CN115378409A

CN115378409A - 一种低插损高功率射频开关快速切换电路

Info

Publication number: CN115378409A
Application number: CN202210821943.5A
Authority: CN
Inventors: 易凯; 于松立; 赵晨曦; 康凯; 刘辉华; 余益明; 吴韵秋
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2042-07-12
Also published as: CN115378409B

Abstract

本发明属于射频开关技术领域，具体提供一种低插损高功率射频开关快速切换电路，用以解决现有SOI开关设计中低插损、高功率与快速切换的折中问题。本发明的快速切换电路连接于模拟控制模块与射频开关模块之间的每一路控制信号路径上；通过反相器I₁与反相器I₂串联构成的延迟支路将模拟控制模块输出的控制信号延迟传输至射频开关模块，同时，控制信号通过反相器I₃后分别控制PMOS管M₁与NMOS管M₂，从而实现正电源轨V_DD经过M₁对滤波电容C_L的充电或负电源轨‑V_DD经过M₂对滤波电容C_L的放电，进而使得控制信号更快到达射频开关切换的阈值电压、即提升开关切换速度；综上，本发明在保证低插损、高功率的射频性能的前提下，显著提升了射频开关的切换速度。

Description

一种低插损高功率射频开关快速切换电路

技术领域

本发明属于射频开关技术领域，具体提供一种低插损高功率射频开关快速切换电路。

背景技术

随着5G通信的发展，现代无线移动终端设备都集成了不同模式不同频带的多项无线通信服务；为了提高敏感性及避免串音，多天线设计越来越流行，使得射频开关在无线移动终端设备的射频前端设计中扮演越来越重要的角色，往往要求射频开关具有低插损、高功率及快速切换的优异性能。

目前，SOI工艺作为新一代的硅基工艺，采用了分层的硅-绝缘衬底-硅衬底替代CMOS的硅衬底，以减少器件的外部寄生电容，从而改善性能，并且，基于高电阻率衬底及埋氧化物层的隔离作用，使得基于SOI工艺的射频开关(简称SOI开关)可以获得更好的开关性能。常用的带模拟控制的射频开关架构如图1所示，包括：串并联形式的射频开关模块与模拟控制模块；其中，V_ctrl与

是射频开关的外部控制信号，由模拟控制模块转换成内部控制开关的控制信号；LDO将外部电源进行稳压，为负压电荷泵和三相逻辑转换电路提供偏置，负压电荷泵用于产生负电压为三相逻辑转换电路提供偏置，这样三相逻辑转换电路就可以将V_ctrl与

转换成V_DD、0、-V_DD三相控制信号；当控制信号为正压时，开关打开，另一路采用负压关闭，由于栅极为负压，晶体管沟道直接载流子更难移动，所以整体开关性能会得到优化。进一步的，控制信号进入射频开关栅极会经过滤波电容C₁、C₂与栅极电阻R_G1～R_G4，滤波电容用以防止通过射频开关的射频信号通过晶体管的寄生电容耦合到模拟控制模块，影响到模拟控制电路的功能；栅极电阻其值一般达到几十KΩ，作用主要在于：一方面用以隔离射频信号与直流信号，防止射频信号对直流偏置电路造成影响；另一方面用以防止射频信号波形失真，降低射频损耗；通常，栅电阻值越大，射频信号隔离效果越好，施加在截止晶体管上的信号会较均匀地分布在栅源与栅漏之间。

由此可见，现有SOI开关设计中，要提高开关的功率承载能力、以及降低开关插损，则需要增加叠加管子个数且增大栅极电阻，而栅极电阻与滤波电容构成的RC放电电路又会导致到达射频开关栅极的电压出现延迟，进而影响开关的切换速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低插损高功率射频开关快速切换电路，连接于模拟控制模块与射频开关模块之间，以解决现有SOI开关设计中低插损、高功率与快速切换的折中问题。本发明在模拟控制模块端设计了一种快速启动电路，通过相同的控制信号预先对节点的滤波电容C_L进行充电与放电，实现射频开关的快速打开与关断，在保证低插损、高功率的射频性能的前提下，显著优化了开关切换时间，即提升开关的切换速度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低插损高功率射频开关快速切换电路，包括：反相器I₁～I₃、PMOS管M₁、NMOS管M₂、限流电阻R₁与R₂，其特征在于，所述反相器I₁与反相器I₂串联后作为延迟支路，反相器I₁的输入端连接模拟控制模块的控制信号输出端，反相器I₂的的输出端连接射频开关模块的控制端、且两端之间连接滤波电容C_L，所述反相器I₁的输入端连接模拟控制模块的控制信号输出端、输出端连接PMOS管M₁与NMOS管M₂的栅极，所述PMOS管M₁的源极连接模拟控制模块的正电源轨V_DD，所述NMOS管M₂的源极连接模拟控制模块的负电源轨-V_DD，PMOS管M₁的漏极与NMOS管M₂的漏极相连、且连接反相器I₂的的输出端。

进一步的，所述反相器I₁～I₃采用相同器件，以确保延迟支路延迟时间相同；限流电阻R₁与R₂采用相同器件，以确保上下支路工作电流相同；另外，开关管PMOS管M₁与NMOS管M₂的尺寸要足够大，确保电流流过MOS管时，开关管不损毁。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种低插损高功率射频开关快速切换电路，连接于模拟控制模块与射频开关模块之间的每一路控制信号路径上；通过反相器I₁与反相器I₂串联构成的延迟支路将模拟控制模块输出的控制信号延迟传输至射频开关模块，同时，模拟控制模块输出的控制信号通过反相器I₃后分别控制PMOS管M₁与NMOS管M₂，从而实现正电源轨V_DD经过PMOS管M₁对滤波电容C_L的正电压预充电(充电)或负电源轨-V_DD经过NMOS管M₂对滤波电容C_L的负电压预充电(放电)，对滤波电容C_L的预充电导致滤波电容C_L和寄生电阻组成的RC时间变短，进而使得通过延迟支路到达射频开关模块的控制信号更快到达射频开关切换的阈值电压、即提升开关切换速度；综上，本发明在保证低插损、高功率的射频性能的前提下，显著优化了开关切换时间，提升了射频开关的切换速度，完美的解决了现有SOI开关设计中低插损、高功率与快速切换的折中问题；另外，在传统模拟控制模块与射频开关模块的基础上引入快速切换电路，保证了电路的稳定性，也节省了修改传统模块的设计成本、避免了电路风险。

附图说明

图1为现有带模拟控制的射频开关架构示意图。

图2为本发明中低插损高功率射频开关快速切换电路的原理图。

图3为本发明中低插损高功率射频开关快速切换电路的控制信号示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供一种低插损高功率射频开关快速切换电路，如图3所示，其独立于射频开关模块与模拟控制模块，连接于模拟控制模块与射频开关模块之间的每一路控制信号路径上；具体包括：反相器I₁～I₃、PMOS管M₁、NMOS管M₂、限流电阻R₁与R₂，所述反相器I₁与反相器I₂串联后作为延迟支路，反相器I₁的输入端连接模拟控制模块的控制信号输出端，反相器I₂的的输出端连接射频开关模块的控制端、且两端之间连接滤波电容C_L，所述反相器I₁的输入端连接模拟控制模块的控制信号输出端、输出端连接PMOS管M₁与NMOS管M₂的栅极，所述PMOS管M₁的源极经限流电阻R₁后连接模拟控制模块的正电源轨V_DD，所述NMOS管M₂的源极经限流电阻R₂后连接模拟控制模块的负电源轨-V_DD，PMOS管M₁的漏极与NMOS管M₂的漏极相连、且连接反相器I₂的的输出端。

进一步的，上述模拟控制模块与射频开关模块采用如图3所示的传统结构，其中，采用LDO线性稳压器将电源电压稳定到内部射频开关需要的正电源轨V_DD(本实施例为2.5V)；LDO输出的正电压为三相逻辑转换电路和负压电荷泵提供正压偏置，负压电荷泵将正电压转换为内部射频开关需要的负电源轨-V_DD(本实施例为-2.5V)；负压电荷泵输出的负电压为三相逻辑转换电路提供负压偏置；三相逻辑转换电路将外部输入控制信号V_ctrl和

(V_ctrl和

典型值为0V和3.3V)转换为内部驱动射频开关切换的正负电压控制信号，以实现高功率低插损的高性能开关设计。

从工作原理上讲：

模拟控制模块与射频开关模块之间的每一路控制信号路径上分别连接有上述低插损高功率射频开关快速切换电路；以单条控制信号为例，本发明的低插损高功率射频开关快速切换电路中，反相器I₁～I₃用于将控制信号进行缓冲，控制信号经过I₃分出两路信号S₁与S₂，S₁、S₂与控制信号频率相同且相位相反，I₁与I₂用于将控制信号进行延迟，使得I₂的输出信号慢于S₁与S₂；

当三相逻辑转换电路输出的控制信号由V_DD切换到-V_DD时，则低插损高功率射频开关快速切换电路输出的信号也由V_DD切换到-V_DD；由于信号S₁与S₂快于I₂的输出输出，所以信号S₁与信号S₂率先到达PMOS管M₁与NMOS管M₂；由于控制信号切换为-V_DD，所以信号S₁与信号S₂由-V_DD切换到V_DD，因此，PMOS管M₁关闭、NMOS管M₂开启，由于MOS管的导通电阻很小，所以负电源轨-V_DD经过NMOS管M₂对滤波电容C_L上极板灌入电流，对滤波电容实现负电压预充电，使得控制信号切换前滤波电容C_L上积累的正电荷快速被负电压消除；

同理，当三相逻辑转换电路输出的控制信号由-V_DD切换到V_DD时，信号S₁与信号S₂由V_DD切换到-V_DD，因此，PMOS管M₁开启、NMOS管M₂关闭，正电源轨V_DD经过PMOS管M₁对滤波电容C_L上极板灌入电流，对滤波电容实现正电压预充电，使得控制信号切换前滤波电容C_L上积累的负电荷快速被正电压消除；

因此，控制信号通过I₁与I₂后，滤波电容C_L从I₂获得的电流就会减少，滤波电容C_L的充电电流主要由电源轨V_DD和-V_DD提供，而非传统结构中由芯片内部的模拟控制模块提供，这样大大减缓了内部的模拟控制模块的带负载能力，使得控制信号更快的到达射频开关切换的阈值电压，即开关切换速度变快；具体而言，控制信号示意图如图3所示，在控制信号上升沿，PMOS管M₁打开、NMOS管M₂关闭，正电源轨V_DD对滤波电容C_L预充电，优化上升沿时间为T₁；在控制信号下降沿，PMOS管M₁关闭、NMOS管M₂打开，负电源轨-V_DD对滤波电容C_L预充电，优化下降升沿时间为T₂；即整个开关切换过程中的优化时间为T＝T₁+T₂。

另外，本发明的射频开关快速切换电路在控制信号切换时必有一个管子导通，因而PMOS管M₁、NMOS管M₂的尺寸要大，大尺寸的晶体管有助于提高电流承载能力；同时，为了减小功耗，在晶体管(PMOS管M₁、NMOS管M₂)与电源轨(正电源轨V_DD、负电源轨-V_DD)间增加限流电阻R₁与R₂，当PMOS管M₁或者NMOS管M₂开启时，限流电阻R₁与R₂使得支路电流降低，进而减小功耗；需要说明的是：相比于无限流电阻存在的情况，支路电流的降低会使得经过电源轨灌入滤波电容C_L的电流减少，即限流电阻R₁与R₂会略微降低充电速度，但仍比传统结构下的开关切换速度快；因此，限流电阻R₁与R₂取值大小应根据设计时支路所能承受的最大电流及功耗上限进行适应性选择。

综上所述，本发明在模拟控制模块与射频开关模块之间添加快速切换电路为节点滤波电容快速充电，大大优化了传统高性能射频开关的切换速度；而且不会改变现有模拟控制模块、射频开关模块，提高了电路的稳定性，也节省了修改现有电路的设计成本，避免了电路风险。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种低插损高功率射频开关快速切换电路，包括：反相器I₁～I₃、PMOS管M₁、NMOS管M₂、限流电阻R₁与R₂，其特征在于，所述反相器I₁与反相器I₂串联后作为延迟支路，反相器I₁的输入端连接模拟控制模块的控制信号输出端，反相器I₂的的输出端连接射频开关模块的控制端、且两端之间连接滤波电容C_L，所述反相器I₁的输入端连接模拟控制模块的控制信号输出端、输出端连接PMOS管M₁与NMOS管M₂的栅极，所述PMOS管M₁的源极连接模拟控制模块的正电源轨V_DD，所述NMOS管M₂的源极连接模拟控制模块的负电源轨-V_DD，PMOS管M₁的漏极与NMOS管M₂的漏极相连、且连接反相器I₂的的输出端。

2.按权利要求1所述低插损高功率射频开关快速切换电路，其特征在于，所述反相器I₁～I₃采用相同器件，所述限流电阻R₁与R₂采用相同器件。