專利名稱：吸收式微波單刀單擲開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波開(kāi)關(guān)，具體地說(shuō)，涉及吸收式微波開(kāi)關(guān)(absorptivemicrowave switch)。
背景技術(shù)：
吸收式開(kāi)關(guān)對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者是有吸引力的部件，作為輸入，且理想的是作為輸出，開(kāi)關(guān)的反射系數(shù)保持恒定，而與開(kāi)關(guān)的狀態(tài)無(wú)關(guān)。這減少了開(kāi)關(guān)對(duì)諸如信號(hào)源的頻率牽引的系統(tǒng)參數(shù)的影響，或者其他瞬時(shí)效應(yīng)的引入，其在基于很短間隔時(shí)間的系統(tǒng)中可能是有問(wèn)題的。
吸收式開(kāi)關(guān)的一個(gè)缺陷在于在將開(kāi)關(guān)選擇為處于非傳輸或隔離狀態(tài)時(shí)，不得不將假(dummy)或附加的負(fù)載引入要出現(xiàn)在輸入網(wǎng)絡(luò)的電路中，以吸收任何入射能。該假負(fù)載占用了集成電路(IC)設(shè)計(jì)中的寶貴的電路板空間，這直接轉(zhuǎn)化為增加的電路成本和降低的成品率。
因此，目前存在對(duì)一種不利用假負(fù)載的吸收式開(kāi)關(guān)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例包括一種開(kāi)關(guān)電路，其包括第一差分放大器對(duì)，用于提供一部分隔離通道，第二差分放大器對(duì)，用于提供一部分傳輸通道，和第三差分放大器對(duì)，用于提供用來(lái)選擇傳輸通道或隔離通道(isolation channel)的控制偏置。
本發(fā)明的實(shí)施例還包括一種用于在電路的輸入和輸出之間提供隔離的方法，包括步驟提供包括至少一個(gè)第一差分放大器對(duì)的第一通道，所述第一通道提供在電路的輸入和輸出之間的隔離，提供包括至少一個(gè)第二差分放大器對(duì)的第二通道，所述第二通道提供在電路的輸入和輸出之間的耦合，以及提供用于選擇第一通道或第二通道之一的控制偏置。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的開(kāi)關(guān)電路。
圖2示出了實(shí)現(xiàn)為集成電路的圖1的開(kāi)關(guān)電路。
圖3(a)是示出了在隔離和傳輸兩個(gè)狀態(tài)下圖1的開(kāi)關(guān)電路的輸入反射系數(shù)的頻率相對(duì)于分貝(dB)響應(yīng)的曲線圖。
圖3(b)是示出了當(dāng)開(kāi)關(guān)電路交替處于隔離和“傳輸”狀態(tài)下時(shí)圖1的開(kāi)關(guān)電路的傳輸特性的頻率相對(duì)于分貝(dB)響應(yīng)的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例包括吸收式微波開(kāi)關(guān)電路，其在15千兆赫茲(GHz)至26GHz的范圍上在輸入和輸出之間提供35分貝(dB)的隔離，仍僅為500微米(μm)×250μm的大小。由于最近已經(jīng)將24GHz用于提供用于近程汽車傳感器的脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，所以本發(fā)明尤其將被應(yīng)用于這樣的系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)電路保證了在傳輸或吸收狀態(tài)之間在輸入反射系數(shù)中幾乎不存在可察覺(jué)的變化。在傳輸狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)為在14.2GHz和25.5GHz之間的輸入信號(hào)提供了增益，并且具有超過(guò)12GHz的1dB損耗帶寬。最后，恒定偏流方案的使用使得狀態(tài)之間的切換極快，這使得開(kāi)關(guān)被用來(lái)產(chǎn)生上升與下降時(shí)間為大約60微微秒(pS)的、長(zhǎng)度為200pS的脈沖。包括偏置電路的整個(gè)開(kāi)關(guān)僅需來(lái)自+5伏(V)電源的12毫安(mA)。
如上所述，本發(fā)明尤其將被應(yīng)用于汽車傳感系統(tǒng)，需要其通常以小于10cm的距離分辨能力，檢測(cè)距離在5厘米(cm)和10米(m)至30m之間的物體。這些要求直接轉(zhuǎn)化為小于2納秒(ns)的最小脈沖間周期(對(duì)應(yīng)于從距離傳感器10cm的物體反射的脈沖的雙向飛行時(shí)間)，以及小于500pS的所需脈沖寬度。這些設(shè)計(jì)因素需要具有快切換的電路。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、吸收式單刀單擲(SPST)開(kāi)關(guān)電路100，其包括輸入端子Vin和輸出端子Vout以及控制端子Vcontrol。開(kāi)關(guān)電路100還包括包括晶體管Q1和Q2的第一差分放大器對(duì)110、包括晶體管Q3和Q4的第二差分放大器對(duì)120、和包括晶體管Q5和Q6的第三差分放大器對(duì)130。晶體管Q1至Q4的每一個(gè)的集電極都耦合到電源電壓Vcc。晶體管Q3和Q4還包括耦合在集電極和Vcc之間的電感器140、150。晶體管Q5的集電極被耦合到晶體管Q1和Q2的發(fā)射極，而晶體管Q6的集電極被耦合到晶體管Q3和Q4的發(fā)射極。晶體管Q5和Q6的發(fā)射極被耦合到電流源Icc。
在操作中，由控制信號(hào)Vcontrol給晶體管Q6加偏置以使其導(dǎo)通來(lái)選擇開(kāi)關(guān)100的“傳輸”狀態(tài)。這是通過(guò)提供高于負(fù)側(cè)上的晶體管Q6的結(jié)電壓(例如，-0.7伏)的控制信號(hào)Vcontrol來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在“傳輸”狀態(tài)下，進(jìn)入輸入端子Vin的信號(hào)被耦合到輸出端子Vout。晶體管Q6的偏壓導(dǎo)通依次給晶體管Q3和Q4加偏置以使其導(dǎo)通，從而創(chuàng)建從輸入端子Vin到在晶體管Q3和Q4的各個(gè)集電極處的輸出端子Vout的信號(hào)路徑。因此，輸入信號(hào)被傳輸?shù)捷敵觥?br> 或者，如果Vcontrol通過(guò)給晶體管Q5加偏置以使其導(dǎo)通來(lái)選擇開(kāi)關(guān)100的“隔離”狀態(tài)，則進(jìn)入輸入端子Vin的信號(hào)與輸出端子Vout去耦合。與“傳輸”狀態(tài)下的相同，這是通過(guò)提供高于正側(cè)上的晶體管Q5的結(jié)電壓(例如，+0.7伏)的控制信號(hào)Vcontrol來(lái)實(shí)現(xiàn)的。晶體管Q5的偏壓導(dǎo)通依次給晶體管Q1和Q2加偏置以使其導(dǎo)通，從而創(chuàng)建從輸入端子Vin到晶體管Q2和Q3的基極之間的中點(diǎn)的信號(hào)路徑。因此，輸入與輸出“隔離”。
在“傳輸”狀態(tài)下，當(dāng)截止時(shí)晶體管對(duì)Q1、Q2的高輸入阻抗最小化了Q3和Q4上的電路負(fù)載，并且電路表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的差分放大器，其在匹配時(shí)，可以給輸入信號(hào)提供增益。以電感器140、150為形式的偏置扼流(bias choke)用來(lái)將DC電壓源Vcc與輸出微波信號(hào)Vout隔離。
在“隔離”狀態(tài)下，由晶體管Q3和Q4呈現(xiàn)的高阻抗使得其僅給輸入電路輕微加載。輸入電壓Vin主要被傳送給Q1、Q2對(duì)，其中該Q1、Q2對(duì)當(dāng)作虛擬的RF地。因而，差分對(duì)Q1、Q2可以被看作理想的單向放大器。
開(kāi)關(guān)電路100提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，經(jīng)過(guò)晶體管Q5和Q6有區(qū)別地施加控制信號(hào)Vcontrol使得能夠容易地選擇傳輸狀態(tài)或隔離狀態(tài)。此外，由于開(kāi)關(guān)從來(lái)不必耗盡高電流密度，所以在兩個(gè)差分放大器對(duì)110、120之間的恒定電流引導(dǎo)(steering)確保了在兩個(gè)狀態(tài)之間的極高速度的切換。特別地，開(kāi)關(guān)電路提供了在24GHz時(shí)上升與下降時(shí)間為大約60pS的、大約220pS的脈沖寬度。
開(kāi)關(guān)電路100可以使用任何基于商業(yè)上可用的晶體管的半導(dǎo)體處理工藝，諸如硅鍺(SiGe)處理工藝(例如，Atmel SiGE2basic)，來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖2示出了以SiGe實(shí)現(xiàn)的圖1的開(kāi)關(guān)電路100的照片。如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的，也可以以其它襯底，諸如硅鎵砷(SiGaAs)或銦磷化物(InP)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2中所示，開(kāi)關(guān)電路還包括輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)(在圖1的理想電路圖中未示出)，其包括為以24GHz的中心頻率運(yùn)行而設(shè)計(jì)的一系列電感器和電阻器。將第一和第二差分放大器對(duì)110、120放置成彼此相鄰，并經(jīng)過(guò)輸入信號(hào)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)。Q3-Q4的集電極連接到輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)Q1-Q2的集電極直接連接在一起，并進(jìn)一步直接連接到源電壓Vcc。包括輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置電路的、圖2中所示的開(kāi)關(guān)電路的整個(gè)電路區(qū)域是500μm×250μm。
圖3(a)示出了在開(kāi)關(guān)電路100的傳輸和吸收(隔離)兩種狀態(tài)下其輸入反射系數(shù)。由于流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DC電流已保持恒定，所以在每種狀態(tài)下反射系數(shù)之間的差異是極小的。通過(guò)將差分對(duì)Q1-Q2的虛擬射頻(RF)地用作負(fù)載，而不是將輸入信號(hào)引導(dǎo)到匹配的負(fù)載中以提供吸收條件的更常規(guī)的技術(shù)，來(lái)使其生效。在傳輸狀態(tài)下，如圖3(b)所示，在14GHz-28GHz上實(shí)現(xiàn)了超過(guò)30dB的導(dǎo)通-截止比，并且測(cè)量到超過(guò)12GHz的1dB插入損耗帶寬。
盡管已通過(guò)示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此。相反，所附的權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)被更廣泛地解釋以包括本發(fā)明的其它變化和實(shí)施例，其可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的等同物的保護(hù)范圍和變化范圍的情況下來(lái)做出。
權(quán)利要求
1.一種開(kāi)關(guān)電路，包括第一差分放大器對(duì)，用于提供一部分隔離通道；第二差分放大器對(duì)，用于提供一部分傳輸通道；和第三差分放大器對(duì)，用于提供用來(lái)選擇傳輸通道或隔離通道的控制偏置。
2.如權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電路，還包括耦合到第一差分放大器對(duì)的輸入端子；和耦合到第二差分放大器對(duì)的輸出端子。
3.如權(quán)利要求2的開(kāi)關(guān)電路，還包括耦合到第三差分放大器對(duì)的控制端子。
4.如權(quán)利要求3的開(kāi)關(guān)電路，其中所述控制端子給第三差分放大器對(duì)提供偏置電壓，以使能差分放大器對(duì)中的兩個(gè)晶體管之一。
5.如權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電路，其中第三差分放大器對(duì)的第一晶體管被置于傳輸通道中，而第三差分放大器對(duì)的第二晶體管被置于隔離通道中。
6.如權(quán)利要求5的開(kāi)關(guān)電路，其中使能第一晶體管允許輸入信號(hào)進(jìn)行到電路的輸出端子，而使能第二晶體管禁止輸入信號(hào)進(jìn)行到輸出端子。
7.如權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電路，其中電路在硅鍺襯底上被形成為集成電路。
8.如權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電路，其中第一和第二差分放大器對(duì)的每一個(gè)包括其發(fā)射極耦合在一起的至少兩個(gè)晶體管。
9.如權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電路，其中第二差分放大器對(duì)包括至少兩個(gè)晶體管，其中至少一個(gè)電感器耦合到至少兩個(gè)晶體管的各個(gè)集電極中的每一個(gè)。
10.如權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電路，其中控制偏置的脈沖寬度小于500微微秒。
11.如權(quán)利要求1的開(kāi)關(guān)電路，其中控制偏置的脈沖寬度在200-300微微秒之間。
12.一種用于在電路的輸入和輸出之間提供隔離的方法，包括步驟提供包括至少一個(gè)第一差分放大器對(duì)的第一通道，所述第一通道提供在電路的輸入和輸出之間的隔離；提供包括至少一個(gè)第二差分放大器對(duì)的第二通道，所述第二通道提供在電路的輸入和輸出之間的耦合；以及提供用于選擇第一通道或第二通道之一的控制偏置。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中提供控制偏置的步驟包括提供控制電壓給差分放大器對(duì)的基極。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中控制電壓的脈沖寬度小于500微微秒。
15.如權(quán)利要求13的方法，其中控制電壓的脈沖寬度在200-300微微秒之間。
全文摘要
一種開(kāi)關(guān)電路，包括第一差分放大器對(duì)(Q1，Q2)，用于提供一部分隔離通道；第二差分放大器對(duì)(Q3，Q4)，用于提供一部分傳輸通道；和第三差分放大器對(duì)(Q5，Q6)，用于提供用來(lái)選擇傳輸通道或隔離通道的控制偏置。所述開(kāi)關(guān)電路在15GHz－26GHz范圍上在輸入和輸出之間提供35dB隔離，仍僅為500μ×250μ的大小。
文檔編號(hào)H03F3/45GK1820412SQ200480019549
公開(kāi)日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2004年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月7日
發(fā)明者羅伯特·I·格雷沙姆 申請(qǐng)人:M/A-Com公司