可变高压射频衰减器的制作方法

背景

领域

本发明涉及集成电路，尤其涉及高压射频衰减器。

背景

在射频接收机中可使用可变衰减器以在大的收到信号到达敏感的接收机设备之前衰减这些信号。来自天线的收到信号可以如此大以至于该收到信号将损害一些接收机电路。例如，在近场通信(nfc)系统中来自天线的信号可以大至100伏。

图9是解说了高压射频衰减器1011的使用的射频接收机的功能框图。射频衰减器1011从天线1001接收射频(rf)信号并选择性地衰减该rf信号。经衰减的rf信号被提供给包络检测器1021。包络检测器1021将其输出提供给模数转换器(adc)1031。adc1031的输出由数字信号处理器1041处理。

在片上系统(soc)集成电路中实现射频接收机(例如，用于nfc)是困难的。例如，将来自天线的高压(例如，100v差分峰到峰)rf信号对接到在亚微米soc中实现的接收机电路是有挑战的，因为soc制造技术是针对低压(例如，1v)开发的。一些现有的nfc接收机例如已使用soc外部的电容器和其他电路元件来衰减以处理高压。

另外，rf信号可具有大的动态范围(例如，55db)。一些现有的nfc接收机已使用可变衰减器，这些可变衰减器在最低衰减设置中具有显著衰减。这得到可使接收机的性能降级的弱信号。因此，如果衰减器以最小衰减传递最小rf信号，则可改善接收机的性能。

概览

在一方面，提供了一种用于选择性地衰减rf输入以产生rf输出的高压射频(rf)衰减器，所述衰减器包括：衰减器单元，所述衰减器单元包括耦合电容器和分压电容器，所述耦合电容器具有连接到所述rf输入的第一端子和连接到所述rf输出的第二端子，所述分压电容器具有连接到所述rf输出的第一端子和连接到至接地参考的开关的第二端子，其中，所述耦合电容器和所述分压电容器形成在相同的集成电路区域中。

在一方面，提供了一种用于选择性地衰减rf输入以产生rf输出的高压射频衰减器，所述rf输入包括正rf输入和负rf输入，所述rf输出包括正rf输出和负rf输出。所述衰减器包括衰减器单元，所述衰减器单元包括：正侧电容性分压器，所述正侧电容性分压器包括耦合电容器和分压电容器，所述耦合电容器具有连接到所述正rf输入的第一端子和连接到所述正rf输出的第二端子，所述分压电容器具有连接到所述正rf输出的第一端子，所述分压电容器的第二端子连接到至接地参考的第一开关，其中，所述耦合电容器和所述分压电容器形成在相同的集成电路区域中；以及负侧电容性分压器，所述负侧电容性分压器包括耦合电容器和分压电容器，所述耦合电容器具有连接到所述负rf输入的第一端子和连接到所述负rf输出的第二端子，所述分压电容器具有连接到所述负rf输出的第一端子，所述分压电容器的第二端子连接到至所述接地参考的第二开关，其中，所述耦合电容器和所述分压电容器形成在相同的集成电路区域中。

在一方面，提供了一种用于可变地衰减射频(rf)输入的方法。所述方法包括：使用多个耦合电容器将所述rf输入耦合到rf输出；以及将多个分压电容器的端子有条件地连接到接地，其中，所述多个耦合电容器中的每个耦合电容器形成在与所述多个分压电容器中的一者相同的集成电路区域中。

在一方面，提供了一种装备，所述装备包括：用于耦合电容器装置的装置，所述耦合电容器装置具有连接到rf输入的第一端子和连接到rf输出的第二端子，以及分压电容器装置，所述分压电容器装置具有连接到所述rf输出的第一端子和连接到至接地参考的开关的第二端子，其中，所述耦合电容器装置和所述分压电容器装置形成在相同的集成电路区域中。

本发明的其它特征和优点将从通过示例解说本发明的各方面的以下描述而变得明了。

附图简述

本发明的细节(就其结构和操作两者而言)可通过研究附图来部分搜集，其中类似的附图标记指代类似的部分，并且其中：

图1是根据本文所公开的实施例的衰减器的示意图；

图2-4是解说了图1的衰减器的操作的示意图；

图5是根据本文所公开的实施例的衰减器单元的布局图；

图6是图5中的衰减器单元布局中由线6-6所指示的部分的横截面；

图7是图1的衰减器的衰减器单元的电路模型的示意图；

图8是根据本文所公开的实施例的用于可变地衰减rf信号的过程的流程图；

图9是解说了高压射频衰减器的使用的射频接收机的功能框图。

详细描述

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而无意表示可实践本文中所描述的概念的仅有的配置。本详细描述包括具体细节以便提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践这些概念。在一些实例中，以简化形式示出公知的结构和组件从而避免湮没此类概念。

图1是根据本文所公开的实施例的衰减器的示意图。可例如在互补式金属氧化物半导体(cmos)片上系统(soc)集成电路(ic)中实现该衰减器。该衰减器可用于射频接收机中，例如图9的近场通信接收机。

图1的衰减器接收差分射频(rf)输入(正输入rfp和负输入rfn)并产生差分rf输出(正输出outp和负输出outn)。rf输入与rf输出之间的衰减由使能控制en0、en1、en2、en3来设置。

衰减器包括四个衰减器单元100、110、120、130。rf输入和rf输出并联连接到每个衰减器单元100、110、120、130。衰减器单元100、110、120、130被个体地启用。第一衰减器单元100由第一使能控制en0启用；第二衰减器单元110由第二使能控制en1启用；第三衰减器单元120由第三使能控制en2启用；并且第四衰减器单元130由第四使能控制en3启用。

每个衰减器单元100、110、120、130包括可切换电容性分压器。第一衰减器单元100包括正侧电容性分压器，该正侧电容性分压器包括电容器101和电容器103。电容器101可被称为耦合电容器；电容器103可被称为分压电容器。电容器101的第一端子连接到正rf输入并且电容器101的第二端子连接到正rf输出。电容器103的第一端子也连接到正rf输出并且电容器103的第二端子连接到n沟道晶体管107。n沟道晶体管107的漏极连接到电容器103的第二端子，n沟道晶体管107的栅极连接到第一使能控制en0，并且n沟道晶体管107的源极连接到接地参考(其也可被称为“接地”)。n沟道晶体管107作为开关来操作，并取决于第一使能控制而将电容器103耦合到接地参考或使电容器103开路(浮置)。电容器103通常比电容器101大得多(例如，大100倍)。

第一衰减器单元100还包括与正侧电容性分压器类似的负侧电容性分压器。负侧电容性分压器连接到负rf输入和负rf输出。负侧电容性分压器包括电容器102、电容器104和n沟道晶体管108。在图1的实施例中，第一衰减器单元100包括n沟道晶体管109，该n沟道晶体管109在n沟道晶体管107和n沟道晶体管108的漏极处耦合在正侧电容性分压器与负侧电容性分压器之间。n沟道晶体管109的栅极连接到第一使能控制。对于开关的给定差模导通电阻，n沟道晶体管109可例如减小n沟道晶体管107和n沟道晶体管108的漏极处的寄生电容。经减小的电容可增大衰减器的动态范围。

可使用soc输入/输出晶体管而非逻辑晶体管来实现n沟道晶体管107、n沟道晶体管108和n沟道晶体管109。输入/输出晶体管通常具有低于逻辑晶体管的漏泄。晶体管漏泄会使rf输出失真并损害衰减器的性能。也可使用其他类型的低漏泄晶体管。

第二衰减器单元110、第三衰减器单元120和第四衰减器单元130可与第一衰减器单元100相同或相似。

使用该衰减器的射频接收机将通常开始于使能控制设置成提供最大衰减。这避免使后续接收机电路经受会损害那些电路的高压(例如，大于3伏)。射频接收机随后可基于收到信号的电平来减少对操作电平的衰减。为了进一步保护接收机电路免受高压，衰减器可包括连接到rf输出的钳位电路151、152。钳位电路151、152可例如将rf输出上的高压分流到接地。钳位电路可与soc中使用的静电放电(esd)保护电路相同或相似。

图2-4是解说了图1的衰减器的操作的示意图。图2-4解说了各种衰减设置。在每幅图中，衰减器单元中的开关(例如，第一衰减器单元100中的n沟道晶体管107、n沟道晶体管108和n沟道晶体管109)取决于相关联的使能控制的值而被示出为短路或开路(在括号中示出)。

图2解说了衰减器的无衰减设置。每个使能控制是0并且所有开关断开。在无衰减设置中，rf输入在无衰减的情况下电容性地耦合到rf输出(可能由于寄生电路元件(诸如rf输出上的电容)而存在小量的衰减)。

图3解说了衰减器的高衰减设置。每个使能控制是1并且所有开关闭合。在高衰减设置中，rf输入根据衰减器单元电容器的相对电容，以高衰减电容性地耦合到rf输出。

图4解说了衰减器的低衰减设置。使能控制中的一个使能控制(第三使能控制)是1并且其他使能控制是0。由此，第三衰减器单元130中开关闭合并且其他衰减器单元中的开关断开。在图4的低衰减设置中，从rf输入到rf输出的衰减是图3的高衰减设置的衰减的大约四分之一(相对衰减可不同于四分之一，如下面进一步解释的)。

当衰减器具有大的最大衰减和小的最小衰减时，可改善在收到信号可具有大的动态范围情况下射频接收机的性能。术语衰减在此处用于表示rf输入幅度与rf输出幅度的比率。最大衰减基于分压电容器(例如，电容器103)的电容与耦合电容器(例如，电容器101)的电容的比率。最小衰减基于耦合电容器的电容与至接地的寄生电容(例如，rf输出上的电容)的比率。例如rf输入与分压电容器的第二端子(例如，节点gp)之间的其他寄生电容不会增加最小衰减。在没有寄生电容的情况下，最小衰减是1(rf输出等于rf输入)。

图5是根据本文所公开的实施例的衰减器单元的布局图。图5的视图是通常用于设计集成电路的布局的视图。为了清楚起见，图5中未示出许多细节和层(例如，通孔层)。为了提供特定示例，将参照图1的第一衰减器单元100来描述该布局的各方面。可使用衰减器单元布局的阵列来实现图1的衰减器。

衰减器单元布局被布置成：通过保持rf输出与接地之间的寄生电容为低来改善衰减器性能。例如，耦合电容器和相关联的分压电容器形成在相同的区域中。相比之下，一些现有的衰减器已将耦合电容器和分压电容器对置于附近或毗邻区域中。此外，rf输入被用作屏蔽并将rf输出(以及衰减器单元的中间节点)与接地分开。此外，至开关的接地连接与rf输出分开。除了减小有害的寄生电容之外，在相同的区域中形成耦合电容器和分压电容器还可减小衰减器的大小(集成电路面积)。

衰减器单元布局包括位于中央的开关区域711。开关区域711包括n沟道晶体管107、n沟道晶体管108和n沟道晶体管109。接地参考线795纵向地路由通过衰减器单元以连接到开关区域711。接地参考线795可由适当的金属层(例如，第二金属层(“金属2”))形成。

正侧电容性分压器的电容器和负侧电容性分压器的电容器位于接地参考线795的上方和下方(在图5的取向中)。(正侧电容性分压器的)电容器103是用由电介质分开的金属条带731形成的金属-绝缘体-金属(mim)电容器。金属条带731在连接区域735处互连。连接区域735包括金属层和通孔层，这些通孔层以适合于金属条带731中所使用的金属层的方式来布置。除了形成电容器103之外，连接区域735还用于将电容器103连接到衰减器单元。例如，连接区域735中的外部连接区域可以连接到正rf输出，并且连接区域735中的内部连接区域可以将电容器103连接到开关区域711中的n沟道晶体管107和n沟道晶体管109。要注意，接地参考线795远离rf输出，从而避免rf输出与接地之间的寄生电容。

电容器101是使用金属板721来形成的。金属板721连接到正rf输入。电容器101由金属板721与金属条带731中连接到正rf输出的部分之间的垂直通量电容形成。金属板721与金属条带731中连接到开关的部分之间的垂直通量电容形成寄生电容器(图7的电路模型中的电容器cp2)。

负侧电容性分压器类似地形成在衰减器单元布局的下部。负侧电容性分压器包括金属条带732、连接区域736和金属板721。

图6是衰减器单元布局中由线7-7所指示的部分的横截面。该横截面是针对在六金属层制造工艺中制造的衰减器单元的。

电容器103(mim电容器)是用交替的金属条带来形成的。在图6的实施例中，第三金属层(“金属3”)、第四金属层(“金属4”)和第五金属层(“金属5”)用于形成电容器103。各条带以棋盘方式互连，其中金属3条带863、金属4条带864和金属5条带865连接到开关，并且金属3条带873、金属4条带874和金属5条带875连接到正rf输出。由于电容器端子的大的表面积及其小的分隔，因此电容器103具有大的面电容密度。还可使用电容器端子仅在各层内交替的横向通量电容器。

金属板821(对应于图5中的金属板721)由第一金属层(最接近集成电路基板的“金属1”)形成。要注意，在图6的实施例中未使用第二金属层。电容器101形成在金属板821与金属3条带863之间。由于电容器端子的小的表面积及其大的分隔，因此电容器103具有小的面电容密度。

如图5中所见，金属板721延伸超过金属条带731。这减小或消除rf输出(电容器103的第一端子)或开关的n沟道晶体管的漏极(电容器103的第二端子)至接地(集成电路基板)之间的边缘电容。相反，来自电容器103的端子的边缘电容是至rf输入(金属板721)的。如下面参照图7的电路模型讨论的，从电容器103的端子到rf输入的电容不损害衰减器性能。

图5和6中所解说的衰减器单元布局是针对示例六金属层制造工艺的。布局的变型可以用于其他制造工艺中或者提供不同的衰减器性能(例如，不同的最大衰减)。衰减器的最大衰减取决于分压电容器的电容与耦合电容器的电容的比率。该比率取决于如图6中所示的金属层的布置。例如，第二金属层的省略增加了rf输入与rf输出之间的分隔，从而减小了耦合电容。可例如通过改变所使用的金属层或者金属-绝缘体-金属电容器的金属条带的间隔来改变分压电容。使用更多的金属层或者减小金属条带之间的间隔将增加分压电容。在示例六金属层制造工艺中，第六金属层具有非常大的最小宽度和间隔。由此，mim电容器中未使用第六金属层。

图7是图1的衰减器的衰减器单元的电路模型的示意图。对于第一衰减器单元100，开关sw1对应于n沟道晶体管107，开关sw2对应于n沟道晶体管108，开关sw3对应于n沟道晶体管109，电容器c1对应于电容器101，电容器c2对应于电容器103，电容器c1′对应于电容器102，并且电容器c2′对应于电容器103。为了清楚且简明的描述，将仅针对正侧电容性分压器来描述该电路模型。负侧电容性分压器以类似方式起作用。

电容器cp1、电容器cp2、电容器cp2′和电容器cp2′表示与电容器c1、电容器c2、电容器c1′和电容器c2′的实现相关联的寄生电容。用于图5和6的布局的电容器cp1主要是金属板721与集成电路基板之间的电容。用于图5和6的布局的电容器cp2主要是金属板721与连接到正rf输出的金属3条带873之间的电容。

当衰减器单元被禁用时，开关断开并且正rf输入通过电容器c1电容性地耦合到正rf输出。正rf输入还通过电容器cp2和电容器c2的串联组合电容性地耦合到正rf输出。由于电容器cp2和电容器c2的串联组合与电容器c1并联，因此可在忽略电容器cp2和电容器c2的影响的情况下理解被禁用的衰减器单元的操作。还可在忽略与开关相关联的寄生电容的影响的情况下理解被禁用的衰减器单元的操作(例如，与开关相关联的寄生电容与电路元件电容相比可以是小的)。在正rf输入与接地参考之间的电容器cp1仅向正rf输入添加电容性负载，并且可在忽略电容器cp1的情况下理解衰减器单元的操作。

当衰减器单元被启用时，开关闭合。由于电容器cp1和电容器cp2并联在正rf输入与接地参考之间，因此电容器cp1和电容器cp2仅向正rf输入添加电容性负载，并且可在忽略电容器cp1和电容器cp2的情况下理解衰减器单元的操作。电容器c1和电容器c2在正rf输入与正rf输出之间形成分压器。从rf输入到rf输出的衰减是c1/(c1+c2)，其中c1是电容器c1的电容并且c2是电容器c2的电容。对于c2远大于c1的情况，该衰减近似于c1/c2。

要注意，衰减器单元在正rf输出与接地之间或者跨开关sw1(在节点gp与接地之间)不具有材料寄生电容。此类电容改变衰减器的操作。至除了接地以外的节点(例如，电压电源)的电容将类似地改变衰减器的操作。

图8是根据本文所公开的实施例的用于可变地衰减rf信号的过程的流程图。该过程的各步骤可例如使用图1的衰减器来执行并且将参照其进行描述。该过程产生具有相对于rf输入的可选择衰减的rf输出。

在框210中，该过程用多个耦合电容器将rf输入耦合到rf输出。例如，电容器101、111、121、131将正rf输入耦合到正rf输出。

在框220中，该过程将多个分压电容器的端子有条件地连接到接地。例如，n沟道晶体管107、117、127、137将电容器103、113、123、133的端子有条件地连接到接地。当分压电容器的端子未连接到接地时，使分压电容器开路。该过程基于从rf输入到rf输出的期望衰减有条件地连接端子。分压电容器的未被有条件地连接到接地的端子连接到rf输出。

可例如通过添加、省略、重新排序或更改各框来修改图8的过程。另外，可并发地执行各框。

尽管上文针对特定实施例来描述本发明的各特征，但本发明的许多变型是可能的。例如，可使用包括具有不同数目的金属层和不同类型的晶体管的工艺的其他制造工艺来形成衰减器。另外，衰减器可具有单端(而非差分)输入和输出。此外，衰减器可具有不同数目的衰减器单元，可具有不同大小(例如，不同电容)的衰减器单元，并且衰减器单元可具有共享的使能(例如，二进制加权)。衰减器单元中可使用不同的开关，例如，将衰减器单元中的中间节点有条件地切换到电压电源的p沟道晶体管。在另一种变型中，从衰减器单元省略开关。

诸如“上”、“下”、“左”和“右”等方向性术语被用来描述一些特征。该术语被用于提供清楚且简明的描述。这些术语是相对的，并且不应当推断特定的绝对方向。另外，各个实施例的特征可在与以上描述的不同的组合中进行组合。

提供以上对所公开的实施例的描述是为了使本领域任何技术人员皆能制作或使用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，且本文所描述的一般原理可被应用于其它实施例而不背离本发明的精神或范围。因此，应理解本文给出的描述和附图表示本发明的当前优选实施例并且因此代表本发明所广泛地构想的主题。将进一步理解，本发明的范围完全涵盖可对本领域技术人员显而易见的其它实施例，并且本发明的范围相应地除了所附权利要求之外不受任何限制。