene digitale Einstellung kann einen Befehl umfassen, eine Kapazität zu erhöhen und/oder die Kapazität zu verringern. In manchen Ausführungsformen kann die empfangene digitale Einstellung in einem Digitalwort oder -rahmen enthalten sein, das/der weitere Informationen umfasst, beispielsweise Konfigurationsdaten, Testdaten oder andere Systembefehle, wie z. B. Befehle zur Anforderung, dass die digital adressierbare Kapazität in einen Überbrückungsmodus gesetzt wird.
In Schritt 604 wird die empfangene digitale Einstellung dekodiert. In manchen Ausführungsformen kann ein digitaler Dekodierer verwendet werden, wie er auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist. Beispielsweise kann eine digitale Schaltung konfiguriert werden, die zur Erstellung eines Thermometercodes basierend auf einem Eingabedigitalwort konfiguriert ist. Dies kann beispielsweise unter Verwendung einer Referenztabelle, einer benutzerdefinierten digitalen Logik oder eines in einem Speicher gespeicherten Werts umgesetzt werden. In Schritt 606 werden Schalttransistoren innerhalb der Kapazitätsschaltzelle basierend auf der dekodierten digitalen Einstellung aktiviert und/oder deaktiviert.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine schaltbare Kapazitätsschaltung eine Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen auf, die jeweils einen ersten Halbleiterschaltschaltkreis und eine Kapazitätsschaltung mit einem ersten Anschluss, der mit dem ersten Halbleiterschaltschaltkreis verbunden ist, aufweisen. Ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen liegt innerhalb einer ersten Toleranz eines Widerstands des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen, und eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle liegt innerhalb einer zweiten Toleranz einer Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle. In manchen Ausführungsformen umfasst der Halbleiterschaltschaltkreis eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern, und die Kapazitätsschaltung umfasst eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren. Jeder der Vielzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschalter kann einen Transistor mit einem Widerstand aufweisen, der mit einem Gate des Transistors in Reihe geschaltet ist.
In manchen Ausführungsformen einer schaltbaren Kapazitätsschaltung sind die erste Toleranz und die zweite Toleranz geringer als 1%, und in manchen Ausführungsformen ist der Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen im Wesentlichen gleich wie ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen, und eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle ist im Wesentlichen gleich wie eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle.
In einer Ausführungsform ist die Anzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern größer als oder gleich groß wie die maximal erwartete Betriebsspannung der schaltbaren Kapazitätsschaltung dividiert durch die maximal erwartete Betriebsspannung von einem der Halbleiterschalter, und die Anzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren ist größer als oder gleich groß wie die maximal erwartete Betriebsspannung der schaltbaren Kapazitätsschaltung dividiert durch die maximal erwartete Betriebsspannung von einem der in Reihe geschalteten Kondensatoren. In manchen Fällen kann die maximal erwartete Betriebsspannung größer als 50 V sein.
In einer Ausführungsform weist jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen ferner einen zweiten Halbleiterschaltschaltkreis auf, der mit einem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist. Die schaltbare Kapazitätsschaltung kann ferner einen dritten Halbleiterschaltschaltkreis aufweisen, der ein erstes Ende, das mit dem ersten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, und ein zweites Ende aufweist, das mit dem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist. Die Kapazitätsschaltung kann einen Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Kondensator aufweisen, und der erste Halbleiterschaltschaltkreis kann unter dem MIM-Kondensator angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben einer schaltbaren Kapazitätsschaltung das Erhöhen einer Lastkapazität der schaltbaren Kapazitätsschaltung und das Verringern der Lastkapazität der schaltbaren Kapazitätsschaltung. Das Erhöhen der Lastkapazität umfasst das Einschalten zumindest einer von einer Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen. Jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst einen ersten Halbleiterschaltschaltkreis und eine Kapazitätsschaltung, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem ersten Halbleiterschaltschaltkreis verbunden ist. Ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen liegt innerhalb einer ersten Toleranz eines Widerstands des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen, und eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle liegt innerhalb einer zweiten Toleranz einer Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle. In einer Ausführungsform umfasst das Einschalten das Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen. Das Verringern einer Lastkapazität der schaltbaren Kapazitätsschaltung, andererseits, umfasst das Abschalten der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen, wobei das Abschalten das Deaktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst.
In manchen Verfahrensausführungsformen sind die erste Toleranz und die zweite Toleranz geringer als 1%, und in manchen Ausführungsformen ist ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen im Wesentlichen gleich wie ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen, und die Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle ist im Wesentlichen gleich wie eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle.
In einer Ausführungsform umfasst das Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen ferner das Aktivieren einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschalter. In manchen Fällen weist jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen ferner einen zweiten Halbleiterschaltschaltkreis auf, der mit einem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, und das Einschalten umfasst ferner das Aktivieren des zweiten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen.
Jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen kann ferner einen Überbrückungsschalter mit einem ersten Ende, das mit dem ersten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, und einem zweiten Ende, das mit dem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, umfassen, und das Verfahren kann ferner das Überbrücken der schaltbaren Kapazitätsschaltung durch Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises, des zweiten Halbleiterschaltschaltkreises und des Überbrückungsschalters für zumindest eine der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfassen.
In einer Ausführungsform kann das Verfahren ferner das Anlegen eines Hochfrequenz-(HF-)Signals an die schaltbare Kapazitätsschaltung und/oder das Verbinden der schaltbaren Kapazitätsschaltung mit einer Antenne und Abstimmen der Antenne durch Erhöhen und Verringern der Lastkapazität der schaltbaren Kapazitätsschaltung umfassen. In weiteren Ausführungsformen kann das Verfahren das Empfangen eines Befehls von einer digitalen Schnittstelle und das Dekodieren des Befehls umfassen, sodass das Erhöhen und Verringern der Lastkapazität ferner das selektive Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen gemäß dem dekodierten Befehl umfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine abstimmbare Hochfrequenz-(HF-)Schaltung ein Halbleitersubstrat und eine Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen auf, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind. Jede Kapazitätsschaltzelle weist eine Kapazitätsschaltung, einen ersten Halbleiterschaltschaltkreis, der zwischen ein erstes Ende der Kapazitätsschaltung und einen ersten Ausgangsanschluss der HF-Schaltung geschaltet ist, und einen zweiten Halbleiterschaltschaltkreis, der zwischen ein zweites Ende der Kapazitätsschaltung und einen zweiten Ausgangsanschluss der HF-Schaltung geschaltet ist, auf. Ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen liegt innerhalb einer ersten Toleranz eines Widerstands des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen, und eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle liegt innerhalb einer zweiten Toleranz einer Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle.
In manchen Ausführungsformen von HF-Schaltungen sind die erste Toleranz und die zweite Toleranz geringer als 1%, und in manchen Ausführungsformen ist ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen im Wesentlichen gleich wie ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen, und die Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle ist im Wesentlichen gleich wie eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle.
In einer Ausführungsform weist der erste Halbleiterschaltschaltkreis eine Vielzahl von ersten Transistoren auf, die in Reihe geschaltet sind, und der zweite Halbleiterschaltschaltkreis weist eine Vielzahl von zweiten Transistoren auf, die in Reihe geschaltet sind. Jeder der Vielzahl von ersten Transistoren und jeder der Vielzahl von zweiten Transistoren kann beispielsweise einen MOS-Transistor und einen Widerstand, der mit einem Gate des MOS-Transistors in Reihe geschaltet ist, aufweisen. In manchen Ausführungsformen weist die HF-Schaltung ferner eine erste Ausgangskontaktstelle, die mit dem ersten Ausgangsanschluss der HF-Schaltung verbunden ist, und eine zweite Ausgangskontaktstelle, die mit dem zweiten Ausgangsanschluss der HF-Schaltung verbunden ist, auf.
In einer Ausführungsform kann jede Kapazitätsschaltzelle einen dritten Halbleiterschaltschaltkreis aufweisen, der zwischen das erste Ende und das zweite Ende der Kapazitätsschaltung geschaltet ist. Die Kapazitätsschaltung kann einen Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Kondensator aufweisen, und der dritte Halbleiterschaltschaltkreis kann unter dem MIM-Kondensator angeordnet sein.
Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen die Möglichkeit, eine digital abstimmbare Kapazität bereitzustellen, die einen hohen Q-Faktor aufrecht erhält, der über einen großen Bereich von selektierbaren Kondensatorwerten relativ konstant bleibt. Durch Bereitstellung eines Q-Faktors, der über verschiedene Kapazitäten relativ konstant bleibt, können Algorithmen, die zur Bereitstellung von dynamischer Anpassung an HF-Schaltungen verwendet werden, vereinfacht werden. Wenn beispielsweise eine Antenne an ein HF-Empfangsteil angepasst wird, führt die Erhöhung der Kapazität, wenn der Q-Faktor relativ konstant bleibt, zu einem vorhersagbaren Verhalten beim nächsten Kapazitätsschritt, wodurch der Algorithmus, der zur Selektion von Kapazitäten vereinfacht wird und der Aufbau des Systems vereinfacht wird. So kann eine Ausführungsform einer digital adressierbaren Kapazität in unterschiedlichsten Systemen auf vorhersagbare Weise eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine einzelne Schaltung für verschiedene Arten von Antennen verwendet werden, ohne dass eine umfassende Umarbeitung eines Anpassungsalgorithmus notwendig wäre.
Ein weiterer Vorteil von Ausführungsformen einer abstimmbaren Kapazitätsschaltung ist, dass das Verzerrungsverhalten über verschiedene Kapazitätseinstellungen relativ konstant bleibt. So verhalten sich die harmonische und Intermodulationsverzerrung des HF-Systems über verschiedene Kapazitätseinstellungen vorhersagbar. Solch ein vorhersagbares Verhalten ermöglicht einfachere und effektivere Tests und Bewertungen sowie einen einfacheren Systemaufbau.
Weitere Vorteile von Ausführungsformen umfassen die Möglichkeit, eine digital steuerbare Kapazität ohne zusätzliche ESD-Schutzschaltung, die über den durch die Schalttransistoren bereitgestellten ESD-Schutz hinaus geht, bereitzustellen. So können geringe Kapazitäten ohne zusätzliche Kapazität aufgrund des Vorhandenseins von ESD-Vorrichtungen erreicht werden.
Ein weiterer Vorteil von Ausführungsformen umfasst die Möglichkeit, eine digital abstimmbare Kapazität, die unter Hochspannungsbedingungen arbeitet, effizient umzusetzen. In Ausführungsformen mit Zweigen mit relativ geringer Kapazität verringert die resultierende geringe Kopplung mit den Schalttransistoren, wenn die Schalttransistoren abgeschaltet sind, die Amplitude der Spannungen, die von den Schalttransistoren gesehen werden. So müssen weniger Vorrichtungen in Reihe geschaltet werden, um Durchbruch oder Zerstörung der Vorrichtung zu verhindern. Die Verwendung von weniger Schalttransistorvorrichtungen führt zu geringeren Chipgrößen, weniger Reihenwiderstand und, in manchen Ausführungsformen, einem höheren Q-Faktor.
Weitere Vorteile umfassen verringerte Spannungsbeanspruchung von Schalttransistoren in Ausführungsformen mit reduzierter kapazitiver Kopplung mit Schalttransistoren.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben, die Beschreibung ist aber nicht als einschränkend zu verstehen.
Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie anderer Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung unter Bezugnahme auf die Beschreibung offensichtlich sein.

Claims

Schaltbare Kapazitätsschaltung, umfassend: eine Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen, wobei jede Kapazitätsschaltzelle umfasst: einen ersten Halbleiterschaltschaltkreis und eine Kapazitätsschaltung mit einem ersten Anschluss, der mit dem ersten Halbleiterschaltschaltkreis verbunden ist; wobei ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen innerhalb einer ersten Toleranz eines Widerstands des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen liegt und eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle innerhalb einer zweiten Toleranz einer Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle liegt.
Schaltbare Kapazitätsschaltung nach Anspruch 1, wobei: der Halbleiterschaltschaltkreis eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern umfasst; und die Kapazitätsschaltung eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren umfasst.
Schaltbare Kapazitätsschaltung nach Anspruch 2, wobei jeder der Vielzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern einen Transistor und einen Widerstand, der mit einem Gate des Transistors in Reihe geschaltet ist, umfasst.
Schaltbare Kapazitätsschaltung nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Anzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern größer als oder gleich groß ist wie die maximal erwartete Betriebsspannung der schaltbaren Kapazitätsschaltung dividiert durch eine maximale Betriebsspannung eines der Halbleiterschalter; und eine Anzahl der in Reihe geschalteten Kondensatoren größer als oder gleich groß ist wie eine maximal erwartete Betriebsspannung der schaltbaren Kapazitätsschaltung dividiert durch die maximale Betriebsspannung eines der in Reihe geschalteten Kondensatoren.
Schaltbare Kapazitätsschaltung nach Anspruch 4, wobei die maximal erwartete Betriebsspannung größer als 50 V ist.
Schaltbare Kapazitätsschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen ferner einen zweiten Halbleiterschaltschaltkreis umfasst, der mit einem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist.
Schaltbare Kapazitätsschaltung nach Anspruch 6, die ferner einen dritten Halbleiterschaltschaltkreis mit einem ersten Ende, das mit dem ersten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, und einem zweiten Ende, das mit dem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, umfasst.
Schaltbare Kapazitätsschaltung nach Anspruch 7, wobei: die Kapazitätsschaltung einen Metall-Isolator-Metall-(MIM-)Kondensator umfasst; und der erste Halbleiterschaltschaltkreis unter dem MIM-Kondensator angeordnet ist.
Schaltbare Kapazitätsschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Toleranz und die zweite Toleranz geringer als 1% sind.
Verfahren zum Betreiben einer schaltbaren Kapazitätsschaltung, wobei das Verfahren umfasst: das Erhöhen einer Lastkapazität der schaltbaren Kapazitätsschaltung, welches das Einschalten zumindest einer der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst, wobei jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen einen ersten Halbleiterschaltschaltkreis und eine Kapazitätsschaltung mit einem ersten Anschluss, der mit dem ersten Halbleiterschaltschaltkreis verbunden ist, umfasst und ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen innerhalb einer ersten Toleranz eines Widerstands des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen liegt und eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle innerhalb einer zweiten Toleranz einer Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle liegt, und das Einschalten das Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst; und das Verringern der Lastkapazität der schaltbaren Kapazitätsschaltung, welches das Ausschalten der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst, wobei das Ausschalten das Deaktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen ferner das Aktivieren einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei: jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen ferner einen zweiten Halbleiterschaltschaltkreis umfasst, der mit einem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist; und das Einschalten ferner das Aktivieren des zweiten Halbleiterschaltschaltkreises der zumindest einen der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei: jede der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen ferner einen Überbrückungsschalter mit einem ersten Ende, das mit dem ersten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, und einem zweiten Ende, das mit dem zweiten Anschluss der Kapazitätsschaltung verbunden ist, umfasst; und das Verfahren ferner das Überbrücken der schaltbaren Kapazitätsschaltung umfasst, wobei das Überbrücken das Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises, des zweiten Halbleiterschaltschaltkreises und des Überbrückungsschalters für zumindest eine der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, das ferner das Anlegen eines Hochfrequenz-(HF-)Signals an die schaltbare Kapazitätsschaltung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, das ferner umfasst: das Verbinden der schaltbaren Kapazitätsschaltung mit einer Antenne; und das Abstimmen der Antenne durch Erhöhen und Verringern der Lastkapazität der schaltbaren Kapazitätsschaltung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, ferner umfassend: das Empfangen eines Befehls von einer digitalen Schnittstelle; und das Dekodieren des Befehls, wobei das Erhöhen und Verringern der Lastkapazität ferner das selektive Aktivieren des ersten Halbleiterschaltschaltkreises der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen gemäß dem dekodierten Befehl umfasst.
Abstimmbare Hochfrequenz-(HF-)Schaltung, umfassend: ein Halbleitersubstrat; und eine Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei jede Kapazitätsschaltzelle umfasst: eine Kapazitätsschaltung, einen ersten Halbleiterschaltschaltkreis, der zwischen ein erstes Ende der Kapazitätsschaltung und einen ersten Ausgangsanschluss der HF-Schaltung geschaltet ist, und einen zweiten Halbleiterschaltschaltkreis, der zwischen ein zweites Ende der Kapazitätsschaltung und einen zweiten Ausgangsanschluss der HF-Schaltung geschaltet ist; wobei ein Widerstand des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer ersten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen innerhalb einer ersten Toleranz eines Widerstands des ersten Halbleiterschaltschaltkreises einer zweiten Kapazitätsschaltzelle der Vielzahl von Kapazitätsschaltzellen liegt, und eine Kapazität der Kapazitätsschaltung der ersten Kapazitätsschaltzelle innerhalb einer zweiten Toleranz einer Kapazität der Kapazitätsschaltung der zweiten Kapazitätsschaltzelle liegt.
The HF-Schaltung nach Anspruch 17, wobei: der erste Halbleiterschaltschaltkreis eine Vielzahl von ersten Transistoren umfasst, die in Reihe geschaltet sind; und der zweite Halbleiterschaltschaltkreis eine Vielzahl von zweiten Transistoren umfasst, die in Reihe geschaltet sind.
HF-Schaltung nach Anspruch 18, wobei jeder der Vielzahl von ersten Transistoren und jeder der Vielzahl von zweiten Transistoren einen MOS-Transistor und einen mit einem Gate des MOS-Transistors in Reihe geschalteten Widerstand umfasst.