JP2008283594A - Ｅｍｉフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で信号の所望の周波数帯域を減衰させることのできるＥＭＩフィルタを提供する。
【解決手段】
ＥＭＩフィルタ１０は、抵抗Ｒ１と、アノードがグランドに接続されたツェナーダイオードＤ１及びＤ２とからなるπ型のローパスフィルタである。第２のツェナーダイオードＤ２は、第２の端子Ｂとの間に抵抗Ｒ２を接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波数帯域の信号を減衰させるＥＭＩフィルタに関する。

従来、電子機器から放射される電波による他の機器や人体への影響を低減するためにＥＭＩフィルタが用いられる。多くのＥＭＩフィルタは、信号の高周波数成分を減衰させるローパスフィルタである。ローパスフィルタは主にコイルやコンデンサからなり、Ｔ型やπ型等の回路の形状で構成される。

また、電子機器においては、周囲に与える影響を低減すると共に、周囲環境の電磁波による影響の受けやすさ（イミュニティ）に対する対策も必要とされている。イミュニティ試験の規格としてＩＥＣが定めるＩＥＣ６１０００−４−２がある。ＩＥＣ６１０００−４−２に係る試験は、電子機器に対する人体等からの静電気放電が電子機器にどの程度の影響を与えうるかを測定することにより行われる。この静電気放電から電子機器を保護するため、信号の高周波数成分を除去すると共に静電気放電保護機能を併せ持つＥＭＩフィルタが必要とされている。

エミッションやイミュニティに対する規制に適合するために、ＥＭＩフィルタにおいて、静電気放電保護機能を有すると共に、所望の周波数帯域の信号を効果的に減衰させる性能の向上が求められている（特許文献１参照）。
特開平１１−１７７３６８号公報

本発明は、静電気放電保護機能を有するＥＭＩフィルタにおいて、簡易な構成で信号の所望の周波数帯域を減衰させることのできるＥＭＩフィルタを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るＥＭＩフィルタは、一端が第１の端子に接続され他端が第２の端子に接続された第１の抵抗と、一端が前記第１の端子に接続され他端が第３の端子に接続された第１のツェナーダイオードと、一端が前記第２の端子に接続され他端が前記第３の端子に接続された第２のツェナーダイオード及び第２の抵抗の直列回路とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、静電気放電保護機能を有するＥＭＩフィルタにおいて、簡易な構成で信号の所望の周波数帯域を減衰させることのできるＥＭＩフィルタを提供することができる。

次に、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＥＭＩフィルタの回路図である。

第１の実施の形態に係るＥＭＩフィルタ１０は、入出力端子としての第１の端子Ａと第２の端子Ｂとを備えている。端子Ａ、Ｂはそれぞれ、寄生インダクタンスＬ１、Ｌ２を有している。そして、第１の抵抗Ｒ１がこれら第１の端子Ａと第２の端子Ｂとの間に接続されている。第１のツェナーダイオードＤ１は、第１の端子Ａにカソード電極が接続され、アノード電極が寄生インダクタンスＬ３を介してグランド（ＧＮＤ）と接続されている。

また、第２のツェナーダイオードＤ２は、抵抗Ｒ２と直列接続されている。この第２のツェナーダイオードＤ２と抵抗Ｒ２とからなる直列回路は、グランドと第２の端子Ｂとの間に接続されている。この図１の例では、第２の端子Ｂと抵抗Ｒ２の一端が接続され、抵抗Ｒ２の他端には第２のツェナーダイオードＤ２のカソード電極が接続され、第２のツェナーダイオードＤ２のアノード電極が寄生インダクタンスＬ３を介してグランドと接続されている。すなわち、第１のツェナーダイオードＤ１のアノード電極と第２のツェナーダイオードＤ２のアノード電極とはいずれも寄生インダクタンスＬ３を介してグランドに接続されている。寄生インダクタンスＬ１、Ｌ２は第１の端子Ａ及び第２の端子Ｂまでのリードやワイヤ等の寄生インダクタンスの総和を表し、Ｌ３は、グランドに接続されるリードの寄生インダクタンスを表している。

ツェナーダイオードは、静電気放電（サージ電圧）が印加されていない通常動作時においては容量素子として機能する。図２は、本実施の形態に係るＥＭＩフィルタ１０にサージ電圧が印加されていない状態における等価回路図である。図１におけるツェナーダイオードＤ１及びＤ２は、接合容量Ｃ１、Ｃ２および寄生抵抗Ｒｓ１、Ｒｓ２と等価である。

本実施の形態に係るＥＭＩフィルタ１０は、π型のローパスフィルタを形成しており、高周波数帯域の信号を低減することができる。第１の端子Ａに入力された信号は、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒｓ１を通過しＧＮＤへ流れる。また、同時にこの入力信号は抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を通過した後コンデンサＣ２及び抵抗Ｒｓ２を通過しＧＮＤへ流れる。これにより、信号の高周波数帯域成分を低減することができる。

しかし、図１に示すＥＭＩフィルタ１０において、ツェナーダイオードＤ１及びＤ２のアノード電極が互いに接続されているため、抵抗Ｒ２及び第２のツェナーダイオードＤ２を通過し、第１のツェナーダイオードＤ１側へ戻るという帰還パスが形成されることとなる。ＥＭＩフィルタ１０において信号の高周波数成分を除去する際に、このような帰還パスが存在すると信号が帰還し、第２の端子Ｂ側に現れてしまい、高周波成分が十分に低減されなくなってしまう。

しかし、本実施の形態におけるＥＭＩフィルタ１０は、抵抗Ｒ２が付加されている。これにより、この帰還パスを通過する信号の高周波数帯域部分が低減され、効果的に信号の高周波数成分を減衰することが可能となる。

ここで、本実施の形態に係るＥＭＩフィルタを用いて、高周波数帯域の信号の低減の効果を検証するために行った検証実験について説明する。

比較例として、従来のＥＭＩフィルタを以下に示す。

図３は、従来の静電気放電保護機能を有するＥＭＩフィルタ２０の回路図を示す。図３に示されたＥＭＩフィルタ２０は、抵抗とツェナーダイオードからなり、π型のローパスフィルタを形成している。第１の実施の形態に係るＥＭＩフィルタと同様の構成を有するものには同じ記号を付し説明を省略する。従来のＥＭＩフィルタ２０は、第２の端子Ｂと第２のツェナーダイオードＤ２との間に抵抗Ｒ２が接続されていない点で第１の実施の形態に係るＥＭＩフィルタ１０と異なる。

図４は、図３に示すπ型のローパスフィルタにサージ電圧が印加されていない状態における等価回路図である。図３におけるツェナーダイオードＤ１及びＤ２は、接合容量Ｃ１、Ｃ２および寄生抵抗Ｒｓ１、Ｒｓ２と等価である。

本発明の第１の実施の形態に係るＥＭＩフィルタ１０において、Ｃ１、Ｃ２として８．９５ｐＦのコンデンサ、Ｒｓ１、Ｒｓ２として１．１４Ωの抵抗、Ｒ１として５０Ωの抵抗、Ｒ２として１８Ωの抵抗を接続した。寄生インダクタンスの値はＬ１、Ｌ２は１ｎＨ、Ｌ３は０．２ｎＨであった。

従来のＥＭＩフィルタ２０において、Ｃ１、Ｃ２として６．７ｐＦのコンデンサ、Ｒｓ１、Ｒｓ２として１．５２Ωの抵抗、Ｒ１として５０Ωの抵抗を接続した。寄生インダクタンスの値はＬ１、Ｌ２は１ｎＨ、Ｌ３は０．２ｎＨであった。

この状態において、図２に示す第１の実施の形態に係るＥＭＩフィルタ１０と、図４に示す従来のＥＭＩフィルタ２０に信号を入力した際の挿入損失の周波数特性を測定した。図５は、図２に示される本実施の形態に係るＥＭＩフィルタ１０の等価回路の挿入損失｜Ｓ２１｜の周波数特性である。図６は図４に示される従来のＥＭＩフィルタの等価回路の挿入損失｜Ｓ２１｜の周波数特性である。

図５及び６によると、周波数が２ＧＨｚを超えたところから、挿入損失｜Ｓ２１｜が上昇している。これは、Ｌ３が有限な値を有するためである。このため、π型のローパスフィルタは、バンドパスフィルタとして機能し、ある周波数帯域でのみ、十分な挿入損失が実現できることになる。従来のＥＭＩフィルタにおいて、帯域内の挿入損失をより大きくするためには、Ｌ３の値を小さくする必要があった。しかし、Ｌ３はＥＭＩフィルタが形成されるパッケージの寄生成分であり、Ｌ３を小さくすることは困難であった。そのため従来のπ型ローパスフィルタでは、十分な挿入損失を達成することが困難であった。

図５に示すように、本実施の形態に係るＥＭＩフィルタ１０の減衰比（＝帯域内挿入損失−ＤＣでの挿入損失）は、１．９ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚの帯域において３４．７ｄＢであった。また、図６に示すように、従来のＥＭＩフィルタの減衰比は、１．９ＧＨｚ〜２．２ＧＨｚの帯域において１８．８ｄＢであった。本実施の形態に係るＥＭＩフィルタ１０において、従来のＥＭＩフィルタに比べて減衰比が１５．９ｄＢ改善した。これにより、本実施の形態に係るＥＭＩフィルタは、入力信号の高周波数帯域を効果的に低減することができることが確認された。

以上は、ツェナーダイオードにサージ電圧が印加されていない通常動作時におけるＥＭＩフィルタの機能を説明したものである。ここで、ツェナーダイオードは、サージ電圧が印加された時にはオン状態になりサージ電流をＧＮＤへ逃がし、第２の端子Ｂに現れるサージ電圧を低減する役割を果たす静電気放電保護機能を有する。

図１に示す第１の実施の形態に係るＥＭＩフィルタ１０は、抵抗Ｒ２を付加したことによって、高電圧のサージ電圧が第１の端子Ａに印加された時に第２の端子Ｂに現れる電圧は若干高くなる。第１の実施の形態に係るＥＭＩフィルタ１０に、ＩＥＣ６１０００−４−２規格における気中放電試験に用いられる８０００Ｖの電圧を印加した時に、第２の端子Ｂに現れる電圧の最高値は１９．５Ｖであった。また、従来のＥＭＩフィルタに８０００Ｖの電圧を印加した時に、第２の端子Ｂに現れる電圧の最高値は１４．６Ｖであった。これは、出力端電圧の増加としては小さく問題とはならない。電子機器における通常のサージ耐圧としては十分であり、本実施の形態に係るＥＭＩフィルタは、十分な静電気放電保護機能をも有することが確認された。ここで、抵抗・ダイオード等の定数を選ぶことによりこのサージ耐圧を調整することも可能である。

本実施の形態に係るＥＭＩフィルタの第１の端子Ａが、電子機器において人体と接触し得る外部端子と接続されていることにより、人体等による静電気放電があったとしても、このサージ電圧に十分対応することができる。

次に、本発明に係るＥＭＩフィルタ３０の第２の実施の形態を以下に示す。

図７は、本発明の第２の実施形態に係るＥＭＩフィルタ３０を示す平面図である。図８は、第２の実施形態に係るＥＭＩフィルタ３０の、図７におけるＡ−Ａ´断面図である。

図７に示すように、第２の実施の形態に係るＥＭＩフィルタ３０では、第１のツェナーダイオードＤ１及び第２のツェナーダイオードＤ２が同一のｐ型半導体基板３１上に形成されている。すなわち、図８に示すように、ｐ型半導体基板３１上にｐ型拡散層３１１、３１３を形成し、さらにｐ型拡散層３１１内にｎ型拡散層３１２を、ｐ型拡散層３１３内にｎ型拡散層３１４を形成することにより、ツェナーダイオードＤ１、Ｄ２が形成される。ｐ型拡散層３１１がツェナーダイオードＤ１のアノードを形成し、ｐ型拡散層３１３がツェナーダイオードＤ２のアノードを形成し、ｎ型拡散層３１２、３１４がそれぞれＤ１、Ｄ２のカソードを形成する。また、抵抗素子Ｒ１も同一のｐ型半導体基板３１上に、層間絶縁膜３７を介してたとえばポリシリコン層を堆積することにより形成される。

図８に示すように、ツェナーダイオードＤ１及びＤ２のカソードと抵抗Ｒ１はｐ型半導体基板３１の表面側に形成されており、ツェナーダイオードＤ１及びＤ２のアノードはｐ型半導体基板３１を介して裏面側の共通電極であるリード３２に接続されている。リード３２は、ＧＮＤに接続されている。

第２の実施の形態に係るＥＭＩフィルタ３０において、第１のツェナーダイオードＤ１は、そのカソード（ｎ型拡散層３１２に接続されたボンディング用パッド電極３８）がワイヤ３５を介してリード３３に接続され、そのアノード（ｐ型拡散層３１１）がｐ型半導体基板３１の裏面の共通電極であるリード３２を介してグランドと接続されている。また、第２のツェナーダイオードＤ２は、そのカソード（ｎ型拡散層３１４に接続されたボンディング用パッド電極３９）がワイヤ３６を介してリード３４に接続され、そのアノード（ｐ型拡散層３１３）がｐ型半導体基板３１の裏面の共通電極リード３２を介してグランドと接続されている。

本実施の形態に係るＥＭＩフィルタ３０において、第１のツェナーダイオードＤ１の寄生抵抗より、第２のツェナーダイオードＤ２の寄生抵抗の方が大きくなるように構成されている。

本実施の形態において、リード３３から入力された信号は、ワイヤ３５を通過して第１のツェナーダイオードＤ１に入力される。第１のツェナーダイオードＤ１に入力された信号は、ＧＮＤに接続されたリード３２を通じてＧＮＤに流れる。また信号はワイヤ３５から半導体基板３１上に形成されたポリシリコン抵抗Ｒ１を通過して第２のツェナーダイオードＤ２に入力される。信号はＧＮＤに接続されたリード３２を通じてＧＮＤに流れる。これと同時に、入力信号は、半導体基板３１の裏面側に形成された共通電極であるリード３２を介してツェナーダイオードＤ１に戻る帰還パスを通過する。

本実施の形態において、第２のツェナーダイオードＤ２の寄生抵抗は、第１のツェナーダイオードＤ１よりも大きいため、この帰還パスを通過する信号の高周波数帯域成分は、第１の実施形態と同様に従来のＥＭＩフィルタよりも低減される。これにより高い減衰比を達成することができる。

第２の実施の形態に係るＥＭＩフィルタ３０において、半導体基板上３１にツェナーダイオード及び抵抗が形成されることにより、ＥＭＩフィルタを１チップで構成することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加等が可能である。

例えば、本発明の実施の形態においては、第２のツェナーダイオードＤ２と直列に抵抗を付加していたが、これは第１のツェナーダイオードＤ１の側に抵抗を付加しても良い。

第２の実施の形態において、第１のツェナーダイオードＤ１の寄生抵抗より、第２のツェナーダイオードＤ２の寄生抵抗を大きくするためには、例えば第２のツェナーダイオードＤ２のｐ型拡散層３１３の不純物濃度を第１のツェナーダイオードＤ１のｐ型拡散層３１１の不純物濃度よりも低くすることにより達成できる。その際、ｎ型拡散層３１４とｐ型拡散層３１３との接合界面近傍の不純物濃度はＤ１のそれと概略同一にし、ｐ型拡散層３１３の接合界面からアノード側に離れた領域の不純物濃度を低くすることが望ましい。そうすることにより、ツェナーダイオードＤ２の降伏電圧はツェナーダイオードＤ１のそれと概略一致するからである。

また、ツェナーダイオードに異なる寄生抵抗を持たせる代わりに、図９に示すように、第２のツェナーダイオードＤ２のｎ型拡散層３１４に接続される金属電極４０と、ワイヤ３６のボンディング用パッド電極３９との間にポリシリコン抵抗Ｒ２を形成することにより抵抗を付加する構成とすることも可能である。

本発明の第１の実施形態に係るＥＭＩフィルタの回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るＥＭＩフィルタの等価回路を示す回路図である。 従来のＥＭＩフィルタの回路図である。 従来のＥＭＩフィルタの等価回路を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るＥＭＩフィルタにおける挿入損失の周波数特性を示すグラフである。 従来のＥＭＩフィルタにおける挿入損失の周波数特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るＥＭＩフィルタの平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るＥＭＩフィルタの断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るＥＭＩフィルタの平面図である。

符号の説明

１０、２０、３０・・・ＥＭＩフィルタ、 ３１・・・半導体基板、 ３２、３３、３４・・・リード、 ３５、３６・・・ワイヤ、 ３７・・・層間絶縁膜、 ３８、３９・・・パッド電極、 ４０・・・金属電極、 Ａ・・・第１の端子、 Ｂ・・・第２の端子、 Ｄ１、Ｄ２・・・ツェナーダイオード、 Ｃ１、Ｃ２・・・ツェナーダイオードの接合容量、 Ｒｓ１、Ｒｓ２・・・ツェナーダイオードの寄生抵抗、 Ｒ１、Ｒ２・・・抵抗素子、 Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・寄生インダクタンス。

Claims (5)

1. 一端が第１の端子に接続され他端が第２の端子に接続された第１の抵抗と、
   一端が前記第１の端子に接続され他端が第３の端子に接続された第１のツェナーダイオードと、
   一端が前記第２の端子に接続され他端が前記第３の端子に接続された第２のツェナーダイオード及び第２の抵抗の直列回路と
   を備えたことを特徴とするＥＭＩフィルタ。
2. 前記第１のツェナーダイオードと、前記第２のツェナーダイオードとは同一の半導体基板上に形成されており、
   前記第１のツェナーダイオードのカソード及び前記第２のツェナーダイオードのカソードは半導体基板の表面側に形成され、
   前記第１のツェナーダイオードのアノードと、前記第２のツェナーダイオードのアノードは前記半導体基板の裏面側において共通電極に接続されたことを特徴とする請求項１記載のＥＭＩフィルタ。
3. 前記第１の抵抗及び前記第２の抵抗のうち少なくとも一方は前記半導体基板の表面に形成されたポリシリコン抵抗であることを特徴とする請求項１又は２記載のＥＭＩフィルタ。
4. 前記第２の抵抗は、前記第２のツェナーダイオードの寄生抵抗であり、
   前記第１のツェナーダイオードの寄生抵抗より、前記第２のツェナーダイオードの寄生抵抗の方が大きいことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項記載のＥＭＩフィルタ。
5. 前記第１のツェナーダイオードのＰ型半導体層の不純物濃度が、前記第２のツェナーダイオードのＰ型半導体層の不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項記載のＥＭＩフィルタ。

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