射频开关电路、芯片及其电子设备 |
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| 申请号 | CN202410304436.3 | 申请日 | 2024-03-18 | 公开(公告)号 | CN117895933A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 上海唯捷创芯电子技术有限公司; | 发明人 | 李凤; 李艳丽; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种射频 开关 电路 、芯片及其 电子 设备，其中射频开关电路由n级开关晶体管单元 串联 组成，n级开关晶体管单元沿着射频 电流 方向分成L个开关晶体管单元组，且1 电阻 、体极偏置电阻以及通路电阻，每个开关晶体管单元组中的开关晶体管的相邻横栅之间的间距小于后一个开关晶体管单元组中的开关晶体管的相邻横栅之间的间距。本发明的射频开关电路设计可以保证不同的开关晶体管之间具有更加均衡的 电压 分布，进而可以提高射频开关电路的功率处理能 力 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种射频开关电路，其特征在于，由n级开关晶体管单元串联组成，所述n级开关晶体管单元沿着射频电流方向分成L个开关晶体管单元组，且1 |
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| 说明书全文 | 射频开关电路、芯片及其电子设备技术领域[0001] 本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种射频开关电路、芯片及其电子设备。 背景技术[0002] 在无线或移动通信系统中，射频开关电路常被用做通道选择，在共用天线的情况下，可以实现无线信号接收和发射。随着5G移动网络的快速发展，特别是随着大规模MIMO（Multiple‑Input Multiple‑Output，多输入‑多输出）等系统的部署，使得通信系统中的射频设备变得越发复杂。多个标准集成在一个设备中的系统趋势，也进一步加大了对射频开关的性能要求和需求量。与此同时，随着譬如手机等设备运行所需的频段、功能和模式数量的不断增加，留给移动系统中天线的空间将不断缩小，进而恶化天线的效率，影响通讯设备的信号传输质量。因此，为了满足接收机在复杂环境下的灵敏度要求，保证更优的5G通信信号质量，就必须设计具有更高功率处理能力的射频开关电路。 [0003] 射频开关电路的功率处理能力与其截止时的电容密切相关。射频开关电路中不同开关晶体管的寄生电容如果设计不适当，会造成不同开关晶体管之间具有不均衡的电压分布，进而会恶化射频开关电路整体的功率处理能力。 [0004] 因此，有必要优化射频开关电路中的不同开关晶体管的寄生电容，以保证射频开关电路具有更高的功率处理能力。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种射频开关电路、芯片及其电子设备，以提高射频开关电路的功率处理能力。 [0006] 为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明提供了一种射频开关电路，由n级开关晶体管单元串联组成，所述n级开关晶体管单元沿着射频电流方向分成L个开关晶体管单元组，且1 分别与其对应的所述通路电阻连接，体极分别与其对应的所述体极偏置电阻连接；各级所述开关晶体管单元中的所述栅极偏置电阻依次相互串联后，其末端与栅极偏置电压连接； 各级所述开关晶体管单元中的所述体极偏置电阻依次相互串联后，其末端与体极偏置电压连接； 每个所述开关晶体管的栅极包括多个平行设置的横栅，每个所述开关晶体管单元 组中的开关晶体管的相邻横栅之间的间距小于后一个所述开关晶体管单元组中的所述开关晶体管的相邻横栅之间的间距。 [0007] 可选的，在所述的射频开关电路中，每个所述开关晶体管的版图结构均为插指状结构。 [0008] 可选的，在所述的射频开关电路中，每个所述开关晶体管单元组中的所述开关晶体管的横栅至相邻的源极或者漏极的金属接触点之间的距离小于后一个所述开关晶体管单元组中的所述开关晶体管的横栅至相邻的源极或者漏极的金属接触点之间的距离。 [0009] 可选的，在所述的射频开关电路中，每个所述开关晶体管单元组中的所述开关晶体管的相邻横栅之间的间距与后一个所述开关晶体管单元组中的所述开关晶体管的相邻横栅之间的间距差引入的电压差平衡该两个开关晶体管单元组中的开关晶体管由于非理想因素形成的电压差，所述非理想因素包括开关晶体管的栅极与源极之间的寄生电容、开关晶体管的栅极与漏极之间的寄生电容、开关晶体管的体极与漏极之间的寄生电容、开关晶体管的体极与源极之间的寄生电容以及开关晶体管的源极和漏极对地的寄生电容。 [0010] 可选的，在所述的射频开关电路中，每级所述开关晶体管的源极与后一级所述开关晶体管单元中的开关晶体管的漏极连接，每级所述开关晶体管单元的输出端是该级开关晶体管单元中的开关晶体管的源极，每级所述开关晶体管单元的输入端是该级开关晶体管单元中的开关晶体管的漏极。 [0011] 可选的，在所述的射频开关电路中，同一开关晶体管单元组中的所有开关晶体管的横栅的长度相同。 [0012] 可选的，在所述的射频开关电路中，同一开关晶体管单元组中的所有开关晶体管的尺寸相同。 [0013] 可选的，在所述的射频开关电路中，同一开关晶体管单元组中的所有开关晶体管的相邻横栅之间的间距相同。 [0014] 为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明还提供了一种集成电路芯片，包括上述所述的射频开关电路。 [0015] 为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明还提供了一种电子设备，包括上述所述的射频开关电路。 [0016] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：在本发明提供的射频开关电路中，将n级开关晶体管单元沿着射频电流方向分成L 个开关晶体管单元组，每个开关晶体管单元组中的开关晶体管的相邻横栅之间的间距小于后一个开关晶体管单元组中的开关晶体管的相邻横栅之间的间距，使得不同开关晶体管单元组中的开关晶体管的寄生电容Cds关系可以表示为：CdsG1>CdsG2>CdsG3>…> CdsGL，进而可以得出理想情况下的不同开关晶体管单元组中的开关晶体管的分压关系为：VdsG1 [0017] 图1是一种射频开关电路的电路原理图；图2是图1中的射频开关电路包括寄生参数的电路原理图； 图3是图1中的射频开关电路的开关晶体管对应的版图； 图4是本发明一实施例的射频开关电路的电路原理图； 图5是图4中的射频开关电路的开关晶体管对应的版图； 图6是本发明一实施例的开关晶体管的漏源端电压与现有技术的开关晶体管的漏 源端电压的对比图； 图1 图3中， ~ 011‑横栅，012‑有源区，0121‑金属接触点，013‑纵栅； 图4 图6中 ~ 11‑横栅，12‑有源区，121‑金属接触点，13‑纵栅。 具体实施方式[0018] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的射频开关电路、芯片及其电子设备作进一步详细说明。根据下面说明书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。 [0019] 在现有技术中，提高射频开关电路的功率处理能力的方法一般为开关晶体管堆叠法。该方法中，射频开关电路由多个开关晶体管串联形成。其典型电路如图1所示，射频开关电路由开关晶体管M1、M2……及Mn(n为正整数，并且n>1)串联形成，其中，开关晶体管M1的漏极连接射频开关电路的信号输入端，开关晶体管Mn的源极连接射频开关电路的信号输出端。栅极偏置电压Vg通过各栅极偏置电阻Rg分别与各开关晶体管的栅极连接，体极偏置电压Vb通过各体极偏置电阻Rb分别与各开关晶体管的体极连接。各开关晶体管的漏极与源极之间分别并联一个通路电阻Rds。图2示出了包括寄生参数的现有的射频开关电路结构，其中Vg和Vb分别为开关晶体管的栅极和体极偏置电压，Vin为射频开关电路的输入信号。Cgs为开关晶体管栅极与源极之间的寄生电容；Cgd为开关晶体管栅极与漏极之间的寄生电容；Cbs为开关晶体管体极与源极之间的寄生电容；Cbd为开关晶体管体极与漏极之间的寄生电容；Cn为第n个开关晶体管的源极和漏极对地的寄生电容；ids为开关晶体管的源漏电流；Cds为开关晶体管的源极与漏极之间的寄生电容（即源漏寄生电容）。实际的射频开关电路中并没有设计任何寄生电容，图2示出寄生电容仅是为了使射频开关电路更容易理解。 [0020] 所述开关晶体管的分压主要取决于其源漏寄生电容Cds的分压（即源漏电压）。对于图2所示的n个串联开关晶体管，其中第1个开关晶体管（即开关晶体管M1）的源漏电压可以简单表示为公式一： [0021] 其中，Vin为射频开关电路的输入信号，Zds1为第1个开关晶体管的源漏电容阻抗，Zdsn为第n个开关晶体管的源漏电容阻抗，Cds1为第1个开关晶体管的源漏寄生电容，Cdsn为第n个开关晶体管的源漏寄生电容，ω=2πf，f为射频开关电路的工作频率。 [0022] 所述开关晶体管的源漏寄生电容与其尺寸相关，因此对于n个开关晶体管尺寸完全相同的设计，理想情况下不同开关晶体管之间的分压应该是均匀的。但在实际情况中，当射频开关电路处于关断情况，且有Vin输入时，由于图2中寄生电容Cgs、Cgd、Cbs、Cbd和Cn的存在，会产生非ids的泄漏电流，导致不同开关晶体管的源漏电流沿电流方向递减，进而导致串联的n个开关晶体管之间的分压沿ids方向出现递减的现象，即Vds1>Vds2>…> Vdsn。 [0023] 图3为图1所对应的现有的射频开关电路的版图。其中，Dn为第n个开关晶体管中相邻横栅011（指栅）之间的间距，dn为第n个开关晶体管中横栅011到相邻有源区012（源极或者漏极）的金属接触点0121的距离，Wn为第n个开关晶体管中的（单个）横栅011的长度。现有的射频开关电路中的每个开关晶体管的栅极可以包括两个纵栅013，多个横栅011平行设置在两个纵栅013之间。现有的射频开关电路中的不同开关晶体管的版图设计是相同的，即：D1=D2=…=Dn (1) d1= d2=…=dn (2) W1=W2=…=Wn (3) 上述的版图设计会导致在大功率输入时，出现不同开关晶体管之间电压分布不均 匀的现象（即Vds1>Vds2>…>Vdsn），即非理想因素（寄生电容Cgs、Cgd、Cbs、Cbd和Cn）导致的不同开关晶体管之间的电压分布不均匀问题。 [0024] 为了改善上述问题，本发明提供了一种射频开关电路，可参阅图4。图4中的所述射频开关电路由n级开关晶体管单元串联组成，所述n级开关晶体管单元沿着射频电流方向分成L个开关晶体管单元组，且1 [0025] 在本实施例中，每个所述开关晶体管单元组包括的开关晶体管单元数可以相同，也可以不同。例如图4中，开关晶体管单元组G1包括开关晶体管单元U1，开关晶体管单元组G2包括开关晶体管单元U2，开关晶体管单元组G3包括开关晶体管单元U3和开关晶体管单元U4…开关晶体管单元组GL包括开关晶体管单元U（n‑1）和开关晶体管单元Un。 [0026] 每级所述开关晶体管单元可以包括开关晶体管、栅极偏置电阻、体极偏置电阻以及通路电阻。需要说明的是，本实施例中所说的开关晶体管优选为NMOS晶体管，但也可以是PMOS晶体管。 [0027] 每个所述开关晶体管的栅极分别与其对应的所述栅极偏置电阻Rg连接，各级所述开关晶体管单元中的所述栅极偏置电阻依次相互串联后，其末端与栅极偏置电压Vg连接。例如图4中的开关晶体管M1的栅极与栅极偏置电阻Rg1连接，开关晶体管M2的栅极与栅极偏置电阻Rg2连接，依次类推，开关晶体管Mn的栅极与栅极偏置电阻Rgn连接，Rg1、Rg2…Rgn依次相互串联后，其末端与栅极偏置电压Vg连接。 [0028] 每个所述开关晶体管的源极与后一级开关晶体管单元中的开关晶体管的漏极连接，且所述通路电阻Rds设置在每个所述开关晶体管的漏极与源极之间。例如图4中的开关晶体管M1的漏极作为输入端，开关晶体管M1的源极与开关晶体管M2的漏极连接，且通路电阻Rds1设置在开关晶体管M1的漏极与源极之间；开关晶体管M2的源极与开关晶体管M3的漏极连接，且通路电阻Rds2设置在开关晶体管M2的漏极与源极之间，依次类推，开关晶体管Mn‑1的源极与开关晶体管Mn的漏极连接，通路电阻Rdsn‑1设置在开关晶体管Mn‑1的漏极与源极之间；开关晶体管Mn的源极作为输出端，通路电阻Rdsn设置在开关晶体管Mn的漏极与源极之间。在本实施例中，每级所述开关晶体管单元的输出端是该级开关晶体管单元中的开关晶体管的源极，每级所述开关晶体管单元的输入端是该级开关晶体管单元中的开关晶体管的漏极。 [0029] 每个所述开关晶体管的体极分别与其对应的所述体极偏置电阻Rb连接，各级所述开关晶体管单元中的所述体极偏置电阻Rb依次相互串联后，其末端与体极偏置电压Vb连接。例如图4中的开关晶体管M1的体极与体极偏置电阻Rb1连接，开关晶体管M2的体极与体极偏置电阻Rb2连接，依次类推，开关晶体管Mn的体极与体极偏置电阻Rbn连接，Rb1、Rb2…Rbn依次相互串联后，其末端与栅极偏置电压Vb连接。 [0030] 在本实施例中，所述开关晶体管的版图结构优选为插指状结构，每个所述开关晶体管的栅极可以包括多个平行设置的横栅，还可以包括至少一个纵栅。例如图5中，每个所述开关晶体管的栅极可以包括两个纵栅13，多个横栅11平行设置在两个纵栅13之间，两个相邻横栅11之间的区域为有源区12，纵向相邻的两个有源区12分别为源极区和漏极区。 [0031] 在本实施例中，每个所述开关晶体管单元组中的所述开关晶体管的相邻横栅11之间的间距小于后一个所述开关晶体管单元组中的所述开关晶体管的相邻横栅11之间的间距。所述相邻横栅11是指同一开关晶体管中的纵向相邻的横栅11，同一开关晶体管具有多个横栅11，也即存在多个相邻横栅11之间的间距，本实施例的同一开关晶体管中的所有的相邻横栅11之间的间距优选相同，进一步的，同一开关晶体管单元组中的所有开关晶体管的相邻横栅11之间的间距优选相同。本实施例的开关晶体管单元组G1中的开关晶体管的相邻横栅11之间的间距为DG1（即所述开关晶体管单元组G1中的所有相邻横栅11之间的间距均为DG1），开关晶体管单元组G2中的开关晶体管的相邻横栅11之间的间距为DG2，依次类推，开关晶体管单元组GL中的开关晶体管的相邻横栅11之间的间距为DGL，而本实施优选DG1 [0032] 表1： [0033] 表1中的开关晶体管单元组G1包括开关晶体管M1，开关晶体管单元组G1的DG1值为0.07μm；开关晶体管单元组G2包括开关晶体管M2，开关晶体管单元组G2的DG2值为0.075μm；开关晶体管单元组G3包括开关晶体管M3和开关晶体管M4，开关晶体管单元组G3的DG3值为0.085μm，即开关晶体管M3和开关晶体管M4的相邻横栅之间的间距均为0.085μm；开关晶体管单元组G4包括开关晶体管M5和开关晶体管M6，开关晶体管单元组G4的DG4值为0.1μm；开关晶体管单元组G5包括开关晶体管M7和开关晶体管M8，开关晶体管单元组G5的DG5值为0.11μm；开关晶体管单元组G6包括开关晶体管M9和开关晶体管M10，开关晶体管单元组G6的DG6值为0.12μm； 开关晶体管单元组G7包括开关晶体管M11和开关晶体管M12，开关晶体管单元组G7的DG7值为 0.13μm；开关晶体管单元组G8包括开关晶体管M13和开关晶体管M14，开关晶体管单元组G8的DG8值为0.14μm；开关晶体管单元组G9包括开关晶体管M15和开关晶体管M16，开关晶体管单元组G9的DG9值为0.15μm。图6为表1中的开关晶体管的实例参数对应的开关晶体管的源漏电压与现有技术的开关晶体管的源漏电压的对比图，可以发现现有技术（每个开关晶体管的相邻横栅之间的间距均设计成0.11μm）的开关晶体管的源漏电压会逐级变小，而本发明的开关晶体管的源漏电压比较平稳，即本发明的射频开关电路可以解决非理想因素导致的不同开关晶体管之间的电压分布不均匀问题，且可以提高功率处理能力。 [0034] 在本实施例中，开关晶体管单元组G1中的开关晶体管的单个横栅11的长度为WG1，开关晶体管单元组G2中的开关晶体管的单个横栅11的长度为WG2，依次类推，开关晶体管单元组GL中的开关晶体管的单个横栅11的长度为WGL。同一开关晶体管单元组中的所有开关晶体管的单个横栅11的长度优选相同，同一开关晶体管单元组中的每个开关晶体管的横栅11总长度优选相同（横栅总长度W总=单个横栅11的长度乘以单个晶体管的横栅11数量），而且不同开关晶体管单元组中的开关晶体管（单个）的横栅11总长度也优选相同。 [0035] 由于本实施例的DG1 [0036] 在本实施例中，D的大小决定了开关晶体管的寄生电容大小，D越小，开关晶体管的寄生电容越大，开关晶体管单元组的寄生电容也越大。对于L个开关晶体管单元组的D设计，L个开关晶体管单元组中的开关晶体管之间的寄生电容Cds关系可以表示为：CdsG1>CdsG2>…>CdsGL，其中CdsG1为开关晶体管单元组G1中的单个开关晶体管的寄生电容，CdsG2为开关晶体管单元组G2中的单个开关晶体管的寄生电容，CdsGL为开关晶体管单元组GL中的单个开关晶体管的寄生电容。根据公式一可以得出，理想情况下L个开关晶体管单元组中的开关晶体管之间的分压关系为：VdsG1 [0037] 本实施例可以在确定出每个开关晶体管单元组中的开关晶体管单元之后，调整每个开关晶体管单元组中的开关晶体管的源漏寄生电容，来平衡非理想因素导致的不同开关晶体管之间的电压分布不均匀问题，调整源漏寄生电容后的电路即为本实施例的射频开关电路。由于开关晶体管的尺寸影响开关晶体管的源漏寄生电容，因此，可以通过调整开关晶体管的相邻横栅之间的间距来调整开关晶体管的源漏寄生电容。调整源漏寄生电容后的射频开关电路（即本实施例的射频开关电路）中，每个开关晶体管单元组中的所述开关晶体管的相邻横栅11之间的间距小于后一个开关晶体管单元组中的所述开关晶体管的相邻横栅11之间的间距。 [0038] 每个所述开关晶体管单元组中的所述开关晶体管的相邻横栅11之间的间距与后一个所述开关晶体管单元组中的所述开关晶体管的相邻横栅11之间的间距差引入的电压差将平衡该两个开关晶体管单元组中的开关晶体管由于非理想因素形成的电压差。本实施例可以通过仿真的方法得到相邻两个开关晶体管单元组中的开关晶体管由于非理想因素形成的电压差。例如，仿真出的开关晶体管单元组G1中的开关晶体管M1的分压比开关晶体管单元组G2中的开关晶体管M2的分压高0.1V（即非理想因素形成的电压差为0.1V），则通过调整开关晶体管单元组G1和开关晶体管单元组G2中的开关晶体管的相邻横栅11之间的间距，使得开关晶体管单元组G1和开关晶体管单元组G2中的开关晶体管的相邻横栅11之间的间距差引入的电压差（即理想情况下的开关晶体管M1的源漏电压与开关晶体管M2的源漏电压的差值）能够平衡掉0.1V，进而使得开关晶体管单元组G1中的开关晶体管M1和开关晶体管单元组G2中的开关晶体管M2的分压相同。本实施例优选同时调整相邻两个开关晶体管单元组中的开关晶体管的相邻横栅11之间的间距来平衡（弥补）该两个开关晶体管单元组中的开关晶体管由于非理想因素形成的电压差。在本实施例中，所述射频开关电路的面积与现有技术中的射频开关电路的面积优选相同，即在调整开关晶体管单元组中的开关晶体管的相邻横栅11之间的间距时，部分所述开关晶体管单元组中开关晶体管的尺寸调小，部分所述开关晶体管单元组中开关晶体管的尺寸调大，以保证射频开关电路的总面积不变。在其他实施例中，在调整开关晶体管单元组中的开关晶体管的相邻横栅之间的间距时，所述开关晶体管单元组中开关晶体管的尺寸可以全部调大或者调小（相对于现有技术的开关晶体管的尺寸），只要保证不同开关晶体管的电压均衡即可，即射频开关电路的总面积也是可以变化的。 [0039] 综上所述，本发明提供的射频开关电路将n级开关晶体管单元沿着射频电流方向分成L个开关晶体管单元组，每级开关晶体管单元包括开关晶体管和电阻（栅极偏置电阻、体极偏置电阻以及通路电阻），开关晶体管的栅极、体极、源极和漏极均通过电阻连接在一起，每个开关晶体管的版图均为插指状结构。不同开关晶体管单元组设计不同的寄生电容，保证射频开关在高压条件下，不同开关晶体管之间具有更加均衡的电压分布，从而提高射频开关电路的功率处理能力，实现高功率处理能力射频开关电路设计。而且本发明所提供的射频开关电路具有结构设计巧妙、生产成本较低，以及工作性能优异等有益效果。 [0040] 本发明实施例还提供一种集成电路芯片。该集成电路芯片包括上述实施例所提供的射频开关电路，用在无线通信系统中的射频前端模块中，其作用是准确切换和控制射频信号的传输路径，选通相应的射频通路。对于该集成电路芯片中的射频开关电路的具体结构，在此不再一一详述。 [0041] 另外，本发明所提供的射频开关电路还可以被用在电子设备中，作为通信组件的重要组成部分。这里所说的电子设备是指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE、5G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通信组件应用的场合，例如通信基站等。 [0042] 此外，可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。 [0043] 而且还应该理解的是，本发明并不限于此处描述的特定的方法、化合物、材料、制造技术、用法和应用，它们可以变化。还应该理解的是，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。因此，例如，对“一个步骤”引述意味着对一个或多个步骤的引述，并且可能包括次级步骤。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。因此，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此处描述的结构将被理解为还引述该结构的功能等效物。可被解释为近似的语言应该被那样理解，除非上下文明确表示相反意思。 |
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