JP2003500883A - 高調波成分を抑えたカスコード信号ドライバ - Google Patents
高調波成分を抑えたカスコード信号ドライバInfo
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Abstract
Description
高調波の干渉を低減するための方法及び装置に関するものである。
の“高調波成分を抑えたカスコード信号ドライバ”に関連しており、この優先権
を主張するものである。本仮特許出願の開示は参照として本明細書に組み入れら
れている。
、パッケージ小型化のトレンドへの適応が要求されている。特に、ディジタルと
アナログシステムの素子は、同一半導体チップ上に集積されることが非常に多い
。セルラー式電話などの低コストの民生用無線端末に対して、無線周波数回路と
ディジタル信号処理部との統合へ向かうトレンドは、アナログとディジタルの部
分を分離するかあるいは絶縁することにより従来解決されていた問題を引き起こ
すことになる。
ステムが確実に動作するために解決されなければならない。特に、ディジタル回
路のスイッチングノイズにおける高調波成分は、アナログ回路部分への無線周波
数信号の大きさに匹敵する大きさで存在しうる。ディジタル回路によって高調波
干渉が生じると、伝送信号の受信性能の低下またはスペクトルマスクの妨害にな
りうる。
基本的なフーリエ解析を用いると、ディジタルスイッチング回路で生成されるよ
うな信号のエッジが急峻になるにつれて、それにより生成される高調波の周波数
スペクトルが広がることが分かる。スイッチング電流の大きさが大きくなるにつ
れて、関連する高調波のエネルギは増大する。したがって、隣接したRF回路に
おける帯域内ノイズエネルギが生じる可能性が増す。
チャネルデバイス)のゲート・ソース間電圧が閾値電圧を超えたときにターンオ
ンする場合である。単純なトランジスタモデルでは、閾値電圧より下では電流は
流れないものとしているが、実際のデバイスでは、少量の電流が流れる。閾値前
後の電流差は、それでも顕著である。このようなデバイスがターンオンする速度
により、不要な高次の高調波が生じて、RF部分へノイズが結合することにつな
がり、アナログとディジタル部分の間のEMCが低下する。
では扱われてきた。低電力ディジタル回路設計の標準的手法では、平均スイッチ
ング電流を減少し、それによって生じる高調波の絶対レべルを減少することを試
みている。ディジタル回路のための供給電圧を減少させることによって、関連す
るディジタル信号のエッジ速度、電流、及び電荷を減少させようとし、更に、こ
れらにより生じるスイッチングノイズの高調波成分を減少させる。ディジタルか
らアナログ回路部分への基板ノイズカップリングのレベルを低減させるために、
遮蔽及びフィルタリング手法を用いた試みがなされている(例えば、Makie-Fuku
da et al, 95K. Makie-Fukuda, S. Maeda, T. Tsukada & T. Matsuura, "Substr
ate noise reduction using active guard band filters in mixed-signal inte
grated circuits," Symposium on VLSI Circuits, Kyoto, 8-10 June, pp. 33-3
4, 1995.を参照)。
圧は、基準電圧レベルを注意深く制御することによって減少されるが、これらは
同相インピーダンス結合を通して不平衡信号経路に入り、更に同相モード変換を
通して平衡経路に入る。寄生容量における周期的な充放電も、基板中に僅かなが
ら問題となる電流を引き起こす。
ons of Operational Amplifiers - Third Generation Techniques, McGraw-Hill
, 1973, pgs 53 to 57.を参照)などの手法によって、より多くのノイズに対し
て弾力的に構成されうる。このような手法をより厳密に適用する場合は、面積、
遅延、又は電力消費の面で、多大なコストがかり、ノイズ低減に関する諸問題を
十分に解決できるとは言い難い。
ものがある。例えば、Tanakaに与えられた米国特許番号第5,514,992号では、歪
みの少ないカスコード増幅回路を開示している。Tanakaによると、少数の素子し
か用いないで、分光的に明確なアナログ信号が適用される場合に、入力デバイス
に関係するカスコードデバイスのより高い相互コンダクタンスによって歪みが低
減される。しかし、Tanakaは、多数の不明確な分光成分をもつディジタルスイッ
チング信号が回路に加えられた場合には、出力信号での分光特性に対処できてい
ない。
願公開番号第63/074323号に開示されている。IwamuraはACフィードバックを用
いたカスコード電流源を開示しており、この電流源の出力コンダクタンスは周波
数に依存する(例えば、出力信号の高調波成分には、安定した電流出力を与える
他の高調波成分よりも大きく減衰するものがある)。
高調波を低減するアプローチを開示していない。
プローチは、ECLなどのバイポーラ論理形式に類似した演算結果論理形式を用
いて、閾値より大きな電流レベルでスイッチングデバイスを継続的に動作させる
ことである。しかし、そのようなデバイスは完全にターンオフされることがない
ので、このようなアプローチは、静止電力損失の増大などを含めて、マイナス面
の効果を伴う。
って、この問題に対処しようとした従来の解決法におけるマイナス面の効果を伴
うことなく、混合モード集積回路のアナログとディジタル部分の間のEMCを改
善するための方法と装置に対する技術が望まれる。
ルスイッチング信号に伴う高次の高調波を低減することができる方法及び装置を
提供することを目的とする。
子のみを用いる方法及び装置を提供することを目的とする。
トツールに修正が不要な信号ドライバを提供する方法及び装置を提供することを
目的とする。
1の及び第2のMOSスイッチを用いて、スイッチング電圧波形の高調波を低減
するための方法及び装置において実現される。本発明に係るこの第1の及び第2
のMOSスイッチは、NチャネルとPチャネルのスイッチを共に結合したもので
ある。Nチャネル及びPチャネルのスイッチごとに、負荷を通した電流の変化速
度が、ディジタル信号スイッチングに対する従来方法を使用したときほど急峻に
ならないように、カスコード結合された2つのデバイスを更に備える。
の立ち上がりと立下がりに対して、異なるタイミング要求をもつ負荷を駆動する
。例えば、印加されたスイッチング信号からの素早い立ち上がりエッジを要求す
る負荷に対しては、本発明に係るドライバは、信号の立ち上がりエッジ及び立ち
下がりエッジを生じる要因である第1の及び第2のMOSスイッチの1つにカス
コード結合を用いる。カスコードスイッチは、エッジ遷移がさらに遅いという点
で、高調波をほとんど出さない。このようなシングルエンドのドライバによって
、電力消費とシリコンの面積を低減することができる。
にするために、1つ又は両方のカスコードスイッチに制御信号が印加される。
間の容量結合を制御し、出力ノード、カスコードノード、ゲートノード、及び供
給面の間のコンダクタンスを制御することによって、性能が向上する。
理解される。
分は同じ参照文字で示される。
デバイスやユニットなどのいずれかまたは全ては、多数の周知の技術のいずれか
で実施が可能であり、例えば、特別に設計された専用ハードウェア装置によるこ
とはもちろん、汎用プロセッサを制御するためのコンピュータ可読メモリ媒体(
例えば、様々なタイプの磁気及び光学記憶媒体)に格納されたプログラム命令の
適当なセットによる実施を含む。このような実施の形態やそれらの組み合わせの
いずれかまたは全ては、以下の図面や説明の範囲内に含まれるものとする。
00はカスコード結合されたデバイスP1 110、P2 120、N1 13
0、及びN2 140を用いる。ドライバ100の動作は、一般的に以下のよう
に説明される。すなわち、入力ノード180の電圧レベルが低い場合は、それに
対応して低いレベルがN1 130のゲートノード132及びN2 140のゲ
ートノード142に加えられる。これにより、N1 130及びN2 140が
オフまたは非導通状態になるようバイアスされる。入力ノード180に印加され
た低レベルの信号は、それに対応してP1 110のゲートノード112及びP
2 120のゲートノード122に加えられる。これにより、P1 110及び
P2 120がオンまたは導通状態になるようバイアスされる。したがって、出
力ノード171に生じる信号レベルは、供給線114に接続されたレベルと一致
して高くなる。寄生容量CP 160は、N2 140の閾値電圧に対応する電
圧レベルに充電する。寄生容量CN150は供給線114の電圧レベルに充電す
る。CP150及びCN160の容量値は、対応するカスコードデバイスで遷移
が生じる速度に影響を与える設計パラメータとして更に組み込まれる。供給線1
14及び115へのコンダクタンスを限定するとともに、カスコードデバイスP
2 120及びN1 130のゲートノード122及び132に、出力ノード1
71及びカスコードノード151、161を容量結合することによって、図1B
に示すように、CN2 162、CP2 152及び出力容量173により、性
能が更に向上する。
られる電圧レベルがプラス方向に遷移し、N2 140の閾値電圧に達すると、
N2 140は導通し、CN160を放電し始める。CN160を放電し、N2
140のドレインノード141及びN1 130のソースノード133に共通
するノード161の電圧レベルをそれに対応して降下することによって、N1
130をターンオンすることなり、次に負荷容量170を放電し始める。このよ
うに、寄生容量を制御することによって信号出力特性が制御される。
N型基板181は、マスク183を用いた分離拡散プロセスによって拡散される
か、そうでなければ周知の技術として知られるように、P型領域182を作り出
すプロセスが実施される。2つのP型領域182は共に、遷移領域容量または寄
生容量Cp180として知られる障壁を介してN型基板181に接合される。更
に詳細な説明は、Microelectronics, Jacob Millman, McGraw Hill 1979, pp 95
-96を参照。遷移領域容量は製造の副産物であるので、本発明に係る利点が得ら
れるよう制御できる点に留意することが重要である。
の回路解析における追加の状態変数として表されるので、高調波スペクトルに余
分な高周波減衰が生じてしまう。図2Bに示すように、寄生容量の負荷容量に対
する比率は、スペクトル減衰200のブレークポイント250の位置に影響する
。寄生容量CP150及び/又はCN160の値が大きくなるにつれて、各々の
カスコードノード151及び/又は161における関連の電圧変化が遅くなり、
それによって出力電流レベルの速度変化が減少し、図2Bに示す高次の高調波が
より大きく減衰することになる。カスコードデバイスP1 110、P2 12
0及びN1 130、N2 140を入力接続デバイス(不図示)と比較したと
きの相対幅も、出力ノード170の高調波スペクトルに更に影響する。
大きなオーバーヘッドに主に起因する比較的大きな負荷に主に適用される。した
がって、本発明に係るドライバ100は、例えば、チップ外の負荷を駆動する場
合によく適合する。さらに、供給線114上のドライバ100の動作に伴う電流
パルスの高調波スペクトルは、負荷170に伴う高調波スペクトルよりもはるか
に小さい。例えば、CN160はターンオン時の飽和状態において、ドレイン電
流がドレイン電圧にわずかに関係するだけである。よって、ドライバ100は、
スイッチングノイズに対する主要な伝送機構が、出力ノード171とそれに関係
する回路網に伴う容量結合であるアプリケーションに対して、更に高い適合性を
有する。
プのドライバ100が示されており、例えば、ここではN型FETブランチ(例
えば、図3におけるN1 130及びN2 140)、または、P型FETブラ
ンチ(例えば、図4のP1 110及びP2 120)だけに、カスコード結合
が用いられる。このような実施の形態は、ノード171での信号出力の1つのエ
ッジ遷移に対する遷移時間要求が、他よりもはるかに厳密であるところで役立つ
。例えば、立下りエッジ遷移に対して比較的厳密なタイミング要求が求められる
ノード171の信号出力の立ち上がりエッジの高調波を低減するためには、P型
FETブランチ(例えば、図4のP1 110及びP2 120)がカスコード
接続され、図1の説明に関連した前述の方法で動作する。逆に、N型FETブラ
ンチ400は、より厳密な立ち下りエッジタイミング要求を満たすために、より
一般的な方法(詳細は示していない)で構成される。したがって、より厳密な立
ち上がりエッジタイミング要求が求められるのであれば、N型FETブランチ(
例えば、図3のN1 130及びN2 140)はカスケード接続され、立ち上
がりエッジに対するタイミングを改善するために、より一般的な方法で接続され
たP型FETブランチを用いて、立下りエッジの高調波成分を低減することがで
きる。
スケード動作のために構成した、カスコード接続されたスイッチP1 110、
P2 120及びN1 130、N2 140が、前述の実施の形態のいずれか
として、図5に示す制御信号に接続される。制御信号512及び522は、休止
時間が延長されている間、カスコードデバイス510及び520をそれぞれター
ンオフする。このような手順により、低閾値のプロセスにおけるスタンバイ電流
の低減に役立つ。
態とは別の特別な形で、本発明を具現化できることは当業者には明白であろう。
これは、本発明の概念を逸脱しない限りにおいてなされる。例えば、性能を向上
させるために、供給網へのコンダクタンスを限定するとともに、カスケードデバ
イスのゲートノードに出力及びカスケードノードを容量結合することが好ましい
であろう。例えば、これは、電荷の変化速度をさらに制限するために、寄生容量
の影響を増大する図1Aのゲート132に、MOSFETまたは抵抗を接続する
ことによって実現することができる。好適な実施の形態は、単なる例示のための
ものであって、いかなる方法においても制限されないものとする。本発明の範囲
は、前述の説明よりはむしろ、記載された請求項によって与えられるものであり
、請求項の範囲に属する全ての変形や均等物は、請求項の範囲内に含まれるもの
とする。
び寄生容量を用いた例示的なN型及びP型MOSスイッチを示す図である。
び他の配置における寄生容量を用いた例示的なN型及びP型MOSスイッチを示
す図である。
板及びP型MOSチャネルを示す図である。
波数スペクトルを示すグラフである。
用いた例示的なN型MOSスイッチ示す図である。
用いた例示的なP型MOSスイッチ示す図である。
び制御信号を用いた例示的なN型及びP型MOSスイッチ示す図である。
Claims (18)
- 【請求項1】 ディジタル信号駆動回路における高調波成分を最小化する方
法であって、 前記ディジタル信号駆動回路は、該ディジタル信号駆動回路に付随する入力ノ
ードに加えられるディジタル入力信号を有し、対応するディジタル出力信号を該
ディジタル信号駆動回路に付随する出力ノード上に生成し、 前記方法は、 2つ以上のMOSデバイスを互いにカスコード接続し、かつ、前記入力ノード
及び前記出力ノードと接続するステップと、 前記高調波成分が最小化されるように、前記2つ以上のカスコード接続された
MOSデバイスに係る1つまたは複数の寄生抵抗を用いて、前記出力信号に関連
する1つまたは複数のエッジ遷移のスルーレートを制御するステップと、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項2】 前記2つ以上のカスコード接続されたMOSデバイスはそれ
ぞれゲート電極を更に有し、 前記方法は、高調波成分が最小化されるように、前記ゲート電極のうちの少な
くとも1つを所定の電位に結合するステップを更に含むことを特徴とする請求項
1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記2つ以上のカスコード接続されたMOSデバイスはそれ
ぞれソース電極及びドレイン電極を更に有し、 前記方法は、前記ゲート電極ごとに制御信号を加え、前記対応する各々の前記
ソース電極と前記ドレイン電極との間のリーク電流経路を断つステップを更に含
むことを特徴とする請求項2に記載の方法。 - 【請求項4】 前記ゲート電極のうち少なくとも1つから前記所定の電位へ
のコンダクタンスを限定するステップを更に含むことを特徴とする請求項3に記
載の方法。 - 【請求項5】 前記限定するステップは、能動素子を用いて前記コンダクタ
ンスを限定するステップを更に含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 【請求項6】 前記限定するステップは、受動素子を用いて前記コンダクタ
ンスを限定するステップを更に含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。 - 【請求項7】 ディジタル入力を受信するための入力ノードと、対応するデ
ィジタル出力信号を出力するための出力ノードとを有し、高調波成分を最小化す
るためのディジタル信号駆動回路であって、 前記入力ノード及び前記出力ノードを有するカスコード接続された2つ以上の
MOSデバイスと、 前記高調波成分が最小化されるように、前記出力信号に関連する1つまたは複
数のエッジ遷移のスルーレートを制御するための前記2つ以上のカスコード接続
されたMOSデバイスに係る1つまたは複数の寄生抵抗と、 を備えることを特徴とするディジタル信号駆動回路。 - 【請求項8】 前記2つ以上のカスコード接続されたMOSデバイスはそれ
ぞれゲート電極を更に有し、 前記高調波成分が最小化されるように、前記ゲート電極のうちの少なくとも1
つが所定の電位に結合されていることを特徴とする請求項7に記載の回路。 - 【請求項9】 前記2つ以上のカスコード接続されたMOSデバイスはそれ
ぞれソース電極及びドレイン電極を更に有し、 前記ゲート電極ごとに制御信号を更に加え、対応する各々の前記ソース電極と
前記ドレイン電極との間のリーク電流経路を断つことを特徴とする請求項8に記
載の回路。 - 【請求項10】 前記ゲート電極と前記所定の電位との間に所定のコンダク
タンスを更に含むことを特徴とする請求項9に記載の回路。 - 【請求項11】 前記所定のコンダクタンスは、能動素子を用いて与えられ
ることを特徴とする請求項10に記載の回路。 - 【請求項12】 前記限定するステップは、受動素子を用いて前記コンダク
タンスを限定するステップを更に含むことを特徴とする請求項11に記載の回路
。 - 【請求項13】 ディジタル信号駆動回路であって、 入力電圧を受信するための入力ノードと、 対応するディジタル出力信号を出力するための出力ノードと、 前記入力ノードで受信した前記入力電圧を基準にして前記出力ノードに電流を
供給するために、前記入力ノードと前記出力ノードとの間で互いにカスコード接
続された少なくとも2つのMOSデバイスと、 を備えることを特徴とするディジタル信号駆動回路。 - 【請求項14】 高調波成分が最小化されるように、前記出力信号に関連す
る1つまたは複数のエッジ遷移のスルーレートを制御するための前記少なくとも
2つのカスコード接続されたMOSデバイスに係る少なくとも1つの寄生容量を
含むことを特徴とする請求項13に記載の駆動回路。 - 【請求項15】 休止時間中に前記少なくとも2つのMOSデバイスをター
ンオフする手段を更に含むことを特徴とする請求項13に記載の駆動回路。 - 【請求項16】 前記少なくとも2つのカスコード接続されたMOSデバイ
スは、スイッチとして動作するためにカスコード接続された2つのN型MOSデ
バイスを含むことを特徴とする請求項13に記載の駆動回路。 - 【請求項17】 前記少なくとも2つのカスコード接続されたMOSデバイ
スは、スイッチとして動作するためにカスコード接続された2つのP型MOSデ
バイスを含むことを特徴とする請求項13に記載の駆動回路。 - 【請求項18】 前記少なくとも2つのカスコード接続されたMOSデバイ
スは、スイッチとして動作するためにカスコード接続された2つのP型MOSデ
バイス及び2つのN型MOSデバイスを含むことを特徴とする請求項13に記載
の駆動回路。
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