DE112004000839T5

DE112004000839T5 - Boost-Schaltung

Info

Publication number: DE112004000839T5
Application number: DE112004000839T
Authority: DE
Inventors: Wayne M. Franklin Struble
Original assignee: Triquint Semiconductor Inc
Current assignee: Qorvo US Inc
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2006-04-13
Also published as: TWI339011B; WO2004105243A3; TW200428773A; FR2861925A1; US7263337B2; WO2004105243A2; JP2006526374A; US20040229577A1

Abstract

Schaltsystem, umfassend:
ein Hochfrequenzschaltelement, das zum Empfangen eines Hochfrequenz- (HF) Eingangssignals konfiguriert ist;
einen ersten Spannungsversorgungsanschluss, der zum Empfangen einer ersten Versorgungsgleichspannung konfiguriert ist;
eine Boost-Schaltung, die zum Empfangen des HF-Eingangssignals und der ersten Versorgungsgleichspannung und Liefern, als Reaktion darauf, einer Vorspannung zum Steuern des Schaltelements konfiguriert ist.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung bezieht sich auf und beansprucht Priorität der Vorläufigen US-Anmeldung der Seriennr.: 60/471,109, die am 16. Mai 2003 eingereicht wurde.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Erhöhen einer Gleichspannung unter Verwendung eines Hochfrequenz- (HF) Eingangssignals, wobei die Boost-Schaltung nicht bedeutend den HF-Signalpfad belastet (dämpft).
VERWANDTE TECHNIK
1 ist ein Schaltbild eines konventionellen einpoligen 4-Weg- (SP4T) HF-Schalters 100 eines Hochleistungsfeldeffekttransistors (FET). Der HF-Schalter 100 umfasst Widerstände 110–113, 120–123, 130–133, 140–143 und 150–154, Kondensatoren 160–164, HF-Quellen 171–174 und N-Kanal-Feldeffekttransistoren 114–116, 124–126, 134–136 und 144–146, die wie dargestellt verbunden sind. Die Widerstände 110–113 und Transistoren 114–116 bilden ein erstes Schaltelement 191; die Widerstände 120–123 und Transistoren 124–126 bilden ein zweites Schaltelement 192; die Widerstände 130–133 und Transistoren 134–136 bilden ein drittes Schaltelement 193; und die Widerstände 140–143 und Transistoren 144–146 bilden ein viertes Schaltelement 194.
Während Normalbetrieb wird eines (oder keines) der Schaltelemente 191–194 freigegeben. Zum Freigeben eines der Schaltelemente 191–194 wird eine entsprechende Steuergleichspannung V_C1-V_C4 aktiviert, wodurch ein verknüpfter Satz von Schalttransistoren 114–116, 124–126, 134–125 oder 144–146 eingeschaltet wird. Zum Beispiel kann das Schaltelement 191 durch Aktivieren der Steuergleichspannung V_C1 freigegeben werden. Die aktivierte Steuerspannung V_C1 schaltet die Transistoren 114–116 (über die Widerstände 110–113) ein, wodurch Leitung eines HF-Signals von der HF-Quelle 171 durch einen Eingangswiderstand 151, Eingangskondensator 161, Transistoren 114–116 und einen Ausgangskondensator 160 zu einem Lastwiderstand 150 zugelassen wird. Der Eingangswiderstand 151 und Lastwiderstand 150 sind typischerweise aneinander angepasst. Zum Beispiel können der Eingangswiderstand 151 und der Lastwiderstand 150 jeweils einen Widerstandswert von 50 Ohm aufweisen. In diesem Beispiel sind die Steuergleichspannungen V_C2-V_C4 deaktiviert, so dass die Schaltelemente 191–194 gesperrt sind.
Die aktivierte Steuerspannung (z. B. V_C1) wird typischerweise durch eine Systemspannungsversorgung geliefert (oder von dieser abgeleitet). Zum Beispiel kann die aktivierte Steuerspannung V_C1 einen Nennwert von etwa 2,5 Volt aufweisen. Wenn die Steuerspannung V_C1 aktiviert ist, fließt ein kleiner Steuergleichstrom I_C1 durch den Widerstand 110 (zu den Widerständen 111–113).
Es ist erwünscht, dass der HF-Schalter 110 in einer linearen Weise mit einem niedrigen Steuerstrom (z. B. I_C1) arbeitet. Halbleiterumschalter, wie zum Beispiel ein HF-Schalter 100, sind jedoch inhärent nichtlinear. Ausgangsoberwellen, die dem HF-Ausgangssignal Verzerrung hinzufügen, werden infolge des nichtlinearen Verhaltens des HF-Halbleiterschalters 100 erzeugt. Diese Ausgangsoberwellen steigen bedeutend an, wenn die Steuerspannung (z. B. V_C1) sinkt. Zum Beispiel können die Oberwellen bedeutend ansteigen, wenn die Steuerspannung V_C1 unter 2,5 Volt fällt.
Es wäre deshalb erwünscht, einen HF-Schalter zu haben, der in einer stark linearen Weise als Reaktion auf eine niedrige Steuerspannung arbeiten kann. Es wäre ferner erwünscht, wenn ein solcher HF-Schalter keine übermäßige Layoutfläche auf einem Halbleiterchip verbrauchen würde. Es wäre ferner erwünscht, wenn ein solcher HF-Schalter dem HF-Signalpfad keine wesentliche Nichtlinearität hinzufügen würde. Es wäre darüber hinaus erwünscht, wenn ein solcher HF-Schalter nicht bedeutend den benötigten Steuergleichstrom erhöhen würde. Es wäre ferner erwünscht, wenn ein solcher HF-Schalter keinen wesentlich höheren Einfügungsverlust als der HF-Schalter 100 aufweisen würde.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung eine Gleichspannungs-Boost-Schaltung oder DC-Spannungs-Boost-Schaltung, die eine erhöhte Ausgangsgleichspannung als Reaktion auf ein HF-Eingangssignal liefert. Die erhöhte Ausgangsgleichspannung kann eine negative oder positive Spannung sein, abhängig von der Konfiguration der DC-Spannungs-Boost-Schaltung. Die DC-Spannungs-Boost-Schaltung schließt einen Kondensator, der zum Empfangen eines HF-Eingangssignals gekoppelt ist, eine Hochimpedanzgleichrichterschaltung gekoppelt an den Kondensator, und eine Vorspannungsextraktorschaltung (die eine erhöhte Ausgangsgleichspannung liefert) ein, welche an die Hochimpedanzgleichrichterschaltung gekoppelt ist.
Die Hochimpedanzgleichrichterschaltung verhindert vorteilhaft, dass ein hoher Strom aus der Quelle des HF-Eingangssignals gezogen wird. Infolgedessen fügt die DC-Spannungs-Boost-Schaltung dem HF-Eingangssignal nur einen minimalen Einfügungsverlust hinzu.
In einer Ausführungsform wird eine Steuergleichspannung an die Gleichrichterschaltung angelegt, wodurch die DC-Spannungs-Boost-Schaltung effektiv die Steuergleichspannung erhöht, um die erhöhte Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. In einer Ausführungsform ist die erhöhte Ausgangsgleichspannung gleich der Steuergleichspannung plus etwa 2 Volt.
Die erhöhte Ausgangsgleichspannung kann zum Beispiel zum Steuern eines HF-Schaltelements verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird das HF-Eingangssignal durch das HF-Schaltelement geleitet. Die relativ hohe erhöhte Ausgangsgleichspannung wird zum Einschalten des HF-Schaltelements verwendet, wodurch Ausgangsoberwellen in dem HF-Ausgangssignal minimiert werden, das von dem HF-Schaltelement geleitet wird.
Die vorliegende Erfindung wird bei Betrachtung der folgenden Beschreibung und Zeichnungen deutlicher verstanden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltbild eines konventionellen SP4T-HF-Schalters eines Hochleistungs-FET.
2 ist ein Schaltbild eines SP4T-HF-Schalters eines Hochleistungs-FET, welcher Schalter vier Boost-Schaltungen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
3 ist ein Blockdiagramm, das einen Teil des HF-Schalters von 2 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
4 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Graph, der die Gleichspannung (V_G), die an die Gates von Transistoren in einem HF-Schalter ohne eine DC-Boost-Schaltung angelegt wird, und die Gleichspannung (V_G), die an die Gates von Transistoren in einem HF-Schalter mit einer DC-Boost-Schaltung angelegt wird, in Bezug zu einer Steuergleichspannung V_C1 darstellt.
6 ist ein Graph, der den Steuergleichstrom (I_C1), der von der Gleichspannungsversorgung in einem HF-Schalter ohne eine Boost-Schaltung und einem HF-Schalter mit einer Boost-Schaltung gezogen wird, in Bezug zu einer Steuergleichspannung V_C1 darstellt.
7 ist ein Graph, der die zweiten und dritten Ausgangsoberwellen für einen HF-Schalter ohne eine Boost-Schaltung und einen HF-Schalter mit einer Boost-Schaltung in Bezug zu einer Steuerspannung V_C1 darstellt.
8 ist ein Graph, der den Einfügungsverlust eines HF-Schalters ohne eine Boost-Schaltung und eines HF-Schalters mit einer Boost-Schaltung in Bezug zu einer Frequenz eines HF-Eingangssignals R_FI _N1 vergleicht.
9 ist ein Layoutdiagramm, das die DC-Boost-Schaltung von 4 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
10–22 sind Schaltbilder, die Variationen der DC-Boost-Schaltung von 4 nach anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
2 ist ein Schaltbild eines einpoligen 4-Weg- (SP4T) HF-Schalters 200 eines Hochleistungs-FET, welcher Schalter Boost-Schaltungen 201–204 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. Obwohl die vorliegende Ausführungsform Boost-Schaltungen enthält, die in Verbindung mit einem SP4T-Schalter verwendet werden, würde eine Person mit gewöhnlichen Kenntnissen in diesem Gebiet verstehen, wie die Boost-Schaltung der vorliegenden Erfindung in anderen Schalterkonfigurationen zu verwenden ist. Da der HF-Schalter 200 dem HF-Schalter 100 (1) ähnelt, sind gleiche Elemente in den 1 und 2 mit gleichen Bezugsziffern markiert. Zusätzlich zu den Widerständen 110–113, 120–123, 130–133, 140–143 und 150–154, N-Kanal-FETs 114–116, 124–126, 134–136 und 144–146, Kondensatoren 160–164, HF- Quellen 171–174, enthält der HF-Schalter 200 DC-Boost-Schaltungen 201–204. Da die DC-Boost-Schaltungen 201–204 den Betrieb der Schaltelemente 191–194 modifizieren, sind diese Schaltelemente in 2 in Schaltelemente 211–214 umbenannt worden.
Jede der DC-Boost-Schaltungen 201–204 ist konfiguriert, um jeweils eine entsprechende Steuergleichspannung V_C1-C4 und jeweils ein entsprechendes HF-Eingangssignal RF_IN1-RF_IN4 zu empfangen. Als Reaktion liefert jede der DC-Boost-Schaltungen 201–204 jeweils eine erhöhte Ausgangsgleichspannung DC_OUT1-DC_OUT4. Diese erhöhten Ausgangsgleichspannungen DC_OUT1-DC_OUT4 werden jeweils den Gates der Schalttransistoren 114–116, 124–126, 134–136 und 144–146 zugeführt. Obwohl in der beschriebenen Ausführungsform drei Schalttransistoren (und drei verknüpfte Widerstände) in jedem der Schaltelemente 211–214 vorhanden sind, wird verstanden werden, dass andere Anzahlen von Schalttransistoren (und verknüpfter Widerstände) in anderen Ausführungsformen verwendet werden können. Obwohl die erhöhten Ausgangsgleichspannungen DC_OUT1-DC_OUT4 in der beschriebenen Ausführungsform jeweils zum Ansteuern der Schaltelemente 211–214 verwendet werden, wird darüber hinaus verstanden werden, dass solche DC-Boost-Schaltungen 201–204 auch zum Erzeugen von Ausgangsgleichspannungen DC_OUT1-DC_OUT4 zu anderen Zwecken in anderen Anwendungen verwendet werden können.
Es wird zu einer jeglichen gegebenen Zeit höchstens eins der Schaltelemente 211–214 aktiviert. Folglich wird die vorliegende Ausführungsform detaillierter in Bezug zum Schaltelement 211 und der verknüpften DC-Boost-Schaltung 201 beschrieben werden. Es wird jedoch verstanden werden, dass die Schaltelemente 212–214 und die verknüpften DC-Boost-Schaltungen 202–204 in der gleichen Weise arbeiten.
3 ist ein Blockdiagramm, das Widerstände 150–151, die HF-Quelle 171, die DC-Boost-Schaltung 201 und das Schaltelement 211 darstellt. Kondensatoren 160–161 sind zu Deutlichkeitszwecken nicht in 3 gezeigt. Die DC-Boost-Schaltung 201 ist in einer Parallelkonfiguration mit einem Hochfrequenzsignalpfad gekoppelt, der die HF-Eingangssignalquelle 171 und die Widerstände 150–151 aufweist. Wie im Folgenden detaillierter beschrieben ist, kann die DC-Boost-Schaltung 201 zum Erhöhen der mit einer existierenden Gleichspannungsquelle (die eine Steuergleichspannung V_C1 liefert) verknüpften Spannung auf einen höheren (oder niedrigeren) Wert verwendet werden, ohne wesentlich den durch die Gleichspannungsquelle zugeführten Strom (I_C1) zu erhöhen.
4 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung 201 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 201 enthält Kondensatoren 401–402, Diodenelemente 411–412 und Widerstände 421–423, die wie dargestellt verbunden sind. Die Diodenelemente 411–412 und Widerstände 421–422 sind zum Bilden einer Gleichrichterschaltung 431 konfiguriert. Der Kondensator 402 und der Widerstand 423 sind zum Bilden einer Vorspannungsextraktorschaltung 432 konfiguriert. Allgemein arbeitet die DC-Boost-Schaltung 201 wie folgt als Reaktion auf eine positive Eingangsgleichspannung V_C1. Das Signal RF_IN1 schwingt zwischen negativen Spannungen und positiven Spannungen. Wenn das Signal RF_IN1 eine ausreichend niedrige/negative Spannung aufweist, wird das Diodenelement 411 eingeschaltet und der Kondensator 401 in der durch eine Strichellinie 450 dargestellten Richtung geladen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Diodenelement 412 ausgeschaltet, und die Spannung DC_OUT1 wird durch den Kondensator 402 zugeführt, wie durch eine Strichellinie 451 dargestellt ist.
Wenn das Signal RF_IN1 eine ausreichend hohe/positive Spannung aufweist, wird das Diodenelement 412 eingeschaltet, und der Kondensator 401 wird zum Liefern der Spannung DC_OUT1 in der durch eine Strichellinie 452 dargestellten Richtung entladen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Diodenelement 411 ausgeschaltet, und der Kondensator 402 wird in der durch die Strichellinie 453 dargestellten Richtung geladen.
Wie oben beschrieben ist, arbeiten die Diodenelemente 411 und 412 als eine Gleichrichterschaltung. Die Widerstände 421 und 422 überbringen der HF-Quelle 171 eine hohe Impedanz (d. h. liefern eine hohe Eingangsimpedanz für die Gleichrichterschaltung). Infolgedessen verhindert die Widerstände 421 und 422 vorteilhaft, dass die DC-Boost-Schaltung 201 einen hohen Strom aus der HF-Quelle 171 zieht. Der Kondensator 402 (und Widerstand 423) arbeiten als ein Vorspannungsextraktor, der die erhöhte Ausgangsgleichspannung DC_OUT1 dem Schaltelement 191 als Reaktion auf die Ladung liefert, die durch die Gleichrichterschaltung gepumpt wird. Die DC-Boost-Schaltung 201 liefert vorteilhaft eine hohe Wechselstromimpedanz an dem Ausgangsanschluss für DC_OUT1.
Wie im Folgenden detaillierter beschrieben ist, wird eine Boost-Schaltung 201 zum Überwinden der schädlichen Auswirkung einer niedrigen Steuergleichspannung (z. B. V_C1) auf die Oberwellenleistung eines Hochleistungs-FET-HF-Schalters verwendet. Um dies zu erreichen, verwendet die Boost-Schaltung 201 einen Teil des HF-Eingangssignals (z. B. R_FIN1) zum Erhöhen der effektiven Schaltsteuerspannung (z. B. der Spannung an den Gates der Schalttransistoren 114–116).
In der vorhergehend aufgeführten Weise liefet die DC-Boost-Schaltung 201 die Spannung DC_OUT1 als Reaktion auf das Signal RF_IN1 und die Steuerspannung V_C1. In einer besonderen Ausführungsform hat der Kondensator 401 eine Kapazität von 0,4 Pikofarad (pF) und hat der Kondensator 402 eine Kapazität von 0,8 pF. In dieser Ausführungsform besteht jedes der Diodenelemente 411 und 412 aus einem N-Kanal-Feldeffekttransistor mit gemeinsam gekoppelten Source- und Drain-Regionen. Die Kanalregion jedes Transistors hat eine Breite von etwa 10 Mikron. Das Gate des Transistors bilde die Anode des Diodenelements, und die gemeinsam gekoppelten Source- und Drain-Regionen bilden die Kathode des Diodenelements. Obwohl in der beschriebenen Ausführungsform jedes der Diodenelemente 411 und 412 aus einer einzigen Diode besteht, wird verstanden werden, dass in anderen Ausführungsformen jedes der Diodenelemente 411 und 412 aus einer Mehrzahl von Dioden aufgebaut sein kann. Diese Dioden können zum Beispiel in Reihe verbunden sein. Die Widerstände 421 und 422 weisen jeweils einen Widerstandswert von etwa 15 Kilo-Ohm (kΩ) auf, und der Widerstand 423 hat einen Widerstandswert von etwa 10 kΩ. In dieser Ausführungsform kann die Boost-Schaltung 201 einfach 5–6 Volt von Gleichspannungserhöhung (positiv oder negativ) von einem 1–2 Watt HF-Eingangssignal, RF_IN1, erzeugen.
5 ist ein Graph 500, der die Gleichspannung (V_G), die an die Gates der Transistoren 114–116 in dem HF-Schalter 100 (ohne eine DC-Boost-Schaltung) angelegt wird, und die Gleichspannung (V_G), die an die Gates der Transistoren 114–116 in dem HF-Schalter 200 (mit DC-Boost-Schaltung 201) angelegt wird, in Bezug zu der Steuergleichspannung V_C1 darstellt. In diesem Graph 500 wird angenommen, dass das HF-Eingangssignal RF_IN1 eine Frequenz von 1 GHz und eine Eingangsleistung von 34 dBm aufweist. Die Gate-Gleichspannung V_G des HF-Schalters 100 ist als Linie 501 dargestellt, und die Gate-Gleichspannung V_G des HF-Schalters 200 ist als Linie 502 dargestellt. Für den HF-Schalter 100 ist die an die Gates der Transistoren 114–116 angelegte Gate-Gleichspannung V_G immer etwas niedriger als die Steuerspannung V_C1. Für den HF-Schalter 200 ist die an die Gates der Transistoren 114–116 angelegte Gate-Gleichspannung V_G jedoch etwa 2 Volt größer als die Steuerspannung V_C1. Wie im Folgenden detaillierter beschrieben ist, verbessert diese hohe Gate-Spannung V_G vorteilhaft die Linearität des HF-Schalters 200 durch Minimieren von Ausgangsoberwellen.
6 ist ein Graph 600, der den von der Gleichspannungsversorgung in dem HF-Schalter 100 und HF-Schalter 200 gezogenen Steuergleichstrom (I_C1) in Bezug zu der Steuergleichspannung V_C1 darstellt. Wie in Graph 500 wird in Graph 600 auch angenommen, dass das Signal RF_IN1 eine Frequenz von 1 GHz und eine Eingangsleistung von 34 dBm aufweist. Der von der Gleichspannungsversorgung im HF-Schalter 100 gezogene Steuergleichstrom I_C1 ist als Linie 601 dargestellt, und der von der Gleichspannungsversorgung im HF-Schalter 200 gezogene Steuergleichstrom I_C1 ist als Linie 602 dargestellt. Bei Spannungen größer als etwa 2,5 Volt ist der von der Gleichspannungsversorgung im HF-Schalter 200 gezogene Steuergleichstrom I_C1 nur geringfügig größer als der Steuergleichstrom I_C1, der von der Gleichspannungsversorgung im HF-Schalter 100 gezogen wird. Genauer ausgedrückt, ist der von der Gleichspannungsversorgung im HF-Schalter 200 gezogene Steuergleichstrom I_C1 nur etwa 5 bis 6 Mikroampere (μA) größer als der Steuergleichstrom I_C1, der von der Gleichspannungsversorgung im HF-Schalter 100 für Steuerspannungen V_C1 größer als 2,5 Volt gezogen wird. Vorteilhafterweise benötigt die DC-Boost-Schaltung 201 keine übermäßige Menge von zusätzlichem Strom von der Gleichspannungsversorgung.
7 ist ein Graph 700, der die zweiten und dritten Ausgangsoberwellen für den HF-Schalter 100 und den HF-Schalter 200 in Bezug zu der Steuerspannung V_C1 darstellt. Wie in den Graphen 500 und 600 wird im Graph 700 angenommen, dass das Signal RF_IN1 eine Frequenz von 1 GHz und eine Eingangsleistung von 34 dBm aufweist. Die zweiten und dritten Ausgangsoberwellen des HF-Schalters 100 sind jeweils als Linien 701–702 dargestellt. Die zweiten und dritten Ausgangsoberwellen des HF-Schalters 200 sind jeweils als Linien 711-712 dargestellt. Die Ausgangsoberwellen werden in Dezibel hinunter von dem Trägersignal, oder dBc gemessen. Ein höherer dBc-Wert stellt kleinere Oberwellen und deshalb eine linearere Transferfunktion innerhalb des HF-Schalters dar. Für eine Steuerspannung V_C1 kleiner als 2,5 Volt sind die dritten Oberwellen der HF-Schaltung 100 wesentlich niedriger als die dritten Oberwellen der HF-Schaltung 200. In ähnlicher Weise sind für eine Steuerspannung V_C1 kleiner als etwa 2 Volt die zweiten Oberwellen der HF-Schaltung 100 wesentlich niedriger als die zweiten Oberwellen der HF-Schaltung 200. Somit arbeitet der HF-Schalter 200 für eine Steuerspannung V_C1 kleiner als 2,5 Volt vorteilhaft in einer bedeutend lineareren Weise als der HF-Schalter 100.
8 ist ein Graph 800, der den Einfügungsverlust des HF-Schalters 100 mit dem Einfügungsverlust des HF-Schalters 200 in Bezug zu der Frequenz des HF-Eingangssignals R_FIN1 vergleicht. Allgemein ist Einfügungsverlust ein Messwert von Ausgangsleistung in Bezug zu Eingangsleistung. Der Einfügungsverlust des HF-Schalters 100 ist als Linie 801 dargestellt, und der Einfügungsverlust des HF-Schalters 200 ist als Linie 802 dargestellt. Wie dargestellt, gibt es sehr wenig Einfügungsverlust verknüpft mit der Hinzufügung der DC-Boost-Schaltung 201. Zum Beispiel fügt die DC-Boost-Schaltung 201 bei einer Frequenz von 1 Giga-Hertz (GHz) nur etwa 0,05 dB Einfügungsverlust (oder etwa 8% Einfügungsverlust) hinzu. Allgemein liefert die Boost-Schaltung 201 eine HF-Signalpfaddämpfung von nur etwa 0,04–0,05 dB.
9 ist ein Layoutdiagramm, das eine DC-Boost-Schaltung 201 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Dieses Layoutdiagramm zeigt Diodenelemente 411–412, die diodenverbundene FETs (wie oben beschrieben) sind; Widerstände 421–423, die epitaktische, Volumen-, hochwiderstandsfähige Metall- (z. B. Nichrom, Wolframsilicid, Wolframnitrid) oder Polysiliziumbahnen sein können; und Widerstände 401–402, die durch ein Halbleitersubstrat, eine erste über dem Halbleitersubstrat ausgebildete Metallschicht, eine über der ersten Metallschicht ausgebildete dielektrische Schicht, und eine über der dielektrischen Schicht ausgebildete zweite Metallschicht (z. B. Gold) gebildet werden. Vorteilhaft kann die DC-Boost-Schaltung 201 unter Verwendung von Standardhalbleiter-Herstellungstechniken in einer relativ kleinen Fläche realisiert werden. Zum Beispiel kann die DC-Boost-Schaltung 201 eine Fläche von etwa 70 × 110 Mikron² aufweisen, wobei ein konventioneller Prozess eines 0,5 Mikron pseudomorphen Gallium-Arsenid-Transistors mit hoher Elektronenmobilität (pseudomorphic high electron mobility transistor, PHEMT) verwendet wird. Folglich ist die DC-Boost-Schaltung 201 ideal für kostengünstige Anwendungen. Andere akzeptable Prozesse zum Herstellen der DC-Boost-Schaltung 201 umfassen einen CMOS-Prozess, einen Silizium-auf-Isolator (SOI) Prozess, oder einen jeglichen ionenimplantierten MESFET-Prozess.
Die DC-Boost-Schaltung 201 kann nach anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung modifiziert werden. Die 10–22 sind Schaltbilder, die Variationen der DC-Boost-Schaltung 201 nach verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen. Da die DC-Boost-Schaltungen der 10–22 der DC-Boost-Schaltung 201 (4) ähneln, sind gleiche Elemente in den 4 und 10–22 mit gleichen Bezugsziffern markiert worden.
10 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung 1001 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 1001 ähnelt der DC-Boost-Schaltung 201. Ein Kondensator 402 ist jedoch gekoppelt, um die Erdversorgungsspannung anstelle der Spannung V_C1 zu empfangen. Der Anschluss des Kondensators 402 an die Erdspannungsversorgung gestaltet diese Konfiguration etwas komplexer. Durch diese Konfiguration werden die Gleichrichterschaltung 1031 und der Vorspannungsextraktor 1032 erhalten
11 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung 1101 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 1101 ähnelt der DC-Boost-Schaltung 1001. Der Kondensator 402 ist jedoch an den Ausgangsanschluss der DC-Boost-Schaltung anstelle der Erdversorgungsspannung gekoppelt. Durch diese Konfiguration wird die Vorspannungsextraktorschaltung 1132 erhalten.
12 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung 1201 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 1201 ähnelt der DC-Boost-Schaltung 1001. Der Kondensator 402 ist jedoch aus der DC-Boost-Schaltung 1201 entfernt. In dieser Ausführungsform wird die Kapazität der Last (z. B. die Gate-Kapazitäten der Transistoren 114–116) zum Ersetzen des Kondensators 402 verwendet. Durch diese Konfiguration wird die Vorspannungsextraktorschaltung 1232 erhalten.
13 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung 1301 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 1301 ähnelt der DC-Boost-Schaltung 201. Die Anode des Diodenelements 441 ist jedoch gekoppelt, um die Erdversorgungsspannung anstelle der Spannung V_C1 zu empfangen. Der Anschluss des Diodenelements 411 an die Erdspannungsversorgung gestaltet diese Konfiguration etwas komplexer. Durch diese Konfiguration werden die Gleichrichterschaltung 1331 und der Vorspannungsextraktor 1332 erhalten.
14 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung 1401, die an ein Schaltelement 211 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist. Die DC-Boost-Schaltung 1401 ähnelt der DC-Boost-Schaltung 1301. Der Kondensator 402 ist jedoch gekoppelt, um die Erdversorgungsspannung anstelle der Spannung V_C1 zu empfangen. Somit realisiert die DC-Boost-Schaltung 1401 eine Gleichrichterschaltung 1331 und einen Vorspannungsextraktor 1032. Vorteilhafterweise benötigt die DC-Boost-Schaltung 1401 keine Steuergleichspannung V_C1. Die Steuergleichspannung V_C1 wird auch von dem Schaltelement 211 durch Koppeln des Widerstands 111 an Erde beseitigt, wie dargestellt ist. Infolgedessen kann die mit dem Liefern einer solchen Steuerspannung verknüpfte Steuerleitung vorteilhaft von einer zugehörigen gedruckten Leiterplatte oder einem solchen Modul entfernt werden. Die DC-Boost-Schaltung 1401 ist besonders nützlich in Schaltern, die bei einer relativ konstanten Leistung arbeiten, wie zum Beispiel diejenigen, die in drahtlosen lokalen Netz- (LAN) Sendern verwendet werden.
15 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung 1501 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 1501 ähnelt der DC-Boost-Schaltung 1401. Der Kondensator 402 ist jedoch aus der DC-Boost-Schaltung 1501 entfernt. In dieser Ausführungsform wird die Kapazität der Last (z. B. die Gate-Kapazitäten der Transistoren 114–116) zum Ersetzen des Kondensators 402 verwendet. Vorteilhafterweise benötigt die DC-Boost-Schaltung 1501 keine Steuergleichspannung V_C1.
16 ist ein Schaltbild der DC-Boost-Schaltung 1601 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 1601 ähnelt der DC-Boost-Schaltung 201. Die Anschlüsse der Diodenelemente 411 und 412 sind jedoch umgekehrt, um dadurch Diodenelemente 1611 und 1612 bereitzustellen.
Wenn das Signal RF_IN1 eine ausreichend niedrige/negative Spannung aufweist, wird das Diodenelement 1612 eingeschaltet und der Kondensator 401 in der durch eine Strichellinie 1650 dargestellten Richtung geladen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Diodenelement 1611 ausgeschaltet, und die Spannung DC_OUT1 wird durch den Kondensator 402 zugeführt.
Wenn das Signal RF_IN1, eine ausreichend hohe/positive Spannung aufweist, wird das Diodenelement 1611 eingeschaltet und der Kondensator 401 an den V_C1-Versorgungsanschluss in der durch eine Strichellinie 1651 dargestellten Richtung entladen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Diodenelement 1612 ausgeschaltet. Diese Konfiguration stellt sicher, dass die "erhöhte" Ausgangsspannung DC_OUT1 niedriger als die Steuergleichspannung V_C1 ist. Wenn die Steuergleichspannung V_C1 eine negative Spannung ist, wird daher DC_OUT1 eine noch negativere Spannung (oder "erhöhte" negative Spannung sein). Daher kann die DC-Boost-Schaltung 1601 als eine negative DC-Boost-Schaltung bezeichnet werden.
17 ist ein Schaltbild der DC-Boost-Schaltung 1701 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 1701 ähnelt der DC-Boost-Schaltung 1601. Der Kondensator 402 ist jedoch zum Empfangen der Erdversorgungsspannung anstelle der Spannung V₁ gekoppelt. Der Anschluss des Kondensators 402 an die Erdversorgungsspannung gestaltet diese Konfiguration etwas komplexer. Durch diese Konfiguration werden eine Gleichrichterschaltung 1731 und ein Vorspannungsextraktor 1732 erhalten.
18 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung 1801 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 1801 ähnelt der DC-Boost-Schaltung 1701. Der Kondensator 402 ist jedoch an den Ausgangsanschluss der DC-Boost-Schaltung anstelle der Erdspannungsversorgung gekoppelt. Durch diese Konfiguration wird eine Vorspannungsextraktorschaltung 1832 erhalten.
19 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung 1901 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 1901 ähnelt der DC-Boost-Schaltung 1601. Der Kondensator 402 ist jedoch aus der DC-Boost-Schaltung 1901 entfernt. In dieser Ausführungsform wird die Kapazität der Last (z. B. die Gate-Kapazitäten der Transistoren 114–116) zum Ersetzen des Kondensators 402 verwendet. Durch diese Konfiguration wird eine Vorspannungsextraktorschaltung 1932 erhalten.
20 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung 2001 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung ähnelt der DC-Boost-Schaltung 1601. Die Anode des Diodenelements 1611 ist jedoch zum Empfangen der Erdversorgungsspannung anstelle der Spannung V_C1 gekoppelt. Der Anschluss des Diodenelements 1611 an die Erdspannungsversorgung gestaltet diese Konfiguration etwas komplexer. Durch diese Konfiguration werden eine Gleichrichterschaltung 2031 und ein Vorspannungsextraktor 2032 erhalten.
21 ist ein Schaltbild einer DC-Boost-Schaltung 2101 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 2101 ähnelt der DC- Boost-Schaltung 2001. Der Kondensator 402 ist jedoch zum Empfangen der Erdversorgungsspannung anstelle der Spannung V_C1 gekoppelt. Die DC-Boost-Schaltung 2101 realisiert eine Gleichrichterschaltung 2031 und einen Vorspannungsextraktor 1732. Vorteilhaft benötigt die DC-Boost-Schaltung 1401 keine Steuergleichspannung V_C1. Die DC-Boost-Schaltung 2101 kann an das Schaltelement 211 in der gleichen Weise wie die DC-Boost-Schaltung 1401 gekoppelt werden (14).
22 ist ein Schaltbild der DC-Boost-Schaltung 2201 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die DC-Boost-Schaltung 2201 ähnelt der DC-Boost-Schaltung 2101. Der Kondensator 402 ist jedoch aus der DC-Boost-Schaltung 2201 entfernt. In dieser Ausführungsform wird die Kapazität der Last (z. B. die Gate-Kapazitäten der Transistoren 114–116) zum Ersetzen des Kondensators 402 verwendet. Vorteilhaft benötigt die DC-Boost-Schaltung 2201 keine Steuergleichspannung V_C1.
Die vorliegende Erfindung enthält eine Vorspannungsschaltung, die aufweist: einen Gleichrichter mit einem Gleichrichtereingang, einem Steuergleichspannungseingang und einem Gleichrichterausgang, wobei der Gleichrichter konfiguriert ist, um die Gleichrichterausgabe zu erzeugen, während er eine äußerst hohe Eingangsimpedanz am Gleichrichtereingang, eine gleichgerichtete Spannung von einem an den Gleichrichtereingang angelegten abwechselnden Eingangssignal liefert; und einen Vorspannungsextraktor mit einem Extraktoreingang, einem Steuerspannungseingang und einen Extraktorausgang gekoppelt an den Gleichrichterausgang, und der konfiguriert ist, um am Extraktorausgang eine Gleichspannung zu erzeugen, die eine höhere Größe als die Steuergleichspannungseingabe hat.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit mehreren Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird verstanden werden, dass diese Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, sondern zu verschiedenen Modifikationen in der Lage ist, die einer Person mit gewöhnlichen Kenntnissen in diesem Gebiet offensichtlich sein würden.
Zusammenfassung
Schaltsystem, umfassend ein Hochfrequenzschaltelement, das zum Empfangen eines Hochfrequenz- (HF) Eingangssignals konfiguriert ist; einen ersten Spannungsversorgungsanschluss, der zum Empfangen einer ersten Versorgungsgleichspannung konfiguriert ist; eine Boost-Schaltung, die zum Empfangen des HF-Eingangssignals und der ersten Versorgungsgleichspannung und Liefern, als Reaktion darauf, einer Vorspannung zum Steuern des Schaltelements konfiguriert ist.

Claims

Schaltsystem, umfassend: ein Hochfrequenzschaltelement, das zum Empfangen eines Hochfrequenz- (HF) Eingangssignals konfiguriert ist; einen ersten Spannungsversorgungsanschluss, der zum Empfangen einer ersten Versorgungsgleichspannung konfiguriert ist; eine Boost-Schaltung, die zum Empfangen des HF-Eingangssignals und der ersten Versorgungsgleichspannung und Liefern, als Reaktion darauf, einer Vorspannung zum Steuern des Schaltelements konfiguriert ist.
Schaltsystem nach Anspruch 1, bei dem die Boost-Schaltung umfasst: einen ersten Kondensator mit einem ersten Anschluss, der zum Empfangen des HF-Eingangssignals gekoppelt ist; und eine Gleichrichterschaltung, die an einen zweiten Anschluss des Kondensators und den ersten Spannungsversorgungsanschluss gekoppelt ist, wobei die Gleichrichterschaltung zum Bereitstellen der Vorspannung als Reaktion auf das HF-Eingangssignal und die erste Versorgungsgleichspannung konfiguriert ist.
Schaltsystem nach Anspruch 2, bei dem die Gleichrichterschaltung eine erste Diode und einen ersten Widerstand aufweist, die in Reihe zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und den zweiten Anschluss des ersten Kondensators gekoppelt sind.
Schaltsystem nach Anspruch 3, bei dem die Gleichrichterschaltung ferner eine zweite Diode und einen zweiten Widerstand aufweist, die in Reihe zwischen den zweiten Anschluss des ersten Kondensators und das Schaltelement gekoppelt sind.
Schaltsystem nach Anspruch 4, das ferner einen zweiten Kondensator gekoppelt zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und das Schaltelement aufweist.
Schaltsystem nach Anspruch 5, bei dem der zweite Kondensator, und die zweite Diode und der zweite Widerstand, die in Reihe verbunden sind, an einen ersten Knoten gekoppelt sind, und das ferner einen dritten Widerstand aufweist, der zwischen den ersten Knoten und das Schaltelement gekoppelt ist.
Schaltsystem nach Anspruch 4, das ferner einen zweiten Kondensator gekoppelt zwischen einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss und das Schaltelement aufweist.
Schaltsystem nach Anspruch 7, bei dem der zweite Kondensator, und die zweite Diode und der zweite Widerstand, die in Reihe verbunden sind, an einen ersten Knoten gekoppelt sind, und das ferner einen dritten Widerstand aufweist, der zwischen den ersten Knoten und das Schaltelement gekoppelt ist.
Schaltsystem nach Anspruch 4, das ferner einen zweiten Kondensator und einen dritten Widerstand aufweist, die parallel zwischen der zweiten Diode und dem Schaltelement verbunden sind.
Schaltsystem nach Anspruch 4, das ferner einen dritten Widerstand gekoppelt in Reihe mit dem zweiten Widerstand und der zweiten Diode aufweist.
Schaltsystem nach Anspruch 3, bei dem eine Kathode des ersten Diodenelements an den zweiten Anschluss des ersten Kondensators gekoppelt ist.
Schaltsystem nach Anspruch 3, bei dem eine Anode des ersten Diodenelements an den zweiten Anschluss des ersten Kondensators gekoppelt ist.
Schaltsystem nach Anspruch 4, bei dem eine Kathode des ersten Diodenelements und eine Anode des zweiten Diodenelements an den zweiten Anschluss des ersten Kondensators gekoppelt sind.
Schaltsystem nach Anspruch 3, bei dem eine Anode des ersten Diodenelements und eine Kathode des zweiten Diodenelements an den zweiten Anschluss des ersten Kondensators gekoppelt sind.
Schaltsystem nach Anspruch 1, bei dem die erste Versorgungsspannung Erde ist.
Verfahren zum Steuern eines Hochfrequenz- (HF) Schalters, umfassend: Anlegen eines HF-Eingangssignals an den HF-Schalter und eine Boost-Schaltung; Anlegen einer ersten Versorgungsgleichspannung an die Boost-Schaltung; Erzeugen einer Vorspannung als Reaktion auf die erste Versorgungsgleichspannung und das HF-Eingangssignal; und Steuern des Schaltelements mit der Vorspannung.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt zum Erzeugen der Vorspannung Laden und Entladen eines ersten Kondensators als Reaktion auf die erste Versorgungsgleichspannung und das HF-Eingangssignal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Schritt zum Erzeugen der Vorspannung ferner Laden und Entladen eines zweiten Kondensators als Reaktion auf die erste Versorgungsgleichspannung und das HF-Eingangssignal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Schritt zum Erzeugen der Vorspannung ferner Laden und Entladen eines zweiten Kondensators als Reaktion auf eine zweite Versorgungsgleichspannung und das HF-Eingangssignal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Vorspannung größer als die erste Versorgungsgleichspannung ist.