KR102579077B1 - 전력 알에프 스위치 - Google Patents

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Abstract

무선 통신에서 사용하는 전력 알에프 스위치가 개시된다. 시스템 공급 전압을 부스팅한 부스팅된 공급 전압과 시스템 공급 전압을 극성 반전한 음의 공급 전압 간에 진동하는 부스팅된 스위칭 제어 신호가 고전압 트랜지스터의 게이트에 인가된다. 나아가 이 부스팅된 스위칭 제어 신호에 동기화되고, 음의 공급 전압과 기준 전압 간에 진동하는 기판 제어 신호가 그 고전압 트랜지스터의 기판에 인가될 수 있다.

Description

전력 알에프 스위치{Power RF switch}
무선 통신에서 사용하는 전력 알에프 스위치, 특히 반도체 전력 알에프 스위치에 관한 기술이 개시된다.
GSM(Global Systems for Mobile communications), CDMA(Code-division multiple access)와 같은 무선 이동 통신 표준을 구현하는 단말기에서는 안테나에서 수신된 신호를 수신기로 출력하는 수신 경로와 송신기의 출력을 안테나로 송출하는 송출 경로의 2개의 경로 간을 스위칭하기 위해 전력 알에프 스위치가 채택된다. 수신 경로의 입력단에는 잡음과 혼합된 극히 낮은 전력을 가진 신호가 인가되고, 송신 경로의 출력단에서는 극히 높은 전력이 출력되므로, 전력 알에프 스위치는 수신 경로의 낮은 전력 신호와, 송신 경로의 높은 전력 신호를 모두 처리해야 하는 부담을 가진다. 게다가 최대 정격 절대값(Absolute Maximum Rating : AMR) 조건에서의 동작을 보장하기 위해 전력 알에프 스위치에서는 더 높은 정격 전압을 가진 고전압 트랜지스터가 적용되고 있다.
한편, 시스템의 저전력 동작을 위해 전력 알에프 스위치가 채용하는 시스템 공급 전압(system supply voltage)은 계속 낮아지고 있다. 그러나 이러한 고전압 트랜지스터는 낮은 스위칭 제어 전압에서 성능이 매우 열악하다(very poor). 이에 따라 전력 알에프 스위치에서 요구되는 성능 사양들, 예를 들면 삽입 손실(Insertion Loss : IL), 고조파왜율(harmonic Distortion), 혹은 상호변조왜곡(Intermodulation Distortion)을 보장하는 것이 점점 더 어려워지고 있다.
제안된 발명은 낮은 시스템 공급 전압 환경에서 전력 알에프 스위치에서 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
나아가 제안된 발명은 낮은 시스템 공급 전압 환경에서 전력 알에프 스위치에서 성능을 향상시키면서 최대정격조건에서 트랜지스터 항복(transistor breakdown)을 방지하는 것을 목적으로 한다.
나아가 제안된 발명은 칩 면적을 늘이지 않으면서 낮은 시스템 공급 전압 환경에서 전력 알에프 스위치의 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
제안된 발명의 일 양상에 따르면, 전력 알에프 스위치에서 시스템 공급 전압을 부스팅한 부스팅된 공급 전압과 시스템 공급 전압을 극성 반전한 음의 공급 전압 간에 진동하는 부스팅된 스위칭 제어 신호가 고전압 트랜지스터의 게이트에 인가된다.
나아가 제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 전력 알에프 스위치에서 고전압 트랜지스터의 게이트에 인가되는 부스팅된 스위칭 제어 신호에 동기화되고, 음의 공급 전압과 기준 전압 간에 진동하는 기판 제어 신호가 그 기판에 인가될 수 있다.
나아가 제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 전력 알에프 스위치는 최대 정격 절대값(Absolute Maximum Rating : AMR) 조건에서 고전압 트랜지스터의 항복 (breakdown)을 방지하기 위해 전압 부스터가 생성하는 부스팅된 공급 전압을 일정한 수준으로 제한하는 전압 제한 회로를 더 포함할 수 있다.
나아가 제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 전압 부스터와 음전하 펌프 중의 어느 하나의 출력단의 커패시터는 MOS, MOM, 그리고 MIM 커패시터들이 순차적으로 적층되어 병렬로 연결된 구조를 포함할 수 있다.
제안된 발명에 따라, 전압 부스팅을 적용하여 트랜지스터의 게이트를 고전압으로 제어하고 온 시킴에 따라 알에프 스위치의 고조파(harmonic) 및 상호 변조 왜곡(InterModulation Distortion) 성능을 개선할 수 있다. 또한 부스팅한 공급전압을 생성할 때 최대 전압을 일정한 수준으로 제한함으로써 최대정격전압 조건에서 고전압 트랜지스터가 손상되는 문제를 회피할 수 있다.
또한 이러한 기술을 채택할 때 문제가 될 수 있는 대용량의 커패시터를 집적하기 위해 특별한 적층된 커패시터 구조를 채택함에 따라 회로의 면적을 줄일 수 있어 경제적인 구현이 가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 전력 알에프 스위치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 제안된 발명에서 채택할 수 있는 송신 반도체 스위치와 수신반도체 스위치의 일 실시예의 구성을 도시한다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 전력 알에프 스위치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 도 3의 실시예에서 스위칭 신호 부스팅 회로가 출력하는 제어 신호들을도시한 타이밍 다이어그램이다.
도 5는 도 1에서 스위칭 신호 부스팅 회로의 일 실시예에 따른 구성을 도시한 블록도이다.
도 6은 도 3에서 스위칭 신호 부스팅 회로의 일 실시예에 따른 구성을 도시한 블록도이다.
도 7은 스위칭 신호 부스팅 회로에서 생성하는 제어 신호들을 도시한 타이밍 다이어그램이다.
도 8은 도 5 또는 도 6의 전압 부스터의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도 9는 도 5 또는 도 6의 음전하 펌프의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도 10은 도 5 또는 도 6의 스위칭 제어신호 양의 천이부의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도 11은 도 5 또는 도 6의 스위칭 제어신호 음의 천이부의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도 12는 도 5 또는 도 6의 송신 스위칭 제어신호 생성부의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도 13은 전압 부스터 혹은 음전하 펌프의 출력단의 온칩 커패시터의 구조를 도시한 도면이다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통해 구체화된다. 각 실시예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시예 내에서 또는 타 실시예의 구성 요소들과 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다. 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 기재 내용 혹은 제안된 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
<청구항 1 발명의 설명>
제안된 발명의 일 양상에 따르면, 전력 알에프 스위치에서 시스템 공급 전압을 부스팅한 부스팅된 공급 전압과 시스템 공급 전압을 극성 반전한 음의 공급 전압 간에 진동하는 스위칭 제어 신호가 고전압 트랜지스터의 게이트에 인가된다. 여기서 시스템 공급 전압은 제안된 발명에 따라 제작되는 반도체 칩 혹은 회로에 공급되는 주 전원 공급 전압(primary power supply voltage)을 말한다.
도 1은 일 양상이 적용된 일 실시예에 따른 전력 알에프 스위치의 구성을 도시한 블록도이다. 도 1에서 안테나(120)나 송신 회로(141), 그리고 수신 회로(143)는 제안된 발명에 따른 실시예의 구성이 아니고 외부의 구성이라는 것을 표현하기 위해 점선으로 도시되었다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 전력 알에프 스위치는 송신 반도체 스위치(171,173)와, 수신 반도체 스위치(191,193)와, 제어기(130)와 스위칭 신호 부스팅 회로(110)를 포함한다. 일 실시예에 따른 전력 알에프 스위치는 하나의 반도체 집적 회로로 구현된다. 그러나 제안된 발명은 이것으로 제한되는 것은 아니며, 몇 개의 반도체 소자, 혹은 하나의 집적회로 및 몇 개의 소자들이 결선된 회로로 구현될 수도 있다.
도시된 실시예에서 도시의 편의성을 위해 송신 반도체 스위치(171,173)와 수신 반도체 스위치(191,193)는 각각 2개의 FET로 구현되는 SPDT(Double-Pole Double Throw) 형태의 스위치로 도시되었으나 이에 한정되는 것은 아니며, 고전력 알에프 신호를 스위칭하기에 적합하며 다수의 FET를 포함하는 회로로 구현되는 공지된 전력 알에프 스위치 구조 중 한 형태일 수 있다.
송신 반도체 스위치(171,173)는 일단이 외부의 안테나에 연결되고, 타단은 외부의 송신 회로(141)에 연결되며, 송신 스위칭 제어 신호에 의해 스위칭된다. 수신 반도체 스위치(191,193)는 일단이 외부의 안테나에 연결되고, 타단은 외부의 수신 회로에 연결되며, 수신 스위칭 제어 신호에 의해 스위칭된다. 제어기(130)는 송신 반도체 스위치와 수신 반도체 스위치 중 연결되는 하나를 지시하는 스위칭 제어 신호를 출력한다. 전력 알에프 스위치에서 제어기(130)는 외부의 신호에 따라, 혹은 내부의 로직에 따라 스위칭 제어 신호를 출력하여 송신 싸이클과 수신 싸이클을 제어한다.
스위칭 신호 부스팅 회로(110)는 제어기(130)가 출력하는 스위칭 제어 신호에 따라 서로 반대 위상을 가지는 송신 스위칭 제어 신호와 수신 스위칭 제어신호를 출력한다. 송신 스위칭 제어 신호와 수신 스위칭 제어 신호 각각은 시스템 공급 전압을 부스팅한 부스팅된 공급 전압(boosted supply voltage)과 시스템 공급 전압을 극성 반전한 음의 공급 전압 간에 진동한다. 고전압 트랜지스터의 게이트에 시스템 공급 전압을 부스팅한 부스팅된 공급 전압과 시스템 공급 전압을 극성 반전한 음의 공급 전압 간에 진동하는 스위칭 제어 신호가 인가됨에 따라 고전압 트랜지스터의 스위칭 특성이 향상될 수 있다.
일 실시예에서, 시스템 공급 전압을 전압 체배회로(voltage doubler)를 통해 부스팅하여 부스팅된 공급 전압을 생성할 수 있다. 또 일 실시예에서, 시스템 공급 전압을 음의 전하 펌프(negative charge pump)를 통해 극성 반전하여 음의 공급 전압(negative supply voltage)을 생성할 수 있다.
<청구항 2 발명의 설명>
도 2는 제안된 발명에서 채택할 수 있는 송신 반도체 스위치와 수신반도체 스위치의 일 실시예의 구성을 도시한다. 송신 반도체 스위치는 일단이 외부의 안테나(RF_ANT)에 연결되고, 타단은 외부의 송신 회로(RF_TX)에 연결되며, 도면 윗방향의 단자는 기판에 접지된다. 수신 반도체 스위치는 일단이 외부의 안테나(RF_ANT)에 연결되고, 타단은 외부의 수신 회로(RF_RX)에 연결되며, 도면 아랫 방향의 단자는 기판에 접지된다. 도시된 실시예에서 송신 반도체 스위치 및 수신 반도체 스위치는 SPDT(Single Pole Double Throw) 구조를 가지고 있으나 제안된 발명은 이에 한정되지는 않는다. 또 송신 반도체 스위치 및 수신 반도체 스위치 각각의 스위칭 경로는 고전압을 분배하기 위하여 직렬로 연결된 복수의 고전압 트랜지스터를 포함한다.
제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 전력 알에프 스위치에서 고전압 트랜지스터의 게이트에 인가되는 스위칭 제어 신호에 동기화되고, 음의 공급 전압과 기준 전압 간에 진동하는 기판 제어 신호가 그 기판에 인가될 수 있다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 전력 알에프 스위치의 구성을 도시한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 도시된 실시예에 따른 전력 알에프 스위치는 송신 반도체 스위치(171,173)와, 수신 반도체 스위치(191,193)와, 제어기(130)와 스위칭 신호 부스팅 회로(110)를 포함한다. 도 1의 실시예와 유사한 구성은 동일한 도면 부호로 참조되고, 대응되는 구성은 동일한 번호에 '를 부가하여 구별하였다. 또한 이해의 편의를 위해 송신 반도체 스위치와 수신 반도체 스위치는 송신 반도체 스위치의 하나의 송신 고전압 트랜지스터(173')와, 수신 반도체 스위치의 하나의 수신 고전압 트랜지스터(193')를 제외하고는 도시 생략되었다. 제어기(130)의 구성은 도 1의 실시예와 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
일 양상에 따라, 스위칭 신호 부스팅 회로(110')는 서로 반대 위상을 가지는 송신 스위칭 제어 신호(EN2)와 수신 스위칭 제어 신호(EN1)를 각각 송신 고전압 트랜지스터(173')의 게이트(173'G)와 수신 고전압 트랜지스터(193')의 게이트(193'G)로 출력한다. 송신 스위칭 제어 신호(EN2)와 수신 스위칭 제어 신호(EN1)는 부스팅된 공급 전압과 음의 공급 전압 간에 진동한다. 일 실시예에서, 시스템 공급 전압을 전압 체배회로(voltage doubler)를 통해 부스팅하여 부스팅된 공급 전압을 생성할 수 있다. 또 일 실시예에서, 시스템 공급 전압을 음의 전하 펌프(negative charge pump)를 통해 극성 반전하여 음의 공급 전압(negative supply voltage)을 생성할 수 있다.
추가적인 양상에 따라, 스위칭 신호 부스팅 회로(110')는 서로 반대 위상을 가지는 송신 기판 제어 신호(VB2)와 수신 기판 제어 신호(VB1)를 각각 송신 고전압 트랜지스터(173')의 기판(173'B)과 수신 고전압 트랜지스터(193')의 기판(193'B)으로 출력한다. 송신 기판 제어 신호(VB2)는 송신 스위칭 제어 신호(EN2)에 동기화되어 음의 공급 전압과 기준 전압 간에 진동한다. 수신 기판 제어 신호(VB1)는 수신 스위칭 제어 신호(EN1)에 동기화되어 음의 공급 전압과 기준 전압 간에 진동한다. 도시된 실시예에서, 음의 공급 전압은 전술한 음의 전하 펌프를 통해 생성된 것일 수 있다.
<도 4의 설명>
도 4는 도 3의 실시예에서 스위칭 신호 부스팅 회로가 출력하는 제어 신호들간의 타이밍을 도시한다. 도면에서 VBB는 부스팅된 공급 전압이고, VNN은 음의 공급 전압 전압이다. 도시된 바와 같이, 송신 스위칭 제어 신호(EN2)는 제어기가 출력하는 스위칭 제어 신호에 따라 결정되는 송신 싸이클 TX1, TX2 동안 활성화되어 VBB의 부스팅된 공급 전압을 출력하고, 수신 싸이클 RX1 동안 비활성화되어 VNN의 음의 공급 전압을 출력한다. 또 수신 스위치 제어 신호(EN1)는 송신 스위칭 제어 신호(EN2)와 반대 위상을 가지며, 제어기가 출력하는 스위칭 제어 신호에 따라 결정되는 수신 싸이클 RX1 동안 활성화되어 VNN의 음의 공급 전압을 출력하고, 송신 싸이클 TX1, TX2 동안 비활성화되어 VBB의 부스팅된 공급 전압을 출력한다.
추가적인 양상에 따라, 송신 기판 제어 신호(VB2)는 제어기가 출력하는 스위칭 제어 신호에 따라 결정되는 송신 싸이클 TX1, TX2 동안 활성화되어 VNN의 음의 공급 전압을 출력하고, 수신 싸이클 RX1 동안 비활성화되어 기준 전압을 출력한다. 또 수신 기판 제어 신호(VB1)는 송신 기판 제어 신호(VB2)와 반대 위상을 가지며, 제어기가 출력하는 스위칭 제어 신호에 따라 결정되는 수신 싸이클 RX1 동안 활성화되어 VNN의 음의 공급 전압을 출력하고, 송신 싸이클 TX1, TX2 동안 비활성화되어 기준 전압을 출력한다. 여기서 기준 전압은 시스템 공급 전압의 기준이 되는 기저 전압(base voltage)을 말하며 통상 접지 전압에 가까운 값을 가진다.
송신 싸이클 TX1, TX2 동안 도 3의 송신 고전압 트랜지스터(173')의 게이트(173'G)에는 부스팅된 공급 전압 VBB가 인가되고, 그 기판(substrate)(173'B)에는 VNN의 음의 공급 전압이 인가되어, 송신 고전압 트랜지스터(173)의 턴-온 동작이 개선된다. 유사하게, 수신 싸이클 RX1 동안 도 3의 수신 고전압 트랜지스터(193')의 게이트에는 부스팅된 공급 전압 VBB가 인가되고, 그 기판(substrate)에는 VNN의 음의 공급 전압이 인가되어, 송신 고전압 트랜지스터(173)의 턴-온 동작이 개선된다.
<청구항 3 발명의 설명>
도 5는 도 1에서 스위칭 신호 부스팅 회로(110)의 일 실시예에 따른 구성을 도시한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 스위칭 신호 부스팅 회로는 전압 부스터(210)와, 스위칭 제어 신호 양의 천이부(230)와, 음 전하 펌프(270)와, 스위칭 제어 신호 음의 천이부(290)와, 송수신 스위칭 제어 신호 생성부(250)를 포함한다.
도시된 실시예에서, 양전압 부스터(210)는 시스템 공급 전압을 부스트하여 부스팅된 공급 전압을 출력한다. 예를 들어 양전압 부스터는 전압 체배기(voltage doubler)로 구현될 수 있다.
도시된 실시예에서, 스위칭 제어 신호 양의 천이부(230)는 제어기(130, 도 1)에서 출력되는 스위칭 제어 신호로부터 부스팅된 공급 전압과 시스템 공급 전압 간을 진동하는 양의 천이된 스위칭 제어 신호(positively shifted switching control signal)를 생성하여 출력한다. 이를 위해 스위칭 제어 신호 양의 천이부(230)에는 시스템 공급 전압과, 전압 부스터(210)에서 생성된 부스팅된 공급 전압이 인가된다. 스위칭 제어 신호 양의 천이부(230)는 시스템 공급 전압과 기준 전압간을 진동하는 스위칭 제어 신호를 시스템 공급 전압 만큼 천이시켜 부스팅된 공급 전압과 시스템 공급 전압 간을 진동하는 양의 천이된 스위칭 제어 신호로 변환한다.
도시된 실시예에서, 음 전하 펌프(270)는 시스템 공급 전압을 극성 반전하여 음의 공급 전압을 출력한다. 이 같은 음전하 펌프의 구조는 알려져 있으므로 설명을 생략한다.
도시된 실시예에서, 스위칭 제어 신호 음의 천이부(290)는 제어기(130, 도 1)에서 출력되는 스위칭 제어 신호로부터 기준 전압과 음의 공급 전압 간을 진동하는 음의 천이된 스위칭 제어 신호(negatively shifted switching control signal)를 생성하여 출력한다. 이를 위해 스위칭 제어 신호 음의 천이부(290)에는 시스템 공급 전압과, 음전하 펌프(270)에서 생성된 음의 공급 전압이 인가된다. 스위칭 제어 신호 음의 천이부(290)는 시스템 공급 전압과 기준 전압간을 진동하는 스위칭 제어 신호를 시스템 공급 전압 만큼 음의 방향으로 천이시켜 기준 전압과 음의 공급 전압 간을 진동하는 음의 천이된 스위칭 제어 신호로 변환한다.
도시된 실시예에서, 송수신 스위칭 제어신호 생성부(250)는 송신 스위칭 제어 신호 생성부(251)와, 수신 스위칭 제어 신호 생성부(253)를 포함한다. 송신 스위칭 제어 신호 생성부(251)는 스위칭 제어 신호 양의 천이부(230)에서 생성된 양의 천이된 스위칭 제어 신호와, 스위칭 제어 신호 음의 천이부(290)에서 생성된 음의 천이된 스위칭 제어 신호에 의해 제어되어 부스팅된 공급 전압과 음의 공급 전압 간에 진동하는 송신 스위칭 제어 신호를 생성하여 출력한다. 이를 위해 송신 스위칭 제어 신호 생성부(251)에는 전압 부스터(210)에서 생성된 부스팅된 공급 전압과, 음전하 펌프(270)에서 생성된 음의 공급 전압이 인가된다.
수신 스위칭 제어 신호 생성부(253)는 스위칭 제어 신호 양의 천이부(230)에서 생성된 양의 천이된 스위칭 제어 신호와, 스위칭 제어 신호 음의 천이부(290)에서 생성된 음의 천이된 스위칭 제어 신호에 의해 제어되어 부스팅된 공급 전압과 음의 공급 전압 간에 진동하는 수신 스위칭 제어 신호를 생성하여 출력한다. 이를 위해 수신 스위칭 제어 신호 생성부(253)에는 전압 부스터(210)에서 생성된 부스팅된 공급 전압과, 음전하 펌프(270)에서 생성된 음의 공급 전압이 인가된다. 수신 스위칭 제어 신호 생성부(253)가 출력하는 수신 스위칭 제어 신호는 송신 스위칭 제어 신호 생성부(251)가 출력하는 송신 스위칭 제어 신호와 서로 반대 위상을 가질 뿐이어서 수신 스위칭 제어 신호 생성부(253)는 송신 스위칭 제어 신호 생성부(251)와 동일한 회로로 구현될 수 있다.
<도 7의 설명>
도 7은 도 5에 도시된 스위칭 신호 부스팅 회로에서 생성하는 제어 신호들을 도시한 타이밍 다이어그램이다.
도면에서 VDD는 시스템 공급 전압이고, VSS는 기준 전압이며, VBB는 도 5의전압 부스터(210)에서 생성된 부스팅된 공급 전압이고 VNN은 도 5의 음전하 펌프(270)에서 생성된 음의 공급 전압 전압이다. 도시된 실시예에서, 전압 부스터(210)가 전압 체배기로 구현되어 VBB는 대략 VDD의 2배의 값을 가진다.
도시된 바와 같이, 제어기가 출력하는 스위칭 제어 신호는 송신 싸이클 TX1, TX2 동안 활성화되어 VDD의 시스템 공급 전압을 출력하고, 수신 싸이클 RX1 동안 비활성화되어 VSS의 기준 전압을 출력한다(a). 또 스위칭 제어 신호 양의 천이부(230)가 출력하는 양의 천이된 스위칭 제어 신호는 스위칭 제어 신호를 양의 방향으로 VDD 만큼 천이하여 송신 싸이클 TX1, TX2 동안 VBB의 부스팅된 공급 전압을 출력하고, 수신 싸이클 RX1 동안 비활성화되어 VDD의 시스템 공급 전압을 출력한다(b). 또 송신 스위칭 제어 신호(EN2)는 스위칭 제어 신호에 동기화되어 송신 싸이클 TX1, TX2 동안 VBB의 부스팅된 공급 전압을 출력하고, 수신 싸이클 RX1 동안 비활성화되어 VNN의 음의 공급 전압을 출력한다. 도시 생략되었으나, 스위칭 제어 신호 음의 천이부가 출력하는 음의 천이된 스위칭 제어 신호는 양의 천이된 스위칭 제어 신호와 반대 위상을 가지는 신호이고, 수신 스위칭 제어 신호 생성부가 출력하는 수신 스위칭 제어 신호는 송신 스위칭 제어 신호와 반대 위상을 가지는 신호이다.
<청구항 4 발명의 설명>
도 6은 도 3에서 스위칭 신호 부스팅 회로(110')의 일 실시예에 따른 구성을 도시한 블록도이다. 도 1의 실시예와 유사한 구성은 동일한 도면 부호로 참조되고, 대응되는 구성은 동일한 번호에 '를 부가하여 구별하였다. 또한 이해의 편의를 위해 송신 반도체 스위치와 수신 반도체 스위치는 송신 반도체 스위치의 하나의 송신 고전압 트랜지스터(173')와, 수신 반도체 스위치의 하나의 수신 고전압 트랜지스터(193')를 제외하고는 도시 생략되었다.
도 5의 실시예와 비교하여, 도 6의 송수신 스위칭 제어 신호 생성부(250')는 송신 기판 제어 신호 출력부(255)와 수신 기판 제어 신호 출력부(257)를 더 포함하는 점에서 차이가 있다. 송신 기판 제어 신호 출력부(255)는 스위칭 제어신호 음의 천이부(290)에서 출력되는 신호를 버퍼링하여 송신 기판 제어 신호로 송신 반도체 스위치의 송신 고전압 트랜지스터(173')의 기판(173'B)으로 인가한다. 수신 기판 제어 신호 출력부(257)는 스위칭 제어신호 음의 천이부(290)에서 출력되는 신호를 반전하고 버퍼링하여 수신 기판 제어 신호로 수신 반도체 스위치의 수신 고전압 트랜지스터(193')의 기판(193'B)으로 인가한다.
다시 도 7을 참조하면, 아래쪽에 송신 기판 제어 신호가 다른 제어 신호들과 함께 비교되어 타이밍 다이어그램 상에 표시되어 있다. 고전압 트랜지스터의 게이트에는 도시된 바와 같이 부스팅된 공급 전압과 음의 공급 전압간을 진동하는 송신 스위칭 제어 신호가 인가되고, 그 기판에는 음의 공급 전압과 기준 전압간을 진동하는 송신 기판 제어 신호가 인가됨에 따라, 게이트와 기판 간에 전압차가 커지면서, 고전압 트랜지스터의 안정된 동작에 도움이 된다.
<청구항 5 발명의 설명>
도 8 내지 도 11은 각각 도 5 또는 도 6에 도시된 전압 부스터, 음전하 펌프, 스위칭 제어신호 양의 천이부, 스위칭 제어신호 음의 천이부, 송신 스위칭 제어신호 생성부의 일 실시예를 도시한 회로도들이다. 여기서 VDD는 시스템 공급전압이며, VSS는 시스템의 기준 전압이다. 또 VBB는 전압 부스터에서 출력되는 부스팅된 공급 전압이고, VNN은 음전하 펌프에서 출력되는 음의 공급 전압이다.
도 8은 도 5 또는 도 6의 전압 부스터의 일 실시예를 도시한 회로도이다. 도시된 실시예에서, 전압 부스터는 서로 겹치지 않도록(non-overlapping) 순차적으로 활성화되는 4개의 클럭 CLK1~CLK4에 의해 개폐가 제어되는 4개의 트랜지스터들을 통해 VLDO에 의해 공급된 전하를 커패시터(C1)에 충전함으로써 입력된 VLDO를 체배한 VBB = 2xVLDO의 전압을 출력하는 전압 체배기(voltage doubler)이다.
제안된 발명의 또 다른 양상에 따라, 전력 알에프 스위치는 최대 정격 절대값(Absolute Maximum Rating : AMR) 조건에서 고전압 트랜지스터의 항복 (breakdown)을 방지하기 위해 전압 부스터가 생성하는 부스팅된 공급 전압을 일정한 수준으로 제한하는 전압 제한 회로를 더 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 전압 체배기에 공급되는 전압은 시스템 공급 전압이 직접 인가되지 않고 LDO(Low Dropout) 정전압기(regulator)를 거쳐 인가된다. 이에 따라 전압 체배기가 출력하는 VBB의 최대 전압은 2xVLDO로 제한될 수 있다. 이에 따라 고전압 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압의 최대값이 이 값으로 제한될 수 있어 항복 (breakdown)이 방지될 수 있다.
도 9는 도 5 또는 도 6의 음전하 펌프의 일 실시예를 도시한 회로도이다. 도시된 회로에서 음전하 펌프는 서로 겹치지 않도록(non-overlapping) 순차적으로 활성화되는 4개의 클럭 CLK1~CLK4에 의해 개폐가 제어되는 4개의 트랜지스터들을 통해 시스템 공급 전압 VDD에 의해 공급된 전하를 커패시터(C2)에 충전함으로써 시스템 공급 전압의 극성을 반전한 전압을 출력하는 음 전하 펌프이다.
<도 10의 설명>
도 10은 도 5 또는 도 6의 스위칭 제어신호 양의 천이부의 일 실시예를 도시한 회로도이다. 우측의 N형 FET와 P형 FET가 직렬로 연결된 회로부는 제어기에서 입력되는 스위칭 제어 신호(CTRL)를 버퍼링하는 반전 버퍼이다. 이후에 VBB와 VSS 간에 직렬 연결된 3개의 N형 FET와 3개의 P형 FET가 병렬로 연결된 구조는 VDD와 VSS간에 진동하는 스위칭 제어 신호를 VBB와 VDD 간에 반대 위상으로 진동하는 신호로 천이시킨다. 여기서 좌측 화살표로 표시된 노드는 VDD로 연결된다. 이후 VBB와 VDD간에 직렬 연결된 N형 FET와 P형 FET는 E1신호를 출력하는 출력 버퍼이다. 이후에 E1 신호를 반전 버퍼링하여 EB1 신호가 출력된다.
도 11은 도 5 또는 도 6의 스위칭 제어신호 음의 천이부의 일 실시예를 도시한 회로도이다. 우측의 N형 FET와 P형 FET가 직렬로 연결된 회로부는 제어기에서 입력되는 스위칭 제어 신호(CTRL)를 버퍼링하는 반전 버퍼이다. 이후에 VDD와 VNN 간에 직렬 연결된 3개의 N형 FET와 3개의 P형 FET가 병렬로 연결된 구조는 VDD와 VSS간에 진동하는 스위칭 제어 신호를 VSS와 VNN 간에 반대 위상으로 진동하는 신호로 천이시킨다. 여기서 좌측 화살표로 표시된 노드는 VSS로 연결된다. 이후 VSS와 VNN간에 직렬 연결된 N형 FET와 P형 FET는 E2신호를 출력하는 출력 버퍼이다. 이후에 E2 신호를 반전 버퍼링하여 EB2 신호가 출력된다.
도 12는 도 5 또는 도 6의 송신 스위칭 제어신호 생성부의 일 실시예를 도시한 회로도이다. VBB와 VNN 간에 직렬 연결된 3개의 N형 FET와 3개의 P형 FET들은 VBB와 VDD간에 진동하는 E1 신호와, VSS와 VNN간에 진동하는 E2 신호에 의해 개폐되면서 출력 단자에 연결된 커패시터 C를 충방전시킨다. 이에 따라 출력 단자에는 VBB와 VNN 간에 진동하는 EN1 신호가 출력된다. 수신 스위칭 제어 신호 생성부는 송신 스위칭 제어신호 생성부와 동일하나 반전된 입력 신호 EB1, EB2가 입력되는 점이 상이하다.
한편, 제안된 발명은 그 특징적인 양상에 따라 부스팅된 공급전압과 음의 공급전압을 생성하며, 이에 따라 제안된 발명이 적용된 전력 알에프 스위치를 반도체 집적회로로 구현할 때 가장 많은 면적을 점유하는 것이 도 8에 도시된 전압 부스터의 출력단의 커패시터 C1이나, 도 9에 도시된 음전하 펌프의 출력단의 커패시터 C2이다. CMOS 공정에서는 MOM(Metal-Oxide-Metal) 캐패시터, MIM (Metal-Insulator-Metal) 캐패시터, 그리고 MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) 캐패시터 등의 다양한 구조의 온칩 캐패시터가 알려져 있다.
제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 전압 부스터와 음전하 펌프 중의 어느 하나의 출력단의 커패시터는 MOS, MOM, 그리고 MIM 커패시터들이 순차적으로 적층되어 병렬로 연결된 구조를 포함할 수 있다. 도 13은 전압 부스터 혹은 음전하 펌프의 출력단의 온칩 커패시터의 구조를 도시한 도면이다. MOS 커패시터는 설계룰에 따라 가장 바닥에 배치되며, MOM 커패시터는 교번적으로 배치된 평행 전극을 포함하는 구조를 가지고 있어 MIM 커패시터와 MOS 커패시터 사이에 배치된다.
이상에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하는 실시예들을 통해 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이들로부터 당업자라면 자명하게 도출할 수 있는 다양한 변형예들을 포괄하도록 해석되어야 한다. 특허청구범위는 이러한 변형예들을 포괄하도록 의도되었다.
110 : 스위칭 신호 부스팅 회로 120 : 안테나
130 : 제어기 150 : 시스템 공급전압
171,173 : 송신 고전압 트랜지스터 191,193 : 수신 고전압 트랜지스터
210 : 전압 부스터 230 : 스위칭 제어신호 양의 천이부
250 : 송수신 스위칭 제어신호 생성부
251 : 송신 스위칭 제어신호 생성부
253 : 수신 스위칭 제어신호 생성부
255 : 송신 기판 제어신호 출력부 257 : 수신 기판 제어신호 출력부
270 : 음전하 펌프 290 : 스위칭 제어신호 음의 천이부

Claims (6)

  1. 일단이 외부의 안테나에 연결되고, 타단은 외부의 송신 회로에 연결되며, 송신 스위칭 제어 신호에 의해 스위칭되는 송신 반도체 스위치(transmit semiconductor switch)와;
    일단이 외부의 안테나에 연결되고, 타단은 외부의 수신 회로에 연결되며, 수신 스위칭 제어 신호에 의해 스위칭되는 수신 반도체 스위치(reception semiconductor switch)와;
    상기 송신 반도체 스위치와 수신 반도체 스위치 중 연결되는 하나를 지시하는 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어기(controller)와;
    스위칭 제어 신호에 따라 서로 반대 위상을 가지는 송신 스위칭 제어 신호와 수신 스위칭 제어신호를 출력하되, 송신 스위칭 제어 신호와 수신 스위칭 제어 신호 각각은 시스템 공급 전압을 부스팅한 부스팅된 공급 전압과 시스템 공급 전압을 극성 반전한 음의 공급 전압 간에 진동하는 스위칭 신호 부스팅 회로(switching signal boosting circuit);
    를 포함하고,
    상기 스위칭 신호 부스팅 회로는,
    시스템 공급 전압을 부스트하여 부스팅된 공급 전압을 출력하는 전압 부스터(voltage booster)와;
    상기 부스팅된 공급 전압이 인가되고, 제어기에서 출력되는 스위칭 제어 신호로부터 부스팅된 공급 전압과 시스템 공급 전압 간을 진동하는 양의 천이된 스위칭 제어 신호(positively shifted switching control signal)를 생성하여 출력하는 스위칭 제어 신호 양의 천이부(switching control signal positive shifter)와;
    시스템 공급 전압을 극성 반전하여 음의 공급 전압을 출력하는 음 전하 펌프(negative charge pump)와;
    상기 음의 공급 전압이 인가되고, 제어기에서 출력되는 스위칭 제어 신호로부터 기준 전압과 음의 공급 전압 간을 진동하는 음의 천이된 스위칭 제어 신호(negatively shifted switching control signal)를 생성하여 출력하는 스위칭 제어 신호 음의 천이부(switching control signal negative shifter)와;
    상기 부스팅된 공급 전압 및 상기 음의 공급 전압이 인가되고, 상기 양의 천이된 스위칭 제어 신호와 상기 음의 천이된 스위칭 제어 신호에 의해 제어되어 부스팅된 공급 전압과 음의 공급 전압 간에 진동하는 송신 스위칭 제어 신호를 생성하여 출력하는 송신 스위칭 제어 신호 생성부와, 송신 스위칭 제어 신호와 반대 위상을 가지는 수신 스위칭 제어 신호를 생성하여 출력하는 수신 스위칭 제어 신호 생성부를 포함하는 송수신 스위칭 제어 신호 생성부;
    를 포함하는 전력 알에프 스위치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 스위칭 신호 부스팅 회로는 부스팅된 공급 전압과 음의 공급 전압 간에 진동하는 송신 스위칭 제어 신호를 송신 반도체 스위치의 송신 고전압 트랜지스터의 게이트에 인가하고, 상기 송신 스위칭 제어 신호에 동기화되어 음의 공급 전압과 기준 전압 간에 진동하는 송신 기판 제어 신호를 상기 송신 고전압 트랜지스터의 기판(substrate)에 인가하며,
    송신 스위칭 제어 신호와 반대 위상을 가지는 수신 스위칭 제어 신호를 수신 반도체 스위치의 수신 고전압 트랜지스터의 게이트에 인가하고, 송신 기판 제어 신호와 반대 위상을 가지는 수신 기판 제어 신호를 상기 수신 고전압 트랜지스터의 기판(substrate)에 인가하는 전력 알에프 스위치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 송수신 스위칭 제어 신호 생성부는 :
    상기 스위칭 제어신호 음의 천이부에서 출력되는 신호를 버퍼링하여 송신 기판 제어 신호로 송신 반도체 스위치의 송신 고전압 트랜지스터의 기판(substrate)으로 인가하는 송신 기판 제어 신호 출력부와;
    상기 스위칭 제어신호 음의 천이부에서 출력되는 신호를 반전하고 버퍼링하여 수신 기판 제어 신호로 수신 반도체 스위치의 수신 고전압 트랜지스터의 기판(substrate)으로 인가하는 수신 기판 제어 신호 출력부;
    를 더 포함하는 전력 알에프 스위치.
  5. 청구항 1에 있어서, 전압 부스터는 :
    출력하는 부스팅된 공급 전압을 일정한 수준으로 제한하는 전압 제한 회로;를 더 포함하는 전력 알에프 스위치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 전압 부스터와 음전하 펌프 중의 어느 하나의 출력단의 커패시터는 MIM(Metal-Insulator-Metal), MOM(Metal-Oxide-Metal), 그리고 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 커패시터들이 순차적으로 적층되어 병렬로 연결된 구조를 포함하는 전력 알에프 스위치.

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JP2013175834A (ja) * 2012-02-23 2013-09-05 Hitachi Metals Ltd 高周波スイッチモジュール
JP2019080120A (ja) * 2017-10-20 2019-05-23 新日本無線株式会社 高周波スイッチ装置

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