一种宽带射频开关CMOS电路

摘要

一种宽带射频开关CMOS电路，涉及一种射频电开关。提供能够有效地降低开关插入损耗，同时当开关隔离时，π型滤波器电路变为阻抗变换电路，可工作在DC~43GHz的频段内，可集成到片上系统Soc或专用集成电路ASCI等，用于对射频信号的传输及隔离操作的一种宽带射频开关CMOS电路。设有数字控制模块、传输门模块和π型网络模块；所述数字控制模块的输入端外接数字控制信号；所述传输门模块的输入端接射频信号，传输门模块的控制端接数字控制信号模块的输出端，传输门模块的输出端接π型网络模块的输入端，所述π型网络模块的控制端接数字控制信号模块的输出端，π型网络模块的输出端输出最终信号。

权利要求

1.一种宽带射频开关CMOS电路，其特征在于设有数字控制模块、传输门模块和π型网络模块；

所述数字控制模块的输入端外接数字控制信号；所述传输门模块的输入端接射频信号，传输门模块的控制端接数字控制模块的输出端，传输门模块的输出端接π型网络模块的输入端，所述π型网络模块的控制端接数字控制模块的输出端，π型网络模块的输出端输出最终信号；

所述数字控制模块设有施密特触发器和反相器，施密特触发器的输入端外接数字控制信号，施密特触发器的输出端接反相器输入端，反相器的正反相信号输出端分别接传输门模块的控制端和π型网络模块的控制端；

所述传输门模块的PMOS管和NMOS管均采用深N阱技术，衬底通过大电阻后接电源或地；

所述π型网络模块由3个旁路MOS管、两个电感以及隔离电阻组成，其中两个电感感抗值相等，左右两个旁路MOS管大小相同且小于中间的旁路MOS管，隔离电阻阻值较大用以隔离射频信号。

说明书

一种宽带射频开关CMOS电路

技术领域

[0001] 本发明涉及一种射频电开关，尤其是涉及一种宽带射频开关CMOS电路。

背景技术

[0002] 射频开关是雷达、电子对抗、通信、测量等领域的重要控制元件。由于GAAS的特点，射频开关广泛采用GAAS的工艺制作，其主要优点在于自身具有极低的偏置功率耗散并且有较高的开关速度，由于直流端和射频端之间容易被电阻隔离，无明显的DC和RF功率耗散，因此易实现较宽的频带内工作。但是由于GAAS工艺与集成电路的标准CMOS工艺不兼容，因此难以被集成到芯片内部，且采用不同的工艺制作一个系统，无疑增加了系统的成本，阻碍了芯片的高度集成化。利用标准CMOS工艺实现宽带的射频开关，对于降低系统成本，提高系统的集成度很有帮助。

[0003] 在标准CMOS工艺中，实现宽频带的射频开关主要存在以下几个问题：

[0004] 1）MOS管在高频时的寄生电容较大，无法忽略，导致开关的插入损耗增加，且大幅降低了开关的隔离度。

[0005] 2）由于MOS管衬底存在寄生的反偏二极管，这限制了射频信号的幅度。

[0006] Feng-Jung Huang，Kenneth（[1]Feng-Jung Huang，Kenneth.A 0.5-μm CMOS T/R Switch for900-MHz Wireless Applications，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，2001，36（3）：486－492）利用MOS管串联导通来实现射频信号的传输，利用MOS管对低旁路导通来实现射频信号的隔离衰减，同时采用了直流偏置和栅极电阻的方式来避免寄生反偏二极管的导通和射频信号的流失。

[0007] Shih-Fong Chao 等（[2]Shih-Fong Chao，Huei Wang，Chia-Yi Su，John G. J.Chern.A 50 to94-GHz CMOS SPDT Switch Using Traveling-Wave Concept，IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS，2007，17（2）：130－132）利用了传输线匹配的方案来实现SPDT射频开关，其基本原理为开关导通时，传输线匹配，插入损耗最低；开关隔离时，利用MOS管将射频信号对地短路，利用多级衰减达到高的隔离度。该文献中同样利用了栅极电阻的方式来降低射频信号的流失。

[0008] Cuong Huynh等（[3]Cuong Huynh，Cam Nguyen.New Ultra-High-Isolation RF Switch Architecture and Its Use for a 10-38-GHz 0.18-m BiCMOS Ultra-Wideband Switch，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，2011，59（2）：345－353）采用MOS管和电感组成前级SPST开关确保了开关的隔离度，利用后级Balun的方式将通过SPST开关的信号耦合到输出端，进一步增大隔离度以及降低导通时的插入损耗。该文献中也利用了栅极电阻的方式来减少射频信号的损耗。

[0009] 但是文献[1]中提及的CMOS开关电路由于只采用了单管旁路隔离，导致高频时开关的隔离衰减下降；文献[2]中提及的电路，由于采用多级衰减的方法，可以保证开关的隔离度，但多级的MOS管引入了较大的寄生参数，高频时插入损耗会有所增加，而且其采用了传输线的方案，这可能会在集成时使得不同传输线产生互感影响，面积无法做的很小；文献[3]中采用BiCMOS工艺，虽然性能有所提升，但大量引用了电感器件，同样无法将面积做小，集成度不高。

发明内容

[0010] 本发明的目的在于提供能够有效地降低开关插入损耗，同时当开关隔离时，π型滤波器电路变为阻抗变换电路，可工作在DC~43GHz的频段内，可集成到片上系统Soc或专用集成电路ASCI等，用于对射频信号的传输及隔离操作的一种宽带射频开关CMOS电路。

[0011] 本发明利用π型滤波器的设计方案，采用分级处理的方法。

[0012] 本发明设有数字控制模块、传输门模块和π型网络模块；

[0013] 所述数字控制模块的输入端外接数字控制信号；所述传输门模块的输入端接射频信号，传输门模块的控制端接数字控制信号模块的输出端，传输门模块的输出端接π型网络模块的输入端，所述π型网络模块的控制端接数字控制信号模块的输出端，π型网络模块的输出端输出最终信号。

[0014] 所述数字控制模块可设有施密特触发器和反相器，采用正反馈的形式产生迟滞效应，施密特触发器的输入端外接数字控制信号输出端，施密特触发器的输出端接反相器输入端，反相器的正反相信号输出端分别接传输门模块的控制端和π型网络模块的控制端。

[0015] 所述传输门的PMOS管和NMOS管均采用深N阱技术，衬底通过大电阻后接电源或地。

[0016] 所述π型网络模块可由3个旁路MOS管、两个电感以及隔离电阻组成，其中两个电感感抗值相等，左右两个旁路MOS管大小相同且小于中间的旁路MOS管，电阻阻值较大用以隔离射频信号。

[0017] 所述数字控制模块用于对输入的控制信号进行处理，利用宽带施密特触发器来保证控制信号的可靠性，同时产生相应的电平控制开关的导通或隔离。

[0018] 所述传输门模块主要用于隔离低频信号和传输信号，由于采用了深N阱技术和衬底悬浮的方案，大大降低了射频信号的丧失。

[0019] 所述π型网络模块主要用于进一步对信号进行隔离以及传输信号。在开关导通时，π型网络充当π型低通滤波器，用以传输DC~43GHz的信号；当开关隔离时，π型网络充当阻抗变换网络，此时射频信号由MOS管旁路到GND，同时由于阻抗并不匹配，因此进一步衰减了信号。

附图说明

[0020] 图1为本发明实施例的总体电路原理图。

[0021] 图2为本发明实施例的数字控制模块电路原理图。

[0022] 图3为本发明实施例的传输门模块电路原理图。

[0023] 图4为本发明实施例的π型网络模块电路原理图。

具体实施方式

[0024] 参见图1，本发明实施例设有数字控制模块1、传输门模块2和π型网络模块3。

[0025] 所述数字控制模块1的输入端外接数字控制信号E；所述传输门模块2的输入端IN接射频信号，传输门模块2的控制端CtrlP和CtrlN接数字控制信号模块1的输出端，传输门模块2的输出端temp接π型网络模块3的输入端，所述π型网络模块3的控制端CtrlP’接数字控制信号模块1的输出端，π型网络模块3的输出端OUT输出最终信号。

[0026] 所述数字控制模块可设有施密特触发器和反相器，采用正反馈的形式产生迟滞效应，施密特触发器的输入端外接数字控制信号输出端，施密特触发器的输出端接反相器输入端，反相器的正反相信号输出端分别接传输门模块的控制端和π型网络模块的控制端。

[0027] 所述传输门的PMOS管和NMOS管均采用深N阱技术，衬底通过大电阻后接电源或地。

[0028] 所述π型网络模块可由3个旁路MOS管、两个电感以及隔离电阻组成，其中两个电感感抗值相等，左右两个旁路MOS管大小相同且小于中间的旁路MOS管，电阻阻值较大用以隔离射频信号。

[0029] 所述数字控制模块用于对输入的控制信号进行处理，利用宽带施密特触发器来保证控制信号的可靠性，同时产生相应的电平控制开关的导通或隔离。

[0030] 所述传输门模块主要用于隔离低频信号和传输信号，由于采用了深N阱技术和衬底悬浮的方案，大大降低了射频信号的丧失。

[0031] 所述π型网络模块主要用于进一步对信号进行隔离以及传输信号。在开关导通时，π型网络充当π型低通滤波器，用以传输DC~43GHz的信号；当开关隔离时，π型网络充当阻抗变换网络，此时射频信号由MOS管旁路到GND，同时由于阻抗并不匹配，因此进一步衰减了信号。

[0032] 数字控制模块电路原理图如图2所示，输入信号E为控制电平，M1~M6组成输入施密特触发器，根据充放电电流相等时对应的电压即为输出跳变的阈值电压，可知该施密特触发器的输出正向跳变阈值电压VTRP+和输出负向跳变阈值电压VTRP-可由下式确定：

[0033]

[0034] 其中(μCox)p/n表示PMOS/NMOS在相应工艺下对应的工艺常数，Vthp/Vthn表示PMOS/NMOS的阈值电压，(W/L)i表示Mi管对应的宽长比。利用施密特触发器的迟滞效应，可以使得控制电平信号更加可靠。

[0035] 图3为传输门模块的电路原理图。其与传统传输门相比，分别在MOS管的栅极和衬底处串联上了电阻，由于利用了深N阱技术，MOS管的衬底可以利用接电阻的方式“悬浮”，由于电阻的阻抗较高，射频信号将无法通过栅极或衬底，降低了信号的损耗。

[0036] π型网络模块电路原理图如图4所示，在设计时以开关导通时的状态为依据，此时旁路的MOS管关断，可等效为电容，整个π型模块即可视为一个π型低通滤波器，利用π型滤波器的设计方案可直接得到所需低通滤波器对应的电感值和等效电容值。当开关隔离时，此时π型网络中的MOS管导通，可逐级衰减射频信号，同时MOS管可等效为电阻，网络变为一个阻抗变换网络，只要此时该网络模块使得输入输出两端阻抗不匹配，即可进一步衰减信号。