TWI539761B - 射頻切換模組及其控制方法 - Google Patents

射頻切換模組及其控制方法 Download PDF

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Description

射頻切換模組及其控制方法
本發明係關於一種射頻切換模組及其控制方法，尤指一種可減少RF訊號洩漏的射頻切換模組的控制方法。
隨著無線通訊的普及，於各種裝置中設置射頻(radio frequency,RF)電路已為趨勢。RF切換模組則是其一。
當RF切換模組發送訊號時，位於發送埠的開關會開啟以透過天線發送RF訊號，而位於接收埠的開關會關閉以防止發送埠的RF訊號洩漏(leak)到接收埠。訊號洩漏除了影響收發時RF訊號的品質外，並造成接收埠低壓元件的損壞。此外，訊號洩漏也會造成額外的電量消耗，減少行動裝置電池的使用時間。因此，一種有效並可調整的減少RF訊號洩漏的切換模組的控制方法是被需要的。
本發明之實施例揭露一種射頻切換模組及控制方法。射頻切換模組包含第一開關、第二開關、第三開關及第四開關。第一開關是耦接於天線埠及發送埠之間；第二開關是耦接於接收埠及地端之間；第三開關是耦接於天線埠及接收埠之間；第四開關是耦接於發送埠及地端之間。其控制方法為： 當射頻切換模組由第一模式切換為第二模式時，於第一開關及第二開關開始關閉後經過第一預定時間，第三開關及第四開關才開始開啟。
100‧‧‧RF切換模組
600‧‧‧方法
602至608‧‧‧步驟
500‧‧‧電路
510、516‧‧‧反相器
504、514‧‧‧延遲單元
IN‧‧‧輸入訊號
S1~S4‧‧‧開關
ANT、TX、RX‧‧‧埠
GND‧‧‧地端
SW、SWB‧‧‧控制訊號
C1~C5‧‧‧電容
R1~R9‧‧‧電阻
VBIAS‧‧‧偏壓
SWD1、SWD2‧‧‧延遲訊號
506、512‧‧‧及閘
INB‧‧‧反相訊號
SWD1B‧‧‧反相延遲訊號
第1圖為本發明較佳實施例之RF切換模組的示意圖。
第2圖為第1圖中RF切換模組的控制訊號的時序圖。
第3圖為第1圖中RF切換模組的另一控制訊號的時序圖。
第4圖為產生第2圖控制訊號的電路示意圖。
第5圖是說明訊號IN、INB、SWD1、SW、SWD2、SWD2B及SWB時序的示意圖。
第6圖為本發明RF切換模組的控制方法的流程圖。
第7圖為本發明開關S1及開關S3閘極電壓的時序圖。
請參考第1圖，為說明本發明較佳實施例之RF切換模組的示意圖。RF切換模組100包含開關S1~S4、電阻R1~R9及電容C1~C5。開關S1~S4具有第一端、第二端，及控制端。在此實施例中，開關S1~S4為金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)。開關S1~S4的控制端可為MOSFET的閘極、第一端/第二端可為MOSFET的源/汲極。
電阻R1~R4分別耦接開關S1~S4的第一端與第二端，其目的在於使開關S1~S4的第一端與第二端的直流(direct current,DC)偏壓均等。電阻R5~R8分別耦接於開關S1~S4的控制端。電阻R9耦接於偏壓VBIAS與電容C1之間，以設定開關S1、S3鄰近於電阻R9端的DC偏壓。電阻R1~R9設計為高阻抗電阻。電阻R5~R9是避免RF訊號由開關通道洩漏至控制訊號 SW、SWB和偏壓VBIAS端，造成訊號損失或失真。
當RF切換模組100處於第一模式，例如是發射模式時，控制訊號SW為高電位，使開關S1保持開啟，將RF訊號由埠TX(第一埠)透過開關S1送至埠ANT(共同埠)發射，並使開關S2保持開啟，將埠RX(第二埠)的訊號分流到地端GND以避免干擾。此時控制訊號SWB位於低電位，使開關S3保持關閉以隔離(isolation)埠ANT訊號進入埠RX，並使開關S4保持關閉以避免埠TX的RF訊號分流至地端GND。同理，當RF切換模組100處於第二模式，例如是接收模式時，則開關S1~S4之開啟/關閉狀態恰與發射模式相反，RF訊號由埠ANT接收並透過開關S3送至埠RX。
第2圖為RF切換模組100的控制訊號的時序圖。其中，實線為控制訊號SW，虛線為控制訊號SWB，t為時間軸，v為電壓軸，VH為一高電位，VL為一低電位。控制訊號SW、SWB分別用以控制開關S1與S2、S3與S4的開啟及關閉。當控制訊號SW、SWB切換時，每一開關的閘極高阻抗電阻(R5~R8)和等效閘極電容Cg，造成其閘極電壓和其控制訊號之間形成時間延遲(RC-delay)。
另外，RF切換模組100在發射與接收模式間切換時，須對電容C1~C5進行充電或是放電，經過足夠充放電時間後，開關S1~S4的源/汲極偏壓達到設計值，才能完全開啟或關閉開關。雖然，在開關S1~S4的源/汲極處加充放電電路，可加速開關的開啟或關閉反應速度，但需要額外的面積和功耗。
當控制訊號SWB由高電位(VH)切換至低電位(VL)時，由於開關S3的閘極電阻和等效閘極電容造成的閘極電壓時間延遲，和開關S3的源/汲 極偏壓達到設計值所需充放電時間，造成無法立即關閉開關S3。此時，若開關S1已先開啟，埠TX的RF訊號會透過開關S3洩漏至埠RX，此訊號洩漏問題除影響埠TX的訊號品質，並造成埠RX的訊號干擾甚或低壓元件損壞。
為了防止RF訊號的洩漏，可設計控制訊號SWB由高電位切換至低電位後，經過一預定時間D2，控制訊號SW才由低電位切換至高電位；反之，控制訊號SW由高電位切換至低電位後，經過一預定時間D1，控制訊號SWB才由低電位切換至高電位。例如，RF切換模組100於完成發射模式後，控制訊號SW由高電位切換至低電位，先關閉開關S1、S2後經過一預定時間D1，控制訊號SWB才由低電位切換至高電位，才開啟開關S3、S4成為接收模式；反之亦然。從而避免控制訊號SW、SWB未經一預定時間同時切換，造成的RF訊號洩漏問題。預定時間D1、D2可依上述的時間延遲、充放電時間及通訊規範需求，以決定最佳值，使切換模組能有效使用時域並避免上述的訊號洩漏問題。
第3圖為本發明另一控制訊號的時序圖。其中虛線為控制訊號SWB，當SWB由高電位切換至低電位時，因為系統或環境的寄生效應，造成控制訊號自身的切換延遲時間。在此實施例中，同樣可設定控制信號SWB經一預定時間D2後，即控制訊號SWB由高電位開始下降且低於一預定電位時，控制訊號SW才開始由低電位上昇，以避免埠TX的RF訊號會透過開關S3洩漏至埠RX，造成上述訊號洩漏問題。
第4圖為產生第2圖控制訊號之電路圖。電路500中，及閘506耦接於開關S1、S2，且及閘512耦接於開關S3、S4(圖中未示)。延遲單元504可根據輸入訊號IN和預定時間D2，產生並輸出延遲訊號SWD2至及閘506；然後，及閘506根據輸入訊號IN與延遲訊號SWD2，產生控制訊號SW並輸 出至開關S1、S2。另外，反相器510根據輸入訊號IN，產生反相訊號INB至及閘512；延遲單元514根據輸入訊號IN和預定時間D1，產生並輸出延遲訊號SWD1至反相器516，其中反相器516根據延遲訊號SWD1，產生反相延遲訊號SWD1B至及閘512；然後，及閘512即可根據反相延遲訊號SWD1B與反相訊號INB，產生控制訊號SWB並輸出至開關S3、S4。第5圖是第4圖中訊號IN、INB、SWD2、SW、SWD1、SWD1B及SWB的時序圖，說明電路500可實現第二圖中控制訊號SW、SWB的切換預定時間D1、D2的設計。
第6圖為RF切換模組100的控制方法的流程圖，方法600包含：步驟602：當該RF切換模組處於第一模式時，提供第一關閉訊號至開關S1、S2，例如是將控制訊號SW由高電位VH切換至低電位VL，開始關閉開關S1、S2；步驟604：當提供第一關閉訊號至開關S1、S2，亦即開始關閉開關S1、S2後經過預定時間D1，提供第一開啟訊號至開關S3、S4，例如是將控制訊號SWB由低電位VL切換至高電位VH，開始開啟開關S3、S4，以將第一模式切換至第二模式；步驟606：提供第二關閉訊號至開關S3、S4，例如是將控制訊號SWB由高電位VH切換至低電位VL，開始關閉開關S3、S4；步驟608：當提供第二關閉訊號至開關S3、S4，亦即開始關閉開關S3、S4後經過預定時間D2，提供第二開啟訊號至開關S1、S2，例如是將控制訊號SW由低電位VL切換至高電位VH，開始開啟開關S1、S2，以將第二模式切換回第一模式。
由上述步驟可知，控制訊號SW包括第一關閉訊號與第二開啟訊 號；且控制訊號SWB包括第一開啟訊號與第二關閉訊號。
步驟602中，當控制訊號SW由高電位VH切換至低電位VL時，開關S1並不會立即關閉，其閘極電壓下降所需的時間可由式(1)的時間延遲公式決定。式(1)中的t為時間，exp為指數函數(exponential)，RR5*Cg5為開關S1的閘極電阻R5的阻值RR5乘上其等效閘極電容Cg5，Vg(t)為開關S1在時間t的閘極電壓。
式(1)：Vg(t)=(VH-VL)* exp(-t/(RR5 * Cg5))+VL
第7圖為開關S1、S3的閘極電壓的時序圖。假設控制訊號SW開始由高電位切換至低電位的時間點為T1，開關S1的閘極電壓隨時間的變化如Vg所示。經過預定時間D1，到時間點T1+D1時，控制訊號SWB才開始由低電位切換至高電位。開關S3的閘極電壓隨時間的變化如Vg’所示。在時間點T2，開關S1已接近完全關閉的狀態，而開關S3的閘極電壓尚未上升至高電位，不足以完全開啟開關S3，所以由埠TX透過開關S1、S3至埠RX的RF訊號洩漏大幅降低，且可減少耗電量和埠RX的元件傷害或不預期的結果。
時間點T1+D1可設定於開關S1完全關閉後，也可將時間點T1+D1設定在開關S1的閘極電壓Vg低於開關的臨界電壓(threshold voltage)或(VH+VL)/2電位的時間點之後；或者是，將D1時間設定為等於或長於RR5 * Cg5乘積值。
同理，前述原理亦應用於步驟606及608，以利用預定時間D2以減少RF訊號由埠TX洩漏至埠RX，在此不再贅述。
在本發明之一實施例中，第一關閉訊號、第一開啟訊號、第二關 閉訊號與第二開啟訊號是藉由調整開關S1~S4之閘極的偏壓，以控制開關S1~S4開啟或關閉。在本發明之另一實施例中，第一關閉訊號、第一開啟訊號、第二關閉訊號與第二開啟訊號是藉由調整開關S1~S4之源/汲極與閘極間的偏壓差，以控制開關S1~S4開啟或關閉。
綜上所述，本發明提供RF切換模組及其控制方法、與實現此方法之電路，在RF切換模組在發射、接收模式間切換時，將所有開關關閉，經一所設定的預定時間後，才開啟所需開關，以切換至下一模式，如此可大幅減少RF訊號的洩漏、相互干擾、訊號品質下降，並可減少電量消耗和接收埠元件傷害或不預期的結果。另外，本發明的電路可實現在單一晶片中，可由絕緣層覆矽(Silicon On Insulator)、高電子遷移率電晶體(High-Electron-Mobility Transistor)或金氧半導體(Metal-Oxide-Semiconductor)製程實現。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
600‧‧‧方法
602至608‧‧‧步驟

Claims (9)

  1. 一種射頻切換模組的控制方法，該射頻切換模組包含一第一開關耦接於一共同埠及一第一埠之間，一第二開關耦接於一第二埠及一地端之間，一第三開關耦接於該共同埠及該第二埠之間，及一第四開關耦接於該第一埠及該地端之間；該射頻切換模組適於在一第一模式與第二模式間切換，其中該第一模式為該第一開關及該第二開關皆為已開啟，且該第三開關及該第四開關皆已關閉；該第二模式為該第一開關及該第二開關皆為已關閉，且該第三開關及該第四開關皆已開啟；該方法包含：當該射頻切換模組於該第一模式時，提供一第一關閉訊號至該第一開關及該第二開關；當提供該第一關閉訊號並經過一第一預定時間後，提供一第一開啟訊號至該第三開關及該第四開關，其中該第一預定時間等於或大於使該第一開關的閘極電壓低於該第一開關的臨界電壓值所需的時間；及該射頻切換模組由該第一模式切換至該第二模式。
  2. 如請求項1所述之射頻切換模組的控制方法，另包含：當該射頻切換模組於該第二模式時，提供一第二關閉訊號至該第三開關及該第四開關；當提供該第二關閉訊號並經過一第二預定時間後，並提供一第二開啟訊號至該第一開關及該第二開關；及該射頻切換模組由該第二模式切換至該第一模式。
  3. 如請求項2所述之射頻切換模組的控制方法，其中該第二預定時間等於或大於使該第二開關的閘極電壓低於該第二開關的臨界電壓值所需的時間。
  4. 一種射頻切換模組，包含：一第一開關，耦接於一共同埠及一第一埠之間；一第二開關，耦接於一第二埠及一地端之間；一第三開關，耦接於該共同埠及該第二埠之間；及一第四開關，耦接於該第一埠及該地端之間；該射頻切換模組適於在於一第一模式與第二模式間切換，其中該第一模式為該第一開關及該第二開關皆為已開啟，且該第三開關及該第四開關皆已關閉；該第二模式為該第一開關及該第二開關皆為已關閉，且該第三開關及該第四開關皆已開啟；其中當該射頻切換模組於該第一模式時，提供一第一關閉訊號至該第一開關及該第二開關，並於經過一第一預定時間後，提供一第一開啟訊號至該第三開關及該第四開關，使該射頻切換模組由該第一模式切換為該第二模式，其中該第一預定時間等於或大於使該第一開關的閘極電壓低於該第一開關的臨界電壓值所需的時間。
  5. 如請求項4所述之射頻切換模組，其中當該射頻切換模組於該第二模式時，提供一第二關閉訊號至該第三開關及該第四開關，且於經過一第二預定時間後，提供一第二開啟訊號至該第一開關及該第二開關，使該射頻切換模組由該第二模式切換為該第一模式。
  6. 如請求項5所述之射頻切換模組，其中該第一預定時間大於該第二預定時間；及該第一模式係為一發射模式，該第二模式係為一接收模式。
  7. 如請求項5所述之射頻切換模組，其中該第二預定時間等於或大於使該第二開關的閘極電壓低於該第二開關的臨界電壓值所需的時間。
  8. 如請求項4所述之射頻切換模組，其中該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關為金氧半場效電晶體，且該第一關閉訊號與該第二開啟訊號是透過調整該第一開關與該第二開關之閘極的偏壓、或是透過調整該第一開關與該第二開關之源/汲極與閘極間的偏壓差，以控制該第一開關與該第二開關開啟或關閉；以及該第一開啟訊號與該第二關閉訊號是透過調整該第三開關與該第四開關之閘極的偏壓、或是透過調整該第三開關與該第四開關之源/汲極與閘極間的偏壓差，以控制該第三開關與該第四開關開啟或關閉。
  9. 一種射頻切換模組，包含：一第一開關，耦接於一共同埠及一第一埠之間；一第二開關，耦接於一第二埠及一地端之間；一第三開關，耦接於該共同埠及該第二埠之間；一第四開關，耦接於該第一埠及該地端之間；及一控制訊號產生模組，用以產生一第一控制訊號與一第二控制訊號，其中該控制訊號產生模組包含：一第一延遲單元，用以根據一輸入訊號和一第一預定時間，產生並輸出一第一延遲訊號；一第一及閘，耦接於該第一延遲單元、該第一開關及該第二開關，用以根據該輸入訊號與該第一延遲訊號，產生該第一控制訊號並輸出至該第一開關及該第二開關；一第二延遲單元，用以根據該輸入訊號和一第二預定時間，產生並輸出一第二延遲訊號； 一第一反相器，用以根據該輸入訊號，產生一反相訊號；一第二反相器，耦接於該第二延遲單元，用以根據該第二延遲訊號，產生一反相延遲訊號；及一第二及閘，耦接於該第一反相器、該第二反相器、該第三開關及該第四開關，用以根據該反相訊號與該反相延遲訊號，產生該第二控制訊號並輸出至該第三開關及該第四開關；其中該第一控制信號包括該第一關閉訊號與該第二開啟訊號，該第二控制信號包括該第一開啟訊號與該第二關閉訊號；其中該射頻切換模組適於在於一第一模式與第二模式間切換，其中該第一模式為該第一開關及該第二開關皆為已開啟，且該第三開關及該第四開關皆已關閉；該第二模式為該第一開關及該第二開關皆為已關閉，且該第三開關及該第四開關皆已開啟；其中當該射頻切換模組於該第一模式時，提供一第一關閉訊號至該第一開關及該第二開關，並於經過一第一預定時間後，提供一第一開啟訊號至該第三開關及該第四開關，使該射頻切換模組由該第一模式切換為該第二模式。
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