JP2005072993A - Fetスイッチ回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】通過損失の低減を図りつつ、高いパワーハンドリング能力を維持する。
【解決手段】第1のFETスイッチ101は、第1及び第2の電界効果トランジスタ111a,111bの直列接続により、第2のFETスイッチ102は、第3及び第4の電界効果トランジスタ112a,112bの直列接続により、それぞれ構成されてなり、第1及び第2のFETスイッチ101,102の一端は、共に共通高周波入力端子104に接続される一方、他端はそれぞれ別個の個別高周波入出力端子105,106に接続されており、さらに、第1の電界効果トランジスタ111aのドレイン・ゲート間には、第1のキャパシタ117aが、第3の電界効果トランジスタ112aのドレイン・ゲート間には、第2のキャパシタ118aが、それぞれ接続されて、通過損失の低減と、高いパワーハンドリング能力の確保が可能な構成となっている。
【選択図】図1

Description

本発明は、電界効果トランジスタを用いて高周波の伝送信号の通過経路切り替えを行うよう構成されてなるFETスイッチ回路に係り、特に、通過損失の軽減等を図ったものに関する。
従来、この種の回路としては、例えば、図6に示された構成を有するものが公知・周知となっている(例えば、特許文献1参照)。
以下、図6を参照しつつこの従来回路について説明する。
まず、このFETスイッチ回路は、SPDT(Single Pole Double Throw)スイッチ(単極双投スイッチ)の回路構成例であり、共通高周波入出力端子(図6においては「PC」と表記)104と第1の個別高周波入出力端子(図6においては「P1」と表記)105との間に、第1及び第2の電界効果トランジスタ111a,111bの直列接続により構成されてなる第1のFETスイッチ(図6においては「SW1」と表記)101が、共通高周波入出力端子104と第2の個別高周波入出力端子(図6においては「P2」と表記)106との間に、第3及び第4の電界効果トランジスタ112a,112bの直列接続により構成されてなる第2のFETスイッチ(図6においては「SW2」と表記)102が、それぞれ設けられた構成となっているものである。
かかる構成においては、第1の制御端子(図6においては「CTL1」と表記)108に第1のFETスイッチ101をオン状態とする制御電圧VCTL(H)を、第2の制御端子(図6においては「CTL2」と表記)109に第2のFETスイッチ102をオフ状態とする制御電圧VCTL(L)を、それぞれ印加することによって、共通高周波入出力端子104と第1の個別高周波入出力端子105間を信号通過状態とする一方、共通高周波入出力端子104と第2の個別高周波入出力端子106間を遮断状態とすることができる。
また、これとは逆に、第1の制御端子108に第1のFETスイッチ101をオフ状態とする制御電圧VCTL(L)を、第2の制御端子109に第2のFETスイッチ102をオン状態とする制御電圧VCTL(H)を、それぞれ印加することによって、共通高周波入出力端子104と第1の個別高周波入出力端子105間を遮断状態とする一方、共通高周波入出力端子104と第2の個別高周波入出力端子106間を信号通過状態とすることができ、スイッチ切り替え動作が実現されるようになっている。
かかる回路においては、電界効果トランジスタが直列接続されることで、スイッチオフ時に、伝送信号によって各々の電界効果トランジスタ単体に印加されるドレイン・ソース間電圧を低減し、パワーハンドリング能力の向上が図られたものとなっている。
ところが、電界効果トランジスタが複数直列接続されることで、各々の電界効果トランジスタのドレイン・ソース間のオン抵抗が加算され、通過損失の悪化を招くという不都合を生ずる。このようなオン抵抗の増加を抑圧するために、例えば、電界効果トランジスタのゲート幅を大きくすることが考えられるが、その場合、チップ面積が増加しコストの上昇を招くと言う新たな不都合を生ずる。
かかる不都合を回避するため、図6に示された回路においては、共通高周波入出力端子104、第1及び第2の個別高周波入出力端子105,106と、これら共通高周波入出力端子104、第1及び第2の個別高周波入出力端子105,106に接続された対応する電界効果トランジスタ111a,111b,112a,112bのゲートとの間に、それぞれキャパシタ117a,117b,118a,118bを接続することで、パワーハンドリング能力の向上と共に、チップ面積の減少を実現している。
また、上述のキャパシタ117a,117b,118a,118bの接続により、対応する電界効果トランジスタのゲート・ソース間容量とゲート・ドレイン間容量との間に非対称性が生じ、大電力信号入力時に、その入力信号により印加される電圧振幅が各々の電界効果トランジスタのゲート電位の決定に大きく影響することとなる。その結果、該当する電界効果トランジスタのゲート電圧及びソース又はドレイン電圧は、ピンチオフ電圧を十分に確保することができる電圧に保たれ、大電力信号入力時のパワーハンドリング能力は向上する。この図6に示された構成例の回路のパワーハンドリング能力は、上述のようなキャパシタ117a,117b,118a,118bを用いること無く、電界効果トランジスタの直列接続のみで回路構成した場合に置き換えると、3段直列接続以上の能力に匹敵するものである。
上述の回路は、SPDTスイッチ(単極双投スイッチ)の構成例であるが、分岐経路がn経路(nは自然数)のSPnTスイッチ(単極複投スイッチ)においても同様に適用できるものである。
図7には、SPnTスイッチの構成例が示されており、以下、同図を参照しつつこの従来回路について概括的に説明する。なお、図6に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明することとする。
かかる構成は、図6に示された回路が2つのFETスイッチ101,102の一端が共通高周波入出力端子104に共通に接続されたものであるのに対して、n個のFETスイッチが同様に接続されて構成されたもので、個々のFETスイッチの構成は図6の場合のそれと基本的に同一である。したがって、かかる構成においても、図6と同様に高いパワーハンドリング能力が得られるものとなっている。なお、共通高周波入出力端子104と第xの高周波入出力端子Px(xは自然数、1≦x≦n)との間のアイソレーション向上のために、第xの高周波入出力端子Pxとアースとの間に例えばシャントスイッチを設けることが考えられるが、この場合、シャントスイッチを第1のFETスイッチ101同様な構成とすることで、同様にパワーハンドリング能力を得られることは勿論のことである。
特開平9−27736号公報
しかしながら、上述の従来回路においては、パワーハンドリング能力向上のために、例えば、第1のFETスッチ101を例にとれば、その高周波入出力端子104,105と、第1及び第2の電界効果トランジスタ111a,111bのゲートとの間に第1及び第2のキャパシタ117a,117bが接続されているため、電界効果トランジスタ111a,111bのオフ状態において、これら第1及び第2の電界効果トランジスタ111a,111bを介しての入力信号の漏洩が増加し、通過損失の悪化を招くという問題がある。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、電界効果トランジスタのオフ状態における入力信号の漏洩を抑圧し、通過損失を増加させることなく、しかも、高いパワーハンドリング能力を維持することのできるFETスイッチを提供することにある。
上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るFETスイッチ回路は、
電界効果トランジスタにより構成されてなる第1及び第2のFETスイッチを有し、前記第1及び第2のFETスイッチの一端が共に共通する高周波入出力端子に接続される一方、前記第1及び第2のFETスイッチの他端は、それぞれ個別の高周波入出力端子に接続されて単極双投スイッチが構成されてなるFETスイッチ回路であって、
前記第1及び第2のFETスイッチにおいて、前記共通の高周波入出力端子にドレイン又はソースが接続された電界効果トランジスタのゲートと、当該高周波入出力端子との間に、それぞれキャパシタが接続されて設けられ、前記共通の高周波入出力端子又は、オン状態にある前記FETスイッチに接続された前記個別の高周波入出力端子のいずれからも大電力信号の入力を可能としてなるものである。
本発明によれば、従来に比してFETスイッチの入出力端子と電界効果トランジスタとの間に接続されるキャパシタの数が半数となり、従来に比してキャパシタによる通過損失の悪化が低減され、しかも、従来と同等のパワーハンドリング能力を有したFETスイッチが提供されるという効果を奏するものである。
以下、本発明の実施の形態について、図1乃至図5を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。また、図6及び図7に示された従来回路と同一の構成要素については、同一の符号を付すこととする。
最初に、本発明の実施の形態におけるFETスイッチ回路であって、特に、SPDTスイッチが構成された第1の構成例について、図1を参照しつつ説明する。
この第1の構成例におけるFETスイッチ回路は、共通高周波入出力端子104と第1の個別高周波入出力端子105間に設けられた第1のFETスイッチ101と、共通高周波入出力端子104と第2の個別高周波入出力端子106間に設けられた第2のFETスイッチ102とを具備して構成されたものとなっている。
第1のFETスイッチ101と第2のFETスイッチ102は、基本的に同一の構成を有してなるものであるので、以下、第1のFETスイッチ101の構成の説明において、第1のFETスイッチ101の構成要素の後に括弧書きにより第2のFETスイッチ102の対応する構成要素を示すことにより第2のFETスイッチ102の構成の説明に代えることとする。
しかして、第1のFETスイッチ101は、直列接続された第1及び第2の電界効果トランジスタ111a,111b(第3及び第4の電界効果トランジスタ112a,112b)を主たる構成要素として構成されたものである。すなわち、第1の電界効果トランジスタ111a(第3の電界効果トランジスタ112a)のソースと第2の電界効果トランジスタ111b(第4の電界効果トランジスタ112b)のドレインとが相互に接続される一方、第1の電界効果トランジスタ111a(第3の電界効果トランジスタ112a)のドレインは、共通高周波入出力端子104に、第2の電界効果トランジスタ111b(第4の電界効果トランジスタ112b)のソースは、第1の個別高周波入出力端子105(第2の個別高周波入出力端子106)に、それぞれ接続されている。
また、第1の電界効果トランジスタ111a(第3の電界効果トランジスタ112a)は、第1の抵抗器114a(第3の抵抗器115a)を介して、第2の電界効果トランジスタ111b(第4の電界効果トランジスタ112b)は、第2の抵抗器114b(第4の抵抗器115b)を介して、共に第1の制御端子108(第2の制御端子109)に接続されている。
そして、共通高周波入出力端子104と第1の電界効果トランジスタ111a(第3の電界効果トランジスタ112a)のゲート間には、第1のキャパシタ117a(第2のキャパシタ118a)が接続されている。ここで、第1及び第2のキャパシタンス117a,118aの容量は、それぞれが接続されている第1及び第3の電界効果トランジスタ111a,112aのオフ状態におけるゲート・ドレイン間の寄生容量値以下に設定するのが好適である。なお、第1及び第3の電界効果トランジスタ111a,112aのソースが共通高周波入出力端子104に接続されている場合には、第1及び第2のキャパシタ117a,118aの容量は、第1及び第3の電界効果トランジスタ111a,112aのオフ状態におけるゲート・ソース間の寄生容量値以下が好適である。
かかる構成における基本的な動作は、従来回路と同様であるので、概括的に説明すれば、第1の制御端子108に第1及び第2の電界効果トランジスタ111a,111bのゲート・ソース間電圧がピンチオフ電圧よりも高くなるよう制御電圧VCTL(H)を印加する一方、第2の制御端子109に、第3及び第4の電界効果トランジスタ112a,112bのゲート・ソース間電圧がピンチオフ電圧よりも低くなるよう制御電圧VCTL(L)を印加することにより、共通高周波入出力端子104と第1の個別高周波入出力端子105間は信号通過状態(第1のFETスイッチ101がオン状態)となる一方、共通高周波入出力端子104と第2の個別高周波入出力端子106間は遮断状態(第2のFETスイッチ102がオフ状態)となる。
また、これとは逆に、第1の制御端子108に第1及び第2の電界効果トランジスタ111a,111bのゲート・ソース間電圧がピンチオフ電圧よりも低くなるよう制御電圧VCTL(L)を印加する一方、第2の制御端子109に、第3及び第4の電界効果トランジスタ112a,112bのゲート・ソース間電圧がピンチオフ電圧よりも高くなるよう制御電圧VCTL(H)を印加することにより、共通高周波入出力端子104と第1の個別高周波入出力端子105間は遮断状態(第1のFETスイッチ101がオフ状態)となる一方、共通高周波入出力端子104と第2の個別高周波入出力端子106間は信号通過状態(第2のFETスイッチ102がオン状態)となる。
ここで、共通高周波入出力端子104に大電力信号が印加され、第1のFETスイッチ101がオン状態で、第2のFETスイッチ102がオフ状態の場合、従来回路と異なり、第4の電界効果トランジスタ112bのゲートと第2の個別高周波入出力端子106との間にキャパシタが接続されていないため、第4の電界効果トランジスタ112bのゲートを経由した入力信号の漏洩が軽減されるものとなっている。また、入力信号が大電力であっても、第2のFETスイッチ102は、第3及び第4の電界効果トランジスタ112a,112bの直列接続による入力信号の分圧と、第2のキャパシタ118aの効果により、第2のFETスイッチ102のオフ状態が確実に保持される。
これは、上述の場合とは逆に、第1のFETスイッチ101がオフ状態で、第2のFETスイッチ102がオン状態の場合にも、基本的に同様であり、第1のFETスイッチ101がオフ状態で、第2のFETスイッチ102がオン状態の上述の説明における第1のFETスイッチ101を第2のFETスイッチ102に、第2のFETスイッチ102を第1のFETスイッチ101に、それぞれ読み替えれば良い。
さらに、第1及び第2のFETスイッチ101,102が共にオフ状態にある場合においても上述したと同様の作用が得られる。すなわち、第2のFETスイッチ102のオフ状態が、電界効果トランジスタの直列接続と第2のキャパシタ118aにより確実に確保されるのは、第1のFETスイッチ101についても同様である。
また、上述したFETスイッチ回路は、SPDTスイッチの例であるが、その基本的な構成は、信号の分岐経路がn経路(nは自然数)であるSPnTスイッチにも適用することができ、図2には、その一例が示されており、以下、同図を参照しつつこのSPnTスイッチ(単極複投スイッチ)の第2の構成例について説明する。なお、図1に示された構成例と同一の構成要素については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
かかる構成例は、図1に示された回路が2つのFETスイッチ101,102が共通高周波入出力端子104に共通に接続されたものであるのに対して、n個のFETスイッチが同様に接続されて構成されたもので、個々のFETスイッチの構成は図1の場合のそれと基本的に同一であるのでそれぞれについての詳細な説明は省略することとする。
図2において、便宜的に第nのFETスイッチに符号103を付し、第(2×n−1)の電界効果トランジスタに符号113aを、第(2×n)の電界効果トランジスタに符号113bを、それぞれ付している。さらに、第nの制御端子(図2においては「CTLn」と表記)に符号110を、第(2×n−1)の抵抗器に符号116aを、第(2×n)の抵抗器に符号116bを、それぞれ付している。そして、第(2×n−1)の電界効果トランジスタ113aのドレインとゲート間には、第nのキャパシタ119aが接続されたものとなっている。なお、この第nのキャパシタ119aの容量値も、図1の構成例で説明したように第(2×n−1)の電界効果トランジスタ113aのオフ状態におけるゲート・ドレイン間の寄生容量値以下とするのが好適である。
この構成例においても、共通高周波入出力端子104に大電力信号が印加された場合においては、図1に示されたSPDTスイッチで説明したと同様の作用、効果が得られることに変わりはないものであるので、ここでの再度の詳細な説明は省略することとする。
次に、図1に示された構成において、共通高周波入出力端子104と反対側の高周波入出力端子へ大電力信号を印加する場合の作用について図3を参照しつつ説明する。なお、図3に示された回路構成は、図1に示されたものと同一であるので、その構成についての再度の詳細な説明は省略するものとする。
共通高周波入出力端子104と反対側の高周波入出力端子に大電力信号が入力される場合として、例えば、第1の個別高周波入出力端子105に大電力信号が印加されるとする。そして、第1のFETスイッチ101がオン状態にあり、第2のFETスイッチ102がオフ状態にあるとする。
かかる状態において、第1のFETスイッチ101はオン状態であるので、第1のキャパシタ117aはパワーハンドリング能力とは無関係であり、図1の構成例で説明したと同様に、第2のFETスイッチ102が複数の電界効果トランジスタの直列接続により構成されていることと、第2のキャパシタ118aが設けられていることにより第2のFETスイッチ102のオフ状態が安定、確実に保持されるものとなっている。
次に、上述の場合と逆に、第1のFETスイッチ101がオフ状態にあり、第2のFETスイッチ102がオン状態にあって、第3の高周波入力端子106に大電力信号が印加された場合においても基本的に上述したと同様に、第2のキャパシタ118aはパワーハンドリング能力とは無関係であり、第1のFETスイッチ101においては、複数の電界効果トランジスタの直列接続により構成されていることと、第1のキャパシタ117aが設けられていることにより第1のFETスイッチ101のオフ状態が安定、確実に保持されるものとなっている。
次に、図2に示されたSPnTスイッチにおいて、共通高周波入出力端子104と反対側の高周波入出力端子へ大電力信号を印加する場合の作用について図4を参照しつつ説明する。なお、図4に示された回路構成は、図2に示されたものと同一であるので、その構成についての再度の詳細な説明は省略するものとする。
この場合においても、図3で説明したものと基本的に同様である。すなわち、例えば、第1の個別高周波入出力端子105に大電力信号が印加される場合にあって、第1のFETスイッチ101のみオン状態にあり、第2のFETスイッチ102以降の全てのFETスイッチがオフ状態にあるとすると、第1のキャパシタ117aはパワーハンドリング能力とは無関係である。一方、第2のFETスイッチ102以降のFETスイッチにおいては、複数の電界効果トランジスタの直列接続により構成されていることと、それぞれのFETスイッチに設けられたキャパシタ、例えば、第2のFETスイッチ102においては、第2のキャパシタ118aが設けられていることによりそれぞれのオフ状態が安定、確実に保持されるものとなっている。このような作用は、共通高周波入出力端子104と反対側の他の高周波入出力端子に大電力信号が印加され、対応するFETスイッチがオン状態で、その他の残りのFETスイッチがオフ状態の場合にも全く同様である。
図5には、本発明の実施の形態におけるFETスイッチ回路の入力電力に対する通過損失の特性例が従来回路の特性例及びキャパシタを有しない回路の特性例と共に示されており、以下、同図について説明する。
まず、図5において、横軸は入力電力(dBm)を、縦軸は通過損失(dB)を、それぞれ示している。また、同図において、本発明の実施の形態におけるFETスイッチ回路の特性は実線により、従来回路の特性は二点鎖線により、さらに、キャパシタを有しない回路構成における特性は一点鎖線により、それぞれ表されている。
同図によれば、入力電力が大凡30dBm付近まではキャパシタの無い回路が最も通過損失が少ないが、入力電力が大凡30dBmを越えた後は急激に通過損失が増大するものとなっている。
これに対して、本発明の実施の形態におけるFETスイッチ回路は、入力電力が大凡34dBm近傍までは通過損失は従来回路より少なく、かつ、ほぼ一定となっており、入力電力が大凡34dBmを越える付近から従来回路同様に通過損失が増加するものとなっているが、この場合にあっても、通過損失は従来回路に比して小さく、広範な入力電力の変化範囲において従来回路に比して通過損失特性の改善がなされていることが確認できるものとなっている。
本発明の実施の形態におけるFETスイッチ回路をSPDTスイッチとした場合の第1の構成例における回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態におけるFETスイッチ回路をSPnTスイッチとした場合の第2の構成例における回路構成を示す回路図である。 図1に示された回路例において大電力信号を第1の個別高周波入出力端子に印加した場合の動作を説明するための回路図である。 図2に示された回路例において大電力信号を第1の個別高周波入出力端子に印加した場合の動作を説明するための回路図である。 本発明の実施の形態におけるFETスイッチ回路の入力電力に対する通過損失の特性例を示す特性線図である。 従来のFETスイッチ回路がSPDTスイッチである場合の回路例を示す回路図である。 従来のFETスイッチ回路がSPnTスイッチである場合の回路例を示す回路図である。
符号の説明
101…第1のFETスイッチ
102…第2のFETスイッチ
103…第nのFETスイッチ
104…共通高周波入出力端子
105…第1の個別高周波入出力端子
106…第2の個別高周波入出力端子
107…第nの個別高周波入出力端子
111a…第1の電界効果トランジスタ
111b…第2の電界効果トランジスタ
112a…第3の電界効果トランジスタ
112b…第4の電界効果トランジスタ
113a…第(2×n−1)の電界効果トランジスタ
113b…第(2×n)の電界効果トランジスタ
117a…第1のキャパシタ
118a…第2のキャパシタ
119a…第nのキャパシタ

Claims (3)

  1. 電界効果トランジスタにより構成されてなる第1及び第2のFETスイッチを有し、前記第1及び第2のFETスイッチの一端が共に共通する高周波入出力端子に接続される一方、前記第1及び第2のFETスイッチの他端は、それぞれ個別の高周波入出力端子に接続されて単極双投スイッチが構成されてなるFETスイッチ回路であって、
    前記第1及び第2のFETスイッチにおいて、前記共通の高周波入出力端子にドレイン又はソースが接続された電界効果トランジスタのゲートと、当該高周波入出力端子との間に、それぞれキャパシタが接続されて設けられ、前記共通の高周波入出力端子又は、オン状態にある前記FETスイッチに接続された前記個別の高周波入出力端子のいずれからも大電力信号の入力を可能としてなることを特徴とするFETスイッチ回路。
  2. 電界効果トランジスタにより構成されてなるn個のFETスイッチを有し、前記n個のFETスイッチの一端が共に共通する高周波入出力端子に接続される一方、前記n個のFETスイッチの他端は、それぞれ個別の高周波入出力端子に接続されて単極複投スイッチが構成されてなるFETスイッチ回路であって、
    前記n個のFETスイッチにおいて、前記共通の高周波入出力端子にドレイン又はソースが接続された電界効果トランジスタのゲートと、当該高周波入出力端子との間に、それぞれキャパシタが接続されて設けられ、前記共通の高周波入出力端子又は、オン状態にある前記FETスイッチに接続された前記個別の高周波入出力端子のいずれからも大電力信号の入力を可能としてなることを特徴とするFETスイッチ回路。
  3. 前記キャパシタの容量値は、当該キャパシタが接続された各々の電界効果トランジスタのオフ状態におけるゲート・ドレイン間の寄生容量値、または、ゲート・ソース間の寄生容量値以下に設定されてなることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のFETスイッチ回路。
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