JP2006011838A - Function generator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、マイクロマシンスイッチ素子からなるスイッチアレイで目的の関数に従う出力を実現した関数発生器に関するものである。 The present invention relates to a function generator that realizes an output according to a target function with a switch array composed of micromachine switch elements.
従来、入力電圧から所望の関数に従った電流値を発生する関数発生器は、ダイオードの非線形性(順方向動作)やオペアンプを利用して実現されていた。例えば、ダイオードの非線形特性を利用すると、入力電圧の二乗値に相当する電流を出力する関数発生器である二乗回路を構成することができる。 Conventionally, a function generator that generates a current value according to a desired function from an input voltage has been realized using a diode non-linearity (forward operation) or an operational amplifier. For example, when the nonlinear characteristic of the diode is used, a square circuit that is a function generator that outputs a current corresponding to the square value of the input voltage can be configured.
ところで、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術の発展に伴い、無線通信分野でのマイクロマシンチップの利用が実現されつつある(非特許文献1、2、3参照)。この無線通信分野においても、無線信号の処理に上述した関数発生器が広く利用されている。
By the way, with the development of MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology, the use of micromachine chips in the field of wireless communication is being realized (see Non-Patent
従来の関数変換器では、ダイオードやオペアンプなどの半導体の特性上、数GHz以上のマイクロ波帯で動作させることが難しいという課題があった。また、ダイオードの非線形処理を利用する場合、関数変換器が能動回路として構成されるため、電気特性のばらつきや温度特性の補償方法に工夫が必要であるなどの課題があった。 The conventional function converter has a problem that it is difficult to operate in a microwave band of several GHz or more due to characteristics of semiconductors such as a diode and an operational amplifier. In addition, when the nonlinear processing of the diode is used, since the function converter is configured as an active circuit, there has been a problem in that it is necessary to devise a compensation method for variation in electrical characteristics and temperature characteristics.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ダイオードのように使用電圧範囲が限定されないリニアな特性を有するマイクロマシンスイッチからなるスイッチアレイを用いることで、小型化が可能で、且つ数GHz以上のマイクロ波帯で動作可能な関数発生器を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be miniaturized by using a switch array including a micromachine switch having a linear characteristic whose operating voltage range is not limited like a diode. An object is to obtain a function generator operable in a microwave band of several GHz or more.
この発明に係る関数発生器は、マイクロマシンスイッチ素子と減衰素子を直列に接続し、マイクロマシンスイッチ素子のオンオフにより減衰素子の導通が制御される複数のユニットを並列に接続してなるスイッチアレイを備え、入力電圧値に応じてマイクロマシンスイッチ素子をオンオフ制御して、スイッチアレイの減衰素子により形成される抵抗値を、目的の関数に基づく入力電圧値と出力電流値との関係を与える抵抗値に設定し、この抵抗値と入力電圧値とから求まる電流値を出力するものである。 A function generator according to the present invention includes a switch array in which a micromachine switch element and an attenuation element are connected in series, and a plurality of units in which conduction of the attenuation element is controlled by turning on and off the micromachine switch element are connected in parallel. The micromachine switch element is controlled to turn on and off according to the input voltage value, and the resistance value formed by the attenuation element of the switch array is set to a resistance value that gives the relationship between the input voltage value and the output current value based on the target function. The current value obtained from the resistance value and the input voltage value is output.
この発明によれば、マイクロマシンスイッチ素子と減衰素子を直列に接続し、マイクロマシンスイッチ素子のオンオフにより減衰素子の導通が制御される複数のユニットを並列に接続してなるスイッチアレイを備え、入力電圧値に応じてマイクロマシンスイッチ素子をオンオフ制御して、スイッチアレイの減衰素子により形成される抵抗値を、目的の関数に基づく入力電圧値と出力電流値との関係を与える抵抗値に設定し、この抵抗値と入力電圧値とから求まる電流値を出力するので、マイクロマシン技術により小型化を図ることができる上、数GHz以上のマイクロ波帯でも動作可能な関数発生器を提供することができるという効果がある。 According to the present invention, the micromachine switch element and the attenuation element are connected in series, and the switch array is formed by connecting in parallel a plurality of units in which the conduction of the attenuation element is controlled by turning on and off the micromachine switch element. The resistance value formed by the attenuation element of the switch array is set to a resistance value that gives the relationship between the input voltage value and the output current value based on the target function. Since the current value obtained from the value and the input voltage value is output, it is possible to provide a function generator that can be miniaturized by a micromachine technology and that can operate even in a microwave band of several GHz or more. is there.
実施の形態1.
図1は、この発明による関数発生器に用いるマイクロマシンスイッチアレイを示す図であり、(a)は全体の斜視図、(b)は(a)中の記号Aを付した領域に示される部分の拡大図である。(a)に示すように、本発明による関数発生器は、複数のマイクロマシンスイッチ素子SW1〜SWNを平面上に配置したマイクロマシンスイッチアレイ1を有する。
1A and 1B are diagrams showing a micromachine switch array used in a function generator according to the present invention, in which FIG. 1A is a perspective view of the whole, and FIG. 1B is a portion of a portion indicated by a symbol A in FIG. It is an enlarged view. As shown to (a), the function generator by this invention has the micro
スイッチアレイ1を構成する各スイッチ素子SW1〜SWNに接続する信号線は、port1,2の各信号端子2,3に電気的に接続している。これら信号線が(b)に示す信号線5,6である。また、各スイッチ素子SW1〜SWNには、減衰素子R1〜RNが設けられている。減衰素子R1〜RNによって、port1−port2間の信号線を流れる電流を制限する。
Signal lines connected to the switch elements SW1 to SWN constituting the
なお、減衰素子R1〜RNの値の配置は、例えば以下のようにして決定される。
本実施の形態による関数発生器で実現したい所望の関数とその使用電流電圧範囲などを決定しておき、この使用範囲における入力電圧値と出力電流値をパラメータとした上記関数の理想的な曲線から、入力電圧値に上記関数の演算を施して得られる出力電流値を導く抵抗値を入力電圧値に応じて予め求めておく。
The arrangement of the values of the attenuation elements R1 to RN is determined as follows, for example.
A desired function to be realized by the function generator according to the present embodiment and a current voltage range to be used are determined, and an ideal curve of the above function with the input voltage value and the output current value in the usage range as parameters is obtained. A resistance value for deriving an output current value obtained by calculating the above function on the input voltage value is obtained in advance according to the input voltage value.
この入力電圧値に応じた抵抗値がマイクロマシンスイッチアレイ1内のスイッチ素子のオンオフにより実現されるように減衰素子R1〜RNを配置する。つまり、一つ若しくは複数のスイッチ素子をオンする組み合わせによりスイッチアレイ1内で規定される抵抗値が、上述のようにして求めた入力電圧値に応じた抵抗値の関係を満たすように減衰素子R1〜RNを配置する。
The attenuating elements R1 to RN are arranged so that a resistance value corresponding to the input voltage value is realized by turning on and off the switching elements in the
また、(b)にスイッチ素子SW1を例に挙げて示すように、各スイッチ素子SW1〜SWNは、信号線5,6にそれぞれ電気的に接続する信号接点4a,4b、制御接点7、制御端子8及びカンチレバー9からなる。図示の例では、信号接点4a,4bの下層に信号線5,6が形成され、バイアホールなどによる導体間電気接続により信号接点4a,4bと信号線5,6が接続される。
Further, as shown in FIG. 5B by taking the switch element SW1 as an example, the switch elements SW1 to SWN are respectively connected to
信号接点4bについては、前述のようして信号線6に接続する部分と信号接点4bとの間に同一平面上で一体に形成された減衰素子R1が挿入されている。制御端子8は、制御接点7と同一平面上で一体に形成される。制御端子8に入力された制御信号は制御接点7に伝えられ、静電気力などによりカンチレバー9が駆動する。
As for the
図2は、図1に示したアレイを構成するマイクロマシンスイッチ素子を示す図であり、(a)は上面図、(b)は(a)中のB−B線での断面図であって、スイッチ素子がオフ状態を示しており、(c)は(a)中のB−B線での断面図であって、スイッチ素子がオン状態を示している。(a)に示すように、電気的に分離して配置された信号接点4a,4bは、カンチレバー9がオン状態になることにより導通することになる。
2A and 2B are diagrams showing micromachine switch elements constituting the array shown in FIG. 1, wherein FIG. 2A is a top view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. The switch element shows an off state, and (c) is a cross-sectional view taken along line BB in (a), and the switch element shows an on state. As shown in (a), the
つまり、制御接点7に制御信号が伝えられる前ではカンチレバー9が駆動せず、(b)の状態にある。制御接点7に制御信号が伝えられると、(c)の状態のようにカンチレバー9が駆動し、その先端の導体接点が信号接点4a,4bに接触する。これにより、信号接点4a,4bが導通し、ひいては信号端子2,3が導通する。
That is, before the control signal is transmitted to the
なお、本実施の形態では、カンチレバー9を使用する静電駆動型のスイッチ素子を例に挙げたが、スイッチ素子自体の構造はカンチレバーの代わりにメンブレンなどを使用するものであっても良い。
In the present embodiment, the electrostatic drive type switch element using the
図3は、上述したマイクロマシンスイッチアレイ1の回路図である。図に示すように、本実施の形態1によるスイッチアレイは、各スイッチ素子SW1〜SWNと各減衰素子(抵抗)R1〜RNとが直列に接続してなる各構成ユニットがさらに並列接続した構成を有している。このように、制御信号に応じてスイッチ素子SW1〜SWNをオンオフすることで、マイクロマシンスイッチアレイ1において適当な減衰値(抵抗値)を決定することができる。
FIG. 3 is a circuit diagram of the
図4は、この発明の実施の形態1による関数発生器の構成を示す図である。本実施の形態による関数発生器は、マイクロマシンスイッチアレイ1、制御端子10に入力が接続するバッファアンプ11、直流電源12及び出力部13から構成される。バッファアンプ11は、制御端子10を介して入力した入力信号を増幅し、制御信号としてスイッチアレイ1内のマイクロマシンスイッチ素子の制御端子8に出力する。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the function generator according to the first embodiment of the present invention. The function generator according to the present embodiment includes a
バッファアンプ11はスイッチ素子SW1〜SWNごとに設けられ、不図示の入力信号制御部によってバッファアンプ11を介して制御信号を出力すべきスイッチ素子が制御される。つまり、上記入力信号制御部によって、直流電源12からの入力電圧値Vに応じて制御信号を出力してオン状態にするスイッチ素子を制御し、スイッチアレイ1での減衰値を制御する。
The
このようにして、本実施の形態による関数発生器では、制御信号に応じてスイッチアレイ1で決定される減衰値(抵抗値)の逆数と直流電源12からの入力電圧値Vとの積として得られる電流値が、入力電圧値Vに所望の関数による演算を施した電流値Iとなるように制御される。
In this manner, the function generator according to the present embodiment obtains the product of the reciprocal of the attenuation value (resistance value) determined by the
出力部13には、スイッチアレイ1の減衰値(抵抗値)の逆数と直流電源12からの入力電圧値の積により決定された電流値が出力される。例えば、電流計や上記電流値を出力すべき何らかの負荷が考えられる。なお、図1と同一構成要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
The
次に動作について説明する。
先ず、入力電圧Vの0.5乗に相当する電流値Iを発生する関数発生器を構成した場合を例に挙げて説明する。不図示の入力信号制御部が、直流電源12からの入力電圧値Vに応じてスイッチアレイ1内でオンさせるスイッチ素子を決定し、決定したスイッチ素子に接続する制御端子10に入力信号を入力する。制御端子10に入力された入力信号は、バッファアンプ11により増幅されて上記スイッチ素子の制御端子8に出力される。
Next, the operation will be described.
First, a case where a function generator that generates a current value I corresponding to the 0.5th power of the input voltage V is configured will be described as an example. An unillustrated input signal control unit determines a switch element to be turned on in the
制御端子8を介して入力された制御信号は制御接点7に伝えられ、静電気力などによりカンチレバー9が駆動し、信号接点4a,4bを導通させる。これにより、スイッチ素子はオン状態になり、スイッチアレイ1における減衰値(抵抗値)が決定される。
A control signal input via the
入力電圧値Vの0.5乗の電流値Iを発生する関数発生器であれば、I=V0.5を満足する関数に基づいて、直流電源12からの入力電圧値Vが大きくなるに従って順番に各スイッチ素子SW1〜SWNがオフ状態になるように、入力信号を入力する制御端子10が決定される。これにより、スイッチアレイ1では、直流電源12からの入力電圧値Vが大きくなるにつれて、port1−port2間の減衰値(抵抗値)が最小値R1//R2//・・・//RNから最大値R1(若しくは無限大)までステップ状に大きくなる。なお、//は並列抵抗を意味する。
In the case of a function generator that generates a current value I that is the 0.5th power of the input voltage value V, as the input voltage value V from the
上述のようにして、スイッチアレイ1にて減衰値(抵抗値)が決定されると、この減衰値の逆数と直流電源12からの入力電圧値Vとの積により、所望の関数I=V0.5を満足する電流値Iを得ることができる。
When the attenuation value (resistance value) is determined by the
図5は、上述したように直流電源12からの入力電圧値Vに応じてスイッチアレイ1で減衰値を決定した場合の入力電圧値と出力電流値の関係を示すグラフであり、(a)は入力電圧値と出力電流値の関係を示すグラフ、(b)は(a)の入力電圧値と出力電流値を対数目盛に変換したグラフである。上述のようにして直流電源12からの入力電圧値Vに応じた減衰値(抵抗値)を決定することにより、(a)に示すような入力電圧値と出力電流値の関係を得ることができる。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the input voltage value and the output current value when the attenuation value is determined by the
これは、(b)のグラフに示すように、入力電圧値Vの変化量40dB(2桁)に対して出力電流値Iが20dB(1桁)となる。つまり、傾きが1:2(dB/dB)であり、上記制御によって開平回路を実現できていることがわかる。 As shown in the graph of (b), the output current value I is 20 dB (1 digit) with respect to the change amount 40 dB (2 digits) of the input voltage value V. That is, the slope is 1: 2 (dB / dB), and it can be seen that the square root circuit can be realized by the above control.
本発明による関数発生器は、スイッチアレイ1をマイクロマシン技術で製造するので、1チップで構成することができ、近年のマイクロマシン技術の向上によりチップサイズも小型化を図ることができる。例えば、スイッチ素子を近年のマイクロマシン技術で実現可能な0.05mm×0.05mmのサイズで構成すれば、1mm平方のチップ内におよそ400個のスイッチ素子を配置することができる。
In the function generator according to the present invention, the
また、このようなマイクロマシンスイッチ素子を数万個まで配列してなるスイッチアレイ1を構成すれば、16bit程度での変換精度も実現可能である。つまり、スイッチ素子数を増やせば増やす程より正確な関数発生器を実現することができる。
Further, if the
さらに、マイクロマシンスイッチ素子は、従来のダイオードを使用する関数発生器のように使用可能な電圧範囲が限られず、個々のスイッチ素子がリニアな特性を有する。このため、数GHz以上のマイクロ波帯で動作させることも可能である。 Furthermore, the voltage range that can be used for the micromachine switch element is not limited as in a function generator using a conventional diode, and each switch element has a linear characteristic. For this reason, it is also possible to operate in a microwave band of several GHz or more.
なお、上述した説明では、入力電圧値Vの0.5乗の出力電流値Iを実現する関数発生器を例に挙げたが、スイッチアレイ1内のスイッチ素子のオンオフ制御によって決定される抵抗値を変えたり、スイッチ素子のオンオフ制御の組み合わせを変更することで、0.3乗、0.4乗、・・・、3乗、4乗、・・・、対数などの任意の関数を実現することができる。本発明では、基本的に変曲点が1つの関数であるならば任意の関数を実現することができる。
In the above description, the function generator that realizes the output current value I that is the 0.5th power of the input voltage value V is taken as an example, but the resistance value that is determined by the on / off control of the switch elements in the
例えば、I=V2を満足する関数を実現する場合、直流電源12からの入力電圧値Vが大きくなるに従って各スイッチ素子SW1〜SWNが順番にオン状態になるように制御端子10への電圧入力を制御する。これにより、スイッチアレイ1では、port1−port2間の減衰値(抵抗値)が、最大値無限大から最小値R1//R2//・・・//RNまでステップ状に小さくなる。
For example, when a function satisfying I = V 2 is realized, voltage input to the
図6は、このように入力電圧値Vに応じてスイッチアレイ1で減衰値を決定した場合の入力電圧と出力電流の理論的な関係を示すグラフであり、(a)は入力電圧値と出力電流値の関係を示すグラフ、(b)は(a)の入力電圧値と出力電流値を対数目盛に変換したグラフである。入力電圧値Vに応じた減衰値(抵抗値)を決定することにより、(a)に示すような入力電圧値と出力電流値の関係を得ることができる。
FIG. 6 is a graph showing the theoretical relationship between the input voltage and the output current when the attenuation value is determined by the
これは、(b)のグラフで示すように、入力電圧値Vの変化量20dB(1桁)に対して出力電流値Iが40dB(2桁)である。つまり、傾きが2:1(dB/dB)であり、上記制御によってダイオードの順方向特性と同じ2乗特性を実現できていることがわかる。 As shown in the graph of (b), the output current value I is 40 dB (2 digits) with respect to the change amount 20 dB (1 digit) of the input voltage value V. That is, the slope is 2: 1 (dB / dB), and it can be seen that the above-described control realizes the same square characteristic as the forward characteristic of the diode.
以上のように、この実施の形態1によれば、マイクロマシンスイッチ素子SW1〜SWNと減衰素子R1〜RNを直列に接続し、スイッチ素子SW1〜SWNのオンオフにより減衰素子R1〜RNの導通が制御される複数のユニットを並列に接続してなるスイッチアレイ1を備え、入力電圧値に応じてスイッチ素子R1〜RNをオンオフ制御して、スイッチアレイ1の減衰素子R1〜RNにより形成される抵抗値を、目的の関数に基づく入力電圧値と出力電流値との関係を与える抵抗値に設定し、この抵抗値と入力電圧値とから求まる電流値を出力するので、ダイオードのように使用電圧範囲が限定されないリニアな特性を有するマイクロマシンスイッチ素子SW1〜SWNを用いることから、マイクロマシン技術により小型化を期待できる上、数GHz以上のマイクロ波帯でも動作可能な関数発生器を提供することができる。
As described above, according to the first embodiment, the micromachine switch elements SW1 to SWN and the attenuation elements R1 to RN are connected in series, and the conduction of the attenuation elements R1 to RN is controlled by turning on and off the switch elements SW1 to SWN. The
この発明に係る関数発生器は、マイクロマシン技術により小型化を図ることができ、数GHz以上のマイクロ波帯で動作可能であることから、無線通信分野における携帯通信端末で扱われる高周波信号の信号変換処理を実行する関数発生器として適用可能である。 Since the function generator according to the present invention can be reduced in size by micromachine technology and can operate in a microwave band of several GHz or more, signal conversion of a high-frequency signal handled in a mobile communication terminal in the field of wireless communication It can be applied as a function generator that executes processing.
1 マイクロマシンスイッチアレイ(スイッチアレイ)、2,3 信号端子、4a,4b 信号接点、5,6 信号線、7 制御接点、8 制御端子、9 カンチレバー、10 制御端子、11 バッファアンプ、12 直流電源、13 出力部。 1 micromachine switch array (switch array), 2, 3 signal terminals, 4a, 4b signal contacts, 5, 6 signal lines, 7 control contacts, 8 control terminals, 9 cantilever, 10 control terminals, 11 buffer amplifier, 12 DC power supply, 13 Output unit.
Claims (1)
入力電圧値に応じて上記マイクロマシンスイッチ素子をオンオフ制御して、上記スイッチアレイの減衰素子により形成される抵抗値を、目的の関数に基づく入力電圧値と出力電流値との関係を与える抵抗値に設定し、この抵抗値と上記入力電圧値とから求まる電流値を出力する関数発生器。 A switch array comprising a micromachine switch element and an attenuation element connected in series, and a plurality of units in which conduction of the attenuation element is controlled by turning on and off the micromachine switch element is connected in parallel.
The micromachine switch element is controlled to be turned on / off according to the input voltage value, and the resistance value formed by the attenuation element of the switch array is changed to a resistance value that gives a relationship between the input voltage value and the output current value based on a target function. A function generator that sets and outputs a current value obtained from the resistance value and the input voltage value.
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