一种用于sub-6G频段的射频开关的制作方法

一种用于sub-6g频段的射频开关
技术领域
[0001]
本发明是一种用于sub-6g频段的射频开关，涉及集成电路设计及信号处理技术领域。


背景技术：

[0002]
目前的5g通讯网络集中的频率都在6ghz以下，因此也称为sub-6g频段，随着5g无线通信技术的快速发展，射频应用越来越多，射频开关是射频接收机前端的关键模块，其电路拓扑图如图1所示，射频开关位于天线与收路的低噪声放大器（low-noise amplifier，lna）和发路的功率放大器（power-amplifier，pa）之间，对系统性能具有决定性的影响，其三个主要性能参数是：插入损耗（insertion loss）、隔离度（isolation）和抗静电（electro-static discharge）。传统射频开关由于担心引起额外的寄生电容等，在开关模块内部一般不加抗静电模块，而是将抗静电功能放在pa和lna模块中，这样还是会导致射频开关本身由于静电而引起失效。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的是推出一种用于sub-6g频段的射频开关，可以根据频段工作需要来放置射频开关的个数，从而实现各种应用，具体开关在电路设计中采用两级式结构，具有低插入损耗和高隔离度的优点，同时在输入pa端和输出lna端都加入了抗静电电路结构，可以有效防止静电对芯片的损坏。
[0004]
本发明的目的是这样实现的：一种用于sub-6g频段的射频天线开关，包含系统框图和具体电路图，具体的单刀双掷射频开关spdt（single-pole-double-throw, spdt）电路图含ant端、pa端、lna端、vb1端、vb2端和地线，其中ant端为天线发射端，pa端为射频信号输出端，lna端为射频信号输入端，vb1端、vb2端均为模式控制端，其特征在于，该基于绝缘体上硅工艺的cmos射频开关还含第一mos管m1、第二mos管m2、第三mos管m3、第四mos管m4、第五mos管m5、第六mos管m6、第七mos管m7、第八mos管m8、第九mos管m9、第十mos管m10、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10，其中第一mos管m1、第二mos管m2、第三mos管m3、第四mos管m4、第五mos管m5、第六mos管m6、第七mos管m7、第八mos管m8、第九mos管m9、第十mos管m10均为nmos管。系统框图中包含一个天线端ant，以及多个射频开关，其特征在于每个射频开关的天线端ant都连接在一起，天线为共用端口；第一个射频开关spdt1，输入端为pa1，输出端为lna1，对应控制端为vb1和vb2；第二个射频开关spdt2，输入端为pa2，输出端为lna2，对应控制端为vb3和vb4；以此类推，第x个射频开关spdtx，输入端为pax，输出端为lnax，对应控制端为vbx和vbx1。
[0005]
一种用于sub-6g频段的射频开关的具体电路连接，第一mos管m1的栅极与第一电阻r1的一端连接，第二mos管m2的栅极与第二电阻r2的一端连接，第三mos管m3的栅极与第三电阻r3的一端连接，第四mos管m4的栅极与第四电阻r4的一端连接，第五mos管m5的栅极
与第五电阻r5的一端连接，第六mos管m6的栅极与第六电阻r6的一端连接，第七mos管m7的栅极与第七电阻r7的一端连接，第八mos管m8的栅极与第八电阻r8的一端连接, 第九mos管m9的栅极与第九电阻r9的一端连接，第十mos管m10的栅极与第十电阻r10的一端连接；第一电阻r1、第四电阻r4、第五电阻r5及第八电阻r8的另一端连接在一起后与vb2端连接；第二电阻r2、第三电阻r3、第六电阻r6及第七电阻r7的另一端连接在一起后与vb1端连接；第九电阻r9和第十电阻r10的另一端分别和地线连接在一起；第一mos管m1的漏极与第二mos管m2的漏极连接在一起后与ant端连接；第一mos管m1的源极、第三mos管m3的漏极与第五mos管m5的漏极连接在一起；第二mos管m2的源极、第四mos管m4的漏极与第六mos管m6的漏极连接在一起；第五mos管m5的源极、第七mos管m7的漏极和pa端连接在一起；第六mos管m6的源极、第八mos管m8管的漏极和lna端连接在一起；第三mos管m3、第四mos管m4、第七mos管m7及第八mos管m8的源极与地线连接；第九mos管m9的漏极和pa端相连，m9管的源极和地线相连；第十mos管m10的漏极和lna端相连，m10管的源极和地线相连。
[0006]
本发明能够通过简单电路结构实现高性能的射频开关，并对该射频开关进行可控单刀双掷（single-pole-double-throw, spdt）切换，同时在pa端和lna端加入抗静电模块，与传统的射频开关相比，本发明的优点在于：
⑴
、在电路设计中采用两级式结构，恰当选择主开关管器件尺寸，降低串联晶体管的沟道电阻，从而具有低插入损耗和高隔离度的优点；本发明具有极低的插入损耗，其插入损耗在关注频率2.4ghz处为-1db，而传统的射频开关的典型值为-2db，插入损耗改善最高可达1db。本发明具有较高的端口隔离度，本发明的双向隔离度在关注频率2.4ghz处为40db，而传统的射频开关的典型值为20～30db左右。
[0007]
⑵
、本发明在输入pa端和输出lna端加入抗静电模块，能够有效提高芯片的抗静电能力，从而减小由于静电而引起的失效。由于该种抗静电结构引入的寄生电容较小，因此对射频开关的性能几乎没有影响。
[0008]
第九mos管m9和第十mos管m10，是esd保护电路，其特征需要按照图4的尺寸进行设计，其尺寸参数直接决定esd性能。经过实际测试，本发明的抗静电达到了8kv的水平。传统的抗静电一般只有2kv的水平。
附图说明
[0009]
图1为本发明的电路拓扑图；图2为本发明的射频开关的系统框图；图3为本发明的射频开关电路图；图4为本发明的esd管的版图尺寸参数。
具体实施方式
[0010]
本发明的技术方案就是具体的实施例，这里就不再赘述实施例。下面详尽介绍本发明的工作过程。
[0011]
多模多频的工作原理参阅图2，当第一频段对应的spdt1需要工作时，就控制对应的控制端vb1和vb2，其他控制端口关闭，其他端口所对应的射频开关也就处于关闭状态。当第二频段对应的spdt2需要工作时，就控制对应的控制端vb3和vb4，其他控制端口关闭，其
他端口所对应的射频开关也就处于关闭状态；当第x频段对应的spdtx需要工作时，就控制对应的控制端vbx和vbx1，其他控制端口关闭，其他端口所对应的射频开关也就处于关闭状态。采用这种控制方式从而实现多模多频的应用。
[0012]
单个射频开关的工作原理参阅图3，当vb2端为高电平，vb1端为低电平时，本发明的射频开关处于发射模式。由于第一mos管m1及第五mos管m5的栅极电压为正，第三mos管m3及第七mos管m7的栅极电压为负，所以第一mos管m1及第五mos管m5导通，第三mos管m3及第七mos管m7截止，从pa端来的功率放大器输出信号可以传导到天线ant端；由于第二mos管m2及第六mos管m6的栅极电压为负，第四mos管m4及第八mos管m8的栅极电压为正，所以第二mos管m2及第六mos管m6截止，第四mos管m4及第八mos管m8导通，天线ant端到低噪声放大器路径关闭，且导通的第四mos管m4及第八mos管m8提供了到地的电流泻放路径。
[0013]
当vb2端为低电平，vb1端为高电平时，本发明的射频开关处于接收模式。由于第一mos管m1及第五mos管m5的栅极电压为负，第三mos管m3及第七mos管m7的栅极电压为正，所以第一mos管m1及第五mos管m5截止，第三mos管m3及第七mos管m7导通，从pa端到天线ant端关闭；由于第二mos管m2及第六mos管m6的栅极电压为正，第四mos管m4及第八mos管m8的栅极电压为负，所以第二mos管m2及第六mos管m6导通，第四mos管m4及第八mos管m8截止，天线ant端来的微小射频信号传送至低噪声放大器lna的输入端，且导通的第三mos管m3及第七mos管m7提供了到地的电流泻放路径。
[0014]
由于插入损耗主要由串联晶体管的沟道电阻决定，在给定频率下，适当增加选择主开关管第一mos管m1、第二mos管m2、第五mos管m5、第六mos管m6的尺寸，可以减小沟道电阻，但是过高的开关管面积会增加寄生电容，增加衬底耦合并降低隔离度。综合插入损耗和隔离度的折中考虑，仿真得到最合适的第一mos管m1、第二mos管m2、第五mos管m5、第六mos管m6的尺寸分别为400μm /0.25μm、400μm /0.25μm、160μm /0.25μm、160μm /0.25μm。第一电阻r1到第八电阻r8均为栅电阻，它们的作用是提高输入级线性度，阻值均为6k欧姆。
[0015]
第九mos管m9和第九电阻r9组成了pa端的抗静电模块，第十mos管m10和第十电阻r10组成了lna端的抗静电模块，m9管和m10管的尺寸都为400μm /0.25μm，电阻r9和电阻r10都为栅电阻，其阻值都为300欧姆。针对m9管和m10管，需要按照图示的尺寸设计版图，gate是栅极，source是源极，drain是漏极，contact是接触孔，栅极到源极接触孔的距离为0.5um，栅极到漏极接触孔的距离为3.5um，然后每条mos管的宽度w应该是50um，这些尺寸非常关键，直接影响最终的esd性能。
[0016]
虽然本发明利用具体的实施例进行说明，但是对实施例的说明并不限制本发明的范围。本领域内的熟练技术人员通过参考本发明的说明，在不背离本发明的精神和范围的情况下，容易进行各种修改或者可以对实施例进行组合。