專利名稱：一種寬帶射頻開關(guān)cmos電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種射頻電開關(guān)，尤其是涉及一種寬帶射頻開關(guān)CMOS電路。
背景技術(shù)：
射頻開關(guān)是雷達(dá)、電子對抗、通信、測量等領(lǐng)域的重要控制元件。由于GAAS的特點(diǎn)，射頻開關(guān)廣泛采用GAAS的工藝制作，其主要優(yōu)點(diǎn)在于自身具有極低的偏置功率耗散并且有較高的開關(guān)速度，由于直流端和射頻端之間容易被電阻隔離，無明顯的DC和RF功率耗散，因此易實(shí)現(xiàn)較寬的頻帶內(nèi)工作。但是由于GAAS工藝與集成電路的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容，因此難以被集成到芯片內(nèi)部，且采用不同的工藝制作一個系統(tǒng)，無疑增加了系統(tǒng)的成本，阻礙了芯片的高度集成化。利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)寬帶的射頻開關(guān)，對于降低系統(tǒng)成本，提聞系統(tǒng)的集成度很有幫助。
在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中，實(shí)現(xiàn)寬頻帶的射頻開關(guān)主要存在以下幾個問題I) MOS管在高頻時的寄生電容較大，無法忽略，導(dǎo)致開關(guān)的插入損耗增加，且大幅降低了開關(guān)的隔離度。2)由于MOS管襯底存在寄生的反偏二極管，這限制了射頻信號的幅度。Feng-Jung Huang, Kenneth ([I]Feng-Jung Huang, Kenneth. A 0. 5- μ m CMOS T/RSwitch for900-MHz Wireless Applications, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,2001,36 (3):486 一 492)利用MOS管串聯(lián)導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)射頻信號的傳輸，利用MOS管對低旁路導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)射頻信號的隔離衰減，同時采用了直流偏置和柵極電阻的方式來避免寄生反偏二極管的導(dǎo)通和射頻信號的流失。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, IEEEMICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, 2007,17 (2) :130 — 132)利用了傳輸線匹配的方案來實(shí)現(xiàn)SPDT射頻開關(guān)，其基本原理為開關(guān)導(dǎo)通時，傳輸線匹配，插入損耗最低；開關(guān)隔離時，利用MOS管將射頻信號對地短路，利用多級衰減達(dá)到高的隔離度。該文獻(xiàn)中同樣利用了柵極電阻的方式來降低射頻信號的流失。Cuong Huynh 等([3]Cuong Huynh, Cam Nguyen. New Ultra-High-Isolation RFSwitch Architecture and Its Use for a 10-38-GHz 0. 18_m BiCMOS Ultra-WidebandSwitch,IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,2011,59 (2):345 —353)采用MOS管和電感組成前級SPST開關(guān)確保了開關(guān)的隔離度，利用后級Balun的方式將通過SPST開關(guān)的信號耦合到輸出端，進(jìn)一步增大隔離度以及降低導(dǎo)通時的插入損耗。該文獻(xiàn)中也利用了柵極電阻的方式來減少射頻信號的損耗。但是文獻(xiàn)[I]中提及的CMOS開關(guān)電路由于只采用了單管旁路隔離，導(dǎo)致高頻時開關(guān)的隔離衰減下降；文獻(xiàn)[2]中提及的電路，由于采用多級衰減的方法，可以保證開關(guān)的隔離度，但多級的MOS管引入了較大的寄生參數(shù)，高頻時插入損耗會有所增加，而且其采用了傳輸線的方案，這可能會在集成時使得不同傳輸線產(chǎn)生互感影響，面積無法做的很??；文獻(xiàn)[3]中采用BiCMOS工藝，雖然性能有所提升，但大量引用了電感器件，同樣無法將面積做小，集成度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供能夠有效地降低開關(guān)插入損耗，同時當(dāng)開關(guān)隔離時，π型濾波器電路變?yōu)樽杩棺儞Q電路，可工作在DCT43GHZ的頻段內(nèi)，可集成到片上系統(tǒng)Soc或?qū)Ｓ眉呻娐稟SCI等，用于對射頻信號的傳輸及隔離操作的一種寬帶射頻開關(guān)CMOS電路。本發(fā)明利用π型濾波器的設(shè)計(jì)方案，采用分級處理的方法。本發(fā)明設(shè)有數(shù)字控制模塊、傳輸門模塊和π型網(wǎng)絡(luò)模塊；所述數(shù)字控制模塊的輸入端外接數(shù)字控制信號；所述傳輸門模塊的輸入端接射頻信號，傳輸門模塊的控制端接數(shù)字控制信號模塊的輸出端，傳輸門模塊的輸出端接η型網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入端，所述η型網(wǎng)絡(luò)模塊的控制端接數(shù)字控制信號模塊的輸出端，η型網(wǎng)絡(luò)模 塊的輸出端輸出最終信號。所述數(shù)字控制模塊可設(shè)有施密特觸發(fā)器和反相器，采用正反饋的形式產(chǎn)生遲滯效應(yīng)，施密特觸發(fā)器的輸入端外接數(shù)字控制信號輸出端，施密特觸發(fā)器的輸出端接反相器輸入端，反相器的正反相信號輸出端分別接傳輸門模塊的控制端和η型網(wǎng)絡(luò)模塊的控制端。所述傳輸門的PMOS管和NMOS管均采用深N阱技術(shù)，襯底通過大電阻后接電源或地。所述π型網(wǎng)絡(luò)模塊可由3個旁路MOS管、兩個電感以及隔離電阻組成，其中兩個電感感抗值相等，左右兩個旁路MOS管大小相同且小于中間的旁路MOS管，電阻阻值較大用以隔離射頻信號。所述數(shù)字控制模塊用于對輸入的控制信號進(jìn)行處理，利用寬帶施密特觸發(fā)器來保證控制信號的可靠性，同時產(chǎn)生相應(yīng)的電平控制開關(guān)的導(dǎo)通或隔離。所述傳輸門模塊主要用于隔離低頻信號和傳輸信號，由于采用了深N阱技術(shù)和襯底懸浮的方案，大大降低了射頻信號的喪失。所述π型網(wǎng)絡(luò)模塊主要用于進(jìn)一步對信號進(jìn)行隔離以及傳輸信號。在開關(guān)導(dǎo)通時，η型網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)η型低通濾波器，用以傳輸D(T43GHz的信號；當(dāng)開關(guān)隔離時，π型網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，此時射頻信號由MOS管旁路到GND，同時由于阻抗并不匹配，因此進(jìn)一步衰減了信號。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的總體電路原理圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字控制模塊電路原理圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的傳輸門模塊電路原理圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的型網(wǎng)絡(luò)模塊電路原理圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有數(shù)字控制模塊I、傳輸門模塊2和π型網(wǎng)絡(luò)模塊3。所述數(shù)字控制模塊I的輸入端外接數(shù)字控制信號E ;所述傳輸門模塊2的輸入端IN接射頻信號，傳輸門模塊2的控制端CtrlP和CtrlN接數(shù)字控制信號模塊I的輸出端，傳輸門模塊2的輸出端temp接π型網(wǎng)絡(luò)模塊3的輸入端，所述π型網(wǎng)絡(luò)模塊3的控制端CtrlP’接數(shù)字控制信號模塊I的輸出端，π型網(wǎng)絡(luò)模塊3的輸出端OUT輸出最終信號。所述數(shù)字控制模塊可設(shè)有施密特觸發(fā)器和反相器，采用正反饋的形式產(chǎn)生遲滯效應(yīng)，施密特觸發(fā)器的輸入端外接數(shù)字控制信號輸出端，施密特觸發(fā)器的輸出端接反相器輸入端，反相器的正反相信號輸出端分別接傳輸門模塊的控制端和η型網(wǎng)絡(luò)模塊的控制端。所述傳輸門的PMOS管和NMOS管均采用深N阱技術(shù)，襯底通過大電阻后接電源或地。所述π型網(wǎng)絡(luò)模塊可由3個旁路MOS管、兩個電感以及隔離電阻組成，其中兩個電感感抗值相等，左右兩個旁路MOS管大小相同且小于中間的旁路MOS管，電阻阻值較大用以隔離射頻信號。
所述數(shù)字控制模塊用于對輸入的控制信號進(jìn)行處理，利用寬帶施密特觸發(fā)器來保證控制信號的可靠性，同時產(chǎn)生相應(yīng)的電平控制開關(guān)的導(dǎo)通或隔離。所述傳輸門模塊主要用于隔離低頻信號和傳輸信號，由于采用了深N阱技術(shù)和襯底懸浮的方案，大大降低了射頻信號的喪失。所述π型網(wǎng)絡(luò)模塊主要用于進(jìn)一步對信號進(jìn)行隔離以及傳輸信號。在開關(guān)導(dǎo)通時，η型網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)η型低通濾波器，用以傳輸D(T43GHz的信號；當(dāng)開關(guān)隔離時，π型網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，此時射頻信號由MOS管旁路到GND，同時由于阻抗并不匹配，因此進(jìn)一步衰減了信號。數(shù)字控制模塊電路原理圖如圖2所示，輸入信號E為控制電平，MfM6組成輸入施密特觸發(fā)器，根據(jù)充放電電流相等時對應(yīng)的電壓即為輸出跳變的閾值電壓，可知該施密特觸發(fā)器的輸出正向跳變閾值電壓Vtkp+和輸出負(fù)向跳變閾值電壓VTKP_可由下式確定
~ (β^οχ )ρ ~ · (Kid ~ Vthp {pCOX I ~ · {VjRP+ ~ Vfhn )_2 2.(I) ~{mCox)p —J ·(Km -VTRP_ -Vthpf = ~{μ€οχ)η —J ·(Vdd -VthnJ其中(4(；!￡)1)/11表示？1 )5/匪03在相應(yīng)工藝下對應(yīng)的工藝常數(shù)，^1)八^表示？1 )5/NMOS的閾值電壓，(Wzl)i表示Mi管對應(yīng)的寬長比。利用施密特觸發(fā)器的遲滯效應(yīng)，可以使得控制電平信號更加可靠。圖3為傳輸門模塊的電路原理圖。其與傳統(tǒng)傳輸門相比，分別在MOS管的柵極和襯底處串聯(lián)上了電阻，由于利用了深N阱技術(shù)，MOS管的襯底可以利用接電阻的方式“懸浮”，由于電阻的阻抗較高，射頻信號將無法通過柵極或襯底，降低了信號的損耗。π型網(wǎng)絡(luò)模塊電路原理圖如圖4所示，在設(shè)計(jì)時以開關(guān)導(dǎo)通時的狀態(tài)為依據(jù)，此時旁路的MOS管關(guān)斷，可等效為電容，整個π型模塊即可視為一個π型低通濾波器，利用η型濾波器的設(shè)計(jì)方案可直接得到所需低通濾波器對應(yīng)的電感值和等效電容值。當(dāng)開關(guān)隔離時，此時η型網(wǎng)絡(luò)中的MOS管導(dǎo)通，可逐級衰減射頻信號，同時MOS管可等效為電阻，網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，只要此時該網(wǎng)絡(luò)模塊使得輸入輸出兩端阻抗不匹配，即可進(jìn)一步衰減信號。
權(quán)利要求
1.一種寬帶射頻開關(guān)CMOS電路，其特征在于設(shè)有數(shù)字控制模塊、傳輸門模塊和JI型網(wǎng)絡(luò)模塊； 所述數(shù)字控制模塊的輸入端外接數(shù)字控制信號；所述傳輸門模塊的輸入端接射頻信號，傳輸門模塊的控制端接數(shù)字控制信號模塊的輸出端，傳輸門模塊的輸出端接η型網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入端，所述η型網(wǎng)絡(luò)模塊的控制端接數(shù)字控制信號模塊的輸出端，η型網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出端輸出最終信號。
2.如權(quán)利要求I所述的一種寬帶射頻開關(guān)CMOS電路，其特征在于所述數(shù)字控制模塊設(shè)有施密特觸發(fā)器和反相器，施密特觸發(fā)器的輸入端外接數(shù)字控制信號輸出端，施密特觸發(fā)器的輸出端接反相器輸入端，反相器的正反相信號輸出端分別接傳輸門模塊的控制端和31型網(wǎng)絡(luò)模塊的控制端。
3.如權(quán)利要求I所述的一種寬帶射頻開關(guān)CMOS電路，其特征在于所述傳輸門的PMOS管和NMOS管均采用深N阱技術(shù)，襯底通過大電阻后接電源或地。
4.如權(quán)利要求I所述的一種寬帶射頻開關(guān)CMOS電路，其特征在于所述π型網(wǎng)絡(luò)模塊由3個旁路MOS管、兩個電感以及隔離電阻組成，其中兩個電感感抗值相等，左右兩個旁路MOS管大小相同且小于中間的旁路MOS管，電阻阻值較大用以隔離射頻信號。
全文摘要
一種寬帶射頻開關(guān)CMOS電路，涉及一種射頻電開關(guān)。提供能夠有效地降低開關(guān)插入損耗，同時當(dāng)開關(guān)隔離時，π型濾波器電路變?yōu)樽杩棺儞Q電路，可工作在DC~43GHz的頻段內(nèi)，可集成到片上系統(tǒng)Soc或?qū)Ｓ眉呻娐稟SCI等，用于對射頻信號的傳輸及隔離操作的一種寬帶射頻開關(guān)CMOS電路。設(shè)有數(shù)字控制模塊、傳輸門模塊和π型網(wǎng)絡(luò)模塊；所述數(shù)字控制模塊的輸入端外接數(shù)字控制信號；所述傳輸門模塊的輸入端接射頻信號，傳輸門模塊的控制端接數(shù)字控制信號模塊的輸出端，傳輸門模塊的輸出端接π型網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入端，所述π型網(wǎng)絡(luò)模塊的控制端接數(shù)字控制信號模塊的輸出端，π型網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出端輸出最終信號。
文檔編號H03K17/687GK102843121SQ20121036292
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者郭東輝, 林昱, 李曉潮 申請人:廈門大學(xué)