TWI554031B - 具有路徑充放電路的射頻切換器 - Google Patents

具有路徑充放電路的射頻切換器 Download PDF

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TWI554031B
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陳智聖
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Description

具有路徑充放電路的射頻切換器
本發明是有關於一種固態射頻切換器，尤指一種利用充放電路，以達到較高的功率處理能力以及較快的切換速度的具有路徑充放電路的射頻切換器。
在許多有線或是無線通信系統中，射頻(RF)切換器是很重要的功能區塊，其中固態RF切換器可見於許多不同的通信裝置中，例如行動電話、無線傳呼機、無線基礎建設、衛星通信和有線電視等設備。如眾所周知，RF切換器的效能可利用插入損耗(insertion loss)和開關隔離度(switch isolation)等的效能參數組合來評估。在RF切換器的設計中，效能參數之間常是環環相扣，當著重在任一效能時，常會犧牲其他效能；另外，其他重要的特性包括回波損耗(return loss)、整合的簡單性和程度、複雜度、良率和製造成本。
其他RF切換器的特性包含功率處理能力(power handling capability)和切換速度(switching speed)。當RF切換器的功率處理能力較低時，如果輸入信號太強，則RF切換器可能無法將一條射頻路徑和另一條射頻路徑隔離。例如，輸入信號的峰對峰電壓振幅高到足夠克服一已知的電晶體或電晶體組的逆向偏壓，將造成原本是處於關閉狀態(逆向偏壓狀態)的電晶體或電晶體組實際上進入不期望的開啟狀態，也破壞了RF切換器的切換能力。
另外，RF切換器的切換速度是被持續要求改善。
本發明提供一種RF切換器。RF切換器可包含共同埠、第一埠、第二埠、第一開關、第二開關、第一對隔直電容、第二對隔直電容，以及至少一個充放電路。該第一開關是設置在該共同埠和該第一埠之間的第一射頻路徑；該第二開關是設置在該共同埠和該第二埠之間的第二射頻路徑；該第一對隔直電容是用以在該第一射頻路徑中隔離該第一開關；該第二對隔直電容是用以在該第二射頻路徑中隔離該第二開關；該充放電路則是用以對上述隔直電容進行充放電。
100、200、400、500‧‧‧RF切換器
105(1)-105(2)‧‧‧閘極端
110(1)-110(4)、112(1)-112(2)、410(1)-410(4)、412(1)-412(2)、430‧‧‧電阻
115、120(1)-120(2)、225(1)-225(2)、420(1)-420(4)‧‧‧隔直電容
210‧‧‧信號產生模組
310、320‧‧‧最大電壓振幅
510‧‧‧充放電路
610、620‧‧‧電晶體組
630‧‧‧控制模組
632‧‧‧偵測電路
634‧‧‧反相器
650、660‧‧‧時序信號
EN‧‧‧致能信號
ENB‧‧‧反相致能信號
GND‧‧‧地端
HI、LOW‧‧‧電壓信號
M1-M4‧‧‧開關
RFC、RF1、RF2、RX、TX‧‧‧埠
VS1、VS2‧‧‧源極端
VD1、VD2‧‧‧汲極端
VC1、VC2、SW、SWB‧‧‧控制信號
VC1B、VC2B、VBIAS‧‧‧偏壓信號
Vth‧‧‧臨界電壓
第1圖是現有技術的RF切換器示意圖。
第2圖是本發明一實施例的RF切換器示意圖。
第3圖是RF切換器的容許電壓振幅比較的示意圖。
第4圖是本發明另一實施例RF切換器示意圖。
第5圖是本發明另一實施例RF切換器示意圖。
第6A-6C圖是充放電路及充放電路控制模組的實施例及控制信號時序的示意圖。
第7圖是應用充放電路的RF切換器的操作模擬結果示意圖。
第1圖是現有技術的RF切換器100的示意圖。RF切換器100包含共同埠RFC、埠RF1和埠RF2。開關M1設置在共同埠RFC和埠RF1之間，開關M2設置在共同埠RFC和埠RF2之間，其中開關M1、M2，可各自 具有第一端、第二端，以及控制端。在此實施例中，開關M1-M2是金氧半場效電晶體(MOSFET)，具有各自的源極端(VS1和VS2)、汲極端(VD1和VD2)和閘極端(105(1)和105(2))。這些開關亦可為雙載子電晶體或其他電晶體元件(例如金半場效電晶體或高電子遷移率電晶體)，亦可使用複數個電晶體的串/並聯形式。
電阻110(1)-110(4)分別連接至開關M1-M2各自的源/汲極端，並且偏壓VBIAS是耦接在對應的源/汲極端。偏壓VBIAS是一固定電壓，使RF切換器100能承受施加在共同埠RFC的交流輸入信號，將說明於下。
另外，RF切換器100包含電阻112(1)-112(2)，其電阻二端分別連接開關M1-M2的源/汲極端。RF切換器100也包含隔直電容115、120(1)和120(2)，其中隔直電容115是用以將共同埠RFC和開關M1-M2的源極端(VS1-VS2)隔離，隔直電容120(1)是將埠RF1和開關M1的汲極端VD1隔離，和隔直電容120(2)是將埠RF2和開關M2的汲極端VD2隔離。
RF切換器100的操作說明如下：參照表1，如果想要有一RF信號在共同埠RFC和埠RF1之間傳遞，開關M1要開啟(可讓交流信號通過)，並且開關M2要關閉(可讓交流信號無法通過)。在MOSFET的例子中，3.3V控制信號VC1耦接於開關M1的閘極端105(1)，同時耦接0V控制信號VC2至開關M2的閘極端105(2)。另外固定的偏壓信號VBIAS通過電阻110(1)-110(4)於開關M1-M2的源/汲極端VS1-2,VD1-2，分別提供1.65V的偏壓。
此RFC-RF1導通組態中，開關M1的閘源電壓VGS1是1.65V(3.3V-1.65V)，而開關M2的閘源電壓VGS2是-1.65V(0V-1.65V)。因 此，開關M1被開啟，將共同埠RFC和埠RF1間的射頻路徑導通；開關M2被關閉，以關閉共同埠RFC和埠RF2間的射頻路徑。
反之，為使在共同埠RFC的RF信號傳遞至埠RF2，VC1和VC2應用相反的控制信號。具體來說，0V控制信號VC1耦接在開關M1的閘極端105(1)，並耦接3.3V控制信號VC2至開關M2的閘極端105(2)。在RFC-RF2導通組態中，開關M1的閘源電壓VGS1是-1.65V，而關閉M1；以及開關M2的閘源電壓VGS2是1.65V，而開啟M2。
基於上述說明，本發明領域中具有熟知技藝者應可明瞭RF切換器100可處理的最大電壓振幅(亦即峰對峰電壓振幅)約為開關M1或開關M2之高電位控制電壓(3.3V)加上2倍其臨界電壓Vth(例如0.3V)，即最大輸入電壓振幅約為3.9V。第3圖說明RF切換器100的最大電壓振幅310，當輸入至RF切換器100的共同埠RFC的輸入信號超過以-1.65V為中心點加/減1.95V時，輸入信號將會漫過或淹過設定在關閉狀態的開關，而破壞此關閉狀態。
為了增加輸入信號的容許電壓振幅，第1圖中現有的RF切換器100可被改良為第2圖的RF切換器200。RF切換器200類似於RF切換器100，除了RF切換器100的隔直電容115被兩個分離的隔直電容225(1)和225(2)取代，並將開關M1和開關M2的源/汲極端VS1-2、VD1-2所耦接單一固定偏壓VBIAS取代為依據導通組態可調/可變的偏壓信號VC1B與VC2B，並分別耦接在開關M1和開關M2的源/汲極端VS1、VD1，與VS2、VD2。第 一對隔直電容120(1)和225(1)，用以在RFC-RF1路徑(第一射頻路徑)中隔離開關M1，及第二對隔直電容120(2)和225(2)，用以在RFC-RF2路徑(第二射頻路徑)中隔離開關M2；如此，開關M1和開關M2的源/汲極端VS1-2、VD1-2所耦接偏壓信號可為非單一固定偏壓信號。當第2圖中電壓信號HI、LOW存在時，偏壓信號VC1B、VC2B和控制信號VC1、VC2可由信號產生模組210產生。
參照表2，RF切換器200的操作說明如下。如果想要有RF信號在共同埠RFC和埠RF1之間傳遞，開關M1要開啟(可讓交流信號通過)，並且開關M2要關閉(可讓交流信號無法通過)。在MOSFET的例子中，3.3V控制信號VC1耦接於開關M1的閘極端105(1)，同時耦接0V控制信號VC2至開關M2的閘極端105(2)。另外同時一偏壓信號VC1B通過電阻110(1)-110(2)於開關M1的源/汲極端VS1、VD1提供偏壓，另一偏壓信號VC2B通過電阻110(3)-110(4)於開關M2的源/汲極端VS2、VD2提供偏壓，以取代先前技術在開關M1-M2的源/汲極端VS1-2、VD1-2所使用的單一固定的偏壓信號VBIAS。
此RFC-RF1導通組態中，開關M1的閘源電壓VGS1是3.3V(3.3V-0V)而開關M2的閘源電壓VGS2是-3.3V(0V-3.3V)。因此，開關M1開啟而開關M2關閉。
反之，為使在共同埠RFC的RF信號傳遞至埠RF2，VC1、VC2、 VC1B和VC2B會應用相反的控制/偏壓信號。具體來說，0V控制信號VC1耦接在開關M1的閘極端105(1)，同時耦接3.3V控制信號VC2至開關M2的閘極端105(2)。另外，開關M1源極端VS1與汲極端VD1透過偏壓信號VC1B偏壓在3.3V，而開關M2源極端VS2與汲極端VD2透過偏壓信號VC2B偏壓在0V。此RFC-RF2導通組態中，開關M1的閘源電壓VGS1是-3.3V，因而關閉；而開關M2的閘源電壓VGS2是3.3V，因而開啟。
基於上述說明可知，相較於RF切換器100的逆向閘源電壓，RF切換器200的開關的逆向閘源電壓增加，所以在本發明領域具有熟知技藝者應可明瞭圖2中的RF切換器200可處理的最大電壓振幅約為7.2V(開關M1或開關M2之2倍高電位控制電壓(2*3.3V)加上2倍其臨界電壓Vth(2*0.3V))，明顯高於RF切換器100可處理的最大電壓振幅3.9V。
第3圖說明RF切換器200的輸入信號的最大電壓振幅320。當輸入至RF切換器200的共同埠RFC的輸入信號超過以-3.3V為中心點加/減3.6V時，輸入信號將會漫過或淹過設定在關閉狀態的開關。此最大電壓振幅320幾乎是現有的RF切換器100組態下所容許的2倍。
因為隔直電容225(1)和225(2)的加入，開關M1和開關M2的源極端是相互隔離，因此所耦接的偏壓信號VC1B、VC2B可彼此不同。
第4圖是本發明另一實施例RF切換器400的示意圖。RF切換器400和RF切換器200的差別是額外的開關M3-M4和伴隨的電阻410(1)-410(4)、412(1)-412(2)及隔直電容420(1)-420(4)，其中隔直電容420(1)-420(4)是成對地用以分別隔離開關M3和開關M4。當開關M3和開關M4開啟時，其所在的路徑是各自做為相對應的射頻路徑的分流路徑。
另外，RF切換器400可另含電阻430，使一0V信號可通過電阻430耦接在共同埠RFC上。
第4圖中，埠RF1可被設計為發射埠TX，而埠RF2可被設計為接收埠RX。此時，RF切換器400可被應用於行動或無線裝置裡，並將一發射/接收天線耦接在共同埠RFC。當行動裝置是在發射模式時，通向接收埠RX/RF2的射頻路徑最好能阻擋RF能量通過，亦即關閉。如果發射的RF能量通過通向接收埠RX/RF2的射頻路徑，此能量可能危害行動裝置接收器的前端。因此，能將接收器與發射器隔離是非常重要的，而在此所描述的RF切換器都是以此為目的。
一般說來，共同埠RFC經由連接的天線所接收的信號能量是小於所發射的信號能量。如此，根據本發明的精神，RF切換器400的控制與偏壓信號可視此切換器是用以接收或發射RF信號而有所不同。
參照表3，RF切換器400的操作結合不同的控制與偏壓信號說明如下。
值得注意的是，第4圖中的控制信號SW-SWB是等同於圖1~2中的控制信號VC1-VC2，其分別控制開關M1和M2的閘極端(以及開關M3 和M4的閘極端)。控制信號SW、SWB以及偏壓信號的電位如表3所示，並描述於下。
當RF切換器400設定傳遞一信號至共同埠RFC以發射信號；亦即，根據設定控制信號SW為3.3V以及SWB為0V，共同埠RFC與發射埠TX/RF1之間的射頻路徑被選擇導通。此組態中，開關M1開啟，開關M3關閉(此分流路徑是開路)，和節點VA是0V。同時，開關M2是關閉而開關M4是開啟；如此，共同埠RFC與埠RX/RF2之間射頻路徑的分流路徑可導通至地端。節點VB設定為3.3V，開關M2被逆向偏壓在-3.3V(VGS2=0-3.3V)。
反之，如表3第二列所示的，不同的控制與偏壓信號可用以關閉RF切換器400發射埠TX並導通接收埠RX。具體來說，控制信號SW可被設定為0.5V以及控制信號SWB可被設定為2.8V。此組態中，開關M1的VGS1是-2.3V(0.5V-2.8V)，因此被關閉。開關M3被開啟以導通其分流路徑。在接收端，開關M2的VGS2是2.3V(2.8V-0.5V)，因此被開啟。同時，開關M4被關閉。
利用不同的控制/偏壓信號導通RF切換器的發射和接收具有一特別的好處，例如，”TX導通”切換至”RX導通”時，RF切換器的暫態切換時間可被改善；具體來說，因為電容225(1)從0V被充電至2.8V而電容225(2)從3.3V被放電至0.5V，切換時間被縮短。如果使用一般的0V/3.3V控制信號(相對於本實施例的0.5V/2.8V控制信號)，則其充放電時間將和電容在0V和3.3V之間充放電的時間等量。
總結來說，利用不同的控制信號以導通/關閉RF切換器400中的射頻路徑，能降低暫態切換時間，因為高功率的發射態(高功率需求的逆向偏 壓為-3.3V)和低功率的接收態(低功率需求的逆向偏壓為-2.3V)所需逆向偏壓並不相同，而可縮小切換偏壓的電壓量。
第5圖是本發明另一實施例RF切換器500的示意圖。為進一步降低RF切換器的暫態切換時間，此實施例提供一個或多個充放電路510協助充電或放電隔直電容。充放電路510可取代或附加於第2、4圖中不同的控制/偏壓信號應用。RF切換器500與RF切換器200的差別是充放電路510的增加。依照預定想要的組態，充放電路510被用以對隔直電容120(1)、120(2)、225(1)和225(2)快速充電或放電，藉以更快速地達到想要的閘源電壓(及最終的開關開啟/關閉狀態)。當充放電路510致能時，充放電路510如同提供一低阻抗路徑，以加速這些隔直電容的充電或放電。
第6A圖是充放電路510的一實施例。充放電路510包含兩組複數個串聯或疊接的電晶體(MOSFET)組並互為並聯。舉例來說，電晶體組610可為複數個NMOS串聯在汲極端VD1和偏壓信號VC1B之間。同樣地，電晶體組620可為複數個PMOS串聯在汲極端VD1和偏壓信號VC1B之間。意即，電晶體組610和電晶體組620為不同導電樣態。其中每一個MOSFET的閘極端可被一充放電路控制模組630所控制。和第6A圖一樣的電路可被應用在源極端VS1和偏壓信號VC1B之間、源極端VS2和偏壓信號VC2B之間以及汲極端VD2和偏壓信號VC2B之間。
第6B圖是充放電路控制模組630的一實施例。控制模組630包含一上升/下降緣偵測電路632，其中包含至少一個延遲單元的邏輯電路。偵測電路632的輸入信號可為控制信號VC1及/或VC2，並輸出致能信號EN。致能信號EN被輸入至反相器634，從而輸出反相致能信號ENB。
第6A圖中，致能信號EN被提供至電晶體組610的複數個電晶體中的每一個電晶體的閘極端，而反相致能信號ENB是提供至電晶體組620的複數個電晶體中的每一個電晶體的閘極端。
第6C圖為控制信號VC1或VC2切換時，充放電路510應用之時序示意圖。疊加於控制信號VC1或VC2時序650的是以虛線代表充放電路510應用的時序660(高準位代表致能，低準位代表禁能)。具體來說，例如當控制信號VC1被偵測電路632偵測到上升緣或下降緣時，致能信號EN加在電晶體組610的閘極端，開啟電晶體組610的電晶體。反相致能信號ENB加在電晶體組620的閘極端，也開啟電晶體組620的電晶體。
請參照第6C圖的最左邊，假設控制信號VC1是低電位，亦即在埠RF1和共同埠RFC間的射頻路徑被關閉。此時，偏壓信號VC1B被設定為3.3V，亦即隔直電容120(1)和225(1)被充電至相同的電壓(3.3V)。當埠RF1和共同埠RFC間的射頻路徑欲轉變為導通狀態時，控制信號VC1變為高電位(例如3.3V)而偏壓信號VC1B改變為低電位(例如0V)。然而，因為隔直電容120(1)和225(1)先前已被充電至3.3V，於此暫態時，閘源電壓VGS1將為0(亦即3.3V-3.3V)。因為VGS1不大於開關M1的臨界電壓，所以無法立即開啟開關M1，更遑論將開關M1設置於期望的過驅(Overdrive)狀態。
為了更快速增加閘源電壓VGS1以進入過驅狀態，充放電路510可在一段時間(由控制模組630所設定，並如時序660所示)內快速放電隔直電容120(1)和225(1)。具體來說，時序660所示的致能信號EN被耦接在電晶體組610的閘極端，而其反相致能信號ENB被耦接在電晶體組620的閘極端；這提供了一非常低阻抗路徑(相對於經由電阻110(1)和110(2)的路徑)到0V的VC1B，如此，可將隔直電容120(1)和225(1)從3.3V快速放電至0V(VC1B的 電位)。
如第6C圖的時序圖所示，充放電路510僅操作於一有限的時間內，並可依據相對的隔直電容充放電所需的時間長度決定。在偵測電路632內的延遲單元提供調整充放電路510操作所需時間長度的功能。
上述討論是關於射頻路徑從關閉到導通的轉變和隔直電容的放電。而熟悉本發明領域的技藝者應可明瞭，當射頻路徑從導通到關閉時，充放電路510亦可協助隔直電容的充電。路徑導通時，偏壓信號VC1B設定為0V；即射頻路徑從導通到關閉的轉變前，隔直電容維持在0V。當轉變發生時，偏壓信號VC1B從低電位轉變至高電位(例如從0V到3.3V)。此時，希望對隔直電容快速充電，使開關的逆向偏壓快速增加，以確保此射頻路徑迅速關閉。
因此，當偏壓信號VC1B變為高電位及充放電路510被導通時，耦接3.3V電壓源(偏壓信號VC1B)的低阻抗路徑被直接加在所選擇射頻路徑的隔直電容上，如此，可將隔直電容120(1)和225(1)從3.3V快速充電至3.3V(VC1B的電位)。
更確切地，如圖5的實施例，充放電路510被同時應用到從導通到關閉以及從關閉到導通的射頻路徑上，因而降低RF切換器500的切換時間。
第7圖是應用充放電路510的RF切換器的埠RF1和埠RF2的輸出模擬結果示意圖。如圖7所示，控制信號VC1變為高電位後，很快地，致能信號EN變為高電位並維持一相對短的時間(例如100奈秒)，此時，控制信號VC2是低電位，偏壓信號VC2B是高電位，導致源/汲極端VS2-VD2轉 變為高電位(參照圖2的說明)。事實上，如果源/汲極端VS2-VD2更快地達到高電位(和同時的低電位控制信號VC2應用)，則RF切換器500可更快地隔離朝向埠RF2的射頻路徑。如圖7所示，源極端VS2(和汲極端VD2)在約100奈秒內達到高電位。
同樣地，當控制信號VC1變為低電位以及控制信號VC2為高電位時，朝向埠RF2的射頻路徑被導通。此時，需要開關M1的閘源電壓盡快地達到逆向偏壓並關閉。如圖7所示，當控制信號VC2變為高電位，充放電路510被致能信號EN導通並且源極端VS1(和汲極端VD1)在約100奈秒內很快地達到高電位。
另外，圖5的RF切換器500在沒有使用充放電路510的情況下模擬，則源/汲極端暫態切換時間將高達超過3微秒的數量級。
綜上所述，本發明所提供的RF切換器是利用不同的控制和偏壓信號，甚或充放電路的使用，以降低RF切換器的暫態切換時間並增加可處理的最大輸入電壓振幅。如此，相較於現有技術，本發明的RF切換器可同時具有較高的功率處理能力，以及較快的切換速度。
500‧‧‧RF切換器
510‧‧‧充放電路
105(1)-105(2)‧‧‧閘極端
110(1)-110(4)、112(1)-112(2)‧‧‧電阻
120(1)-120(2)、225(1)-225(2)‧‧‧隔直電容
M1-M2‧‧‧開關
RFC、RF1、RF2‧‧‧埠
VS1-VS2‧‧‧源極端
VD1-VD2‧‧‧汲極端
VC1-VC2‧‧‧控制信號
VC1B-VC2B‧‧‧偏壓信號

Claims (11)

  1. 一種射頻切換器，包含：一共同埠；一第一埠，與該共同埠之間形成一第一射頻路徑；一第一開關，具有第一端、第二端，以及控制端，該第一開關設置於該第一射頻路徑；一第一對隔直電容，分別與該第一開關的第一端、第二端耦接於一第一節點與一第二節點；及一第一充放電路，在該第一射頻路徑從關閉到導通、或從導通到關閉的轉變時，對耦接於該第一節點的該隔直電容提供一低阻抗路徑，以透過該低阻抗路徑對該隔直電容進行充電或放電。
  2. 如請求項1所述的射頻切換器，另包含：一第二充放電路，根據該第一射頻路徑是否被導通，對耦接於該第二節點的該隔直電容進行充電或放電。
  3. 如請求項1所述的射頻切換器，另包含：一第二埠，與該共同埠之間形成一第二射頻路徑；一第二開關，具有第一端、第二端，以及控制端，該第二開關設置於該第二射頻路徑；一第二對隔直電容，分別與該第二開關的第一端、第二端耦接於一第三節點與一第四節點；及一第三充放電路，該第三充放電路根據該第二射頻路徑是否被導通，對耦接於該第三節點的該隔直電容進行充電或放電。
  4. 如請求項3所述的射頻切換器，另包含： 一第二充放電路，根據該第一射頻路徑是否被導通，對耦接於該第二節點的該隔直電容進行充電或放電；及一第四充放電路，根據該第二射頻路徑是否被導通，對耦接於該第四節點的該隔直電容進行充電或放電。
  5. 如請求項1所述的射頻切換器，其中該第一充放電路包含相互並聯的一第一電晶體組與一第二電晶體組，該第一電晶體組包含複數個串聯的第一型電晶體，而該第二電晶體組包含複數個串聯的第二型電晶體。
  6. 如請求項1所述的射頻切換器，其中該第一節點與該第二節點受一第一預定偏壓所偏壓，該第一充放電路的一輸入端亦接收該第一預定偏壓。
  7. 如請求項3所述的射頻切換器，其中該第一節點與該第二節點受一第一預定偏壓所偏壓，該第一充放電路的一輸入端亦接收該第一預定偏壓，該第三節點與該第四節點受一第二預定偏壓所偏壓，該第三充放電路的一輸入端亦接收該第二預定偏壓。
  8. 如請求項1所述的射頻切換器，另包含：一充放電路控制模組，用以提供一預定時間的一第一控制信號至該充放電路，以控制該第一充放電路進行充電或放電。
  9. 如請求項8所述的射頻切換器，其中該第一控制信號為受該第一開關的控制端所接收的一第二控制信號的上升緣或下降緣所觸發。
  10. 如請求項8所述的射頻切換器，其中該預定時間的時間長度為根據該第一充放電路對耦接於該第一節點的該隔直電容進行充電或放電所需的時間。
  11. 如請求項1所述的射頻切換器，其中一高電位在一第一開啟時間內被輸入於該第一開關的該控制端，以導通該第一射頻路徑；其中一低電位在一第一關閉時間內被輸入於該第一開關的該控制端，以關閉該第一射頻路徑；及其中該第一充放電路於一第二開啟時間或於一第二關閉時間，對該隔直電容提供該低阻抗路徑，以進行充電或放電；以及其中該第二開啟時間小於該第一開啟時間，或該第二關閉時間小於該第一關閉時間。
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