背景

領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路，尤其涉及高壓射頻衰減器。

背景

在射頻接收機(jī)中可使用可變衰減器以在大的收到信號(hào)到達(dá)敏感的接收機(jī)設(shè)備之前衰減這些信號(hào)。來自天線的收到信號(hào)可以如此大以至于該收到信號(hào)將損害一些接收機(jī)電路。例如，在近場(chǎng)通信(nfc)系統(tǒng)中來自天線的信號(hào)可以大至100伏。

圖9是解說了高壓射頻衰減器1011的使用的射頻接收機(jī)的功能框圖。射頻衰減器1011從天線1001接收射頻(rf)信號(hào)并選擇性地衰減該rf信號(hào)。經(jīng)衰減的rf信號(hào)被提供給包絡(luò)檢測(cè)器1021。包絡(luò)檢測(cè)器1021將其輸出提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)1031。adc1031的輸出由數(shù)字信號(hào)處理器1041處理。

在片上系統(tǒng)(soc)集成電路中實(shí)現(xiàn)射頻接收機(jī)(例如，用于nfc)是困難的。例如，將來自天線的高壓(例如，100v差分峰到峰)rf信號(hào)對(duì)接到在亞微米soc中實(shí)現(xiàn)的接收機(jī)電路是有挑戰(zhàn)的，因?yàn)閟oc制造技術(shù)是針對(duì)低壓(例如，1v)開發(fā)的。一些現(xiàn)有的nfc接收機(jī)例如已使用soc外部的電容器和其他電路元件來衰減以處理高壓。

另外，rf信號(hào)可具有大的動(dòng)態(tài)范圍(例如，55db)。一些現(xiàn)有的nfc接收機(jī)已使用可變衰減器，這些可變衰減器在最低衰減設(shè)置中具有顯著衰減。這得到可使接收機(jī)的性能降級(jí)的弱信號(hào)。因此，如果衰減器以最小衰減傳遞最小rf信號(hào)，則可改善接收機(jī)的性能。

概覽

在一方面，提供了一種用于選擇性地衰減rf輸入以產(chǎn)生rf輸出的高壓射頻(rf)衰減器，所述衰減器包括：衰減器單元，所述衰減器單元包括耦合電容器和分壓電容器，所述耦合電容器具有連接到所述rf輸入的第一端子和連接到所述rf輸出的第二端子，所述分壓電容器具有連接到所述rf輸出的第一端子和連接到至接地參考的開關(guān)的第二端子，其中，所述耦合電容器和所述分壓電容器形成在相同的集成電路區(qū)域中。

在一方面，提供了一種用于選擇性地衰減rf輸入以產(chǎn)生rf輸出的高壓射頻衰減器，所述rf輸入包括正rf輸入和負(fù)rf輸入，所述rf輸出包括正rf輸出和負(fù)rf輸出。所述衰減器包括衰減器單元，所述衰減器單元包括：正側(cè)電容性分壓器，所述正側(cè)電容性分壓器包括耦合電容器和分壓電容器，所述耦合電容器具有連接到所述正rf輸入的第一端子和連接到所述正rf輸出的第二端子，所述分壓電容器具有連接到所述正rf輸出的第一端子，所述分壓電容器的第二端子連接到至接地參考的第一開關(guān)，其中，所述耦合電容器和所述分壓電容器形成在相同的集成電路區(qū)域中；以及負(fù)側(cè)電容性分壓器，所述負(fù)側(cè)電容性分壓器包括耦合電容器和分壓電容器，所述耦合電容器具有連接到所述負(fù)rf輸入的第一端子和連接到所述負(fù)rf輸出的第二端子，所述分壓電容器具有連接到所述負(fù)rf輸出的第一端子，所述分壓電容器的第二端子連接到至所述接地參考的第二開關(guān)，其中，所述耦合電容器和所述分壓電容器形成在相同的集成電路區(qū)域中。

在一方面，提供了一種用于可變地衰減射頻(rf)輸入的方法。所述方法包括：使用多個(gè)耦合電容器將所述rf輸入耦合到rf輸出；以及將多個(gè)分壓電容器的端子有條件地連接到接地，其中，所述多個(gè)耦合電容器中的每個(gè)耦合電容器形成在與所述多個(gè)分壓電容器中的一者相同的集成電路區(qū)域中。

在一方面，提供了一種裝備，所述裝備包括：用于耦合電容器裝置的裝置，所述耦合電容器裝置具有連接到rf輸入的第一端子和連接到rf輸出的第二端子，以及分壓電容器裝置，所述分壓電容器裝置具有連接到所述rf輸出的第一端子和連接到至接地參考的開關(guān)的第二端子，其中，所述耦合電容器裝置和所述分壓電容器裝置形成在相同的集成電路區(qū)域中。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從通過示例解說本發(fā)明的各方面的以下描述而變得明了。

附圖簡(jiǎn)述

本發(fā)明的細(xì)節(jié)(就其結(jié)構(gòu)和操作兩者而言)可通過研究附圖來部分搜集，其中類似的附圖標(biāo)記指代類似的部分，并且其中：

圖1是根據(jù)本文所公開的實(shí)施例的衰減器的示意圖；

圖2-4是解說了圖1的衰減器的操作的示意圖；

圖5是根據(jù)本文所公開的實(shí)施例的衰減器單元的布局圖；

圖6是圖5中的衰減器單元布局中由線6-6所指示的部分的橫截面；

圖7是圖1的衰減器的衰減器單元的電路模型的示意圖；

圖8是根據(jù)本文所公開的實(shí)施例的用于可變地衰減rf信號(hào)的過程的流程圖；

圖9是解說了高壓射頻衰減器的使用的射頻接收機(jī)的功能框圖。

詳細(xì)描述

以下結(jié)合附圖闡述的詳細(xì)描述旨在作為對(duì)各種配置的描述，而無意表示可實(shí)踐本文中所描述的概念的僅有的配置。本詳細(xì)描述包括具體細(xì)節(jié)以便提供對(duì)各種概念的透徹理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的是，沒有這些具體細(xì)節(jié)也可實(shí)踐這些概念。在一些實(shí)例中，以簡(jiǎn)化形式示出公知的結(jié)構(gòu)和組件從而避免湮沒此類概念。

圖1是根據(jù)本文所公開的實(shí)施例的衰減器的示意圖?？衫缭诨パa(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)片上系統(tǒng)(soc)集成電路(ic)中實(shí)現(xiàn)該衰減器。該衰減器可用于射頻接收機(jī)中，例如圖9的近場(chǎng)通信接收機(jī)。

圖1的衰減器接收差分射頻(rf)輸入(正輸入rfp和負(fù)輸入rfn)并產(chǎn)生差分rf輸出(正輸出outp和負(fù)輸出outn)。rf輸入與rf輸出之間的衰減由使能控制en0、en1、en2、en3來設(shè)置。

衰減器包括四個(gè)衰減器單元100、110、120、130。rf輸入和rf輸出并聯(lián)連接到每個(gè)衰減器單元100、110、120、130。衰減器單元100、110、120、130被個(gè)體地啟用。第一衰減器單元100由第一使能控制en0啟用；第二衰減器單元110由第二使能控制en1啟用；第三衰減器單元120由第三使能控制en2啟用；并且第四衰減器單元130由第四使能控制en3啟用。

每個(gè)衰減器單元100、110、120、130包括可切換電容性分壓器。第一衰減器單元100包括正側(cè)電容性分壓器，該正側(cè)電容性分壓器包括電容器101和電容器103。電容器101可被稱為耦合電容器；電容器103可被稱為分壓電容器。電容器101的第一端子連接到正rf輸入并且電容器101的第二端子連接到正rf輸出。電容器103的第一端子也連接到正rf輸出并且電容器103的第二端子連接到n溝道晶體管107。n溝道晶體管107的漏極連接到電容器103的第二端子，n溝道晶體管107的柵極連接到第一使能控制en0，并且n溝道晶體管107的源極連接到接地參考(其也可被稱為“接地”)。n溝道晶體管107作為開關(guān)來操作，并取決于第一使能控制而將電容器103耦合到接地參考或使電容器103開路(浮置)。電容器103通常比電容器101大得多(例如，大100倍)。

第一衰減器單元100還包括與正側(cè)電容性分壓器類似的負(fù)側(cè)電容性分壓器。負(fù)側(cè)電容性分壓器連接到負(fù)rf輸入和負(fù)rf輸出。負(fù)側(cè)電容性分壓器包括電容器102、電容器104和n溝道晶體管108。在圖1的實(shí)施例中，第一衰減器單元100包括n溝道晶體管109，該n溝道晶體管109在n溝道晶體管107和n溝道晶體管108的漏極處耦合在正側(cè)電容性分壓器與負(fù)側(cè)電容性分壓器之間。n溝道晶體管109的柵極連接到第一使能控制。對(duì)于開關(guān)的給定差模導(dǎo)通電阻，n溝道晶體管109可例如減小n溝道晶體管107和n溝道晶體管108的漏極處的寄生電容。經(jīng)減小的電容可增大衰減器的動(dòng)態(tài)范圍。

可使用soc輸入/輸出晶體管而非邏輯晶體管來實(shí)現(xiàn)n溝道晶體管107、n溝道晶體管108和n溝道晶體管109。輸入/輸出晶體管通常具有低于邏輯晶體管的漏泄。晶體管漏泄會(huì)使rf輸出失真并損害衰減器的性能。也可使用其他類型的低漏泄晶體管。

第二衰減器單元110、第三衰減器單元120和第四衰減器單元130可與第一衰減器單元100相同或相似。

使用該衰減器的射頻接收機(jī)將通常開始于使能控制設(shè)置成提供最大衰減。這避免使后續(xù)接收機(jī)電路經(jīng)受會(huì)損害那些電路的高壓(例如，大于3伏)。射頻接收機(jī)隨后可基于收到信號(hào)的電平來減少對(duì)操作電平的衰減。為了進(jìn)一步保護(hù)接收機(jī)電路免受高壓，衰減器可包括連接到rf輸出的鉗位電路151、152。鉗位電路151、152可例如將rf輸出上的高壓分流到接地。鉗位電路可與soc中使用的靜電放電(esd)保護(hù)電路相同或相似。

圖2-4是解說了圖1的衰減器的操作的示意圖。圖2-4解說了各種衰減設(shè)置。在每幅圖中，衰減器單元中的開關(guān)(例如，第一衰減器單元100中的n溝道晶體管107、n溝道晶體管108和n溝道晶體管109)取決于相關(guān)聯(lián)的使能控制的值而被示出為短路或開路(在括號(hào)中示出)。

圖2解說了衰減器的無衰減設(shè)置。每個(gè)使能控制是0并且所有開關(guān)斷開。在無衰減設(shè)置中，rf輸入在無衰減的情況下電容性地耦合到rf輸出(可能由于寄生電路元件(諸如rf輸出上的電容)而存在小量的衰減)。

圖3解說了衰減器的高衰減設(shè)置。每個(gè)使能控制是1并且所有開關(guān)閉合。在高衰減設(shè)置中，rf輸入根據(jù)衰減器單元電容器的相對(duì)電容，以高衰減電容性地耦合到rf輸出。

圖4解說了衰減器的低衰減設(shè)置。使能控制中的一個(gè)使能控制(第三使能控制)是1并且其他使能控制是0。由此，第三衰減器單元130中開關(guān)閉合并且其他衰減器單元中的開關(guān)斷開。在圖4的低衰減設(shè)置中，從rf輸入到rf輸出的衰減是圖3的高衰減設(shè)置的衰減的大約四分之一(相對(duì)衰減可不同于四分之一，如下面進(jìn)一步解釋的)。

當(dāng)衰減器具有大的最大衰減和小的最小衰減時(shí)，可改善在收到信號(hào)可具有大的動(dòng)態(tài)范圍情況下射頻接收機(jī)的性能。術(shù)語衰減在此處用于表示rf輸入幅度與rf輸出幅度的比率。最大衰減基于分壓電容器(例如，電容器103)的電容與耦合電容器(例如，電容器101)的電容的比率。最小衰減基于耦合電容器的電容與至接地的寄生電容(例如，rf輸出上的電容)的比率。例如rf輸入與分壓電容器的第二端子(例如，節(jié)點(diǎn)gp)之間的其他寄生電容不會(huì)增加最小衰減。在沒有寄生電容的情況下，最小衰減是1(rf輸出等于rf輸入)。

圖5是根據(jù)本文所公開的實(shí)施例的衰減器單元的布局圖。圖5的視圖是通常用于設(shè)計(jì)集成電路的布局的視圖。為了清楚起見，圖5中未示出許多細(xì)節(jié)和層(例如，通孔層)。為了提供特定示例，將參照?qǐng)D1的第一衰減器單元100來描述該布局的各方面。可使用衰減器單元布局的陣列來實(shí)現(xiàn)圖1的衰減器。

衰減器單元布局被布置成：通過保持rf輸出與接地之間的寄生電容為低來改善衰減器性能。例如，耦合電容器和相關(guān)聯(lián)的分壓電容器形成在相同的區(qū)域中。相比之下，一些現(xiàn)有的衰減器已將耦合電容器和分壓電容器對(duì)置于附近或毗鄰區(qū)域中。此外，rf輸入被用作屏蔽并將rf輸出(以及衰減器單元的中間節(jié)點(diǎn))與接地分開。此外，至開關(guān)的接地連接與rf輸出分開。除了減小有害的寄生電容之外，在相同的區(qū)域中形成耦合電容器和分壓電容器還可減小衰減器的大小(集成電路面積)。

衰減器單元布局包括位于中央的開關(guān)區(qū)域711。開關(guān)區(qū)域711包括n溝道晶體管107、n溝道晶體管108和n溝道晶體管109。接地參考線795縱向地路由通過衰減器單元以連接到開關(guān)區(qū)域711。接地參考線795可由適當(dāng)?shù)慕饘賹?例如，第二金屬層(“金屬2”))形成。

正側(cè)電容性分壓器的電容器和負(fù)側(cè)電容性分壓器的電容器位于接地參考線795的上方和下方(在圖5的取向中)。(正側(cè)電容性分壓器的)電容器103是用由電介質(zhì)分開的金屬條帶731形成的金屬-絕緣體-金屬(mim)電容器。金屬條帶731在連接區(qū)域735處互連。連接區(qū)域735包括金屬層和通孔層，這些通孔層以適合于金屬條帶731中所使用的金屬層的方式來布置。除了形成電容器103之外，連接區(qū)域735還用于將電容器103連接到衰減器單元。例如，連接區(qū)域735中的外部連接區(qū)域可以連接到正rf輸出，并且連接區(qū)域735中的內(nèi)部連接區(qū)域可以將電容器103連接到開關(guān)區(qū)域711中的n溝道晶體管107和n溝道晶體管109。要注意，接地參考線795遠(yuǎn)離rf輸出，從而避免rf輸出與接地之間的寄生電容。

電容器101是使用金屬板721來形成的。金屬板721連接到正rf輸入。電容器101由金屬板721與金屬條帶731中連接到正rf輸出的部分之間的垂直通量電容形成。金屬板721與金屬條帶731中連接到開關(guān)的部分之間的垂直通量電容形成寄生電容器(圖7的電路模型中的電容器cp2)。

負(fù)側(cè)電容性分壓器類似地形成在衰減器單元布局的下部。負(fù)側(cè)電容性分壓器包括金屬條帶732、連接區(qū)域736和金屬板721。

圖6是衰減器單元布局中由線7-7所指示的部分的橫截面。該橫截面是針對(duì)在六金屬層制造工藝中制造的衰減器單元的。

電容器103(mim電容器)是用交替的金屬條帶來形成的。在圖6的實(shí)施例中，第三金屬層(“金屬3”)、第四金屬層(“金屬4”)和第五金屬層(“金屬5”)用于形成電容器103。各條帶以棋盤方式互連，其中金屬3條帶863、金屬4條帶864和金屬5條帶865連接到開關(guān)，并且金屬3條帶873、金屬4條帶874和金屬5條帶875連接到正rf輸出。由于電容器端子的大的表面積及其小的分隔，因此電容器103具有大的面電容密度。還可使用電容器端子僅在各層內(nèi)交替的橫向通量電容器。

金屬板821(對(duì)應(yīng)于圖5中的金屬板721)由第一金屬層(最接近集成電路基板的“金屬1”)形成。要注意，在圖6的實(shí)施例中未使用第二金屬層。電容器101形成在金屬板821與金屬3條帶863之間。由于電容器端子的小的表面積及其大的分隔，因此電容器103具有小的面電容密度。

如圖5中所見，金屬板721延伸超過金屬條帶731。這減小或消除rf輸出(電容器103的第一端子)或開關(guān)的n溝道晶體管的漏極(電容器103的第二端子)至接地(集成電路基板)之間的邊緣電容。相反，來自電容器103的端子的邊緣電容是至rf輸入(金屬板721)的。如下面參照?qǐng)D7的電路模型討論的，從電容器103的端子到rf輸入的電容不損害衰減器性能。

圖5和6中所解說的衰減器單元布局是針對(duì)示例六金屬層制造工藝的。布局的變型可以用于其他制造工藝中或者提供不同的衰減器性能(例如，不同的最大衰減)。衰減器的最大衰減取決于分壓電容器的電容與耦合電容器的電容的比率。該比率取決于如圖6中所示的金屬層的布置。例如，第二金屬層的省略增加了rf輸入與rf輸出之間的分隔，從而減小了耦合電容。可例如通過改變所使用的金屬層或者金屬-絕緣體-金屬電容器的金屬條帶的間隔來改變分壓電容。使用更多的金屬層或者減小金屬條帶之間的間隔將增加分壓電容。在示例六金屬層制造工藝中，第六金屬層具有非常大的最小寬度和間隔。由此，mim電容器中未使用第六金屬層。

圖7是圖1的衰減器的衰減器單元的電路模型的示意圖。對(duì)于第一衰減器單元100，開關(guān)sw1對(duì)應(yīng)于n溝道晶體管107，開關(guān)sw2對(duì)應(yīng)于n溝道晶體管108，開關(guān)sw3對(duì)應(yīng)于n溝道晶體管109，電容器c1對(duì)應(yīng)于電容器101，電容器c2對(duì)應(yīng)于電容器103，電容器c1′對(duì)應(yīng)于電容器102，并且電容器c2′對(duì)應(yīng)于電容器103。為了清楚且簡(jiǎn)明的描述，將僅針對(duì)正側(cè)電容性分壓器來描述該電路模型。負(fù)側(cè)電容性分壓器以類似方式起作用。

電容器cp1、電容器cp2、電容器cp2′和電容器cp2′表示與電容器c1、電容器c2、電容器c1′和電容器c2′的實(shí)現(xiàn)相關(guān)聯(lián)的寄生電容。用于圖5和6的布局的電容器cp1主要是金屬板721與集成電路基板之間的電容。用于圖5和6的布局的電容器cp2主要是金屬板721與連接到正rf輸出的金屬3條帶873之間的電容。

當(dāng)衰減器單元被禁用時(shí)，開關(guān)斷開并且正rf輸入通過電容器c1電容性地耦合到正rf輸出。正rf輸入還通過電容器cp2和電容器c2的串聯(lián)組合電容性地耦合到正rf輸出。由于電容器cp2和電容器c2的串聯(lián)組合與電容器c1并聯(lián)，因此可在忽略電容器cp2和電容器c2的影響的情況下理解被禁用的衰減器單元的操作。還可在忽略與開關(guān)相關(guān)聯(lián)的寄生電容的影響的情況下理解被禁用的衰減器單元的操作(例如，與開關(guān)相關(guān)聯(lián)的寄生電容與電路元件電容相比可以是小的)。在正rf輸入與接地參考之間的電容器cp1僅向正rf輸入添加電容性負(fù)載，并且可在忽略電容器cp1的情況下理解衰減器單元的操作。

當(dāng)衰減器單元被啟用時(shí)，開關(guān)閉合。由于電容器cp1和電容器cp2并聯(lián)在正rf輸入與接地參考之間，因此電容器cp1和電容器cp2僅向正rf輸入添加電容性負(fù)載，并且可在忽略電容器cp1和電容器cp2的情況下理解衰減器單元的操作。電容器c1和電容器c2在正rf輸入與正rf輸出之間形成分壓器。從rf輸入到rf輸出的衰減是c1/(c1+c2)，其中c1是電容器c1的電容并且c2是電容器c2的電容。對(duì)于c2遠(yuǎn)大于c1的情況，該衰減近似于c1/c2。

要注意，衰減器單元在正rf輸出與接地之間或者跨開關(guān)sw1(在節(jié)點(diǎn)gp與接地之間)不具有材料寄生電容。此類電容改變衰減器的操作。至除了接地以外的節(jié)點(diǎn)(例如，電壓電源)的電容將類似地改變衰減器的操作。

圖8是根據(jù)本文所公開的實(shí)施例的用于可變地衰減rf信號(hào)的過程的流程圖。該過程的各步驟可例如使用圖1的衰減器來執(zhí)行并且將參照其進(jìn)行描述。該過程產(chǎn)生具有相對(duì)于rf輸入的可選擇衰減的rf輸出。

在框210中，該過程用多個(gè)耦合電容器將rf輸入耦合到rf輸出。例如，電容器101、111、121、131將正rf輸入耦合到正rf輸出。

在框220中，該過程將多個(gè)分壓電容器的端子有條件地連接到接地。例如，n溝道晶體管107、117、127、137將電容器103、113、123、133的端子有條件地連接到接地。當(dāng)分壓電容器的端子未連接到接地時(shí)，使分壓電容器開路。該過程基于從rf輸入到rf輸出的期望衰減有條件地連接端子。分壓電容器的未被有條件地連接到接地的端子連接到rf輸出。

可例如通過添加、省略、重新排序或更改各框來修改圖8的過程。另外，可并發(fā)地執(zhí)行各框。

盡管上文針對(duì)特定實(shí)施例來描述本發(fā)明的各特征，但本發(fā)明的許多變型是可能的。例如，可使用包括具有不同數(shù)目的金屬層和不同類型的晶體管的工藝的其他制造工藝來形成衰減器。另外，衰減器可具有單端(而非差分)輸入和輸出。此外，衰減器可具有不同數(shù)目的衰減器單元，可具有不同大小(例如，不同電容)的衰減器單元，并且衰減器單元可具有共享的使能(例如，二進(jìn)制加權(quán))。衰減器單元中可使用不同的開關(guān)，例如，將衰減器單元中的中間節(jié)點(diǎn)有條件地切換到電壓電源的p溝道晶體管。在另一種變型中，從衰減器單元省略開關(guān)。

諸如“上”、“下”、“左”和“右”等方向性術(shù)語被用來描述一些特征。該術(shù)語被用于提供清楚且簡(jiǎn)明的描述。這些術(shù)語是相對(duì)的，并且不應(yīng)當(dāng)推斷特定的絕對(duì)方向。另外，各個(gè)實(shí)施例的特征可在與以上描述的不同的組合中進(jìn)行組合。

提供以上對(duì)所公開的實(shí)施例的描述是為了使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員皆能制作或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的各種修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的，且本文所描述的一般原理可被應(yīng)用于其它實(shí)施例而不背離本發(fā)明的精神或范圍。因此，應(yīng)理解本文給出的描述和附圖表示本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例并且因此代表本發(fā)明所廣泛地構(gòu)想的主題。將進(jìn)一步理解，本發(fā)明的范圍完全涵蓋可對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的其它實(shí)施例，并且本發(fā)明的范圍相應(yīng)地除了所附權(quán)利要求之外不受任何限制。