用于可开关电容的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于可开关电容的系统和方法。依照实施例，可开关电容电路包括多个电容—开关单元，每个电容—开关单元具有第一半导体开关电路，和具有被耦接到第一半导体开关电路的第一端子的电容电路。所述多个电容—开关单元中的第一开关—电容单元的第一半导体开关电路的电阻在所述多个电容—开关单元中的第二电容—开关单元的第一半导体开关电路的电阻的第一容差之内，并且第一电容—开关单元的电容电路的电容在第二电容—开关单元的电容电路的电容的第二容差之内。
【专利说明】用于可开关电容的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开一般涉及电子器件，并且更特别地涉及用于可开关电容的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 诸如电容器和电感器的可调谐无源元件被用在各种射频（RF)电路中，以实现用 于天线和功率放大器的可调节的匹配网络，并且针对高频滤波器提供调节调谐。由于便携 式器件的高需求和生产的原因，在诸如蜂窝电话机、智能电话机和便携式计算机的产品中， 可找到这样的可调谐无源元件。为这样的产品中的RF电路提供调谐允许这些产品在各种 RF条件下提供高性能的RF发射和接收。在被配置成在不同的RF频带上工作和/或被配置 成使用不同的标准工作的RF器件中，可编程调谐也是有帮助的。
[0003] 可用多种方式实现可调谐电容器。例如，电压控制的电容器可被用于提供可变电 容。这样的可变电容可以使用具有与所施加的反向偏置电压成反比例的电容的反向偏置的 二极管结来实现。其中可以实现可调谐电容的另一种方式是使用其各个元件经由可控开关 来连接或是断开的可开关电容器的阵列。可开关电容器的设计中的一个挑战是保持可能由 于可控开关的电阻而劣化的高品质因数（Q)。
【发明内容】
[0004] 依照实施例，可开关电容电路包括多个电容一开关单元，每个电容一开关单元具 有第一半导体开关电路和电容电路，电容电路具有被耦接到第一半导体开关电路的第一端 子。所述多个电容一开关单元中的第一开关一电容单元的第一半导体开关电路的电阻在所 述多个电容一开关单元中的第二电容一开关单元的第一半导体开关电路的电阻的第一容 差之内，并且第一电容一开关单元的电容电路的电容在第二电容一开关单元的电容电路的 电容的第二容差之内。
【专利附图】
【附图说明】
[0005] 为了更完整地理解本发明及其优点，现在参照结合随附的附图所作的下面的描 述，在附图中： 图la - c图解常规的数字可调谐电容的示意图和对应的性能图表； 图2a - c图解常规的数字可调谐电容的示意图和对应的性能图表； 图3图解数字可调谐电容的另一个实施例的示意图； 图4a - b图解具有旁路开关的数字可调谐电容的示意图和对应的横截面； 图5图解具有旁路开关的数字可调谐电容的另一个实施例； 图6图解实施例的集成电路的方框图； 图7a -e图解实施例的匹配电路和相关联的史密斯圆图；以及 图8图解实施例方法的方框图。
[0006] 除非另外地指示，否则不同的图中的对应的数字和标号一般提及对应的部分。图 被绘制以便清楚地图解优选实施例的相关方面并且不一定是按比例绘制的。为了更清楚地 图解某些实施例，指示相同结构、材料或处理步骤的变化的字母可能跟在图号之后。
【具体实施方式】
[0007] 以下详细讨论当前优选的实施例的作出和使用。然而，应当领会本发明提供可在 多种多样的具体情形中体现的许多可应用的创新概念。所讨论的具体实施例仅仅是用以作 出并且使用本发明的例示的具体方式并且不限制本发明的范围。
[0008] 将在具体的情形一用于可以被使用在RF电路中以针对天线、匹配网络以及滤波 器提供调谐的可开关电容的系统和方法一中关于优选实施例描述本发明。本发明还可以被 应用于其它系统和应用，这些系统和应用包括利用可编程电容(诸如数字可调谐振荡器）以 使宽输出频率范围成为可能、以及利用电荷泵以使可变频率工作成为可能的其它电路。
[0009] 图la图解包括二进制加权电容104、106、108、110和112的常规数字可调谐电容 器电路100,每个二进制加权电容分别与串联开关120、122、124、126和128耦接。电容104、 106、108、110 和 112 的电容值分别为 8 pF、4 pF、2 pF、l pF 和 0.5 pF。电容器 104、106、 108U10和112的每一个都耦接到输出焊盘102,以及耦接到静电放电（ESD)保护晶体管 113。在输出焊盘102承载的电容量可使用数字信号04、03、02、01和00控制。例如，如果 信号D3在逻辑上为高，由此接通串联开关122,而信号D4、D2、D1和D0为低，由此关断开关 120、124、126和128,那么在焊盘102承载的电容性负载约为4 pF。同样地，如果信号D3、 D2、D1和D0在逻辑为高，那么由输出焊盘102承载的负载约为15. 5 pF。
[0010] 利用数字可调谐电容器的许多系统可能经受跨数字可调谐电容器的较高电压。这 种情况的一个示例是蜂窝电话机的天线接口。例如，蜂窝电话机的发射器可能把约33 dBm 的功率输出至50 ohms，这对应于约20 V的电压。然而，在天线接口，可能存在远超过50 ohms的阻抗，由此产生50 V?60 V范围内的瞬态电压。由于在许多半导体处理中器件只 能承受10 V范围内的电压，因此使用器件堆叠来防止器件击穿和破坏。如所示出那样，电 容器104、106、108、110和112中的每一个是使用电容器的串联组合实现的。同样地，串联 开关120、122、124、126和128中的每一个是使用串联连接的晶体管116实现的，每个晶体 管116具有与其栅极串联耦接的电阻器118。电阻器118使栅极阻抗保持足够高，从而不影 响电容器一开关组合的RF阻抗。
[0011] 用于电容器的指标的一个重要数字是Q因数，Q因数被定义为：
【权利要求】
1. 一种可开关电容电路，包括： 多个电容一开关单元，其中每个电容一开关单元包括： 第一半导体开关电路，和 电容电路，具有被耦接到第一半导体开关电路的第一端子； 其中所述多个电容一开关单元中的第一电容一开关单元的第一半导体开关电路的电 阻在所述多个电容一开关单元中的第二电容一开关单元的第一半导体开关电路的电阻的 第一容差之内，并且第一电容一开关单元的电容电路的电容在第二电容一开关单元的电容 电路的电容的第二容差之内。
2. 按照权利要求1所述的可开关电容电路，其中： 半导体开关电路包括多个串联连接的半导体开关；以及 电容电路包括多个串联连接的电容器。
3. 按照权利要求2所述的可开关电容电路，其中所述多个串联连接的半导体开关的每 一个包括晶体管，以及与所述晶体管的栅极串联耦接的电阻器。
4. 按照权利要求2所述的可开关电容电路，其中 串联连接的半导体开关的数目大于或等于被除以半导体开关中的一个的最大工作电 压的可开关电容电路的最大预期工作电压；以及 串联连接的电容器的数目大于或等于被除以串联连接的电容器中的一个的最大工作 电压的可开关电容电路的最大预期工作电压。
5. 按照权利要求4所述的可开关电容电路，其中所述最大预期工作电压大于50 V。
6. 按照权利要求1所述的可开关电容电路，其中所述多个电容一开关单元中的每一个 进一步包括被耦接到电容电路的第二端子的第二半导体开关电路。
7. 按照权利要求6所述的可开关电容电路，进一步包括具有被耦接到电容电路的第一 端子的第一端部和被耦接到电容电路的第二端子的第二端部的第三半导体开关电路。
8. 按照权利要求7所述的可开关电容电路，其中： 电容电路包括金属一绝缘体一金属（MM)电容器；并且 第一半导体开关电路被设置在MIM电容器之下。
9. 按照权利要求1所述的可开关电容电路，其中所述第一容差和所述第二容差小于 1%〇
10. -种操作可开关电容电路的方法，所述方法包括： 增加所述可开关电容电路的负载电容包括开启多个电容一开关单元中的至少一个，其 中 所述多个电容一开关单元中的每一个包括第一半导体开关电路，和具有被耦接到第一 半导体开关电路的第一端子的电容电路，以及 所述多个电容一开关单元中的第一电容一开关单元的第一半导体开关电路的电阻在 所述多个电容一开关单元中的第二电容一开关单元的第一半导体开关电路的电阻的第一 容差之内，并且第一电容一开关单元的电容电路的电容在第二电容一开关单元的电容电路 的电容的第二容差之内，以及 所述开启包括激活所述多个电容一开关单元中的至少一个的第一半导体开关电路；以 及 减小所述可开关电容电路的负载电容包括关闭所述多个电容一开关单元中的至少一 个，其中所述关闭包括去激活所述多个电容一开关单元中的至少一个的第一半导体开关电 路。
11. 按照权利要求10所述的方法，其中激活所述多个电容一开关单元中的至少一个的 第一半导体开关电路进一步包括激活串联耦接的多个半导体开关。
12. 按照权利要求10所述的方法，其中： 所述多个电容一开关单元中的每一个进一步包括被耦接到电容电路的第二端子的第 -半导体开关电路；以及 所述开启进一步包括激活所述多个电容一开关单元中的至少一个的第二半导体开关 电路。
13. 按照权利要求12所述的方法，其中： 所述多个电容一开关单元中的每一个进一步包括具有被耦接到电容电路的第一端子 的第一端部、和被耦接到电容电路的第二端子的第二端部的旁路开关；以及 所述方法进一步包括旁路所述可开关电容电路，其中所述旁路包括激活用于所述多个 电容一开关单元中的至少一个的第一半导体开关电路、第二半导体开关电路和旁路开关。
14. 按照权利要求10所述的方法，进一步包括把射频（RF)信号施加至所述可开关电容 电路。
15. 按照权利要求10所述的方法，进一步包括： 把所述可开关电容电路耦接到天线；以及 通过增加和减小所述可开关电容电路的负载电容来调谐天线。
16. 按照权利要求10所述的方法，进一步包括： 接收来自数字接口的命令；以及 对所述命令解码，其中增加和减小负载电容进一步包括根据所解码的命令有选择地激 活所述多个电容一开关单元的第一半导体开关电路。
17. 按照权利要求10所述的方法，其中所述第一容差和所述第二容差小于1%。
18. -种可调谐射频（RF)电路，包括： 半导体衬底；和 设置在所述半导体衬底上的多个电容一开关单元，其中每个电容一开关单元包括： 电容电路， 奉禹接在电容电路的第一端部和RF电路的第一输出端子之间的第一半导体开关电路， 和 耦接在电容电路的第二端部和RF电路的第二输出端子之间的第二半导体开关电路； 其中所述多个电容一开关单元的第一电容一开关单元的第一半导体开关电路的电阻 在所述多个电容一开关单元的第二电容一开关单元的第一半导体开关电路的电阻的第一 容差之内，并且第一电容一开关单元的电容电路的电容在第二电容一开关单元的电容电路 的电容的第二容差之内。
19. 按照权利要求18所述的RF电路，其中： 第一半导体开关电路包括串联耦接的多个第一晶体管；以及 第二半导体开关电路包括串联耦接的多个第二晶体管。
20. 按照权利要求19所述的RF电路，其中所述多个第一晶体管中的每一个和所述多个 第二晶体管中的每一个包括MOS晶体管和与MOS晶体管的栅极串联耦接的电阻器。
21. 按照权利要求18所述的RF电路，进一步包括： 耦接到所述RF电路的第一输出端子的第一输出焊盘；和 耦接到所述RF电路的第二输出端子的第二输出焊盘。
22. 按照权利要求18所述的RF电路，其中每个电容一开关单元包括耦接在电容电路的 第一端部和第二端部之间的第三半导体开关电路。
23. 按照权利要求22所述的RF电路，其中： 电容电路包括金属一绝缘体一金属（MIM)电容器；以及 第三半导体开关电路被设置在MM电容器之下。
24. 按照权利要求18所述的RF电路，其中所述第一容差和所述第二容差小于1%。
【文档编号】H01L27/02GK104158524SQ201410202261
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2013年5月14日
【发明者】W.巴卡尔斯基 申请人:英飞凌科技股份有限公司