Rf开关电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于将天线耦合至RF收发机的射频(RF)开关电路。
【背景技术】
[0002]RF天线开关典型地用于将RF收发机与天线相连。RF收发机典型地可以具有用于发送输出RF信号的功率放大器(PA)和用于接收RF输入信号的低噪放大器(LNA)。常见的RF开关拓扑是单刀双掷(STOT)，SPDT是具有三个RF端口的电路结构。例如，SPDT RF开关可以在发送模式下用在无线局域网(WLAN)前端中，以将PA输出与天线相连而断开LNA。在接收模式下，SPDT RF开关典型地将天线与LNA输入相连而断开PA。其他天线开关电路例如可以用于将蜂窝或蓝牙收发机与天线相连。RF天线开关结构典型地在与封装在模块中的收发机分立的管芯上。
[0003]如图1所示，可以使用单一 MOSFET 10来实现简单的开关100。可以利用电压Vin从RF源驱动RF输入16，RF源具有通常为50 Ω的源阻抗Rs。输出端子14可以与RF负载相连，RF负载具有通常为50 Ω的负载阻抗R1。输出端子14处的电压电平可以由Vout表示。典型地，仅η型FET用于RF开关，因为η型FET比ρ型FET具有更高迀移率载流子，从而在漏极和源极之间产生更低的接通电阻Rds-on，这产生更低的插入损耗。插入损耗是当接通开关时，即，当MOSFET开关具有导电沟道时，从输入16至输出14传播经过开关的信号的衰减或功率损耗。当关断开关时，由于从MOS晶体管10的漏极至源极的非零电容Cds-off，仍然存在从输入16至输出14的信号泄漏:在这种情况下，Vout与Vin的比值是泄漏的度量，因此开关隔离。开关的尺寸表示在插入损耗与开关隔离之间的权衡，被并入到定义为Rds-on与Cds-off之积的品质因数中。
[0004]如图1所示，可以添加电阻器Rg和Rb来分别自举(bootstrap)MOSFET 10的栅极端子和体(body)端子。因此，这些端子将平均源极和漏极上的RF信号。在源极和漏极上的RF信号几乎相等的导通状态下，自举电阻器可以抵消漏极源极与栅极/体之间的各种寄生电容的效应，这可以得到改善的带宽和线性度。Rg和Rb的典型值大于IkQ。在操作中，体电阻器Rb可以连接到0V，可以经由源电阻Rs和负载电阻RL在OV处偏置漏极和源极端子。例如，对于具有2.5V电源的CMOS电路，可以通过经由控制输入18向开关施加栅极电压Vgate来接通开关，其中栅极电压Vgate为2.5V。可以用OV的Vgate来关断开关，但仅仅是微弱地关断，因为源极和漏极之间是二极管或阈值电压两倍的RF摆动将会开始接通M0SFET，从而降低信号隔离，进而增加信号损耗。
[0005]图2示出了利用电源工作的已知MOSFET开关200的示例，所述电源可以是例如2.5V。将RF信号的偏置电平设置为OV。可以通过向开关施加2.5V的栅极电压Vgate来接通开关。
[0006]为了改善开关隔离，可以如图2所示包含电荷栗22。电荷栗22可以连接在控制输入18与栅极自举电阻器Rg之间。电荷栗可以在控制端子18上的输入为2.5V时输出2.5V电压，还可以在控制输入为OV时产生-2.5V电压，这可以用于使晶体管10截止。电荷栗22的第二输出可以向体电阻器Rb提供-2.5V电压。这种布置改善了开关的关断状态，但是以额外电路为代价。
[0007]图3示出了利用2.5V电源工作的已知MOSFET开关300的示例。在MOSFET 10的漏极与提供给端子24的2.5V偏置源电压之间布置偏置电阻器R1。在MOSFET 10的源极与提供给端子26的2.5V源电压之间布置偏置电阻器R2。可以在输入与MOSFET的漏极之间布置去耦电容器Cl。可以在MOSFET的源极与输出之间布置去耦电容器C2。在这种布置中，输入和输出与晶体管10去耦合，允许不同偏置点。为了导通晶体管10，控制电压Vgate必须为至少2.5V加上阈值电压。由于该电压大于典型电源电压，在控制输入18与栅极之间耦合电荷栗28以提供典型为5V的导通电压和OV的截止电压。在这种偏置布置下，2.5V电压将微弱地关断开关，OV电压将会是更强的关断状态。
【发明内容】
[0008]所附权利要求限定了本发明的多个方面。
[0009]在第一方面，限定了一种RF开关电路，用于将天线与RF电路耦合，所述RF开关电路具有第一操作模式和第二操作模式，并且所述RF开关电路包括:开关，布置为可切换地将RF信号输入耦合到RF信号输出，所述开关包括具有第一端子、第二端子和控制端子的第一晶体管；偏置交换电路，具有与第一端子和第二端子耦合的偏置电压输出；其中，所述偏置交换电路可操作为响应于RF开关电路的操作模式的改变，在第一偏置电压值和第二偏置电压值之间切换偏置电压输出。
[0010]通过在RF开关电路改变时切换晶体管的第一端子和第二端子上的偏置电压值，可以改善RF开关的性能，因为开关可以被更强地接通或关断。此外，在RF开关电路模式改变时切换偏置电压，这意味着可以使用其他电路所需的电源电压来实现改善的性能。因此，可以改善RF开关性能，而无需附加的电荷栗电路产生在正常电源电压范围之外的电压电平。
[0011]RF开关电路的实施例还可以具有模式控制器，所述模式控制器耦合至偏置交换电路和控制端子，并且可操作为在第一操作模式和第二操作模式之间切换RF开关电路。
[0012]模式控制器可以控制RF开关或包括RF开关的设备在哪个模式下操作。例如，模式控制器可以在发送操作模式和接收操作模式之间切换。可以使用硬件或硬件与软件的组合来实现模式控制器。
[0013]在实施例中，RF开关电路可以包括:RF信号功率检测器，耦合至RF信号输入和RF信号输出中的至少一个以及偏置交换电路，其中偏置交换电路还可操作为响应于检测到的RF信号功率的改变，改变偏置电压输出上的电压。
[0014]RF开关电路可以根据信号强度改变偏置电压，以在电场强度与开关被关断或接通的强度之间权衡。根据信号强度改变偏置电压，这可以减小在开关期间作用于器件上的应力，从而在保持可接受的开关性能的同时改善RF开关电路的寿命。
[0015]在实施例中，RF开关电路可以包括:电源检测器，耦合至偏置交换电路，其中所述偏置交换电路还可操作为响应于检测到的电源电压和/或电源电流的改变，改变偏置电压输出上的电压。
[0016]电池供电的设备可以具有随时间而减小的电源电压。可以使用检测到的电源电压来调节偏置电压以改善开关性能。
[0017]在实施例中，RF开关电路可以包括:温度传感器，耦合至偏置交换电路，其中所述偏置交换电路还可操作为响应于检测到的温度的改变，改变偏置电压输出上的电压。
[0018]包括温度传感器的实施例可以改变偏置电压以避免在高温下将RF开关去偏置的风险。
[0019]RF开关电路的实施例可以包括开关，所述开关包括与第一晶体管串联布置的至少一个另外的晶体管，所述第一晶体管的控制端子与所述至少一个另外的晶体管的控制端子耦合，所述偏置交换电路输出与所述至少一个另外的晶体管的第一端子和第二端子耦合。
[0020]晶体管的串联可以用于通过划分电压应力来处理更大功率信号。从而可以处理更大功率信号而不会在关断状态下出现开关击穿或导通。
[0021]实施例可以包括与每个晶体管控制端子耦合的自举元件。自举元件可以是电阻器和电感器。电阻器和电感器均能够在适当自举所需的RF频率下提供高阻抗。电感器还可以在低频率下提供低阻抗。
[0022]在实施例中，RF开关包括:第一去親电容器，布置在RF信号输入与开关之间；以及第二去親电容器，布置在RF信号输出与开关之间。去親电容器允许独立于信号输入和输出处的偏置电平来设置开关电路的偏置。
[0023]在实施例中，RF开关可以包括:分路晶体管，耦合到RF信号输入。在至输入的信号路径被关断时，可以将分路晶体管导通。分路晶体管可以通过分路将关断的信号路径馈通到接地的任何信号，来保护RF信号晶体管。
[0024]在实施例中，RF开关电路还可以包括RF输入端子、RF输出端子和天线端子，其中，所述偏置交换电路还包括第二偏置电压输出；所述开关还包括具有第一端子