具有陷波器结构的高隔离度射频开关

摘要

本发明公开了一种具有陷波器结构的高隔离度射频开关，它包括一个基本匹配式单刀单掷射频开关单元和一个桥T型陷波器单元。本发明在基本匹配式单刀单掷射频开关单元的基础上增加了电阻R7b、键合丝寄生电感L2b、键合丝寄生电感L4b和电感L3b。在射频开关为关断态时，电感L2b、电感L4b和电感L3b相串联形成的电感L2b+3b+4b和MOS管M1b、MOS管M2b在关断态时源漏极之间形成的寄生电容，与MOS管M4b在导通态时源漏极之间形成的寄生电阻和电阻R7b构成桥T型陷波器结构。通过调整桥T型陷波器电阻R7b和电感L3b的值可以有针对性的决定所需抑制频率，使用这种拓扑结构可以在选定频段获得比传统射频开关高10～15dB的隔离度。

权利要求

1.一种具有陷波器结构的高隔离度射频开关，包括单刀单掷射频开关单元，所述单刀单掷射频开关单元包括MOS管M1b、MOS管M2b、MOS管M3b、MOS管M4b、MOS管M5b和分别与MOS管M4b的源极、MOS管M5b的源极连接的键合丝寄生电感L1b，其特征在于：所述射频开关还包括桥T型陷波单元，所述桥T型陷波单元包括键合丝寄生电感L2b、电感L3b、键合丝寄生电感L4b、电阻R7b、MOS管M1b和MOS管M2b在关断态时源极与漏极之间形成的寄生电容和MOS管M4b在导通态时源极与漏极之间形成的寄生电阻；所述键合丝寄生电感L2b、电感L3b、键合丝寄生电感L4b依次连接后并联于MOS管M1b的漏极与MOS管M2b的源极之间，键合丝寄生电感L2b与MOS管M1b的漏极连接，键合丝寄生电感L4b与MOS管M2b的源极连接，所述电阻R7b串联于MOS管M4b的源极与键合丝寄生电感L1b的一端之间，键合丝寄生电感L1b的另一端接地；所述单刀单掷射频开关单元还包括电阻R1b、电阻R2b、电阻R3b、电阻R4b、电阻R5b、和电阻R6b，所述MOS管M1b的漏极与信号输入端VIN连接，MOS管M1b的源极与MOS管M2b的漏极连接，MOS管M2b的源极与MOS管M3b的漏极连接，MOS管M3b的源极与信号输出端连接，所述MOS管M1b的栅极经电阻R1b与第一控制端连接，MOS管M2b的栅极经电阻R2b与第一控制端连接，MOS管M3b的栅极经电阻R3b与第一控制端连接；所述MOS管M4b的漏极分别与MOS管M1b的源极、MOS管M2b的漏极连接，MOS管M4b的栅极经电阻R4b与第二控制端连接；所述MOS管M5b的漏极分别与MOS管M2b的源极、MOS管M3b的漏极连接，MOS管M5b的栅极经电阻R5b与第二控制端连接，MOS管M5b的源极经键合丝寄生电感L1b接地；所述电阻R6b并联于MOS管M3b的源极与漏极之间。

说明书

具有陷波器结构的高隔离度射频开关

技术领域

[0001] 本发明涉及一种射频开关，特别涉及一种具有陷波器结构的高隔离度射频开关，它直接应用于微波IC中的各类射频开关领域。

背景技术

[0002] 射频开关是用于控制射频信号传输路径的控制器件,是通信等电子系统实现高性能的关键部件，在蜂窝GSM、UMTS、电缆调制解调器、直播广播系统、点对点和点对多点广播系统等商业RF通信系统以及雷达、电子对抗等军事领域中得到广泛的运用，随着信息传输复杂特性的增加，对射频开关隔离度、工作带宽、可集成化的要求也不断提高。

[0003] 传统射频开关如图1所示，由于通常采用标准CMOS/BiCMOS工艺限制，使得射频开关的参考地需要通过键合丝与地连接，由于键合丝寄生电感的影响，导致射频开关的隔离度降低。射频开关的参考地与地连接之间的寄生参数越小，对射频开关性能的影响越小。在实际运用中，与地连接的键合丝引入的寄生电感L1a值一般为0.3～0.5nH。

[0004] 隔离度作为射频开关的关键性指标，直接决定了射频开关性能和应用，为了得到更好的隔离度指标，GaAs/GaN等工艺引入了到地通孔来取代键合丝，取得了较好的效果。但由于GaAs/GaN工艺存在成本较高，控制电平高、集成度较低等不足，随着信号处理系统越来越向低价、低压、集成化发展，其应用受到很大限制。

[0005] 而在标准工艺条件下，为了提高射频开关的隔离度，一般采用增加射频开关串并联FET晶体管级数的方法，这种方法增加了射频开关机构的复杂性，不仅会增大电路的版图面积，而且由于增加了信号通路上串联和并联FET晶体管级数，导致插入损耗变大，工作带宽变窄，输入/输出驻波系数变差等一系列问题。

发明内容

[0006] 鉴于此，本发明提供一种具有陷波器结构的高隔离度射频开关，通过利用晶体管关断态寄生电容，使射频开关单元与桥T型陷波器单元相结合，使射频开关在选定频段的隔离度得到提高。

[0007] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有陷波器结构的高隔离度射频开关，包括单刀单掷射频开关单元，所述单刀单掷射频开关单元包括MOS管M1b、MOS管M2b、MOS管M3b、MOS管M4b、MOS管M5b和分别与MOS管M4b的源极、MOS管M5b的源极连接的键合丝寄生电感L1b，所述射频开关还包括桥T型陷波单元，所述桥T型陷波单元包括键合丝寄生电感L2b、电感L3b、键合丝寄生电感L4b、电阻R7b、MOS管M1b和MOS管M2b在关断态时源极与漏极之间形成的寄生电容和MOS管M4b在导通态时源极与漏极之间形成的寄生电阻；所述键合丝寄生电感L2b、电感L3b、键合丝寄生电感L4b依次连接后并联于MOS管M1b的漏极与MOS管M2b的源极之间，键合丝寄生电感L2b与MOS管M1b的漏极连接，键合丝寄生电感L4b与MOS管M2b的源极连接，所述电阻R7b串联于MOS管M4b的源极与键合丝寄生电感L1b之间，键合丝寄生电感L1b接地。

[0008] 优选的，所述单刀单掷射频开关单元还包括电阻R1b、电阻R2b、电阻R3b、电阻R4b、电阻R5b、和电阻R6b，所述MOS管M1b的漏极与信号输入端VIN连接，MOS管M1b的源极与MOS管M2b的漏极连接，MOS管M2b的源极与MOS管M3b的漏极连接，MOS管M3b的源极与信号输出端连接，所述MOS管M1b的栅极经电阻R1b与第一控制端连接，MOS管M2b的栅极经电阻R2b与第一控制端连接，MOS管M2b的栅极经电阻R3b与第一控制端连接；所述MOS管M4b的漏极分别与MOS管M1b的源极、MOS管M2b的漏极连接，MOS管M4b的栅极经电阻R4b与第二控制端连接；所述MOS管M5b的漏极分别与MOS管M2b的源极、MOS管M3b的漏极连接，MOS管M5b的栅极经电阻R5b与第二控制端连接，MOS管M5b的源极经键合丝寄生电感L1b接地；所述电阻R6b并联于MOS管M3b的源极与漏极之间。

[0009] 由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

[0010] 本发明在基本匹配式单刀单掷射频开关单元的基础上增加了电阻R7b、键合丝寄生电感L2b、键合丝寄生电感L4b和电感L3b。在射频开关为关断态时，电感L2b、电感L4b和电感L3b相串联形成的电感L2b+3b+4b和MOS管M1b、MOS管M2b在关断态时源漏极之间形成的寄生电容，与MOS管M4b在导通态时源漏极之间形成的寄生电阻和电阻R7b构成桥T型陷波器结构。通过调整桥T型陷波器电阻R7b和电感L3b的值可以有针对性的决定所需抑制频率，使用这种拓扑结构可以在选定频段获得比传统射频开关高10～15dB的隔离度。

[0011] 由于本发明电路在射频开关为导通态时，构成桥T型陷波器单元MOS管M1b和MOS管M2b此时的寄生参数主要为源漏极之间的寄生电阻，且电阻值非常小，通过优化电感L3b值，电感L2b+3b+4b支路阻抗值远大于射频开关信号通路，因此基本不会影响射频开关插入损耗等电特性，避免了插入损耗、输入1dB压缩点、输入电压驻波系数、输出电压驻波系数恶化等问题。

附图说明

[0012] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

[0013] 图1为传统射频开关电路图；

[0014] 图2为本发明具有陷波器结构的高隔离度射频开关电路图。

[0015] 图3为本发明的桥T型陷波器单元。

[0016] 图4为本发明与传统射频开关插入损耗对比示意图。

[0017] 图5为本发明与传统射频开关隔离度对比示意图。

具体实施方式

[0018] 以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

[0019] 本发明具体实施的具有陷波器结构的高隔离度射频开关的电路图如图2所示。它包括一个基本匹配式单刀单掷射频开关单元和一个桥T型陷波器单元。

[0020] 所述单刀单掷射频开关单元包括MOS管M1b、MOS管M2b、MOS管M3b、MOS管M4b、MOS管M5b，电阻R1b、电阻R2b、电阻R3b、电阻R4b、电阻R5b、电阻R6b和键合丝寄生电感L1b。其中，MOS管M1b的漏极与信号输入端VIN相连，MOS管M1b的源极分别与MOS管M2b的漏极、MOS管M4b的漏极相连，MOS管M2b的源极分别与MOS管M3b的漏极、MOS管M5b的漏极、电阻R6b的一端相连，连接点为D，MOS管M3b的源极分别与电阻R6b的另一端、信号输出端VOUT连接，MOS管M4b的源极与电阻R7b一端相连，电阻R7b另一端分别与MOS管M5b的源极、键合丝寄生电感L1b一端相连，连接点为C，键合丝寄生电感L1b另一端接地。电阻R1b的一端与MOS管M1b栅极相连，电阻R1b的另一端分别与第一控制端B、电阻R2b的一端、电阻R3b的一端连接，电阻R2b的另一端与MOS管M2b的栅极连接，电阻R3b的另一端与MOS管M3b的栅极连接，电阻R4b的一端与MOS管M4b的栅极相连，电阻R4b的另一端与第一控制端A连接、电阻R5b的一端与MOS管M5b的栅极相连，电阻R5b的另一端与第一控制端A连接。

[0021] 所述桥T型陷波器单元包括键合丝寄生电感L2b、电感L3b、键合丝寄生电感L4b、电阻R7b、MOS管M1b和MOS管M2b在关断态时源极与漏极之间形成的寄生电容，MOS管M4b在导通态时源极与漏极之间形成的寄生电阻。其中，键合丝寄生电感L2b的一端与MOS管M1b的漏极和信号输入端VIN连接，键合丝寄生电感L2b的另一端与电感L3b的一端相连，电感L3b的另一端与键合丝寄生电感L4b的一端相连，键合丝寄生电感L4b的另一端与D点相连。

[0022] 本发明的电路的工作原理如下：

[0023] 通过第一控制端B和第二控制端A控制射频开关的开关状态，当MOS管M1b、MOS管M2b、MOS管M3b为导通状态，MOS管M4b和MOS管M5b为关断状态时，射频开关工作状态为导通，射频信号通过VIN端口进入射频开关后，由于MOS管为导通态时，源极与漏极之间表现为低阻抗电阻，而此时键合丝寄生电感L2b、键合丝寄生电感L4b和电感L3b相串联形成的电感L2b+3b+4b对射频信号呈现高阻抗，射频信号依次通过MOS管M1b漏极和源极、MOS管M2b漏极和源极到达D点。由于电阻R6b一般取值为50欧姆，相对于导通态的MOS管M3b为高阻抗，射频信号从D点通过M3b漏极和源极，从VOUT端口输出。

[0024] 当MOS管M1b、MOS管M2b、MOS管M3b为关断状态，MOS管M4b和MOS管M5b为导通状态时，射频开关工作状态为关断，反射的射频信号通过VOUT端口进入射频开关后，由于MOS管M3b为关断状态，对射频信号呈现高阻态，而与MOS管M3b并联的电阻R6b一般约为50欧姆，起阻抗匹配作用，射频信号由电阻R6b通过。MOS管M2b为关断呈现高阻态，电感L2b+3b+4b支路阻抗值也远大于为导通状态的MOS管M5b，射频信号通过MOS管M5b漏极和源极后到达C点，而少部分射频信号通过桥T型陷波器单元后，由VIN端口输出。

[0025] 键合丝寄生电感L2b、键合丝寄生电感L4b、电感L3b、电阻R7b、MOS管M1b和MOS管M2b在关断态时源漏极之间形成的寄生电容CM1b和CM2b，MOS管M4b在导通态时源漏极之间形成的寄生电阻构成桥T型陷波器结构，由于键合丝寄生电感L2b、键合丝寄生电感L4b与电感L3b串联，其可以等效为电感L2b+3b+4b，电阻R7b与MOS管M4b在导通态时源极与漏极之间形成的寄生电阻串联，其可以等效为电阻R7b+M4b，如图3所示。

[0026] 陷波器可以抑制某频率范围的信号，当与射频开关结合，在关断状态时，等于提高了射频开关在此频率的隔离度。通过调整电阻R7b和电感L3b的值，可以有针对性的提高射频开关在不同频率下的隔离度。

[0027] 电阻R1b与MOS管M1b的栅极连接，其阻值一般为3～8KΩ；电阻R2b与MOS管M2b的栅极连接，其阻值一般为3～8KΩ；电阻R3b与MOS管M3b的栅极连接，其阻值一般为3～8KΩ；电阻R4b与MOS管M4b的栅极连接，其阻值一般为3～8KΩ；电阻R5b与MOS管M5b的栅极相连，其阻值一般为3～8KΩ；电阻R1b～电阻R5b为MOS晶体管的栅极和第一控制端B或第二控制端A之间提供足够的隔离。

[0028] 当射频开关为导通状态时，射频信号从VOUT端口输出信号幅度与从VIN端入输出信号幅度的比值即为射频开关的插入损耗，图4为本发明与传统射频开关插入损耗对比，“○”为传统射频开关的插入损耗与频率之间的关系曲线，“△”为本发明的高隔离度射频开关插入损耗与频率之间的关系曲线。

[0029] 当射频开关为关断状态时，由VIN端口输出信号幅度与通过VOUT端口输入输出信号幅度的比值，即为射频开关的隔离度，图5为本发明与传统射频开关隔离度对比，“○”为传统射频开关的隔离度与频率之间的关系曲线，“△”为本发明的高隔离度射频开关隔离度与频率之间的关系曲线。

[0030] 本发明电路中的MOS管、电阻、电容、电感的基本参数为：

[0031] MOS管的栅氧厚度7.2nm～8.4nm；

[0032] MOS管：︱Vgs︱：0～5V，︱Vds︱：0～5V，︱Vbs︱：0～5V。

[0033] M1b、M2b、M3b、M4b、M5b的栅宽：0.35μm；

[0034] M1b、M2b、M3b、M4b、M5b的栅长：200μm；

[0035] 电阻R1b、R2b、R3b、R4b、R5b为多晶硅高值电阻，电阻R6b、R7b为多晶硅电阻。

[0036] R1b、R2b、R3b、R4b、R5b的宽度为10μm；

[0037] R1b、R2b、R3b、R4b、R5b的长度为50μm；

[0038] R6b、R7b的宽度为50μm；

[0039] R6b的长度为24μm；

[0040] R7b的长度为29μm；

[0041] 键合丝寄生电感L1b、键合丝寄生电感L2b和键合丝寄生电感L4b估算值为0.3nH；

[0042] 电感L3b为片式绕线高频电感，电感为：10nH。

[0043] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。