用于多晶体管串联射频开关的电压均匀化方法及射频开关与流程

本发明涉及一种电压均匀化方法，尤其涉及一种用于多晶体管串联射频开关的电压均匀化方法，同时也涉及采用该电压均匀化方法的射频开关及相应的通信终端，属于射频集成电路技术领域。

背景技术：

在通信系统的收发电路中，通常采用开关切换技术使收发通道共用同一个天线，从而减小电路的体积和冗余。射频开关是用于控制射频信号传输路径及信号大小的控制器件之一，在无线通信、电子对抗、雷达系统等许多领域中有广泛用途。目前，在高功率的射频集成电路领域，经常会采用由多晶体管串联构成的射频开关(简称为多晶体管串联射频开关)。

如图1所示，由多晶体管串联构成的射频开关由N个晶体管(M1～MN)的源极和漏极依次连接，构成串联结构。具体地说，第一个晶体管的源极(或漏极)连接射频信号输入端RFin，最后一个晶体管的漏极(或源极)连接射频信号输出端RFout。当射频开关断开后，射频信号输入端和射频信号输出端之间的电压将降落在整个串联的晶体管链上，每个晶体管的源极和漏极之间将分担部分电压(V1～VN)。晶体管的数量越多，每个晶体管的源极和漏极之间分担的电压就越低，晶体管就越不容易击穿。但由于电压从各个晶体管逐渐降落，各个晶体管之间寄生电容不同等原因，每个晶体管分担的电压不同。为了保证晶体管不被击穿，就需要增加晶体管个数，使分担最高电压的晶体管进入到安全电压范围。

在申请号为201410858446.8的中国专利申请中，美国Skyworks公司提供了一种射频开关模块，包括：封装基底，被配置为容纳多个组件；以及半导体裸芯，安装在封装基底上，该半导体裸芯包含具有多个开关元件的开关器件，该多个开关元件串联连接以形成堆栈，该开关元件具有参数的非均匀分布，该参数的非均匀分布使得该堆栈具有比对应于具有该参数的基本均匀分布的类似堆栈的第二电压处理能力大的第一电压处理能力、比对应于该类似堆栈的第二导通电阻值小的第一导通电阻值以及比对应于该类似堆栈的第二线性性能更好的第一线性性能中的一个或多个。

技术实现要素：

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种用于多晶体管串联射频开关的电压均匀化方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用该电压均匀化方法的射频开关及相应的通信终端。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种用于多晶体管串联射频开关的电压均匀化方法，该方法在串联组成射频开关的各晶体管的源极和漏极之间分别增设电容作为寄生电容，通过调整各晶体管的寄生电容实现各晶体管的压降均匀性。

其中较优地，所述寄生电容通过各晶体管上设置的金属条以及各晶体管自身的金属层予以实现。

其中较优地，所述射频开关由N个晶体管的源极和漏极依次连接，构成包括N+1个节点的串联结构；

每个节点通过金属与硅接触孔连接到在金属层1上的第一金属条上，同时在金属层2上有一个或多个第二金属条，所述第二金属条与部分第一金属条相连；所述第一金属条、所述第二金属条与N+1个节点构成N个寄生电容；

通过调整第一金属条的尺寸和间距、第二金属条的尺寸和间距以及第一金属条与第二金属条之间的位置关系，分别调节N个寄生电容的大小；其中，N为正整数。

其中较优地，在栅宽方向增加/减小金属条尺寸以增加/减小金属条之间的寄生电容面积，从而增大/减小寄生电容。

其中较优地，在栅长方向增加/减小金属条间距以增加/减小电容极板间距，从而减小/增大寄生电容。

其中较优地，所述第二金属条有M个，分别与金属层1上的前M个第一金属条垂直连接，其中M为正整数且不大于N。

其中较优地，所述第二金属条有M个，保持浮空状态；所述第二金属条在水平方向上分布在第一金属条之间的间距中，在垂直方向上与第一金属条在金属条边缘处存在少量交叠或无交叠。

其中较优地，所述第二金属条有M个，分别与金属层1中的M个第一金属条连接，从而与金属层1中的N+1－M个金属条构成层间寄生电容，其中M为正整数且不大于N。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种射频开关，由多个晶体管的源极和漏极依次连接构成，该射频开关采用上述的电压均匀化方法实现各晶体管的压降均匀性。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种通信终端，其中包括有上述的射频开关。

与现有技术相比较，本发明提供的电压均匀化方法通过对金属层1和金属层2上的金属条的位置、尺寸和间距的不同组合，可以精细地调整各晶体管的源极和漏极之间的寄生电容，从而提升各晶体管的压降均匀性。利用本发明，可以使用更少的晶体管完成射频开关设计。

附图说明

图1为现有技术中，由多晶体管串联构成的射频开关的原理图；

图2为本发明中，增加寄生电容后的射频开关的原理图；

图3为本发明的实施例1中，进行寄生电容补偿的工作原理图；

图4为本发明的实施例2中，进行寄生电容补偿的工作原理图；

图5为本发明的实施例3中，进行寄生电容补偿的工作原理图；

图6为本发明的实施例4中，进行寄生电容补偿的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

在现有技术中，多晶体管串联射频开关由于不能够充分利用各个晶体管的电压承受能力，同时也导致射频开关的面积大，因此在使用范围上受到很大的局限。为此，本发明创造性地采用多种寄生电容分配方法，用于补偿多晶体管串联射频开关中各个晶体管所分担的电压，使晶体管链上各个晶体管的分担电压相同或相似，从而可以使用更少的晶体管完成射频开关的功能。

如图2所示，由多晶体管串联构成的射频开关由N个晶体管(M1～MN)的源极和漏极(S/D)依次连接，构成串联结构，其中栅极(G)连接同一个控制信号。M1的源极(或漏极)连接射频信号输入端RF i n，MN的漏极(或源极)连接射频信号输出端RFout。当射频开关断开时，射频信号输入端和射频信号输出端之间的电压将降落在整个串联的晶体管链上，每个晶体管的源极和漏极之间会分担部分电压(V1～VN)。本发明所提供的电压均匀化方法是在利用多晶体管串联射频开关中的各个晶体管的源极和漏极之间固有电容的基础上，在各个晶体管的源极和漏极之间进一步增设电容CC1～CCN(N为正整数，下同)作为寄生电容。通过寄生电容的灵活调整和补偿，使晶体管链上各个晶体管的分担电压尽量相同或相似。

在本发明的一个实施例中，上述寄生电容CC1～CCN可以通过晶体管上设置的金属条以及晶体管自身的金属层予以实现。具体说明如下：由于N个晶体管串联，一共有N+1个源极节点和漏极节点，每个节点通过金属与硅接触孔连接到在金属层1(第一金属层)上的N+1个金属条上。在金属层2(第二金属层)上有一个或多个金属条。通过调整金属层1上的金属条尺寸和间距、调整金属层2上的金属条尺寸和间距以及调整金属层1上和金属层2上金属条之间的位置关系可以调节N+1个节点之间的寄生电容CC1～CCN，从而使落在各个晶体管源极和漏极上的电压均匀化。

图3～图6分别显示了本发明的不同实施例中，进行寄生电容补偿的工作原理图。下面对此展开详细具体的说明。

实施例1：如图3所示，金属层1上有N+1个金属条分别与晶体管链的N+1个节点垂直连接，金属层2上的N+1个金属条分别与金属层1上的N+1个金属条垂直连接。在这种方式中，在金属层1和金属层2上的金属条之间形成了同层金属的寄生电容。通过调整金属层1和金属层2上金属条的尺寸和间距可以改变节点间的寄生电容大小。在栅宽方向增加金属条尺寸可以增加金属条之间的寄生电容面积，从而增大寄生电容；反之减小该尺寸，可减小寄生电容。在栅长方向增加金属条间距等效于增加了电容极板间距，可减小寄生电容；反之减小间距，可以增大寄生电容。

实施例2：如图4所示，金属层1上有N+1个金属条分别与晶体管链的N+1个节点垂直连接，金属层2上的M(M为正整数，下同)个金属条分别与金属层1上的前M个金属条垂直连接。在这种方式中，仅在前M个节点上增加同层金属的寄生电容，因为通常靠前的晶体管分担的电压较小，需要增加更多的寄生电容来提高其分担的电压。这种方式所使用的寄生电容与实施例1同为同层金属的寄生电容，因此调整方法一致。

实施例3：如图5所示，金属层1上有N+1个金属条分别与晶体管链的N+1个节点垂直连接，金属层2上的M个金属条保持浮空状态，金属层2上的金属条在水平方向上分布在金属层1上的金属条的间距中间，在垂直方向上，金属层2与金属层1上的金属条可以在金属条边缘处存在交叠，也可以无交叠。在这种方式中，主要的电容实现方式是在节点之间引入金属层1与金属层2的金属条之间形成的层间电容来进行补偿。通常情况下，层间寄生电容小于层内金属间寄生电容，因此该方式主要使用金属层1上的寄生电容进行大幅度的补偿，金属层2上的寄生电容进行小幅度的调整。金属层1中的金属条尺寸和间距调整与实施例1和实施例2相同。通过调整金属层2中的金属条尺寸和与金属层1中金属条的位置关系，金属层2中的金属条在垂直方向上与金属层1上的金属条交叠越多或距离越近，就会引入更大的寄生电容；反之寄生电容越小。

实施例4：如图6所示，金属层1上有N+1个金属条分别与晶体管链的N+1个节点垂直连接，金属层2上有M个金属条与金属层1中的M个金属条连接，与金属层1中的N+1－M个金属条构成层间寄生电容。在这种方式中，电容分布更为分散，金属层2仅对分布在不同位置的节点间电容进行小幅调整，主要由金属层1的电容进行大幅度补偿。调整方式与实施例1、实施例2和实施例3相同。对于层内寄生电容，在栅宽方向增加金属条尺寸可以增大寄生电容；反之减小该尺寸，可减小寄生电容。在栅长方向增加金属条间距等效于增加了电容极板间距，可减小寄生电容；反之减小间距，可以增大寄生电容。对于层间寄生电容，通过调整金属层2中的金属条尺寸和与金属层1中金属条的位置关系，金属层2中的金属条在垂直方向上与金属层1上的金属条交叠越多或距离越近，就会引入更大的寄生电容；反之寄生电容越小。

需要说明的是，通过实施例1、实施例2、实施例3和实施例4所提供的寄生电容调整方式，再结合器件寄生参数仿真工具，可以精细调整各个节点间的寄生电容，实现各晶体管分点电压均匀化，充分利用个晶体管的电压承受能力，减少晶体管个数，缩小射频开关的面积。经过实验证实，使用14个串联的晶体管制作晶体管链作为射频开关，采用本发明所提供的电压均匀化方法，使用寄生参数仿真软件对各个节点寄生参数进行仿真，并对节点电压进行归一化处理，标准值为100％。实验结果比较如下：未使用本发明提供的电压均匀化方法进行调整，节点间电压差在77％到185％之间；使用本发明提供的电压均匀化方法进行后，节点间电压差在97.2％到103.7％之间。相比之下，本发明提供的电压均匀化方法能够有效对多晶体管串联射频开关的内部电压进行均匀化。

与现有技术相比较，本发明提供的电压均匀化方法通过对金属层1和金属层2上的金属条的位置、尺寸和间距的不同组合，可以精细地调整各晶体管的源极和漏极之间的寄生电容，从而提升各晶体管的压降均匀性。利用本发明，可以使用更少的晶体管完成射频开关设计。

上述实施例中所示出的电压均匀化方法可以被用在射频开关芯片中。该射频开关芯片由多个晶体管的源极和漏极依次连接构成。对于该射频开关芯片的具体结构，在此就不再详述了。

另外，上述射频开关芯片可以被用在通信终端中，作为射频集成电路的重要组成部分。这里所说的通信终端是指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE等多种通信制式的计算机设备，包括移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，本发明所提供的技术方案也适用于其他射频集成电路应用的场合，例如通信基站等。

上面对本发明所提供的用于多晶体管串联射频开关的电压均匀化方法及射频开关进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。