具有高线性度的单刀双掷（SPDT）开关和发送-接收电路的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在美国专利与商标局于2018年6月5日提交的美国临时申请第62/681,040号和于2018年8月23日提交的美国非临时申请第16/111,139号、标题为“systemandmethodforprovidinghighly-linearsingle-poledoublethrow(spdt)switch”的优先权和权益，其全部内容通过引用结合于此。

根据本公开的实施例的一个或多个方面涉及开关和发送-接收电路，并且更具体地涉及具有高线性度的spdt开关和发送-接收电路。

背景技术：

用于路由射频和毫米波信号的开关(例如，单刀双掷(single-poledouble-throw，spdt)开关)可以使用晶体管制造并用于各种应用中，包括例如用于收发器的发送-接收开关。然而，在一些设计中，这种开关的性能可能受到限制，因为由于自举不足而可能导致的线性度损失，或者因为由于存在与片上耦合电容器相关联的寄生电容而可能导致的回波损耗劣化。

因此，需要一种用于spdt开关的改进设计。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，提供一种单刀双掷开关，包括：连接在单刀双掷开关的公共端子和单刀双掷开关的第一开关接线端子(switchedterminal)之间的第一开关晶体管(switchingtransistor)、连接在单刀双掷开关的公共端子和单刀双掷开关的第二开关接线端子之间的第二开关晶体管、连接在单刀双掷开关的公共端子和第一开关晶体管的栅极之间的第一辅助晶体管、以及连接在单刀双掷开关的公共端子和第二开关晶体管的栅极之间的第二辅助晶体管。

在一些实施例中，第一辅助晶体管的栅极被连接到第二开关晶体管的栅极。

在一些实施例中，第二辅助晶体管的栅极被连接到第一开关晶体管的栅极。

在一些实施例中，单刀双掷开关还包括连接在单刀双掷开关的第一开关接线端子和第一开关晶体管之间的第一耦合电容器。

在一些实施例中，单刀双掷开关还包括连接在单刀双掷开关的第二开关接线端子和第二开关晶体管之间的第二耦合电容器。

在一些实施例中：第一辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第一开关晶体管的沟道宽度，并且第二辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第二开关晶体管的沟道宽度。

在一些实施例中：第一辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第一开关晶体管的沟道宽度的50％，并且第二辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第二开关晶体管的沟道宽度的50％。

在一些实施例中：第一辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第一开关晶体管沟道宽度的35％，并且第二辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第二开关晶体管的沟道宽度的35％。

在一些实施例中：第一开关晶体管被直接连接到公共端子而没有中间耦合电容器，并且第二开关晶体管被直接连接到公共端子而没有中间耦合电容器。

根据本公开的实施例，提供了一种发送-接收电路，包括：单刀双掷开关，其具有公共端子、第一开关接线端子和第二开关接线端子；低噪声放大器，其具有连接到第二开关接线端子的输入；以及功率放大器，其具有连接到第一开关接线端子的输出，该单刀双掷开关包括：连接在单刀双掷开关的公共端子和单刀双掷开关的第一开关接线端子之间的第一开关晶体管、连接在单刀双掷开关的公共端子和单刀双掷开关的第二开关接线端子之间的第二开关晶体管、连接在单刀双掷开关的公共端子和第一开关晶体管的栅极之间的第一辅助晶体管、以及连接在单刀双掷开关的公共端子和第二开关晶体管的栅极之间的第二辅助晶体管。

在一些实施例中，第一辅助晶体管的栅极被连接到第二开关晶体管的栅极。

在一些实施例中，第二辅助晶体管的栅极被连接到第一开关晶体管的栅极。

在一些实施例中，发送-接收电路包括单刀双掷开关，该单刀双掷开关还包括连接在单刀双掷开关的第一开关接线端子和第一开关晶体管之间的第一耦合电容器。

在一些实施例中，发送-接收电路包括单刀双掷开关，该单刀双掷开关还包括连接在单刀双掷开关的第二开关接线端子和第二开关晶体管之间的第二耦合电容器。

在一些实施例中：第一辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第一开关晶体管的沟道宽度，并且第二辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第二开关晶体管的沟道宽度。

在一些实施例中：第一辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第一开关晶体管的沟道宽度的50％，并且第二辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第二开关晶体管的沟道宽度的50％。

在一些实施例中：第一辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第一开关晶体管的沟道宽度的35％，并且第二辅助晶体管的沟道宽度小于或等于第二开关晶体管的沟道宽度的35％。

在一些实施例中：第一开关晶体管被直接连接到公共端子而没有中间耦合电容器，并且第二开关晶体管被直接连接到公共端子而没有中间耦合电容器。

附图说明

将参考说明书和附图了解和理解本公开的这些和其他特征和优点，其中：

图1a是spdt开关的示意图；

图1b是spdt开关的示意图；

图2是根据本公开的实施例的spdt开关的示意图；和

图3是根据本公开的实施例的spdt开关的示意图。

具体实施方式

以下结合附图阐述的详细描述意图作为根据本公开提供的具有高线性度的spdt开关的示例性实施例的描述，并且不意图表示本公开可以构建或利用的唯一形式。该描述结合所示实施例阐述了本公开的特征。然而，应该理解的是，相同或等同的功能和结构可以通过不同的实施例来实现，这些实施例也意图被涵盖在本公开的范围内。如本文其他地方所示，相同的元件编号意图指示相同的元件或特征。

参考图1a，在一些相关技术的spdt开关电路中，自举不足可能损害电路的线性度。例如，当开关的第一开关晶体管200导通并且开关的第二开关晶体管210截止时，(由于开关的第一开关晶体管200导通)存在于第一开关接线端子的输入信号105(输入b)可以存在于公共节点t处，并且由于第一开关晶体管200的主端子(源极和漏极)与第一开关晶体管200的栅极之间的电容耦合(通过第一开关晶体管200中的内部电容，即通过第一开关晶体管200的栅极-源极电容，以及通过第一开关晶体管200的栅极-漏极电容)，所以相同的信号也可以存在于第一开关晶体管200的栅极上。结果，栅极和主端子之间的电压是恒定的(即它不随信号波动)并且等于跨这些端子的dc偏置电压。例如，如果栅极偏置为1v，并且主端子的偏置电压均为0v，则栅极处于比任一主端子高1v的电压(即vgs＝vgd＝1v)。由于电容耦合，使得所有三个端子上的ac电压相同的，栅极电压跟随晶体管的主端子的电压的这种行为可以被称为“自举”。应该理解的是，在图1a的电路中，晶体管都没有固定源极和固定漏极；相反，取决于主端子上的电压的方向，主端子中的一个或另一个可以在任何时间点充当漏极(并且另一个可以充当源极)。

在图1a的电路中，自举可能无法实现与截止的第二开关晶体管210相同的效果，因为第二开关接线端子处的信号110(输入a)可能与公共节点t处的信号不同(如图所示，第二开关接线端子处的信号110为零，并且公共节点t处的信号等于第一开关接线端子处的信号105)。由于这种差异，第二开关晶体管210的栅极上的ac信号可以是第二开关晶体管210的两个主端子(两者都通过电容耦合耦合到栅极)处的信号的组合(例如，加权平均)，并且(与第一开关晶体管200的情况不同)，栅极和主端子之间的电压的ac分量因此可以不消失。栅极和主端子之间的非消失电压可以使第二开关晶体管210的沟道的导电性被ac信号调制，导致线性度降低。参考图1b，在一些实施例中，可以使用耦合电容器来使偏置电压施加到第一开关晶体管200和第二开关晶体管210两者的主端子成为可能。在这种实施例中，可以改善开关的线性度；然而，耦合电容器及其相关联的寄生电容的存在可能导致输入回波损耗(s11)和输出回波损耗(s22)两者的劣化。

参考图2，在一些实施例中，用于spdt开关的电路包括(如图1a和图1b的电路)第一开关晶体管200和第二开关晶体管210。第一开关晶体管200和第二开关晶体管210路由spdt开关中的信号，使得，例如，如果第一开关晶体管200导通，并且第二开关晶体管210截止，则第一开关接线端子215被电连接(或为了简洁只是“连接”)到公共端子220，并且公共端子220没有被连接到第二开关接线端子225。该电路还包括连接在第一开关晶体管200的栅极和公共端子220之间的第一辅助晶体管230、连接在第二开关晶体管210的栅极和公共端子220之间的第二辅助晶体管240、第一耦合电容器245和第二耦合电容器247。第一辅助晶体管230的栅极被连接到第二开关晶体管210的栅极，并且第二辅助晶体管240的栅极被连接到第一开关晶体管200的栅极，如图所示。

spdt开关的偏置电压可以各自从两个电压中的一个选择，该两个电压可以分别称为“低”电压(例如，如图所示的0v)和“高”电压(例如，如图所示的1v)。如下面进一步详细讨论的，这些偏置电压可以由连接到四个偏置电阻器206、208、216、218的控制电路供应。高电压和低电压的相应值可以被选择为任何两个电压值，其中高电压足够大于低电压，以使得(i)当spdt开关的晶体管的栅极处于高电压且晶体管的两个主端子处于低电压时，晶体管导通，以及(ii)当spdt开关的晶体管的栅极处于低电压且晶体管的两个主端子处于高电压时，晶体管截止。此外，在图2的实施例中不需要公共端子220处的耦合电容器(其存在于图1b的实施例中)，因为在图2的实施例中，不需要在第一开关晶体管200和第二开关晶体管210的第二主端子204、214处保持不同的偏置电压。

在spdt开关的第一状态中，其中第一开关晶体管200导通并且第二开关晶体管210截止(并且在图2中示出)，第一开关晶体管200的栅极处的dc电压为高(由于由控制电路施加到第一栅极偏置电阻器206的高偏置)，第一开关晶体管200的第一主端子202处的dc电压为低(由于由控制电路施加到第一端子偏置电阻器208的低偏置)，并且第一开关晶体管200的第二主端子204处的dc电压为低(由于第一开关晶体管200导通)。spdt开关的第一状态的信号在图2中示出。(具有非零ac分量的)第一信号250存在于第一开关接线端子215处，并且(不具有ac分量的)第二信号255存在于第二开关接线端子225处。

由于第一开关晶体管200导通，存在于第一开关接线端子215处的ac信号250通过第一开关晶体管200被发送到公共端子220。第二开关晶体管210的栅极处的dc电压为低(由于由控制电路施加到第二栅极偏置电阻器216的低偏置)。由于由控制电路施加到第一栅极偏置电阻器206的高偏置，所以第二辅助晶体管240的栅极处的dc电压为高。第二辅助晶体管240的两个主端子处的dc电压为低，第二辅助晶体管240的第一主端子242处的dc电压由于由控制电路施加到第二栅极偏置电阻器216的低偏置而为低，并且第二辅助晶体管240的第二主端子244处的dc电压由于公共端子220处于低dc电压而为低。因此，第二辅助晶体管240导通，并且它使得公共端子220处的ac信号(其基本上等于存在于第一开关接线端子215处的ac信号250)出现在第二开关晶体管210的栅极处。在第一状态中，第一辅助晶体管230截止。

从前述内容可以看出，在第一状态中，第二辅助晶体管240解决了以上在图1a的上下文中描述的自举不足的问题，并且在图2的实施例中，在第一状态中，ac信号250基本上无衰减地存在于第二开关晶体管210的栅极处。结果，第二开关晶体管210的操作点是一致的，基本上与rf信号摆动无关，并且可能导致高线性度。

在第二状态中，其中第二开关接线端子225被连接到公共端子220并且第一开关接线端子215没有被连接到公共端子220，反转由控制电路施加的偏置电压(高偏置被施加到第一端子偏置电阻器208和第二栅极偏置电阻器216，并且低偏置被施加到第二端子偏置电阻器218和第一栅极偏置电阻器206)。在第二状态中，第一开关晶体管200和第二辅助晶体管240截止，并且第二开关晶体管210和第一辅助晶体管230导通。在第二状态中，第一辅助晶体管230执行由第二辅助晶体管240在第一状态下执行的功能(即其连接公共端子220和第一开关晶体管200的栅极)，使得ac信号在两个节点处是相同的；因此，它解决了自举不足的问题，在一些实施例中，自举不足在没有第一辅助晶体管230的情况下会导致线性度降低。

在一些实施例中，spdt开关被用作射频或毫米波收发器中的发送-接收选择开关。第一开关接线端子215可以由功率放大器305馈送，并且第二开关接线端子225可以馈送低噪声放大器315。公共端子220可以被连接到天线(例如，通过天线匹配网络)。在操作中，当收发器正在发送时，spdt开关可以处于第一状态，该状态允许来自功率放大器305的信号传播到天线，并且当收发器正在接收时，spdt开关可以处于第二状态，该状态允许来自天线的信号传播到低噪声放大器315。通过在第一(发送)状态和第二(接收)状态中的每一个状态下断开相应的未使用信号路径，spdt开关可以帮助减少或消除两个放大器都直接连接到天线匹配网络而没有中间spdt开关时可能发生的各种问题(例如，功率放大器305的不稳定性，来自功率放大器305的噪声降低了由低噪声放大器315接收到的信号、以及在两个方向上行进的信号的增加的插入损耗和减小的回波损耗)。

在一些实施例中，根据图2的电路的spdt开关可以表现出优于根据图1a构造的其他类似电路(例如，使用相同的开关晶体管和相同(尽管更多)的耦合电容器，并且缺少图2的电路的辅助晶体管)的性能。例如，根据图2的电路构造的spdt开关可以表现出相比根据图1a构造的其他类似电路高3db(或更高，例如，10db)(例如，高3dbm)的1-db-压缩点(即更好的线性度)。而且，根据图2的电路构造的spdt开关表现出相比根据图1a构造的其他类似电路对建模限制以及对处理、电压和温度变化的更好的鲁棒性。

spdt开关的晶体管可以是如图所示的场效应晶体管，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)。可以使用n沟道mosfet，因为n沟道mosfet可能具有比p沟道mosfet更高的多数载流子迁移率，并且因为，如果spdt开关被连接到以地为参考的源或负载(例如，以地为参考的天线)，由spdt开关发送的信号可能接近地，并且n沟道mosfet可能比p沟道mosfet更好地传输这些信号。第一辅助晶体管230可以小于第一开关晶体管200(例如，第一辅助晶体管230可以具有介于第一开关晶体管200的沟道宽度的30％和50％之间的沟道宽度)，或者至多等于第一开关晶体管200的沟道宽度(例如，第一辅助晶体管230可以具有介于第一开关晶体管200的沟道宽度的30％和100％之间的沟道宽度)。类似地，第二辅助晶体管240可以具有介于第二开关晶体管210的沟道宽度的30％和100％之间的沟道宽度。

如本文所使用的，晶体管的两个主要端子(例如，对于mosfet的源极和漏极，或对于双极晶体管的集电极和发射极)可以被称为晶体管的“主”端子，并且用于控制晶体管的端子(例如，对于mosfet的栅极，或对于双极晶体管的基极)可以被称为晶体管的“控制”端子。如本文所使用的，当用用于双端子设备的术语描述与晶体管的连接时，它是与所描述的晶体管的主端子的连接。例如，“连接在”电路的两个节点之间的晶体管具有连接到两个节点中的第一个的晶体管的主端子的第一个和连接到两个节点中的第二个的晶体管的主端子的第二个。作为另一示例，当据说两个晶体管“串联”连接时(如在cmos反相器的情况下)，两个晶体管中的一个的主端子被连接到两个晶体管中的另一个的主端子。

应当理解的是，尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或区段与另一个元件、部件、区域、层或区段区分开。因此，在不脱离本发明构思的精神和范围的情况下，本文讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以被称为第二元件、部件、区域、层或区段。

本文可以使用空间相对术语，诸如“下方”、“以下”、“低处”、“下面”、“上方”、“上面”等，以便于用以描述一个元件或特征与图中所示的另一(多个)元件或(多个)特征的关系的描述。应当理解的是，除了图中描绘的定向之外，这种空间相对术语意图涵盖使用中或操作中的设备的不同定向。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“以下”或“下方”或“下面”的元件将被定向在其他元件或特征“以上”。因此，示例性术语“以下”和“下面”可以涵盖以上和以下的定向。设备可以以其他方式定向(例如，旋转90度或在其他定向)，并且应当相应地解释本文使用的空间相对描述符。另外，还应理解的是，当层被称为在两个层“之间”时，它可以是两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意图限制本发明构思。如本文所使用的，术语“基本上”、“约”和类似术语被用作近似术语而不是程度术语，并且意图解释将被本领域技术人员识别的测量值或计算值的固有偏差。

如本文所使用的，单数形式“一”和“一个”也意图包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其组。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。当诸如“至少一个”的表达在元素列表之前时，修改整个元素列表而不修改列表的单个元素。此外，当描述本发明构思的实施例时，“可以”的使用是指“本公开的一个或多个实施例”。并且，术语“示例性”意图表示示例或说明。如本文所使用的，术语“使用”、“使用了”和“被使用”可以分别被认为与术语“利用”、“利用了”和“被利用”同义。

应当理解的是，当元件或层被称为“在……上”、“连接到”、“耦合到”或“邻近”另一个元件或层时，它可以直接在其他元件或层上、直接连接到、耦合到、或者邻近其他元件或层，或者可以存在一个或多个中间元件或层。相反，当元件或层被称为“直接在……上”、“直接连接到”、“直接耦合到”或“紧邻”另一元件或层时，不存在中间元件或层。

本文引用的任何数值范围意图包括引用的范围内包含的相同数值精度的所有子范围。例如，“1.0至10.0”的范围意图包括引用的最小值1.0和引用的最大值10.0之间(并且包括1.0和10.0)的所有子范围，也就是说，具有等于或大于1.0的最小值，以及等于或小于10.0的最大值，诸如例如2.4至7.6。本文引用的任何最大数值限制意图包括其中包含的所有较低数值限制，并且本说明书中引用的任何最小数值限制意图包括其中包含的所有较高数值限制。

尽管本文已具体描述和说明了具有高线性度的spdt开关的示例性实施例，但是许多修改和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，应该理解的是，根据本公开的原理构造的具有高线性度的spdt开关可以以不同于本文具体描述的方式体现。本发明还在以下权利要求及其等同物中限定。