堆叠晶体管中的RF传感器的制作方法

本发明总体上涉及用于堆叠晶体管的rf传感器。

背景技术：

在各种rf电路中使用具有实现为多个rf单元的堆叠晶体管的rf开关，以在各种应用中实现各种功能。例如，一个应用程序是诸如连接到手机中的天线的高压应用程序。多个rf单元通常耦合在一起，使得任何单个rf单元必须只能承受作为高压一小部分的较低电压，由此处于所使用晶体管制造工艺的击穿电压限值内。虽然多个rf单元的使用理想地将高电压均匀相等地分布到各个rf单元的低压部分，但实际上，由于寄生元件和效应，高电的分布可能不相等。因此，使用多个rf单元的高压rf开关的线性和其他性能特性会受到影响。

技术实现要素：

一种rf开关包括：多个串联耦合的rf开关单元，耦合在rf输入和地之间；第一晶体管，包括耦合至第一负载电阻器的第一电流节点、耦合至地的第二电流节点和耦合至第一内部开关节点的控制节点；以及第一滤波器，具有耦合至第一晶体管的第一电流节点的输入以及被配置用于提供与第一内部开关节点处存在的rf功率相对应的dc电压的输出。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优点，现结合附图进行以下描述：

图1是放置在示例天线布置中的天线开关的示意图；

图2是嵌入rf天线孔径开关的堆叠晶体管中的实施例电压传感器电路；

图3(a)是天线开关在不同功率水平下的瞬态电压输入信号的曲线图；

图3(b)是与rf天线孔径开关的内部开关节点相关联的瞬态电压的曲线图；

图4(a)是图2的电压传感器电路中的晶体管的漏极电流的曲线图；

图4(b)是图2的电压传感器电路中的晶体管的漏极电压的曲线图；

图5(a)是图2的电压传感器电路中的滤波器的输出电压的曲线图；

图5(b)是图2的电压传感器电路的dc输出电压相对于rf天线孔径开关的输入功率的曲线图；

图6是在不同的内部开关节点处具有多个电压传感器电路以测量rf天线孔径开关的不同输入功率范围的实施例的电路图；

图7是图6的电路的不同电压传感器输出电压相对于rf天线孔径开关的输入功率的示图；

图8是包括耦合至被配置为提供线性指示的rf天线孔径开关的多个分压器和电压传感器电路的实施例电路的示意图；

图9(a)是没有连接分压器的图8的电路的rf开关单元两端的电压的曲线图；

图9(b)是连接有分压器的图8的电路的rf开关单元两端的电压的曲线图；

图10是包括参考分支和运算放大器的实施例rf电压传感器电路的示意图；

图11是包括运算放大器的示例电路实现的图10的电路的示意图；

图12(a)是图10的电路的感测电压和参考电压相对于堆叠输入功率水平的曲线图；

图12(b)是图10的电路的运算放大器的输出电压的曲线图；

图13是例如图8的电路连接或没有连接电压传感器电路的rf开关单元两端的电压的曲线图，示出其间可忽略的差异；

图14(a)是图8的电路的探测电阻器两端的电压分布的曲线图；以及

图14(b)是图8的电路的运算放大器电压输出的类似电压分布的示图。

具体实施方式

具有多个耦合的rf开关单元的rf开关有时使用体cmos技术实现，该技术使用偏置衬底。rf开关电路中使用的晶体管可以具有寄生衬底电容和寄生电阻，其耦合在晶体管的源极和地之间以及晶体管的漏极和地之间。因此，晶体管的源极和漏极处的电压使得对应的寄生电流在晶体管源极和漏极与地之间流动。这些寄生元件和效应导致跨多个耦合rf开关单元施加的高电压在各个rf开关单元之间不均匀地分布、开关的线性度的对应降低以及其他性能特性的劣化。例如，多个耦合rf单元中离rf源最近的第一rf单元可具有高压rf输入信号的最大部分；而多个耦合rf单元中离rf源最远并耦合至地的最后一个rf单元可具有高压rf输入信号的最小部分。理想地，多个耦合rf单元中的每个rf单元都将具有高压rf输入电压的相同部分，以实现最大的线性度和电路性能。

rf开关的一个这样的领域是天线孔径开关，其用于提高手机天线的辐射性能。靠近开关，外部电感和/或电容可在远离天线的馈点的位置处接入，并且调整天线以在所选频率下更好地辐射。使用方法如图1所示。图1示出了放置在示例天线布置100中的天线开关106，天线布置100包括rf信号馈送102、平面倒f天线、电感器l1和电容器c1。

这种开关的重要优点是其导通模式下的电阻(ron)、隔离模式下的电容(coff)以及在隔离模式下可承受的最大rf电压摆幅。以使用单或双栅极氧化物晶体管的标准本体偏置的体cmos或硅绝缘体上硅(soi)技术来设计开关。由一个双栅极氧化物晶体管承受的额定电压通常在1.5v至2.5v的范围内，所要求的rf电压摆幅通常更高，例如45v、80v或高达100v。这要求晶体管的堆叠，如前文所解释的，以便能够处理发生的电压摆幅。通过堆叠，理想地，电压摆幅应该在晶体管的漏极和源极节点之间均匀分布，其中通过栅极-漏极电容和栅极-源极电容支持晶体管的漏极和源极节点。然而，由于从漏极、栅极和源极到公共地或衬底电位的寄生电容较小，所以分布不均匀。这种不均匀的分布限制了可持续的整体rf电压摆幅，并引起设备的早期故障，这是因为一个晶体管比其他晶体管经历较大的电压摆幅，因此具有较早的穿透。

下面描述实施例，以测量rf堆叠中的一个或所有晶体管处存在的rf电压摆幅，而不影响想要的电路的行为并且通过dc读数报告发生的rf电压。第一实施例电路测量跨至少一个晶体管的rf电压摆幅，并提供关于内部开关节点的rf摆幅信息，因此在开关的应用中，提供用于在需要时启动测量以降低输入功率的输出或者采取其他措施。第二电路允许确定跨堆叠中的所有晶体管或晶体管子集的rf电压，并以此报告跨堆叠中每个晶体管的电压分布。这允许可视化电路的特性(诸如开关线性)，由此允许相互比较半导体技术和电路设计概念。如果需要，系统也可以使用该信息来改变开关的操作条件。

最大rf电压摆幅还可以通过破坏性测量来测量，增加rf电压摆幅直到器件断开。记录并比较击穿电压。虽然该方法在给定操作环境中确定rf开关的电压限制中是有效的，但用于保持开关的完整性以报告内部开关信息，使得使用该开关的系统可以进行测量以根据期望改变开关的操作条件的系统当然无效。

因此，实施例允许测量电路的内部电压，而不解谐开关的一般操作或以其他方式影响开关的性能。根据实施例，仅使用电压摆幅的可忽略部分来监控分布。优点在于内部节点的电压被测量，并且可以被读出以实现进一步的测量。

图2示出了开关布置200，其包括节点202处的rf输入rfin、施加在rf开关vin上的电压以及节点204处的rf输出节点rfout。还示出了rf开关和感测电路，并且下文将进行详细描述。

参考图2，下文描述了第一实施例电压感测电路。感测电路在隔离模式中感测开关分支中存在的rf电压，并且可用于向控制单元报告测量的电压摆幅。在图2中，左侧示出了rf天线孔径开关的堆叠晶体管t1至tx。堆叠的晶体管可通过其栅极处的控制信号(示为vg)进行切换。控制信号或输入信号vg用于通过栅极电阻器rg1至rgx为晶体管t1至tx的栅极通电。平行于每个晶体管的漏极和源极的电阻rds1至rdsx用于每个晶体管的良好偏置，并且通常在3k至40kohm的范围内。在截止状态下，所有晶体管都被夹断，并且漏极-源极电阻器的串联是主要的截止状态电阻。

下文进一步详细描述的图2的电压传感器电路被放置在最低的漏极-源极电阻器rds1或漏极-源极电阻器rds1.1到地节点处。电阻器rds1.1和rds1.2形成分压器，其具有提供所示的vp(探针)电压的抽头以及rds1的总电阻值，其值与图2所示的另一源极-漏极电阻器相似。

图2示出了可嵌入rf天线孔径开关的堆叠晶体管中的实施例电压传感器。电压传感器包括感测部分和滤波部分。感测部分包括感测晶体管tsens和感测负载电阻器rsens。耦合感测晶体管和负载电阻器的节点具有对应的节点电压vd。流入感测晶体管的漏极的电流标为id。如图所示，感测部分耦合在vdd和地之间。滤波部分是低通滤波器，其包括滤波电阻器rfilt和滤波电容器cfilt。滤波器的输出在节点206处标为vout。如图所示，滤波部分被耦合在内部感测电路节点和地之间。

图3(a)示出了示例输入电压扫描302，在1ghz的示例频率下，达到vin＝20v的电压，其被带到rf开关的输入端子。从图3(b)可以看出，在18个晶体管的示例堆叠上，rf电压摆幅的比例部分存在于最低电阻rds1.1两端，其中漏极-源极电阻器rds2至rdsx为3kohm，并且最低的漏极-源极电阻rds1被划分为rds1.2＝2kohm且rds1.1＝1kohm。图2的感测电路使用该电压并将其转换为节点206处的dc读数，其振幅足以用于进一步的动作。

因此，图3(a)示出了在不同功率水平下1ghz输入信号vin相对于天线开关的瞬态电压，以及图3(b)示出了最低电阻rds1.1处相对于地的对应探针电压vp。

如前文所解释的，图2中右侧的电压感测电路包括相对较小的nmos晶体管tsens，其在零伏特的栅极-源极电压下被dc偏置，通过电阻器rds1.1至地。在这种偏置条件下，小漏极电流id流过晶体管tsens。当存在rf电压摆幅时，vp的正电压摆幅激活感测晶体管，并且增加的、整流漏极电流id开始流过晶体管。在连接在漏极和vdd之间的电阻器rsens处，建立压降vd，其由id的整流电流引起。可以在图4(a)和图4(b)中看到半波整流电流id和电压vd。

因此，图4(a)示出漏极电流402，以及图4(b)示出发生在感测nmos晶体管漏极处的漏极电压404瞬态。漏极电流402和漏极电压404的不同轨迹表示1ghz输入信号的不同功率水平。

图4(b)所示的整流电压vd包含dc电压分量，该分量被随后的低通滤波器(例如，在一个实施例中由rfilt和cfilt形成)滤波。在图5(a)中，可以看到标为502的滤波瞬态输出信号vout，其具有清晰可见的dc分量以及只有很小的rf纹波。如果期望用于特定应用，更强的滤波甚至可以进一步降低纹波。在图5(b)中，相对于vin处存在的输入功率绘制vd或vout的标为504的dc电压。可以看出，输出电压可归因于特定功率感测范围内的输入功率。

因此，图5(a)示出了不同功率水平的rc滤波器的输出处的瞬态电压502，以及图5(b)示出了相对于进入rf堆叠的输入功率绘制的电压传感器的dc电压504。

通过使用不同的电路元件可以根据需要改变感测范围。例如，增加最低的漏极-源极电阻器rds1.1和减小对应的电阻器rds1.2增加了进入晶体管tsens的电压摆幅vp的量，因此增加了在感测晶体管中整流的漏极电流id的量。增加电阻器可能会有解谐电压堆叠的缺点，因为晶体管tsens的寄生元件可具有更大的影响。改变电路元件值以提供不同的感测范围，必须仔细监控以保持开关性能。改变感测范围的另一种可能是增加电阻rsens。增加电阻使得由于漏极电流id而引起的压降增加，并且需要一小部分探针电压vp来建立dc电位。但是，增加感测电阻必须与静态电流id折中，静态电流id发生在零伏特的dc栅极偏置的tsens中，以及在晶体管vds操作的切断之前在晶体管tsens处发生最大电压摆幅。通过晶体管几何结构影响对所获得的输出电压的进一步影响，其通过寄生电容改变对rf堆叠的解谐，并且电流通过跨导的固有影响而增加。理想地，使用相对较小尺寸的晶体管tsens。

例如，从图6可以看出，通过将不同的感测晶体管tsens放置在rds堆叠中的不同感测节点与地电位之间，可以实现增加的感测范围。图6的电路600类似于先前描述的图2的电路200，但在rf堆叠的不同节点处具有不同的传感器以测量增加的输入范围。电路600包括rf输入602rfin和rf输出604rfout。在图6的示例中，第一分压器包括电阻器rds1.1、rds1.2和rds1.3，并且包括用于提供电压vp1和vp2的两个抽头。第二分压器包括电阻器rds2.1和rds2.2以及用于提供电压vp3的抽头。第一感测电路606耦合至vp1抽头，第二感测电路耦合至vp2抽头，以及第三感测电路610耦合至vp3抽头。可使用任何数量的分压器、抽头和电压感测电路。因此，图6所示的精确配置仅是用于提供附加感测范围的一个示例。在图6中，感测电路606、608和610与先前在图2的电路200中描述的基本相同。

电路600允许读出若干输出电压vout1、vout2和vout3，它们表示不同的输入电压范围vin并且可以组合以增加总范围。对于与图6所示类似的三个传感器，可以在图7中看到不同电压传感器的输出电压。然而，如前所述，必须注意对rf堆叠的影响并且不要干扰想要的适当操作。

因此，图7示出了与输出电压vout1、vout2和vout3对应的三个输出电压的电压与输入功率的曲线图700。如图6所示且如上文所述，在与rf堆叠的vp1、vp2和vp3电压相关的不同节点处的三个不同的传感器606、608和610用于测量增加的输入范围。

来自单个电压传感器或多个电压传感器的输出电压vout可提供给模数转换器(未显示)，该模数转换器对dc电压值进行采样并将其传送给后续的控制单元用于进一步处理。该处理可包括过电压警告，这允许执行保护天线开关或其附近其他部件的操作，或者报告存在的电压摆幅的量，允许了解天线辐射性能。在第二种情况下，发生的rf电压摆幅可以测量横跨天线尺寸的电压分布，并且可以提供关于天线辐射行为的信息，诸如线性度。在第二种情况下也可以执行改进电压分布(诸如改变施加于rf开关的辐射)的对策。

在上述电路实施例中，确定和监控针对地的至少一个rf电压。接下来，讨论了测量rf堆叠中的晶体管的源极-漏极节点之间的差的实施例电路。在随后描述的电路实施例中，可以量化跨堆叠中的晶体管的电压分布。从图8可以看出，在堆叠rf晶体管t1至tx的每个漏极节点处，放置针对地的分压器。连接至最低的晶体管t1的漏极的分压器具有rn的总体值，该值足够大而不会扭曲rf堆叠的性能。rn的典型值可以在rds的50到120倍的范围内。下一个晶体管t2的漏极处的电阻器具有rn的值的两倍的值，以此类推，直到晶体管tx的最高漏极处的电阻具有x·rn的值。探针电阻器rp从电阻器n·rn中减去，并且其值和rds值的范围都相等。通过这种布置，跨每个堆叠电阻的电路摆幅被缩放到较小的参考电压摆幅。

在图8中，示出了实施例开关布置800，其包括rf源、rf开关堆叠、多个分压器和多个感测电路。rf输入802和rf输出804以及rf堆叠如前所述。多个分压器耦合至相应堆叠晶体管的漏极，并且分压器中的一个电阻器如前文讨论的开关位置缩放。感测电路806、808、810、812和814耦合至对应分压器vpx的抽头vp1、vp2、vp3、vpx-1，并且具有对应的输出电压vout1、vout2、vout3、voutx-1和voutx。

因此，图8示出电路实施例800，以确定横跨rf开关堆叠中的每个晶体管的漏极-源极节点的rf电压摆幅。如下文将进一步详细解释的，完美的线性开关将提供多个相同的输出电压。非线性开关将提供多个不相等的输出电压，并且通常示出一曲线，该曲线表明较大的漏极-源极电压与更接近rf源的晶体管相关联且相对较小的漏极-源极电压与更接近地的晶体管相关联。当然，图8的电路800也可以检测到其他异常非线性图案。

现在参考图9(a)，电压分布被示出仅在18个rds电阻的堆叠上。在这种情况下，不存在感测晶体管的不平衡效应，并且可以检查电阻rn的影响。可以在图9(a)中看到电压902的分布，其中绘制了跨rds电阻的电压。稍后，一旦晶体管被加回去，这将是晶体管的漏极电压减去晶体管的源极电压之间的电压差。曲线902的宽度表明：在rf堆叠内仍然存在先前讨论的探测布置的小影响，但这显然很小，并且可以通过调整分压器中的电阻器rn的电阻部件解决该误差来进一步降低。在图9(b)中，可以看到不同节点的电阻rp处的输出电压摆幅vp。由于电阻分压器，它要小得多，但仍然测量到明显的电压摆幅。在图9(a)中也示出，曲线904的轻微加宽表明探测布置的较小影响。探针幅度可以在图9(b)中看到。由于它们比先前描述的电路200的图3(b)中的探针电压小，且比例因子为10以上，因此理想地使用更精细的电压传感器并将在下文进一步详细描述。

因此，图9(a)示出了跨45v的输入电压的18个rds电阻器的rf堆叠的漏极-源极电压。图9(b)示出了电阻rp对地的探针电压vp。

电路800的电压传感器类似于前文描述的电压传感器电路，但具有附加增益以补偿感测电压的较低值。可以在图10中看到实施例电压传感器1000的简化示意图。电路1000包括感测晶体管tsens，其具有漏极侧连接的电阻器rsens以及随后连接的低通滤波器(这里例如使用rfilt和cfilt)。此外，为了增加读数的灵敏度，使用参考晶体管tref、参考电阻器rref和低通滤波器(具有相同的rfilt和cfilt部件)，以与感测分支相似的布置连接参考分支。tref晶体管的输入(栅极)终端地连接电阻rp，但不使用与rf堆叠的分压器的连接。参考分支通过参考晶体管提供相同的静态电流，并通过电阻rref建立参考电压vref，具体是当元件的值与感测分支中的值相同时。当rf堆叠中存在rf电压摆幅时，vsens和vref之间的差通过指定为1002的运算放大器opa放大，并增加电压传感器的操作范围。在链的这一侧使用放大器的好处是：仅必须放大dc信号，这比放大rf信号容易得多，并且可以用高欧姆电路进行电压放大，这减少了rf堆叠的解谐。

因此，图10示出了rf电压传感器电路，其包括电压传感器部分、参考分支以及用于放大电压传感器部分和参考分支之间的电压差的运算放大器。

在图11中，可以看到具有参考分支的rf感测电路1100以及运算放大器的示例实现。块1102中的感测电路和参考分支如前所述。在电路实施例中，运算放大器1002包括差分放大器，其包括电流源i1、晶体管t1和t2的差分对以及简单电流镜负载t3和t4。运算放大器1002还包括输出级，其包括晶体管t5以及相关联的偏置和补偿部件r1、r2和c2。

因此，图11示出了rf电压传感器电路1100，其包括参考分支和运算放大器1002的示例实现。

在图12(a)和图12(b)中，可以看到在一个电压传感器处进入堆叠的rf输入功率的扫描。在图12(a)中，内部电压vsens1204和vref1202可以相互比较。在图12(b)中，可以看到一个运算放大器处的输出电压1208。作为参考，vsens和vref的电压(由于图12(b)中的不同电压标度，示为组合轨道1206)。可以看出，输出电压vout1208取决于rf堆叠的输入功率。

因此，图12(a)示出了在一个电压传感器中发生的dc电压vsens和vref，横跨堆叠输入功率水平扫描，以及图12(b)示出了一个运算放大器输出扫描相对于堆叠输入功率的输出振幅vout。

图8的rf堆叠使用18个电阻rds(包括rf晶体管)构建，在一个实施例中在每个节点vp处连接rn电阻网络和电压传感器。在图13中，可以在轨道1302中看到进入rf端口的30dbm(＝10v)的低rf输入电压下的rf电压分布的比较。图13的曲线图示出了漏极-源极电压差的幅度相对于晶体管数t1至t18。由于收敛问题，模拟功率不能增加到该值以上，但在较高的输入功率水平下，电压以相同的方式缩放。理想的均等分布通过跨漏极-源极电压的10v/18＝0.55v来计算。图13中看到的悬置电压分布1302是寄生衬底电容的结果，并且在上文参考的文献中很好地进行了解释。这里可以看出，当比较具有和不具有电阻探测网络的曲线时，曲线基本相同，并且用单个识别数字1302来表示。这表明探测网络没有解谐适当的电路操作。

因此，图13示出了跨开关堆叠中的18个rf晶体管的漏极-源极端子的rf电压分布。比较表明，电阻探测网络是否连接的影响很小。

在图14(a)中，可以看到探针电阻rp处的18个节点的电压分布vpx1402。同样的悬置曲线被示出直接跨晶体管处的漏极-源极节点出现。曲线的相似性表明，可以通过图8的布置来探测电压的分布。在图14(b)中，示出了18个运算放大器的输出处的电压分布1404。分布1404的形状与图13所示相同，并且相当于rf晶体管堆叠的漏极-源极电压分布。

因此，图14(a)和图14(b)示出了探测电阻器rp处的电压分布(图14(a))和运算放大器vout的输出(图14(b))，示出与rf晶体管的漏极-源极电压摆幅相比的等效形状。

通过读取电压传感器的输出电压，可以可视化晶体管堆叠的每个漏极节点处的电压分布。与说明书第一部分中的传感器电路实施例类似，输出电压的读出可以使用模数转换器完成。关于电压分布的信息可在后续控制单元中用于进一步的处理和测量，诸如调整rf输入功率或者在rf开关的操作条件下进行其他调整。

电路实施例可用于影响内部系统和客户系统。在内部系统中，它们可以在设计阶段或者在产品测试期间用于更深的电路分析。通过在客户设计阶段监控感测的内部节点电压、在客户处进行设计、调试或者在正常操作期间使用，客户系统可以从感测的内部节点电压中获益。

在各种实施例中描述了传感电路，这使得rf开关的内部电路节点用于外部世界，但不会干扰rf开关的期望操作。

虽然本发明参照说明性实施例进行了描述，但本说明书并不以限制性的意义来解释。本领域技术人员在参考说明书后将明白说明性实施例以及本发明其他实施例的各种修改和组合。因此，所附权利要求书包括任何这种修改或实施例。