JP2007067751A - High frequency switching circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高周波信号の接続経路を切り替えるスイッチ回路において、特に高電子移動度トランジスタなどのディプレッション型のショットキー接合電界効果トランジスタを用いて構成された高周波スイッチ回路に関するものである。 The present invention relates to a high-frequency switch circuit configured by using a depletion-type Schottky junction field effect transistor such as a high electron mobility transistor in a switch circuit for switching a high-frequency signal connection path.
時分割で送受信を切り替える無線通信機器においては、アンテナと送受信回路の接続の切換が必要となる。あるいは複数の周波数帯を利用する端末では、一般に周波数帯ごとに送受信回路を複数内蔵しているので、アンテナと送受信回路の信号経路の切換が必要となっている。あるいはまた、ダイバーシティ受信やMIMO(Multi Input Multi Output)方式を採用している無線通信機器では、複数のアンテナと送受信回路の信号経路を切り換える必要がある。 In a wireless communication device that switches transmission and reception in a time-sharing manner, it is necessary to switch connection between an antenna and a transmission / reception circuit. Alternatively, since a terminal using a plurality of frequency bands generally includes a plurality of transmission / reception circuits for each frequency band, it is necessary to switch signal paths between the antenna and the transmission / reception circuits. Alternatively, in a wireless communication device adopting diversity reception or MIMO (Multi Input Multi Output) method, it is necessary to switch signal paths of a plurality of antennas and transmission / reception circuits.
このために高周波スイッチ回路が利用されているが、高電子移動度トランジスタ(HEMT)をスイッチとして用いた高周波スイッチ回路が特性的に優れているため、広く利用されている。この高電子移動度トランジスタ(HEMT)は、通常ゲート電圧がソース電圧に等しい場合にドレイン−ソース間が低抵抗で接続されたオン状態となるディプレッション型の特性を示す。したがって、高周波スイッチ回路を集積化することを考えた場合、回路内のトランジスタはすべてディプレッション型電界効果トランジスタを使用する方が製造上有利である。
ディプレッション型電界効果トランジスタをもちいてSP3T(単極3投)型高周波スイッチ回路を構成した従来の例を図3に示す。制御端子L1からL3のいずれか一つの端子をHigh(3V)とし、残りの制御端子をLow(0V)とすることにより、高周波共通端子RFCと、第1から第3までの高周波入出力端子RF1〜RF3のいずれかを接続する。
また、ディプレッション型電界効果トランジスタを用いて電源を用いずに高周波スイッチ回路を構成するには、例えば特許文献1のような構成が提案されている。
For this purpose, a high-frequency switch circuit is used, but a high-frequency switch circuit using a high electron mobility transistor (HEMT) as a switch is widely used because of its excellent characteristics. This high electron mobility transistor (HEMT) normally exhibits a depletion type characteristic in which the drain-source is connected with a low resistance when the gate voltage is equal to the source voltage. Therefore, when considering integration of a high-frequency switch circuit, it is more advantageous in manufacturing to use a depletion type field effect transistor for all the transistors in the circuit.
FIG. 3 shows a conventional example in which an SP3T (single pole, three throw) type high frequency switch circuit is configured using a depletion type field effect transistor. By setting one of the control terminals L1 to L3 to High (3V) and the remaining control terminals to Low (0V), the high frequency common terminal RFC and the first to third high frequency input / output terminals RF1 Connect any of ~ RF3.
In order to configure a high-frequency switch circuit using a depletion-type field effect transistor without using a power source, for example, a configuration as in
また、あるいは制御端子を極力少なくするための回路構成として、次の特許文献2のような構成も提案されている。
ところが、図3に示した従来の回路では、3つの制御端子に加え、電源端子が必要となるため計4つの制御用端子が必要となる。
また、特許文献1記載の高周波スイッチ回路は、電源端子は不要であるが、SPST(単極単投)型高周波スイッチ回路の制御に差動の制御信号が必要とされ、制御端子が2つ必要となっている。図4に示した従来の構成と同様な回路構成でもってSP3T型高周波スイッチ回路を実現するには、3個のSPST型高周波スイッチ回路が必要であり、したがっての制御端子数は6個にも昇ってしまう。
However, in the conventional circuit shown in FIG. 3, in addition to the three control terminals, a power supply terminal is required, so a total of four control terminals are required.
The high-frequency switch circuit described in
また、特許文献2記載のSPDT(単極双投)型高周波スイッチ回路は、明示的な制御端子数は1つであるが、電源端子が必要である。したがって特許文献2記載のSPDT高周波スイッチ回路を図5に図示するように2つ組み合わせ、それぞれの電源端子を接続して共通の電源端子としてSP3T(単極3投) スイッチ回路を構成した場合でも、2つの制御端子と最低1つの電源端子の計3端子が必要となる。
Further, the SPDT (single pole double throw) type high frequency switch circuit described in
制御用端子の増加は、配線の長さや複雑さを増加させ、また高周波スイッチ回路を制御するロジック回路の複雑さを増し、無線通信機器のコスト上昇を招く。 The increase in the number of control terminals increases the length and complexity of the wiring, and increases the complexity of the logic circuit that controls the high-frequency switch circuit, leading to an increase in the cost of the wireless communication device.
そこで本発明の課題は、外部ロジック回路などの余分な回路の付加なく、可及的少数の制御用端子にて制御可能なSP3T(単極3投)高周波スイッチ回路を実現する手段を提案するにある。 Therefore, an object of the present invention is to propose a means for realizing an SP3T (single pole, three throw) high frequency switch circuit that can be controlled with as few control terminals as possible without adding an extra circuit such as an external logic circuit. is there.
本発明の高周波スイッチ回路は、第1から第4のディプレッション型ショットキー接合電界効果トランジスタと、複数の容量と、複数の抵抗と、一つの高周波共通端子と、第1から第3の高周波入出力端子と、第1及び第2の制御端子を備え、前記第1電界効果トランジスタのソース端子には前記第1高周波入出力端子が接続されており、前記第2電界効果トランジスタのソース端子はノード1に接続されており、前記第3電界効果トランジスタのドレイン端子は前記ノード1に接続されており、前記第3電界効果トランジスタのソース端子には前記第2高周波入出力端子が接続されており、前記第4電界効果トランジスタのソース端子には前記第3高周波入出力端子が接続されており、前記高周波共通端子が前記第1又は第2電界効果トランジスタのドレイン端子に接続されており、前記第1電界効果トランジスタのドレイン端子と前記第2電界効果トランジスタのドレイン端子が容量を介して接続されており、前記第4の電界効果トランジスタのドレイン端子が容量を介して前記ノード1に接続されており、前記第1電界効果トランジスタのソース又はドレイン端子が抵抗を介して前記第1制御端子に接続されており、前記第1電界効果トランジスタのゲート端子が接地されており、前記第2電界効果トランジスタのゲート端子が前記第1制御端子に接続されており、前記第3電界効果トランジスタのゲート端子は前記第2制御端子に接続されており、前記第4電界効果トランジスタのソース又はドレイン端子が抵抗を介して前記第2制御端子に接続されており、前記第4電界効果トランジスタのゲート端子が接地されていることを特徴とする。
The high-frequency switch circuit of the present invention includes first to fourth depletion-type Schottky junction field effect transistors, a plurality of capacitors, a plurality of resistors, a single high-frequency common terminal, and first to third high-frequency input / output terminals. A first control terminal and a first control terminal, the first high-frequency input / output terminal is connected to the source terminal of the first field effect transistor, and the source terminal of the second field effect transistor is the
また本発明において、前記ノード1または前記第2高周波入出力端子または前記第3高周波入出力端子の少なくとも一つに容量を介して第5の電界効果トランジスタのドレイン端子を接続し、前記第5電界効果トランジスタのソース端子を容量を介して接地し、前記第5電界効果トランジスタのゲート端子を接地し、前記第5電界効果トランジスタのソース端子又はドレイン端子を抵抗を介して前記第1制御端子に接続してもよい。
In the present invention, a drain terminal of a fifth field effect transistor is connected to at least one of the
あるいはまた、本発明において、前記第1から第5の電界効果トランジスタの少なくとも1つの電界効果トランジスタのソース端子とドレイン端子を抵抗を介して接続してもよい。 Alternatively, in the present invention, a source terminal and a drain terminal of at least one field effect transistor of the first to fifth field effect transistors may be connected via a resistor.
あるいはまた、本発明において、前記第1から第5の電界効果トランジスタの少なくとも1つの電界効果トランジスタのゲート端子に直列に抵抗を挿入してもよい。 Alternatively, in the present invention, a resistor may be inserted in series with the gate terminal of at least one field effect transistor of the first to fifth field effect transistors.
本発明によれば、余分なロジック回路等を付加することなく、最低数の制御端子にて高周波経路を制御可能なSP3T型高周波スイッチ回路を実現できる。 According to the present invention, an SP3T type high-frequency switch circuit capable of controlling a high-frequency path with a minimum number of control terminals can be realized without adding an extra logic circuit or the like.
また、前記ノード1または前記第2高周波入出力端子または前記第3高周波入出力端子の少なくとも一つに容量を介して第5の電界効果トランジスタのドレイン端子を接続し、前記第5電界効果トランジスタのソース端子を容量を介して接地し、前記第5電界効果トランジスタのゲート端子を接地し、前記第5電界効果トランジスタのソース端子又はドレイン端子を抵抗を介して前記第1制御端子に接続することにより、第2または第3の高周波入出力端子の少なくともいずれか一つのアイソレーションを改善することができる。
A drain terminal of a fifth field effect transistor is connected to at least one of the
また、前記第1から第5の電界効果トランジスタの少なくとも1つの電界効果トランジスタのソース端子とドレイン端子を抵抗を介して接続することにより、該電界効果トランジスタのソース端子とドレイン端子の電位を等しく保ち、電界効果トランジスタのオン状態とオフ状態を素早く切り換えることが出来る。 Further, by connecting a source terminal and a drain terminal of at least one field effect transistor of the first to fifth field effect transistors through a resistor, the potentials of the source terminal and the drain terminal of the field effect transistor are kept equal. The on-state and off-state of the field effect transistor can be quickly switched.
また、前記第1から第5の電界効果トランジスタの少なくとも1つの電界効果トランジスタのゲート端子に直列に抵抗を挿入することにより、該電界効果トランジスタの端子に過大な電圧がかかった場合においても電流を制限し、破壊を免れる確立を高くでき、高周波スイッチ回路の信頼性を高めることができると同時に、該電界効果トランジスタが発振等の不安定な動作をすることがなくなり、安定性を確保できる。 Further, by inserting a resistor in series with the gate terminal of at least one field effect transistor of the first to fifth field effect transistors, a current can be supplied even when an excessive voltage is applied to the terminal of the field effect transistor. It is possible to increase the probability of limiting and avoiding destruction, and to improve the reliability of the high-frequency switch circuit. At the same time, the field-effect transistor does not perform unstable operation such as oscillation, so that stability can be ensured.
以下本発明の実施の最良の形態について実施例に基づいて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below based on examples.
図1は本発明の第1の実施例である高周波スイッチ回路の回路図である。図中、1から4はディプレッション型ショットキー接合電界効果トランジスタである。21は抵抗であり、24は使用する高周波帯において十分小さなインピーダンスとなる容量である。
FIG. 1 is a circuit diagram of a high frequency switch circuit according to a first embodiment of the present invention. In the figure,
本実施例において、高周波信号の周波数は2.5GHzである。電界効果トランジスタ1,及び2は擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ(p−HMET)プロセスで同一のチップ上に作成され、ほぼ同一で負のピンチオフ電圧 約−1.3Vを持つ。電界効果トランジスタ1から4のゲート長は1mmであり、ゲート幅は同じ2μmである。21の抵抗値はRF信号を略阻止する20kΩとする。1MΩ以上の抵抗値は、ゲート端子電圧の変化が遅くなり、高周波スイッチ回路の動作を低下させる。容量24は5pFである。高周波スイッチ回路を制御しているロジック回路の動作電圧は、いま3Vとし、高周波共通端子、第1及び第2の高周波入出力端子は図示しないが、容量を介して外部回路に接続されており、直流的にはフローティング状態である。
In this embodiment, the frequency of the high frequency signal is 2.5 GHz.
以下、高周波スイッチ回路の動作について説明する。
第1状態 (第1制御端子=High(3V)、第2制御端子=High(3V))
この場合ノード1、ノード3は第1及び第2制御端子からの電流により3Vとなる。ノード2は、電界効果トランジスタ2及び電界効果トランジスタ3のショットキー接合部を通して電流が流れるため、(3V−ショットキー順方向電圧)となる。ショットキーの順方向電圧は小さいのでHigh電圧と見なしてよい。ここでそれぞれ1から4の電界効果トランジスタのドレイン端子とソース端子間の電位差は、仮に電界効果トランジスタがオフ状態であったとしても漏れ電流により同電位となる。
したがって電界効果トランジスタ1から4のソース−ゲート端子間電圧は、−3V,0V,0V、−3Vとなり、ピンチオフ電圧が−1.3Vであるのでドレイン−ソース端子間はオフ、オン、オン、オフとなる。高周波の経路としては高周波共通端子と第2高周波入出力端子が接続される。
Hereinafter, the operation of the high frequency switch circuit will be described.
First state (first control terminal = High (3V), second control terminal = High (3V))
In this case, the
Therefore, the source-gate voltages of the
第2状態 (第1制御端子=High(3V)、第2制御端子=Low(0V))
この場合ノード1、ノード3は第1及び第2制御端子からの電流により、それぞれ3V、0Vとなる。ノード2は電界効果トランジスタ2のショットキー接合を通して電流が流れこむが、電界効果トランジスタ3のショットキー接合は逆方向電圧となるので、電流は流れ出さない。したがってHigh電圧となる。電界効果トランジスタ1から4のソース−ゲート端子間電圧は、−3V,0V,−3V、0Vとなり、電界効果トランジスタ1から4のドレイン−ソース端子間はオフ、オン、オフ、オンとなる。高周波経路は、高周波共通端子と第3高周波入出力端子となる。
Second state (first control terminal = High (3V), second control terminal = Low (0V))
In this case, the
第3状態 (第1制御端子=Low(0V)、第2制御端子=High(3V))
この場合ノード1、ノード3は第1及び第2制御端子からの電流により、それぞれ0V、3Vとなる。ノード2は電界効果トランジスタ3のショットキー接合を通して電流が流れこむが、電界効果トランジスタ2のショットキー接合は逆方向電圧となるので、電流は流れ出さない。したがってHigh電圧となる。電界効果トランジスタ1から4のソース−ゲート端子間電圧は、0V,−3V,0V、−3Vとなり、電界効果トランジスタ1から4のドレイン−ソース端子間はオン、オフ、オン、オフとなる。高周波経路は、高周波共通端子と第1高周波入出力端子となる。
3rd state (1st control terminal = Low (0V), 2nd control terminal = High (3V))
In this case, the
以上の3つの状態により、高周波共通端子と第1から第3高周波入出力端子のいずれかが接続される。第1制御端子、第2制御端子ともLow(0V)とした第4の状態は、すべての電位が等しくなり、すべての電界効果トランジスタがオン状態となるため、経路選択が出来ない。そのためこの状態は実際には使用できない禁止状態である。 According to the above three states, either the high frequency common terminal or the first to third high frequency input / output terminals are connected. In the fourth state in which both the first control terminal and the second control terminal are set to Low (0 V), all the potentials are equal and all the field effect transistors are turned on, so that the path cannot be selected. Therefore, this state is a prohibition state that cannot be actually used.
図2は、本発明の第2の実施例である高周波スイッチ回路の回路図である。実施例1の回路に加え、電界効果トランジスタ5のドレイン端子は5pFの容量を介してノード1に接続され、電界効果トランジスタ5のソース端子は5pFの容量を介して接地されている。電界効果トランジスタ5のゲート端子は略20kΩの抵抗を介して接地されており、電界効果トランジスタ5のソース端子は略20kΩの抵抗を介して第1制御端子に接続されている。 また、電界効果トランジスタ1から4のゲート端子もそれぞれ略20kΩの抵抗を介して接地または制御端子に接続されている。
ゲート端子に比較的大きな抵抗を直列に接続することにより、いずれかの端子に過大な電圧がかかったとしても、ゲート端子に流れる電流は抵抗によって制限される。従って電界効果トランジスタに発生する熱が抵抗を接続しない場合と比較し抑制され、電界効果トランジスタの破壊防止に有効となる。
FIG. 2 is a circuit diagram of a high frequency switch circuit according to a second embodiment of the present invention. In addition to the circuit of the first embodiment, the drain terminal of the field effect transistor 5 is connected to the
By connecting a relatively large resistance in series to the gate terminal, even if an excessive voltage is applied to any terminal, the current flowing through the gate terminal is limited by the resistance. Therefore, the heat generated in the field effect transistor is suppressed as compared with the case where the resistor is not connected, which is effective in preventing the field effect transistor from being destroyed.
また、本実施例においては、電界効果トランジスタ1から5のソース−ドレイン端子間を略20kΩの抵抗により接続している。このようにすることにより、電界効果トランジスタの漏れ電流によることなくソース−ドレイン間を同電位に保つことが可能となる。抵抗値が略20kΩと大きく、高周波信号は通さないため、高周波信号の経路選択に影響することは無い。
In this embodiment, the source-drain terminals of the
次に本実施例の高周波スイッチ回路の動作について説明する。第3状態(第1制御端子=Low(0V)、第2制御端子=High(3V))において、電界効果トランジスタ5のゲート−ソース間電圧は0Vとなり、オン状態となる。このときノード1は、高周波的に接地される。したがってオフ状態の電界効果トランジスタ2から漏れた高周波信号電流をグランドに流すことにより、第2高周波入出力端子及び第3高周波入出力端子のアイソレーションを改善することができる。
Next, the operation of the high frequency switch circuit of this embodiment will be described. In the third state (first control terminal = Low (0V), second control terminal = High (3V)), the gate-source voltage of the field-effect transistor 5 becomes 0V, and it is turned on. At this time, the
第1状態(第1制御端子=High(3V)、第2制御端子=High(3V))及び第2状態(第1制御端子=High(3V)、第2制御端子=Low(0V))においては、電界効果トランジスタ5のゲート−ソース間電圧は−3Vとなりオフ状態である。したがって高周波スイッチ回路への影響は無い。 In the first state (first control terminal = High (3V), second control terminal = High (3V)) and in the second state (first control terminal = High (3V), second control terminal = Low (0V)) , The gate-source voltage of the field effect transistor 5 is -3 V, and it is in the off state. Therefore, there is no influence on the high frequency switch circuit.
図6は、本発明の第3の実施例である高周波スイッチ回路の回路図である。実施例2の回路に加え、電界効果トランジスタ6,7,8のドレイン端子が容量を介してRF1、RF2、RF3に接続されており、電界効果トランジスタ6,7,8のソース端子は容量を介して接地されている。電界効果トランジスタ6のゲート端子は、抵抗を介して第1制御端子に接続され、電界効果トランジスタ7のゲート端子は抵抗を介して第2制御端子に接続され、電界効果トランジスタ8のゲート端子は接地されている。また、電界効果トランジスタ6,7のドレイン端子は、抵抗を介してノード1に接続されており、電界効果トランジスタ8のドレイン端子は抵抗を介して第2制御端子に接続されている。
FIG. 6 is a circuit diagram of a high-frequency switch circuit according to a third embodiment of the present invention. In addition to the circuit of the second embodiment, the drain terminals of the
このような回路構成にすることにより、アイソレーションを改善することができる。第1状態における本実施例の効果について説明する。 With such a circuit configuration, isolation can be improved. The effect of the present embodiment in the first state will be described.
第1状態 (第1制御端子=High(3V)、第2制御端子=High(3V))
この時、電界効果トランジスタ8はオフ状態であり、高周波共通端子と第2高周波入出力端子間の高周波経路への影響は無視できる。電界効果トランジスタ6,7はオン状態となり、第1高周波入出力端子及び第3高周波入出力端子は高周波において接地状態となり、高周波経路からの高周波の漏れ電流をグランドに逃がすため、第1及び第3高周波入出力端子のアイソレーションを高めることができる。
First state (first control terminal = High (3V), second control terminal = High (3V))
At this time, the
第2状態及び第3状態においても同様にして、高周波経路に接続されていない高周波入出力端子が接地されて漏れ電流を接地へ逃し、アイソレーションを改善する。 Similarly, in the second state and the third state, the high-frequency input / output terminals not connected to the high-frequency path are grounded to release the leakage current to the ground, thereby improving the isolation.
本発明の高周波スイッチ回路は、送受信時分割方式やマルチバンドに対応した携帯電話、無線LAN端末など高周波信号経路の切り換えが必要な高周波無線通信機器に用いることができる。 The high-frequency switch circuit of the present invention can be used for a high-frequency wireless communication device that requires switching of a high-frequency signal path, such as a transmission / reception time division system, a multi-band mobile phone, a wireless LAN terminal, and the like.
1,2,3,4,5,7,8:デプレッション型ショットキー接合電界効果トランジスタ
L1:第1制御端子
L2:第2制御端子
L3:第3制御端子
11,11a:差動制御信号端子
RF1:第1高周波入出力端子
RF2:第2高周波入出力端子
RF3:第3高周波入出力端子
RFC:高周波共通端子
21:抵抗
24:容量
n1:ノード1
n2:ノード2
n3:ノード3
VDD:電源端子
1,2,3,4,5,7,8: Depletion type Schottky junction field effect transistor
L1: First control terminal
L2: Second control terminal
L3: Third control terminal
11,11a: Differential control signal terminal
RF1: First high frequency input / output terminal
RF2: Second high frequency input / output terminal
RF3: Third high frequency input / output pin
RFC: High frequency common terminal
21: Resistance
24: Capacity
n1:
n2:
n3:
VDD: Power supply pin
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