CN103187956B

CN103187956B - 开关电路

Info

Publication number: CN103187956B
Application number: CN201210577154.8A
Authority: CN
Inventors: 塚原良洋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: US20130169346A1; JP5772581B2; CN103187956A; DE102012218962A1; JP2013138306A; US8653880B2

Abstract

本发明得到能以简单的电路结构提高截止侧的承受功率的开关电路。晶体管（T1）在输入输出端子（P1）与输入输出端子（P2）之间连接。晶体管（T2）在输入输出端子（P3）与接地点之间连接。晶体管（T3）在输入输出端子（P1）与输入输出端子（P3）之间连接。晶体管（T4）在输入输出端子（P2）与接地点之间连接。控制电压施加端子（V1）与开关元件（T1、T2）的栅极连接。控制电压施加端子（V2）与开关元件（T3、T4）的栅极连接。电阻（R1b、R2b）分别在开关元件（T1、T2）的栅极与控制电压施加端子（V1）之间连接。二极管（D1、D2）与电阻（R1b、R2b）分别并联连接，且二极管（D1、D2）的负极与控制电压施加端子（V1）连接。

Description

开关电路

技术领域

本发明涉及主要用于高频带无线通信设备、高频带雷达设备等的开关电路。

背景技术

在传输微波段、毫米波段等的高频波段的信号的系统中会使用开关电路。图17、图18及图19是示出使用开关电路的系统的图。

在图17中信号的发送与接收的切换上使用开关SW。在图18中来自2个天线ANT的信号的切换上使用开关SW。在图19中，使用循环器CIR的系统中从发送器S1发送较高功率的信号时，为了防止信号从天线ANT反射而输入到接收器J1，使用开关SW。由此，能够保护包含低噪声放大器的接收器J1。在这些系统中，会使用将开关元件串并联使用的开关电路（例如，参照专利文献2的图11）。

专利文献

专利文献1：日本特许第3711193号公报；

专利文献2：日本特许第4538016号公报。

当开关SW的承受功率较低时会出现以下这样的问题。即，图17中从发送器S1向开关SW的端子P3输入较高功率时，发送信号经由开关SW的截止侧的端子P1、P2，输入到接收器J1。因此，发送功率下降，且开关SW对接收器J1的保护功能下降。同样，在图18中开关SW进行的信号切换精度下降，在图19中接收器J1的保护功能下降。此外，有可能会降低各系统中开关SW的功能本身。

还有将各开关元件多级连接，控制该元件间的电位，从而提高承受功率的开关的方案（例如，参照专利文献2）。但是，存在电路规模变大，电路结构复杂的问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题而构思，其目的在于得到能以简单的电路结构提高截止侧的承受功率的开关电路。

本发明的开关电路的特征在于包括：第1、第2及第3输入输出端子；在所述第1输入输出端子与所述第2输入输出端子之间连接的第1开关元件；在所述第3输入输出端子与接地点之间连接的第2开关元件；在所述第1输入输出端子与所述第3输入输出端子之间连接的第3开关元件；在所述第2输入输出端子与接地点之间连接的第4开关元件；与所述第1及第2开关元件的控制端子连接的第1控制电压施加端子；与所述第3及第4开关元件的控制端子连接的第2控制电压施加端子；在所述第1及第2开关元件的所述控制端子与所述第1控制电压施加端子之间分别连接的第1及第2电阻；以及第1及第2二极管，其与所述第1及第2电阻分别并联连接，负极与所述第1控制电压施加端子连接。

（发明效果）

通过本发明，能通过简单的电路结构提高截止侧的承受功率。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的开关电路的图；

图2是示出比较例的开关电路的图；

图3是示出当功率较大的信号输入时的比较例的开关电路的动作的图；

图4是示出当功率较大的信号输入时的本发明实施方式1的开关电路的动作的图；

图5是示出对于实施方式1和比较例的开关电路计算承受功率的结果的图；

图6是示出本发明实施方式1的开关电路的变形例的图；

图7是示出本发明实施方式2的开关电路的图；

图8是示出本发明实施方式2的开关电路的变形例的图；

图9是示出本发明实施方式3的开关电路的图；

图10是示出本发明实施方式4的开关电路的图；

图11是示出本发明实施方式5的开关电路的图；

图12是示出本发明实施方式6的开关电路的图；

图13是示出本发明实施方式7的开关电路的图；

图14是示出本发明实施方式8的开关电路的图；

图15是示出本发明实施方式9的开关电路的图；

图16是示出本发明实施方式10的开关电路的图；

图17是示出使用开关电路的系统的图；

图18是示出使用开关电路的系统的图；

图19是示出使用开关电路的系统的图。

具体实施方式

参照附图，对本发明的实施方式所涉及的开关电路进行说明。对于相同或对应的构成要素标注相同的符号，有时还省略重复的说明。

实施方式1

图1是示出本发明的实施方式1的开关电路的图。晶体管T1、T2、T3、T4是用作为开关元件的场效应晶体管。控制电压施加端子V1、V2是施加用于切换开关的控制电压的端子。电阻R1a、R1b、R2a、R2b、R3a、R4a是与各晶体管的栅极连接的数kΩ以上的隔离电阻。

晶体管T1在输入输出端子P1与输入输出端子P2之间连接。晶体管T2在输入输出端子P3与接地点之间连接。晶体管T3在输入输出端子P1与输入输出端子P3之间连接。晶体管T4在输入输出端子P2与接地点之间连接。控制电压施加端子V1与晶体管T1、T2的栅极连接。控制电压施加端子V2与晶体管T3、T4的栅极连接。

电阻R1a、R1b被串联连接在晶体管T1的栅极与控制电压施加端子V1之间。电阻R2a、R2b被串联连接在晶体管T2的栅极与控制电压施加端子V1之间。电阻R3a连接在晶体管T3的栅极与控制电压施加端子V2之间，电阻R4a连接在晶体管T4的栅极与控制电压施加端子V2之间。二极管D1、D2与电阻R1b、R2b分别并联连接，二极管D1、D2的负极与控制电压施加端子V1连接。

接着说明开关电路的动作。将开关电路用于图17的系统的情况下，输入输出端子P1与天线ANT连接，输入输出端子P2与接收器J1连接，输入输出端子P3与发送器S1连接。发送时对控制电压施加端子V2施加0V、对控制电压施加端子V1施加晶体管的夹断电压Vp以下的截止电压Vc，使晶体管T3、T4导通，使晶体管T1、T2截止，使信号从输入输出端子P3通过输入输出端子P1。

将开关电路用于图18的系统的情况下，输入输出端子P1与接收器J1连接，输入输出端子P2、P3与天线ANT连接。通过施加到控制电压施加端子V1、V2的电压，使晶体管T1、T2、T3、T4导通、截止，由此切换来自天线ANT的信号。

将开关电路用于图19的系统的情况下，输入输出端子P1与循环器CIR连接，输入输出端子P2与接收器J1连接，输入输出端子P3与发送器S1连接。在发送时，对控制电压施加端子V2施加0V、对控制电压施加端子V1施加截止电压Vc，从而使信号从输入输出端子P1通过输入输出端子P3，保护接收器J1。

接着与比较例进行比较而说明本实施方式的效果。图2是示出比较例的开关电路的图。没有实施方式1的电阻R1b、R2b及二极管D1、D2。

比较例的开关电路的承受功率Pmax由下式所示：

Pmax＝2*（Vc－Vp）²/Zo　（1）。

在此，特征阻抗Zo通常为50Ω。

在此，输入到开关电路的信号的功率较小时，栅极电流Ig几乎不能在截止状态的晶体管T1、T2中流动，而与施加在控制电压施加端子V1的截止电压Vc大致相等的电压施加到晶体管T1、T2的栅极。

图3是示出功率较大的信号输入时的比较例的开关电路的动作的图。当输入到开关电路的信号的功率较大时，截止状态的晶体管T1、T2的栅极电流Ig增大，在栅极部的电阻R1a、R2a中流动，因此施加在晶体管T1、T2的栅极的控制电压Vc’发生变动。控制电压Vc’由下式所示。

Vc’＝Vc－R*Ig　　（2）

在此R为电阻R1a、R2a的电阻值。由于该控制电压Vc’的变动，开关电路的承受功率会下降。

图4是示出在输入了功率较大的信号时的本发明实施方式1的开关电路的动作的图。A点的电压与控制电压Vc相等。因栅极电流Ig的增加而在电阻R1b的两端（A点和C点之间）发生电压降。若该电压超过二极管D1的正向电压，则栅极电流Ig会流过二极管D1，因此不会产生这以上的电压降。故，晶体管T1的控制电压（点B的电压）由下式所示。

Vc＋（R1a＋R1b）*Ig＞Vc＋R1a*Ig＋φb　　（3）

在此，φb是二极管D1的正向电压。

以满足上式（3）的方式选择电阻R1b的电阻值时，能够减小晶体管T1的控制电压的变动。因而，能以简单的电路结构提高截止侧的承受功率。

图5是示出关于实施方式1和比较例的开关电路计算承受功率的结果的图。作为晶体管采用形成在SiC衬底上的GaN晶体管，设R1a＝0.5kΩ；R1b＝1.5kΩ；φb＝0.8V；Vc＝－30V；Vp＝－2V。比较例的承受功率为43dBm，而本实施方式的承受功率提高至44.5dBm。

图6是示出本发明实施方式1的开关电路的变形例的图。取代二极管D1而使用串联连接的二极管D1a、D1b，取代二极管D2而使用串联连接的二极管D2a、D2b。这样通过将二极管连成2级，二极管的正向电压成为2倍，能够进行与系统对应的承受功率值的调整。此外，将二极管连成3级以上也可。

实施方式2

图7是示出本发明的实施方式2的开关电路的图。除实施方式1的结构外，还有电阻R3b、R4b分别连接在晶体管T3、T4的栅极和控制电压施加端子V2之间。二极管D3、D4与电阻R3b、R4b分别并联连接，二极管D3、D4的负极与控制电压施加端子V2连接。

在本实施方式中，在开关两方的通路的晶体管的栅极电阻的一部分并联配置二极管。将该开关电路用于图18的系统的情况下，提高对于接收时的来自多个天线的高功率信号的承受功率性。结果，能够防止开关电路造成的信号切换精度的下降。

图8是示出本发明实施方式2的开关电路的变形例的图。取代二极管D3而使用串联连接的二极管D3a、D3b，取代二极管D4而使用串联连接的二极管D4a、D4b。如此通过将二极管连成2级，使二极管的正向电压成为2倍，能够进行与系统对应的承受功率值的调整。此外，将二极管连成3级以上也可。

实施方式3

图9是示出本发明的实施方式3的开关电路的图。除实施方式1的结构外，还有扼流电感器L1、L2与电阻R1b、R2b分别并联连接，且与二极管D1、D2分别串联连接。在此，栅极电流会在二极管D1、D2中流过，从而并联连接的电阻R1b、R2b短路。扼流电感器L1、L2防止此时的阻抗下降，因此能够保持隔离功能。

实施方式4

图10是示出本发明的实施方式4的开关电路的图。除实施方式2的结构外，还有扼流电感器L1、L2、L3、L4与电阻R1、R2、R3、R4分别并联连接，且与二极管D1、D2、D3、D4分别串联连接。由此，能够得到实施方式2、3的效果。

实施方式5

图11是示出本发明的实施方式5的开关电路的图。具有通过开关电路的信号的1/4波长的长度的传输线路TL1、TL2，在二极管D1、D2与接地点之间分别串联连接。电容C1、C2与传输线路TL1、TL2分别串联连接。即，在本实施方式中，以发送信号的1/4波长的传输线路和电容置换实施方式3的电感器。由此，谋求电路的小型化。

实施方式6

图12是示出本发明的实施方式6的开关电路的图。具有通过开关电路的信号的1/4波长的长度的传输线路TL1、TL2、TL3、TL4，在二极管D1、D2、D3、D4与接地点之间分别串联连接。电容C1、C2、C3、C4与传输线路TL1、TL2、TL3、TL4分别串联连接。即，在本实施方式中，以发送信号的1/4波长的传输线路和电容置换实施方式4的电感器。由此，谋求电路的小型化。

实施方式7

图13是示出本发明的实施方式7的开关电路的图。取代实施方式1的电阻R1b、R2b及二极管D1、D2而设有电阻R12及二极管D12。电阻R12连接在晶体管T1、T2的栅极的连接点与控制电压施加端子V1之间。二极管D12与电阻R12并联连接，二极管D12的负极与控制电压施加端子V1连接。

由此，在栅极电阻的一部分上流动的高输入功率时的栅极电流成为2倍（共同连接的晶体管的数），因此能够进一步抑制控制电压相对于高输入功率的变动。

实施方式8

图14是示出本发明的实施方式8的开关电路的图。除实施方式7的结构外，还设有电阻R34及二极管D34。电阻R34连接在晶体管T3、T4的栅极的连接点与控制电压施加端子V2之间。二极管D34与电阻R34并联连接，二极管D34的负极与控制电压施加端子V2连接。

在本实施方式中，在开关两方的通路的晶体管的栅极电阻的一部分上并联配置二极管。将该开关电路用于图18的系统的情况下，提高接收时的相对于来自多个天线的高功率信号的承受功率性。结果，能够防止开关电路造成的信号切换精度的下降。此外，还能得到实施方式7的效果。

实施方式9

图15是示出本发明的实施方式9的开关电路的图。除实施方式7的结构外，还有扼流电感器L12与电阻R12并联连接，且与二极管D12串联连接。由于扼流电感器L12防止电阻R12短路时的阻抗的下降，能够保持隔离功能。

实施方式10

图16是示出本发明的实施方式10的开关电路的图。除实施方式8的结构外，还有扼流电感器L12、L34与电阻R12、R34分别并联连接，且与二极管D12、D34分别串联连接。由于扼流电感器L12、L34防止电阻R12、R34短路时的阻抗的下降，能够保持隔离功能。

在上述的实施方式1～10中，晶体管能够形成在GaAs衬底、Si衬底、SiC上GaN衬底或Si上GaN衬底等的半绝缘衬底上。

此外，实施方式1～10的开关电路并不仅为晶体管，也可为在半绝缘衬底上形成匹配电路、栅极电阻、二极管、扼流电感器、传输线路、MIM电容的单片微波集成电路（MMIC）。由此能够进一步小型、集成化。此外，实施方式1～10的开关电路能够适用于收发模块。

符号说明：

C1电容（第1电容）；C2电容（第2电容）；C3电容（第3电容）；C4电容（第4电容）；D1、D12二极管（第1二极管）；D2、D34二极管（第2二极管）；D3二极管（第3二极管）；D4二极管（第4二极管）；L1、L12扼流电感器（第1电感器）；L2、L34扼流电感器（第2电感器）；L3扼流电感器（第3电感器）；L4扼流电感器（第4电感器）；P1输入输出端子（第1输入输出端子）；P2输入输出端子（第2输入输出端子）；P3输入输出端子（第3输入输出端子）；R1b、R12电阻（第1电阻）；R2b、R34电阻（第2电阻）；R3b电阻（第3电阻）；R4b电阻（第4电阻）；T1晶体管（第1开关元件）；T2晶体管（第2开关元件）；T3晶体管（第3开关元件）；T4晶体管（第4开关元件）；TL1传输线路（第1传输线路）；TL2传输线路（第2传输线路）；TL3传输线路（第3传输线路）；TL4传输线路（第4传输线路）；V1控制电压施加端子（第1控制电压施加端子）；V2控制电压施加端子（第2控制电压施加端子）。

Claims

1.一种开关电路，其特征在于，包括：

第1、第2及第3输入输出端子；

在所述第1输入输出端子与所述第2输入输出端子之间连接的第1开关元件；

在所述第3输入输出端子与接地点之间连接的第2开关元件；

在所述第1输入输出端子与所述第3输入输出端子之间连接的第3开关元件；

在所述第2输入输出端子与接地点之间连接的第4开关元件；

与所述第1及第2开关元件的控制端子连接的第1控制电压施加端子；

与所述第3及第4开关元件的控制端子连接的第2控制电压施加端子；

在所述第1及第2开关元件的所述控制端子与所述第1控制电压施加端子之间分别连接的第1及第2电阻；

第1及第2二极管，其与所述第1及第2电阻分别并联连接，负极与所述第1控制电压施加端子连接；以及

第1及第2电感器，其与所述第1及第2电阻分别并联连接，且与所述第1及第2二极管分别串联连接。

2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，还包括：

在所述第3及第4开关元件的所述控制端子与所述第2控制电压施加端子之间分别连接的第3及第4电阻；

第3及第4二极管，其与所述第3及第4电阻分别并联连接，负极与所述第2控制电压施加端子连接；以及

第3及第4电感器，其与所述第3及第4电阻分别并联连接，且与所述第3及第4二极管分别串联连接。

3.一种开关电路，其特征在于，包括：

第1、第2及第3输入输出端子；

在所述第3输入输出端子与接地点之间连接的第2开关元件；

在所述第2输入输出端子与接地点之间连接的第4开关元件；

第1及第2二极管，其与所述第1及第2电阻分别并联连接，负极与所述第1控制电压施加端子连接；

第1传输线路，连接在所述第1二极管和所述第1控制电压施加端子的连接点，与接地点之间，具有通过所述开关电路的信号的1/4波长的长度；

第2传输线路，连接在所述第2二极管和所述第1控制电压施加端子的连接点，与接地点之间，具有通过所述开关电路的信号的1/4波长的长度；以及

第1及第2电容，其与所述第1及第2传输线路分别串联连接。

4.根据权利要求3所述的开关电路，其特征在于，还包括：

第3传输线路，其连接在所述第3二极管和所述第2控制电压施加端子的连接点，与接地点之间，且具有通过所述开关电路的信号的1/4波长的长度；

第4传输线路，其连接在所述第4二极管和所述第2控制电压施加端子的连接点，与接地点之间，且具有通过所述开关电路的信号的1/4波长的长度；以及

第3及第4电容，其与所述第3及第4传输线路分别串联连接。

5.一种开关电路，其特征在于，包括：

第1、第2及第3输入输出端子；

在所述第3输入输出端子与接地点之间连接的第2开关元件；

在所述第2输入输出端子与接地点之间连接的第4开关元件；

在所述第1及第2开关元件的所述控制端子的连接点与所述第1控制电压施加端子之间连接的第1电阻；

第1二极管，其与所述第1电阻并联连接，负极与所述第1控制电压施加端子连接；以及

第1电感器，其与所述第1电阻并联连接，且与所述第1二极管串联连接。

6.根据权利要求5所述的开关电路，其特征在于，还包括：

在所述第3及第4开关元件的所述控制端子的连接点与所述第2控制电压施加端子之间连接的第2电阻；

第2二极管，其与所述第2电阻并联连接，负极与所述第2控制电压施加端子连接；以及

第2电感器，其与所述第2电阻并联连接，且与所述第2二极管串联连接。