阅读说明：本技术 一种可编程电容阵列结构 (Programmable capacitor array structure ) 是由 戴若凡 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可编程电容阵列结构,包括：电容阵列,包括分布于单刀多掷开关两端的两级电容阵列,该两级电容阵列的各相应电容反向串联于所述单刀多掷开关两端,用于给单刀多掷开关的每个射频开关支路提供不同的电容并组合得到更多不同容值；单刀多掷开关,包括多个射频开关支路,用于在控制逻辑模块的控制下将所述电容阵列的各电容支路选择性地连接在射频输入口和射频输出口间以提供射频通路；控制逻辑模块,用于在系统控制信号的控制下产生接通和断开所述单刀多掷开关各射频开关支路所需的栅极电压和源漏控制信号。(The invention discloses a programmable capacitor array structure, comprising: the capacitor array comprises two-stage capacitor arrays distributed at two ends of the single-pole multi-throw switch, and corresponding capacitors of the two-stage capacitor arrays are reversely connected in series at two ends of the single-pole multi-throw switch and are used for providing different capacitors for each radio frequency switch branch of the single-pole multi-throw switch and combining the capacitors to obtain more different capacitance values; the single-pole multi-throw switch comprises a plurality of radio frequency switch branches and a control logic module, wherein the radio frequency switch branches are used for selectively connecting each capacitor branch of the capacitor array between a radio frequency input port and a radio frequency output port under the control of the control logic module so as to provide a radio frequency path; and the control logic module is used for generating grid voltage and source-drain control signals required for switching on and switching off each radio frequency switch branch of the single-pole multi-throw switch under the control of a system control signal.)

一种可编程电容阵列结构

技术领域

本发明涉及一种可编程电容阵列结构，特别是涉及一种可改善电容阵列与射频开关功率分布、减小谐波非线性以及改善品质因数的可编程电容阵列电路。

背景技术

随着移动设备的发展，天线尺寸愈来愈小，而应用频段和频带却越来越宽，经常需要孔径调谐(Aperture Tuning)和阻抗调谐(Impedance Tuning)配合使用，使用可编程电容阵列可以在大范围调谐天线阻抗，实现天线多模多频高效率重用。图1为孔径调谐和阻抗调谐示意图，孔径调谐电路连接在天线ANT和地之间，阻抗调谐电路连接在天线ANT和射频前端RFFE之间，一般使用可编程电容阵列来实现孔径调谐和阻抗调谐。

可编程电容阵列，作为天线调谐器关键组件，能够改善实现天线多模多频高效率重用。可编程电容阵列由高性能射频开关控制模组SPnT及电容阵列组成，其关键性能有功率能力、线性度，电容调节比及步长，品质因数等。

图2为传统可编程电容阵列示意图，射频信号从P1口进入，通过n条支路传输至射频输出口P2，每条支路由电容Ci和射频开关支路SWi级联组成，i＝1、2、……、n，其中，电容C1～Cn组成电容阵列(Capacitor Array)，射频开关支路SW1～SWn组成单刀多掷开关(SPnT)。

图3为传统可编程电容阵列电路，其包括电容阵列10、单刀多掷开关(SPnT)20和控制逻辑模块30。其中，电容阵列10由电容C1～Cn组成，通常C1～Cn按幂次排列，如Ci＝2^i-1C，i＝1、2、……、n，用于给每个支路提供不同的电容；单刀多掷开关(SPnT)20由射频开关支路SW1～SWn组成，用于在控制逻辑模块30的控制下将电容C1～Cn选择性连接在射频输入口T和射频输出口ANT间；控制逻辑模块30由低压差稳压器LDO、逻辑电路(Logic)、电平位移器(Level shift)和负压发生器NVG组成，用于在系统控制信号Control的控制下产生接通和断开单刀多掷开关(SPnT)20各射频开关支路所需的偏置正压和偏置负压。

图4为传统可编程电容阵列电路之射频开关支路示意图，其由栅极公共电阻Rgc(i)、体极公共电阻Rbc(i)和Ki个射频开关级联组成，每个射频开关由开关管M(i，j)、栅极电阻Rg(i，j)、体极电阻Rb(i，j)和漏源电阻Rsd(i，j)组成，i＝1、2、……、n，j＝Ki、Ki-1、……、1。图4所示为传统可编程电容阵列电路之射频开关支路，即图3中的SWi，Ki组射频开关组成1条射频开关支路，共n条射频开关支路，Ki＝m，i＝1、2、……、n，即所有射频开关支路的层叠级数一致。

将图4所示射频开关支路于电容级联组成可编程电容阵列支路，即图5上部，其射频开关支路接通和断开时等效电路为图5左下和右下所示。该支路电容对应品质因素Q和开关承受的电压Vsw分别为：

m/2＜Ki＜m

图5和上式中，Rsw为射频开关支路接通时的总导通电阻，Ron为单个射频开关接通时的单位宽度导通电阻，C为可编程电容阵列支路电容，V_RF为射频电压，Csw为射频开关支路断开时的分布电容，m为射频开关支路级联的射频开关数Ki，w为单个射频开关的宽度，f为工作频率。

然而，由于传统可编程电容阵列使用单级电容，各支路开关层叠级数一致，未能优化品质因数及功率能力，且射频开关采用负压控制，需要电位平移器，数字结构复杂，占用较大面积。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种可编程电容阵列结构，其不仅可增加电容阵列功率抗压能力，改善电容阵列与射频开关功率分布，缩小射频开关功率能力要求，从而减小层叠级数，继而减小导通电阻，改善品质因数的设计。

本发明之另一目的在于提供一种可编程电容阵列结构，可在构成调谐电容阵列的同时能够兼作射频开关控制DC隔直作用，其射频开关采用栅源相对电压控制，无需负压产生电路及电位平移器，简化了数字控制电路结构及数字射频隔离要求。

本发明之再一目的在于提供一种可编程电容阵列结构，可改善电路的谐波非线性。

为达上述及其它目的，本发明提出一种可编程电容阵列结构，包括：

电容阵列，包括分布于单刀多掷开关两端的两级电容阵列，该两级电容阵列的各电容支路串联于所述单刀多掷开关两端，用于给单刀多掷开关的每个射频开关支路提供不同的电容并组合得到更多不同容值；

单刀多掷开关，包括多个射频开关支路，用于在控制逻辑模块的控制下将所述电容阵列的各电容支路选择性地连接在射频输入口和射频输出口间以提供射频通路；

控制逻辑模块，用于在系统控制信号的控制下产生接通和断开所述单刀多掷开关各射频开关支路所需的栅极电压和源漏控制信号。

优选地，该两级电容阵列分别由两组电容C11～Cn1以及C12～Cn2组成，该两组电容中相对应电容在对应电容阵列支路经过对应的射频开关支路反向串联，反向串联的电容Ci1和Ci2与所述单刀多掷开关的射频开关支路SWi组成可编程电容阵列支路。

优选地，射频输入信号从所述射频输入口连接至第一级电容阵列C11～Cn1各电容的正/负端，各电容Ci1的负/正端连接至对应射频开关支路SWi的输入端，所述射频开关支路SWi的各输出端P2i连接至第二级电容阵列C12～Cn2相应电容Ci2的负/正端，所述第二级电容阵列电容C12～Cn2各电容的正/负端连接至所述射频输出口。

优选地，各射频开关支路SWi包括依次级联的开关管M(i,Ki)～M(i,1)，第一级电容阵列的电容Ci1的负端连接至开关管M(i,Ki)的漏极，开关管M(i,Ki)的源极连接至开关管M(i,Ki-1)的漏极，…，开关管M(i,2)的源极连接至开关管M(i,1)的漏极；体极电阻Rb(i,j)连接在开关管M(i,j)的体极和体极公共电阻Rbc(i)的一端间，体极公共电阻Rbc(i)的另一端接地，漏源电阻Rds(i,j)连接在开关管M(i,j)的漏极和源极间，栅极电阻Rg(i,j)连接在开关管M(i,j)的栅极和栅极公共电阻Rgc(i)的一端间，栅极公共电阻Rgc(i)的另一端连接栅极电压Vgi，开关管M(i,1)的源极为所述射频开关支路SWi的输出端P2i，所述栅极电压Vgi还连接至与非门NANDi的一端，开关阵列许可信号En连接至与非门NANDi的另一端，与非门NANDi的输出端通过隔离电阻Rc(i)连接至开关管M(i,1)的源极。

优选地，所述控制逻辑模块包括低压差稳压器、逻辑电路，所述系统控制信号连接至所述逻辑电路的输入端，电源连接至所述低压差稳压器的输入端，所述低压差稳压器的输出端连接至所述逻辑电路的电源端，所述逻辑电路的输出端连接至所述单刀多掷开关的各射频开关支路SWi的栅极电压和源漏控制信号输入端。

优选地，所述第一级电容阵列的电容C11～Cn1按幂次排列。

优选地，所述第二级电容阵列的电容C12～Cn2为幂次排列。

优选地，每一个射频开关支路SWi的层叠级数根据电容阵列权重各不相同。

优选地，所述电容阵列的两级电容阵列串联结构采用先反向并联再反向串联阵列布局结构以改善谐波非线性。

优选地，所述两级电容阵列分别由两组电容C11～Cn1以及C12～Cn2组成，该两组电容中相对应电容在对应电容阵列支路经过对应的射频开关支路反向串联，反向串联的电容Ci1和Ci2与所述单刀多掷开关的射频开关支路SWi组成可编程电容阵列支路，电容Ci1由电容Ci1a和电容Ci1b并联，且反向并联，电容Ci2由Ci2a和Ci2b并联，且反向并联，然后再反向串联在所述单刀多掷开关对应射频开关支路的两端。

与现有技术相比，本发明一种可编程电容阵列结构通过采用两级电容阵列串联可增加电容阵列功率抗压能力，改善电容阵列与射频开关功率分布，缩小射频开关功率能力要求，从而减小层叠级数，继而减小导通电阻，改善品质因数的设计，而且本发明通过两级电容阵列串联分布于单刀多掷开关两端，在构成调谐电容阵列的同时能够兼作射频开关控制DC隔直作用，射频开关采用栅源相对电压控制，无需负压产生电路及电位平移器，简化了数字控制电路结构及数字射频隔离要求，本发明还进一步通过对两级电容阵列串联采用先反向并联再反向串联阵列布局，可以改善谐波非线性。

附图说明

图1为现有技术天线阻抗匹配和孔径调谐示意图；

图2为传统可编程电容阵列示意图；

图3为传统可编程电容阵列电路示意图；

图4为传统可编程电容阵列电路之射频开关支路示意图；

图5为传统可编程电容阵列支路示意图；

图6为本发明一种可编程电容阵列结构一实施例的电路示意图；

图7a为本发明图6之可编程电容阵列支路的结构示意图；

图7b为本发明之射频开关支路SWi的具体电路结构图；

图8为本发明一种可编程电容阵列结构另一实施例的电路示意图；

图9a为不同组合之电容网络示意图；

图9b为本发明之串并联阵列的示意图；

图10a为本发明与传统技术之Q值对比图；

图10b为本发明与传统技术之谐波对比图

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图6为本发明一种可编程电容阵列结构一实施例的电路示意图。如图6所示，本发明一种可编程电容阵列结构，包括：电容阵列(Capacitor)10、单刀多掷开关(SPnT)20和控制逻辑模块30。

其中，电容阵列10包括分布于单刀多掷开关(SPnT)20两端的两级电容阵列，该两级电容阵列串联分布于射频开关两端在构成调谐电容阵列的同时能够兼作射频开关控制DC隔直作用，该两级电容阵列分别有两组电容C11～Cn1以及C12～Cn2组成，该两组电容的相应电容在对应电容阵列支路反向串联，通常C11～Cn1和C12～Cn2按幂次排列，如Ci1＝Ci2＝2ⁱC，该支路总电容Ci＝2^i-1C，i＝1、2、……、n，按幂次排列的电容用于给每个支路提供不同的电容并可以组合得到不同容值；单刀多掷开关(SPnT)20由射频开关支路SW1～SWn组成，用于在控制逻辑模块30的控制下将电容C11～Cn1和C12～Cn2选择性串联后连接在射频输入口T和射频输出口ANT间以提供射频通路；控制逻辑模块30由低压差稳压器LDO和逻辑电路(Logic)组成，用于在系统控制信号Control的控制下产生接通和断开单刀多掷开关(SPnT)20各射频开关支路所需的栅极电压Vgi和源漏控制信号En，i＝1、2、……、n。

反向串联的电容Ci1和Ci2与射频开关支路SWi组成可编程电容阵列支路，i＝1、2、……、n，如图7a所示，Ci1正端为射频输入口T，Ci1的负端连接至开关SWi的输入端即开关管M(i,Ki)的漏极，开关SWi的输出端P2i即开关管M(i,1)的源极连接至电容Ci2的负端，Ci2的正端连接至射频输出口ANT；图7b为本发明之射频开关支路SWi具体电路结构图，开关管M(i,Ki)～M(i,1)依次级联，即开关管M(i,Ki)的源极连接至开关管M(i,Ki-1)的漏极，……，开关管M(i,2)的源极连接至开关管M(i,1)的漏极；体极电阻Rb(i,j)连接在开关管M(i,j)的体极和体极公共电阻Rbc(i)的一端间，体极公共电阻Rbc(i)的另一端接地，漏源电阻Rds(i,j)连接在开关管M(i,j)的漏极和源极间，栅极电阻Rg(i,j)连接在开关管M(i,j)的栅极和栅极公共电阻Rgc(i)的一端间，栅极公共电阻Rgc(i)的另一端连接栅极电压Vgi，j＝Ki、Ki-1、……、1，开关管M(i,1)的源极即射频开关支路SWi的输出端P2i；栅极电压Vgi还连接至与非门NANDi的一端，源漏控制信号En连接至与非门NANDi的另一端，与非门NANDi的输出端通过隔离电阻Rc(i)连接至开关管M(i,1)的源极。

需说明的是，图7a中串联的电容也可以整体反向，即电容Ci1的负端接射频输入口T，电容Ci1的正端接开关SWi的输入端即开关管M(i,Ki)的漏极，另一个电容Ci2的负端连接至射频输出口ANT，开关SWi的输出端P2i即开关管M(i,1)的源极连接至电容Ci2的正端，。

具体地，射频输入信号从射频输入口T连接至C11～Cn1的正端；Ci1的负端连接至开关SWi的输入端，开关SWi的输出端P2i连接至Ci2的负端，i＝1、2、……、n；C12～Cn2的正端连接至射频输出口ANT；系统控制信号Control连接至控制逻辑模块30的逻辑电路(Logic)的输入端，电源AVDD连接至低压差稳压器LDO的输入端，低压差稳压器LDO的输出端连接至逻辑电路(Logic)的电源端，逻辑电路(Logic)的输出端连接至单刀多掷开关(SPnT)20的各射频开关支路SWi的栅极电压Vgi和源漏控制信号En输入端，i＝1、2、……、n。

可见，本发明中电容阵列采用两级电容阵列串联，这种结构可改善电容阵列与射频开关功率分布，缩小射频开关功率能力要求，从而减小层叠级数，继而减小导通电阻，改善品质因数，并且本发明通过协同设计电容阵列拓扑结构及射频开关的控制与偏置，将两级电容阵列串联分布于射频开关两端，在构成调谐电容阵列的同时能够兼作射频开关控制DC隔直作用，射频开关采用栅源相对电压控制，无需负压产生电路及电位平移器，简化了数字控制电路结构及数字射频隔离要求。

需说明的是，在本发明中，每一个射频开关支路SWi的层叠级数根据电容阵列权重优化设计各不相同，即K1、K2、……、Kn不完全相等，Kn＝m，可最大可能优化品质因数。

在本发明另一实施例中，如图8所示，其电容阵列10的两级电容阵列串联的结构采用先反向并联再反向串联阵列布局以改善谐波非线性。

以下先说明本实施例的原理：

集成电路中，电容具有非线性，其表达式如下：

C(V)＝C₀(1+b₁V+b₂V²)

式中，C₀为静态电容，b₁与二次谐波相关，b₂与三次谐波相关。

考虑电容的非线性，对不同组合(单个、同向并联、反向并联、同向串联、反向串联)的电容网络(图9a)进行仿真，电容非线性对比的仿真结果如表1所示，可见同向并联最差，同向串联可以一定程度降低二次和三次谐波，而并联电容阵列采用反向并联可以改善偶次谐波，串联电容采用反向串联可同时改善奇次谐波和偶次谐波，故两级电容阵列串联采用先反向并联再反向串联阵列布局可以改善谐波非线性，如图9b。

表1电容非线性对比

	单个	同向并联	反向并联	同向串联	反向串联
						H2	b<sub>1</sub>	b<sub>1</sub>	0	b<sub>1</sub>/2	0
H3	b<sub>2</sub>	b<sub>2</sub>	b<sub>2</sub>	b<sub>2</sub>/4	b<sub>2</sub>/4

由此得到图8的实现形式，即在图7的基础上，电容Ci1变为Ci1a和Ci1b并联，i＝1、2、……、n，且反向并联；电容Ci2变为Ci2a和Ci2b并联，且反向并联，i＝1、2、……、s，然后再反向串联在单刀多掷开关对应射频开关支路的两端，以改善谐波非线性。

图10a为本发明与传统技术之Q值对比图，菱形点连线为发明仿真曲线，方形点连线为传统技术仿真曲线；图10b为本发明与传统技术之谐波对比图，圆形点实连线为本发明之二次谐波仿真曲线，菱形点实连线为本发明之三次谐波仿真曲线，三角形点实连线为本发明之四次谐波仿真曲线，圆形点虚连线为传统技术之二次谐波仿真曲线，菱形点虚连线为传统技术之三次谐波仿真曲线，三角形点虚连线为传统技术之四次谐波仿真曲线。仿真结果表明本发明电容整列Q值改善8以上，谐波改善3-6dB。

综上所述，本发明一种可编程电容阵列结构通过采用两级电容阵列串联可增加电容阵列功率抗压能力，改善电容阵列与射频开关功率分布，缩小射频开关功率能力要求，从而减小层叠级数，继而减小导通电阻，改善品质因数的设计，而且本发明通过两级电容阵列串联分布于单刀多掷开关两端，在构成调谐电容阵列的同时能够兼作射频开关控制DC隔直作用，射频开关采用栅源相对电压控制，无需负压产生电路及电位平移器，简化了数字控制电路结构及数字射频隔离要求，本发明还进一步通过对两级电容阵列串联采用先反向并联再反向串联阵列布局，可以改善谐波非线性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。