带有片上BALUN的收发复用的射频匹配开关集成装置的制作方法

本发明属于射频集成电路，涉及一种带有片上balun的收发复用的射频匹配开关集成装置。

背景技术：

1、随着集成电路的发展，低功耗智能穿戴设备变得越发强大，而根据摩尔定律，处理器性能每两年翻一倍且价格下降一半，这就对芯片集成度提出了很高的要求。射频收发匹配网络包括了天线匹配电路(片上变压器、片上电感、片上电容等)、收发切换开关等，通过将它们集成到芯片上，不仅降低了不同模块间的匹配难度，而且可以减小印刷电路上器件数量和体积，满足目前多种智能穿戴和低功耗物联网设备的需求，具有重要的市场价值和技术创新。

2、现有的射频收发匹配网络通常是包括天线匹配电路、收发切换开关。收发切换开关一般采用片上集成的单刀双掷开关，即一端连接天线，另两端分别连接接收通道和发射通道，当发射通道工作时，开关两端分别连接天线和发射通道，当接收通道工作时，开关两端分别连接天线和接收通道。天线匹配电路一般连同低噪声放大器(low noiseamplifier，lna)、功率放大器(power amplifier，pa)采用片上集成的电感、电容、变压器进行t型、l型、π型等结构匹配。

3、专利号为201810992425.3的发明专利公开了一种适用于恒包络非线性调制的片上集成收发匹配网络及方法，芯片在接收状态时，第一切换开关闭合，使片上发射电路的发射端tx到片外天线的端口之间没有信号连通，且第二切换开关关断，天线端口的信号得以通过天线匹配网络、片上变压器送至片上接收电路的接收端rx；在发射状态时，第一切换开关关断，使发射端tx的信号通过输出带通滤波网络送到天线端口，且第二切换开关闭合，使片上变压器处于短路连接到gnd的状态。

4、专利号为201910912740.5的发明专利公开了一种高频收发开关集成电路及其方法，包括天线连接引脚，天线连接引脚的第一端连接天线，天线连接引脚的第二端连接接收端电路，包括依次连接的电感l1、电容c31和低噪声放大器，电感l1和电容c31的连接节点还通过电容c1连接至mos管m1的栅极，mos管m1的源极接地；天线连接引脚的第三端连接发射端电路，包括依次连接的电容c32、谐振电路和功率放大器，天线连接引脚的第三端与电容c32的连接节点还通过电容c4连接至mos管m2的栅极，mos管m2的源极接地。

5、专利号为201510516258.1的发明专利公开了一种高频收发开关集成装置，所述高频收发开关集成装置的片上包括电感、电容、低噪声放大器、功率放大器和收发开关，其中，第一电感和第一电容串联，第二电容通过第二收发开关并联到地，形成第一通道，所述第一通道的第一电容连接低噪声放大器进行接收通道输入阻抗匹配；第一电感和第二电容、第二电感与第三电容串联，第一电容通过第一收发开关并联到地，形成第二通道，该第二通道的第三电感连接功率放大器进行发射功率匹配。

6、以上公开文献均为单模射频收发匹配网络，这种结构存在对外界电磁场抗干扰能力差、电源噪声大、地抖动大，传输距离短，偶次谐波大且难以滤除等问题。此外，即使是单端电路，也用到2个以上电感，假如转换成差分电路则需4个以上电感，多个电感会造成面积浪费。另外，天线端一般需要静电保护电路(electronic static discharge,esd)，防止击穿低噪声放大器中低阈值器件的管子。

技术实现思路

1、本发明的目的就是提供一种有芯片面积更小、抗干扰能力更强、低插入损耗、高隔离度、自带静电保护功能的带有片上balun的收发复用的射频匹配开关集成装置。

2、本发明包括balun模块、电源管理模块、单端开关电容模块、双端开关电容模块、功率放大器模块、低噪声放大器模块和收发开关模块。

3、所述的balun模块包括相互耦合的第一电感l1和第二电感l2；

4、所述的电源管理模块包括三个开关，其中第一开关k1的一端接高电压源vddh，第二开关k2的一端接低电压源vddl，第三开关k3的一端接地gnd，三个开关的另一端连接后接第二电感l2的中间端；

5、所述的单端开关电容模块包括多个单端电容dc和多个单端开关dk，单端电容dc和单端开关dk数量相同，一个单端电容dc的一端连接一个单端开关dk的一端，构成一个单端开关电容，所有单端电容dc的另一端连接第一电感l1的一端，作为开关集成装置的天线端antenna，所有单端开关dk的另一端连接后接地gnd，第一电感l1的另一端接地；

6、所述的双端开关电容模块包括多个双端电容sc和多个双端开关sk，双端开关sk的数量为双端电容sc数量的两倍，一个双端电容sc的两端分别连接两个双端开关sk的一端，构成一个双端开关电容；多个双端开关电容并联后的一端作为双端开关电容模块的正端，另一端作为双端开关电容模块的负端，双端开关电容模块正端和负端分别连接第二电感l2的两端；

7、所述的功率放大器模块包括四个nmos管和两个开关；第四开关k4的一端接偏置电压源vb，第五开关的一端接地gnd，两个开关的另一端连接后接第一nmos管n1的栅端和第二nmos管n2的栅端，第一nmos管n1的漏端接双端开关电容模块的正端，第二nmos管n2的漏端接双端开关电容模块的负端，第一nmos管n1的源端接第三nmos管n3的漏端，第二nmos管n2的源端接第四nmos管n4的漏端，第三nmos管n3的源端和第四nmos管n4的源端接地gnd；第三nmos管n3的栅端为功率放大器模块的正输入端vip，第四nmos管n4的栅端为功率放大器模块的负输入端vin；

8、所述的低噪声放大器模块包括两个相同的低噪声放大器和两个相同的电容；第一电容c1的一端接第一低噪声放大器lna1的输入端，第一低噪声放大器lna1的输出端作为低噪声放大器模块的正输出端vop；第二电容c2的一端接第二低噪声放大器lna2的输入端，第二低噪声放大器lna2的输出端作为低噪声放大器模块的负输出端von；

9、所述的收发开关模块包括四个开关；第六开关k6和第七开关k7的一端接第一电容c1的另一端，第六开关k6的另一端接低电压源vddl，第七开关k7的另一端接双端开关电容模块的正端；第八开关k8和第九开关k9的一端接第二电容c2的另一端，第八开关k8的另一端接低电压源vddl，第九开关k9的另一端接双端开关电容模块的负端。

10、本发明的有益效果包括：射频收发匹配网络是双模结构，通过片上balun将输入天线信号转化成差分信号，输出至差分低噪声放大器和差分功率放大器，实现分时复用。这种结构对外界电磁场抗干扰能力强、电源噪声抑制能力强、地抖动影响小，传输距离长，偶次谐波小。通过balun电感作为低噪声放大器的输入匹配，功率放大器的输出匹配，芯片面积变得更小更有利于集成。天线端信号通过balun耦合进入低噪声放大器，可以滤除静电干扰。通过单端开关电容模块和差分开关电容模块，可以调节接收输入匹配和发射输出匹配因封装、工艺角等变化导致的误差。通过电源管理模块可以控制功率放大器模块输出功率和功耗的大小，满足多种应用需求。在收发开关模块中，通过增大第七开关k7和第九开关k9尺寸，减小导通电阻，并在发射时断开第七开关k7和第九开关k9关，并上拉电源形成低阻通路，从而降低第七开关k7和第九开关k9断开时的寄生电容对低噪声放大器影响，实现隔离。本发明芯片面积更小，自带静电保护功能，低插入损耗、高隔离，此外还具有电磁场抗干扰能力强、电源噪声抑制能力强、地抖动影响小，传输距离长，偶次谐波小等优势。