JP2008035153A - Analog switching circuit - Google Patents
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Description
この発明はアナログスイッチ回路に関し、詳しくは、振幅の大きな信号が入力されると、発生する出力信号の歪みを小さくする技術に関する。 The present invention relates to an analog switch circuit, and more particularly to a technique for reducing distortion of an output signal generated when a signal having a large amplitude is input.
図10に従来のアナログスイッチ回路の回路図を示す。この回路は、NMOS(Negative Metal Oxide Semiconductor)トランジスタMN1のソース端子と、PMOS(Positive Metal Oxide Semiconductor)トランジスタMP1のソース端子及びNMOSトランジスタMN1のドレイン端子とPMOSトランジスタMP1のドレイン端子がそれぞれ接続されてスイッチ部1を構成している。制御信号入力CINはMN1のゲート端子とインバータ回路G1入力に接続され、G1の出力がMP1のゲート端子に接続されることにより、MN1とMP1に論理的に反転の電圧がかかるようになっている。 FIG. 10 shows a circuit diagram of a conventional analog switch circuit. In this circuit, a source terminal of an NMOS (Negative Metal Oxide Semiconductor) transistor MN1, a source terminal of a PMOS (Positive Metal Oxide Semiconductor) transistor MP1, a drain terminal of the NMOS transistor MN1, and a drain terminal of the PMOS transistor MP1 are connected to each other. Part 1 is configured. The control signal input CIN is connected to the gate terminal of MN1 and the input of the inverter circuit G1, and the output of G1 is connected to the gate terminal of MP1, whereby a logically inverted voltage is applied to MN1 and MP1. .
スイッチをオンにする場合は、CINにHの信号が入力され、MN1のゲート端子にH、MP1のゲート端子にLの電圧が印加されるため、それぞれのトランジスタは導通状態となる。一方、スイッチをオフする場合は、CINにLの信号が入力され、MN1のゲート端子にL、MP1のゲート端子にHの電圧が印加されるため、それぞれのトランジスタは非導通状態となる。 When the switch is turned on, an H signal is input to CIN, and an H voltage is applied to the gate terminal of MN1 and an L voltage is applied to the gate terminal of MP1, so that each transistor becomes conductive. On the other hand, when the switch is turned off, an L signal is input to CIN, and an L voltage is applied to the gate terminal of MN1 and an H voltage is applied to the gate terminal of MP1, so that the respective transistors are turned off.
スイッチがオン時の入出力端子電圧VDD(以下「バイアス電圧」とする)に対する入出力端子間抵抗値(以下「オン抵抗」とする)の関係を図11に示す。MP1のオン抵抗特性と、MN1のオン抵抗特性が、VDD/2を中心として対称となるようにMP1とMN1のトランジスタサイズが調整される。この結果、スイッチ部全体としてのオン抵抗(MN1とMP1の並列抵抗)は、バイアス電圧に対してほぼフラットな特性となる。 FIG. 11 shows the relationship between the input / output terminal resistance VDD (hereinafter referred to as “bias voltage”) and the input / output terminal resistance value (hereinafter referred to as “on resistance”) when the switch is on. The transistor sizes of MP1 and MN1 are adjusted so that the on-resistance characteristics of MP1 and the on-resistance characteristics of MN1 are symmetric about VDD / 2. As a result, the on-resistance (parallel resistance of MN1 and MP1) of the entire switch unit has a substantially flat characteristic with respect to the bias voltage.
しかし、上述のアナログスイッチ回路では実際には基板バイアス効果や、プロセスばらつきによるNMOS、PMOSの特性誤差が原因となり、図11に示されるようにオン抵抗のバイアス電圧依存特性は完全にフラットにはならない。このとき、振幅の大きな信号がスイッチに入力されると、出力される信号に歪みが発生してしまい問題となる。 However, in the above-described analog switch circuit, the bias voltage dependence characteristic of the on-resistance is not completely flat as shown in FIG. 11 due to the substrate bias effect and NMOS and PMOS characteristic errors due to process variations. . At this time, if a signal having a large amplitude is input to the switch, the output signal is distorted, which causes a problem.
電源電圧を一時的に2倍にすることにより、オン抵抗を小さくする方法が、特開平6-260916号公報で開示されている。しかし、この方法ではスイッチ回路を長時間オンにできないといった問題点が挙げられる。 Japanese Patent Laid-Open No. 6-260916 discloses a method of reducing the on-resistance by temporarily doubling the power supply voltage. However, this method has a problem that the switch circuit cannot be turned on for a long time.
この発明は、信号線とスイッチングトランジスタのゲート電極とをAC(Alternating Current)的に結合し、振幅の大きな信号が入力された場合でもゲート端子-ソース端子、ゲート端子-ドレイン端子間の電圧をほぼ一定に保つことにより、オン抵抗のバイアス電圧依存性を小さくし、スイッチで発生するひずみを小さくすることを目的とする。 In the present invention, the signal line and the gate electrode of the switching transistor are coupled in an AC (Alternating Current) manner, and even when a signal having a large amplitude is input, the voltage between the gate terminal and the source terminal and the gate terminal and the drain terminal is substantially reduced. By keeping constant, the purpose is to reduce the bias voltage dependence of the on-resistance and to reduce the distortion generated by the switch.
この発明に係るアナログスイッチ回路は、FETのドレイン端子又はソース端子を入力あるいは出力端子とし、ゲート端子に制御電圧を与えてスイッチングを行うアナログスイッチ回路において、ソース端子又はドレイン端子とゲート端子との間にキャパシタを印加し、かつゲート端子と制御端子の間に抵抗を接続して構成する。 An analog switch circuit according to the present invention is an analog switch circuit that performs switching by using a drain terminal or a source terminal of an FET as an input or output terminal, and applying a control voltage to the gate terminal, between the source terminal or the drain terminal and the gate terminal. A capacitor is applied to the capacitor, and a resistor is connected between the gate terminal and the control terminal.
この発明によれば、信号振幅にしたがってゲート端子電位も変動することにより、ゲート端子ソース端子間、ゲート端子ドレイン端子間の電圧がほぼ一定値に保たれ、トランジスタのオン抵抗は入力信号の振幅に拠らずほぼ一定となり、低ひずみ特性が実現できる。 According to the present invention, the gate terminal potential also fluctuates according to the signal amplitude, so that the voltage between the gate terminal and the source terminal and between the gate terminal and the drain terminal is maintained at a substantially constant value. Regardless, it is almost constant and low strain characteristics can be realized.
実施の形態1.
図1は、この発明に係るアナログスイッチ回路の一例を示す図である。スイッチ部1を構成しているNMOSトランジスタMN1とPMOSトランジスタMP1のゲート端子それぞれに直列に抵抗R1とR2が接続され、また、MN1とMP1のゲート端子と、出力端子OUTの間にそれぞれキャパシタC1、C2が接続されている。ここでC1、C2はトランジスタのゲート端子と入力端子INの間に接続してもよく、ゲート端子と出力端子OUT間、ゲート端子と入力端子IN間の両方に接続してもよい。また、ここではトランジスタとしてSiMOSトランジスタを使用したが、その他GaAsなどのFET(Field Effect Transistor)でも良い。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram showing an example of an analog switch circuit according to the present invention. Resistors R1 and R2 are connected in series to the gate terminals of the NMOS transistor MN1 and the PMOS transistor MP1 constituting the switch unit 1, respectively, and a capacitor C1, between the gate terminals of the MN1 and MP1 and the output terminal OUT, respectively. C2 is connected. Here, C1 and C2 may be connected between the gate terminal of the transistor and the input terminal IN, or may be connected between the gate terminal and the output terminal OUT and between the gate terminal and the input terminal IN. Further, here, a SiMOS transistor is used as the transistor, but other FET (Field Effect Transistor) such as GaAs may be used.
次に、動作について説明する。
時定数 1/(C1×R1)、1/(C2×R2)が通過する信号の周波数と同等かそれ以下であれば、信号振幅にしたがってMN1、MP1のゲート端子電位も変動する。スイッチ回路に大振幅の信号が入力した場合の各部の電圧波形を図8に示す。なお、入出力端子は、VDD/2のDCバイアスがかかっているものとする。各トランジスタのゲート端子電圧が信号振幅に従って変動することにより、ゲート端子ソース端子間、ゲート端子ドレイン端子間の電圧がほぼ一定値(ここでは、MP1のゲート端子ソース端子/ドレイン端子間電圧はほぼVDD/2、MN1のゲート端子ソース端子/ドレイン端子間電圧はほぼ−VDD/2)に保たれていることが分かる。これにより、トランジスタのオン抵抗は入力信号の振幅に拠らずほぼ一定となり、信号のひずみも小さくなる。
Next, the operation will be described.
If the time constants 1 / (C1 × R1) and 1 / (C2 × R2) are equal to or less than the frequency of the signal that passes, the gate terminal potentials of MN1 and MP1 also vary according to the signal amplitude. FIG. 8 shows voltage waveforms at various portions when a large amplitude signal is input to the switch circuit. It is assumed that the input / output terminal is subjected to a VDD / 2 DC bias. As the gate terminal voltage of each transistor fluctuates in accordance with the signal amplitude, the voltage between the gate terminal and the source terminal and between the gate terminal and the drain terminal is almost constant (here, the voltage between the gate terminal source terminal / drain terminal of MP1 is approximately VDD). It can be seen that the voltage between the gate terminal, the source terminal and the drain terminal of MN1, is maintained at approximately -VDD / 2). As a result, the on-resistance of the transistor becomes substantially constant regardless of the amplitude of the input signal, and the signal distortion is reduced.
実施の形態2.
図2は、この発明の実施の形態2を示す回路図で、図1における抵抗R1、R2をそれぞれ、インダクタL1、インダクタL2に置き換えた回路である。動作原理は、図1の回路と同じである。ただし、信号の周波数は、時定数 1/√(L1×C1)、1/√(L2×C2)、と同等かそれ以上である必要がある。
FIG. 2 is a circuit
実施の形態3.
図3は、この発明の実施の形態3を示す回路図で、図1における抵抗R1、R2をそれぞれ、PMOSトランジスタMP2とNMOSトランジスタMN3のソース端子とソース端子、ドレイン端子とドレイン端子がそれぞれ接続された並列回路、NMOSトランジスタMN2とPMOSトランジスタMP3のソース端子とソース端子、ドレイン端子とドレイン端子がそれぞれ接続された並列回路に置き換えた回路である。MP2のソース端子は制御信号入力端子CINに、ドレイン端子はMN1のゲート端子に、ゲート端子はスイッチ入力端子INに接続されている。MN2のドレイン端子はインバータG1の出力に、ソース端子はMP1のゲート端子に、ゲート端子はスイッチ入力端子INに接続されている。ここで、MP2、MN2のゲート端子は、スイッチ出力端子へ接続されていても良い。また、ここではMN3のゲート端子はG1の出力に、MP3のゲート端子はCINに接続されている。
FIG. 3 is a circuit
この回路の動作を説明する。各部の電圧波形を図9に示す。無信号時、MP2はソース端子、ドレイン端子にVDD、ゲート端子にVDD/2の電圧がかかっており、オン状態となっているため、ソース端子ドレイン端子間の抵抗は小さい。ここにスイッチ入力に大振幅信号が入力された場合を考える。入力信号が正に振れる場合は、MP2のゲート端子はVDDに近い電位へと変化し、オフ状態となる。このとき、MP2のソース端子ドレイン端子間抵抗が大きくなり、図1の回路の原理と同じくMN1のゲート端子電位が入力信号に追従してVDDより大きくなる。逆に、入力信号が負に振れる場合は、MP2のゲート端子はVDD/2から0Vに近い電位へと変化し、オン状態は変わらない。このため、MN1のゲート端子で電圧は、ほぼVDDのままである。以上より、スイッチに大振幅信号が入力されたとき、MN1のゲート端子ソース端子/ドレイン端子間電圧は常にVDD/2程度以上が確保され、オン抵抗を小さくできる。 The operation of this circuit will be described. The voltage waveform of each part is shown in FIG. When there is no signal, MP2 has a source terminal, a voltage of VDD / 2 applied to the drain terminal, and a voltage of VDD / 2 applied to the gate terminal, and is in an on state, so that the resistance between the source terminal and the drain terminal is small. Consider a case where a large amplitude signal is input to the switch input. When the input signal swings positively, the gate terminal of MP2 changes to a potential close to VDD and is turned off. At this time, the resistance between the source terminal and the drain terminal of MP2 becomes large, and the gate terminal potential of MN1 becomes larger than VDD following the input signal as in the principle of the circuit of FIG. Conversely, when the input signal fluctuates negatively, the gate terminal of MP2 changes from VDD / 2 to a potential close to 0V, and the ON state does not change. For this reason, the voltage at the gate terminal of MN1 remains approximately VDD. From the above, when a large amplitude signal is input to the switch, the voltage between the gate terminal, the source terminal and the drain terminal of MN1 is always secured to about VDD / 2 or more, and the on-resistance can be reduced.
MN2の動作についても同様である。無信号時、MN2はソース端子、ドレイン端子に0、ゲート端子にVDD/2の電圧がかかっており、オン状態となっているため、ソース端子ドレイン端子間の抵抗は小さい。ここにスイッチ入力に大振幅信号が入力されたとき、入力信号が正に振れる場合は、MN2のゲート端子はVDD/2からVDDに近い電位へと変化し、MN2のオン状態は変わらない。逆に、入力信号が負に振れる場合は、MN2のゲート端子は0に近い電位へと変化し、オフ状態となる。このとき、MN2のソース端子ドレイン端子間抵抗が大きくなり、図1の回路の原理と同じくMP1のゲート端子電位が入力信号に追従して0Vより小さくなる。結果的にMP1のゲート端子ソース端子/ドレイン端子間電圧が保たれ、オン抵抗を小さくできる。 The same applies to the operation of MN2. When there is no signal, MN2 has a voltage of 0 on the source terminal and drain terminal and a voltage of VDD / 2 on the gate terminal, and is in an on state, so the resistance between the source terminal and the drain terminal is small. Here, when a large amplitude signal is input to the switch input, if the input signal swings positively, the gate terminal of MN2 changes from VDD / 2 to a potential close to VDD, and the ON state of MN2 does not change. Conversely, when the input signal swings negative, the gate terminal of MN2 changes to a potential close to 0 and is turned off. At this time, the resistance between the source terminal and the drain terminal of MN2 increases, and the gate terminal potential of MP1 follows the input signal and becomes smaller than 0 V, as in the circuit principle of FIG. As a result, the voltage between the gate terminal, the source terminal and the drain terminal of MP1 is maintained, and the on-resistance can be reduced.
なお、上記のスイッチ回路がオンの状態では、MN3とMP3はいずれも完全にオフとなるため、他の回路の動作に影響は与えない。逆にスイッチ回路がオフの状態では、MN3とMP3はいずれもオンとなりソース端子ドレイン端子間抵抗が小さくなるため、MP1とMN1のゲート端子電位を確実にVDD、0Vに設定する役割を果たす。 Note that, when the switch circuit is on, both MN3 and MP3 are completely off, so that the operation of other circuits is not affected. Conversely, when the switch circuit is off, both MN3 and MP3 are turned on and the resistance between the source terminal and the drain terminal is reduced, so that the gate terminal potentials of MP1 and MN1 are reliably set to VDD and 0V.
この回路の構成の場合、入力端子から大振幅信号が入ってくるとき以外は、MN2、NP2はオンとなり、ソース端子ゲート端子間抵抗は小さい。このため、スイッチ回路のオン-オフ切り替え時間を犠牲にすることがないという利点がある。 In the case of this circuit configuration, except when a large amplitude signal is input from the input terminal, MN2 and NP2 are turned on and the resistance between the source terminal and the gate terminal is small. Therefore, there is an advantage that the switching time of the switch circuit is not sacrificed.
図4〜6は図1〜3のスイッチ部1を単一のFETで構成したスイッチ部2に置き換えた回路である。ここでは、スイッチ部2はNMOSトランジスタMN4で構成したが、PMOSトランジスタであっても、GaAs、GaN、SiGeなどのJFET、MESFET、HFET、HEMTなどであっても良い。動作原理は図1〜3の回路と同じで、大信号時のスイッチングトランジスタのゲート端子ーソース端子/ドレイン端子電圧を大きく保てるため、低ひずみ特性が実現できる。
4 to 6 are circuits in which the switch unit 1 of FIGS. 1 to 3 is replaced with a
実施の形態4.
図7は、この発明の実施の形態4を示す回路図で、図1のスイッチ回路を用いてSP3T(3分岐)スイッチを構成した回路である。ここでは、キャパシタ、C1、C2、C21、C22、C31、C32が、各トランジスタのゲート端子と出力端子OUT1〜OUT3(図では各トランジスタのドレイン端子)間に接続されていることが特徴である。図1〜6の構成においては、C1もしくはC2は各トランジスタのゲート端子と、スイッチの入力端子間INに接続されていても良い。ここで、各キャパシタの接続をゲート端子と出力端子間OUT1〜OUT3にのみに限定しているのは、以下の理由によるものである。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a fourth embodiment of the present invention, which is a circuit in which an SP3T (3-branch) switch is configured using the switch circuit of FIG. Here, the capacitors C1, C2, C21, C22, C31, and C32 are characterized in that they are connected between the gate terminals of the transistors and the output terminals OUT1 to OUT3 (the drain terminals of the transistors in the drawing). 1 to 6, C1 or C2 may be connected between the gate terminal of each transistor and the input terminal IN of the switch. Here, the reason why the connection of each capacitor is limited to only between the gate terminals and the output terminals OUT1 to OUT3 is as follows.
信号線路にキャパシタを接続すると、たとえもう一方の端子がオープンであっても、キャパシタの寄生容量により、GNDと信号線路の間に容量が付加されることになる。このため、C1、C2、C21、C22、C31、C32を各トランジスタのゲート端子と入力端子IN間に接続すると、1〜3のいずれか一つのスイッチだけがオンの場合でも、信号線路にすべてのキャパシタの容量が付加され、信号の損失が増大する原因になってしまう。ここで、C1、C2、C21、C22、C31、C32を各トランジスタのゲート端子と出力端子OUT1〜OUT3間に接続すると、オフのスイッチのキャパシタの容量は信号線路からはほぼ見えないため、損失が増大するなどの影響を与えない。 When a capacitor is connected to the signal line, even if the other terminal is open, a capacitance is added between GND and the signal line due to the parasitic capacitance of the capacitor. Therefore, when C1, C2, C21, C22, C31, and C32 are connected between the gate terminal and the input terminal IN of each transistor, all of the signal lines are connected even when only one of the switches 1 to 3 is on. The capacitance of the capacitor is added, which causes an increase in signal loss. Here, when C1, C2, C21, C22, C31, and C32 are connected between the gate terminal of each transistor and the output terminals OUT1 to OUT3, the capacitance of the off-switch capacitor is almost invisible from the signal line, so that loss is lost. Does not affect the increase.
この発明に係るアナログスイッチ回路はベースバンドあるいは高周波信号を切り替えるスイッチ等に使用される。 The analog switch circuit according to the present invention is used for a switch for switching a baseband or a high frequency signal.
1、2;スイッチ部、G1;インバータ回路、MN1、MN2、MN3、MN4;NMOSトランジスタ、MP1、MP2、MP3;PMOSトランジスタ、R1、R2;抵抗、IN;入力端子、OUT;出力端子、C1、C2、C21、C22、C31、C32;キャパシタ、L1、L2;インダクタ。 1, 2; switch part, G1; inverter circuit, MN1, MN2, MN3, MN4; NMOS transistor, MP1, MP2, MP3; PMOS transistor, R1, R2; resistor, IN; input terminal, OUT; output terminal, C1, C2, C21, C22, C31, C32; capacitors, L1, L2; inductors.
Claims (6)
第2のP形FETのドレイン端子が第1のN形FETのゲート端子に、ソース端子が第1のN形FETへの制御端子に、ゲート端子がアナログスイッチ回路全体の入力または出力端子に接続され、第2のN形FETのソース端子が第1のP形FETのゲート端子に、ドレイン端子が第1のP形FETへの制御端子に、ゲート端子がスイッチ回路全体の入力または出力端子に接続され、第2のP形FETに並列に第3のN形FETが、第2のN形FETに並列に第3のP形FETが接続され、上記第3のN形FET、第3のP形FETは、スイッチ回路がオフ状態のときにオンとなるように制御されることを特徴とする請求項1記載のアナログスイッチ回路。 Replacing the first resistor with a second P-type FET and the second resistor with a second N-type FET;
The drain terminal of the second P-type FET is connected to the gate terminal of the first N-type FET, the source terminal is connected to the control terminal to the first N-type FET, and the gate terminal is connected to the input or output terminal of the entire analog switch circuit. The source terminal of the second N-type FET is the gate terminal of the first P-type FET, the drain terminal is the control terminal to the first P-type FET, and the gate terminal is the input or output terminal of the entire switch circuit. A third N-type FET connected in parallel to the second P-type FET, and a third P-type FET connected in parallel to the second N-type FET; 2. The analog switch circuit according to claim 1, wherein the P-type FET is controlled to be turned on when the switch circuit is in an off state.
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