JP2010081365A - 高周波半導体スイッチ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】チャージポンプの出力容量を低減してチップ面積を縮小できる高周波半導体スイッチ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ端子ANTと、各高周波端子TX、RXとの間の接続を切り換える回路であって、アンテナ端子ANTと各高周波端子TX、RXとの間にそれぞれ接続されたスルーFETT1、T2を有する高周波スイッチ回路1と、各スルーFETT1、T2のゲートを駆動する駆動回路11、12と、駆動回路11、12の高電位電源端子に正側出力端子CP_out1が接続され、駆動回路11、12の低電位電源端子に負側出力端子CP_out2が接続された正負両極性チャージポンプ回路15と、を備え、各スルーFETT1、T2のゲート容量はそれぞれ概略等しく、正負両極性チャージポンプ回路15の正側出力端子CP_out1と負側出力端子CP_out2との間に容量Cxが設けられている。
【選択図】図1
【解決手段】アンテナ端子ANTと、各高周波端子TX、RXとの間の接続を切り換える回路であって、アンテナ端子ANTと各高周波端子TX、RXとの間にそれぞれ接続されたスルーFETT1、T2を有する高周波スイッチ回路1と、各スルーFETT1、T2のゲートを駆動する駆動回路11、12と、駆動回路11、12の高電位電源端子に正側出力端子CP_out1が接続され、駆動回路11、12の低電位電源端子に負側出力端子CP_out2が接続された正負両極性チャージポンプ回路15と、を備え、各スルーFETT1、T2のゲート容量はそれぞれ概略等しく、正負両極性チャージポンプ回路15の正側出力端子CP_out1と負側出力端子CP_out2との間に容量Cxが設けられている。
【選択図】図1
Description
本発明は、複数の端子間の接続状態を切り替える高周波半導体スイッチ装置に関する。
高周波半導体スイッチ装置として例えばSPDT(Single-Pole Double-Throw)スイッチが知られている(例えば特許文献1)。
近年、半導体プロセスの微細化によりシステム電源の低電圧化が進んでいる。しかし、高周波スイッチにおいては電源電圧が低いと、オンFETのゲートに供給されるHighレベルが低くなってしまい、オンFETの通過損失および歪が増大してしまう。そのため、外部電源の高電位Vddよりも高い電位Vppを生成する正チャージポンプが必要である。
また、時分割送受切替用のSPDTスイッチでは電圧振幅の大きい送信信号が入力したときに歪まないことが要求され、このため、スイッチを駆動させる制御信号のLowレベルとして負電位の信号が用いられる。したがって、グランド電位よりも低い電位Vssを生成する負チャージポンプが必要である。
一般に、負チャージポンプの電流引き抜き能力は小さく、その出力容量Cout1に充電された電荷を極めて短い時間で引き抜くことはできない。また、正チャージポンプの電流供給能力も小さく、その出力容量Cout2に充電された負電荷を極めて短い時間で引き抜くことはできない。このため、切り替え直後のスイッチ特性の劣化を防ぐため、Cout1とCout2は、高周波スイッチ回路におけるFETのゲート容量Cgに比べて十分大きい値でなければならないが、そのような大きな容量を半導体基板上に設けるには大きなチップ面積を要する。
特開2005−244850号公報
本発明は、チャージポンプの出力容量を低減してチップ面積を縮小できる高周波半導体スイッチ装置を提供する。
本発明の一態様によれば、アンテナ端子と、第1〜第n(nは2以上の整数)の各高周波端子との間の接続を切り換える回路であって、前記アンテナ端子と前記第1〜第nの各高周波端子との間にそれぞれ接続された第1〜第nのスルーFET(Field Effect Transistor)を有する高周波スイッチ回路と、前記各スルーFETのゲートを駆動する駆動回路と、前記駆動回路の高電位電源端子に正側出力端子が接続され、前記駆動回路の低電位電源端子に負側出力端子が接続された正負両極性チャージポンプ回路と、を備え、前記第1〜第nのスルーFETのゲート容量はそれぞれ概略等しく、前記正負両極性チャージポンプ回路の前記正側出力端子と前記負側出力端子との間に容量が設けられていることを特徴とする高周波半導体スイッチ装置が提供される。
本発明によれば、チャージポンプの出力容量を低減してチップ面積を縮小できる高周波半導体スイッチ装置が提供される。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る高周波半導体スイッチ装置の構成を例示する回路図である。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る高周波半導体スイッチ装置の構成を例示する回路図である。
本実施形態では、高周波半導体スイッチ装置の一例としてSPDT(Single-Pole Double-Throw)スイッチを一例に挙げて説明する。図1に示す回路要素は、SOI(Silicon on Insulator)構造の半導体基板に1チップとして形成され、SOI構造とすることにより、高周波特性の優れたスイッチを提供できる。
図1に示す高周波半導体スイッチ装置は、高周波スイッチ回路1と、制御回路2と、正負両極性チャージポンプ回路15を有する。制御回路2は、インバータINV1、INV2、駆動回路11、12を有する。インバータINV1の出力端子は駆動回路11の入力端子に接続され、インバータINV2の出力端子は駆動回路12の入力端子に接続されている。
高周波スイッチ回路1は、アンテナ端子ANTと、各高周波端子TX、RXとの間の接続を切り換える回路であって、高周波端子TXとアンテナ端子ANTとの間にスルーFETT1が接続され、高周波端子RXとアンテナ端子ANTとの間にスルーFETT2が接続されている。また、高周波端子TXとグランドとの間にシャントFETT3が接続され、高周波端子RXとグランドとの間にシャントFETT4が接続されている。スルーFETT1、T2、シャントFETT3、T4は、例えばNチャネル型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)またはMISFET(Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor)である。
スルーFETT1は抵抗Rg1を介して駆動回路11の出力端子に接続されている。シャントFETT3は抵抗Rg3を介して駆動回路11の反転出力端子に接続されている。スルーFETT2は抵抗Rg2を介して駆動回路12の出力端子に接続されている。シャントFETT4は抵抗Rg4を介して駆動回路12の反転出力端子に接続されている。抵抗Rg1〜Rg4はそれぞれ高周波信号が駆動回路11、12に漏洩しない程度の高い抵抗値を有する。
シャントFETT3は、高周波端子TXとアンテナ端子ANTとの間が遮断された際、それら端子間のアイソレーションを高める。すなわち、スルーFETT1がオフ状態であっても、高周波信号がスルーFETT1を介して高周波端子TXに漏れてしまう場合があるが、この時、オン状態のシャントFETT3を介して漏れた高周波信号をグランドに逃がすことができる。同様に、シャントFETT4は、高周波端子RXとアンテナ端子ANTとの間が遮断された際、それら端子間のアイソレーションを高める。すなわち、スルーFETT2がオフ状態であっても、高周波信号がスルーFETT2を介して高周波端子RXに漏れてしまう場合があるが、この時、オン状態のシャントFETT4を介して漏れた高周波信号をグランドに逃がすことができる。
正負両極性チャージポンプ回路15の正側出力端子CP_out1は駆動回路11、12の高電位電源端子に接続され、負側出力端子CP_out2は駆動回路11、12の低電位電源端子に接続されている。正負両極性チャージポンプ回路15は、その正側出力端子CP_out1に、外部から供給される高電位電源電位Vddよりも高い電位Vppを供給し、その負側出力端子CP_out2にグランド電位よりも低い電位Vssを供給する。
インバータINV1、INV2の高電位電源端子にはVddが供給され、低電位電源端子は接地されている。よって、インバータINV1、INV2におけるHighレベルはVddであり、Lowレベルは0Vである。
駆動回路11、12の高電位電源端子には正負両極性チャージポンプ回路15の正側出力端子CP_out1からVppが供給され、低電位電源端子には正負両極性チャージポンプ回路15の負側出力端子CP_out2からVssが供給され、よって、駆動回路11、12はHighレベルとしてVppを出力し、LowレベルとしてVssを出力する。この駆動回路11、12からの出力は高周波スイッチ回路1の各FETT1〜T4のゲートに供給され、各FETT1〜T4はオンオフされる。
インバータINV1の入力端子Cont1とインバータINV2の入力端子Cont2には互いに逆相の信号が与えられる。例えば、Cont1がLowレベル、Cont2がHighレベルの時、スルーFETT1及びシャントFETT4は導通状態、スルーFETT2及びシャントFETT3は遮断状態となり、高周波端子TXとアンテナ端子ANTとの間が導通モード、アンテナ端子ANTと高周波端子RXとの間は遮断モードとなる(送信モード)。
逆に、Cont1がHighレベル、Cont2がLowレベルの時、スルーFETT1及びシャントFETT4は遮断状態、スルーFETT2及びシャントFETT3は導通状態となり、高周波端子TXとアンテナ端子ANTとの間が遮断モード、アンテナ端子ANTと高周波端子RXとの間は導通モードとなる(受信モード)。
前述のように、駆動回路11、12の出力および反転出力のHighレベルはVpp、LowレベルはVssである。このように、高周波スイッチ回路1における各FETを駆動するためのHighレベル(Vpp)を外部電源電位Vddよりも高く、Lowレベル(Vss)をグランド電位(0V)よりも低くしている理由を以下に説明する。
まず、Highレベル(Vpp)をVddよりも高くする理由を述べる。
近年、半導体プロセスの微細化によりシステム電源の低電圧化が進んでいる。しかし、高周波スイッチにおいては、電源電圧が低いとオンFETのゲートに供給されるHighレベルが低くなってしまい、オンFETの通過損失および歪が増大してしまう。そのため、昇圧が必要となるのである。なお、Vppを大きくし過ぎると、信頼性低下を招くので、Vppには最適値が存在する。
近年、半導体プロセスの微細化によりシステム電源の低電圧化が進んでいる。しかし、高周波スイッチにおいては、電源電圧が低いとオンFETのゲートに供給されるHighレベルが低くなってしまい、オンFETの通過損失および歪が増大してしまう。そのため、昇圧が必要となるのである。なお、Vppを大きくし過ぎると、信頼性低下を招くので、Vppには最適値が存在する。
次にLowレベル(Vss)を負電位にする理由を述べる。
いま、送信モードで遮断状態にあるべきFET(スルーFETT2、シャントFETT3)について考える。この時、それらFETのソース・ドレイン間には大きな電圧振幅が印加される。また、ゲート電極は高抵抗によってバイアスされており、ソースおよびドレインとの間にはそれぞれ、ゲート・ソース間容量Cgs、ゲート・ドレイン間容量Cgdが存在するので、ゲートの電位はDC(direct current)バイアス電位(=Vss)に高周波信号が重畳されたものになる。
いま、送信モードで遮断状態にあるべきFET(スルーFETT2、シャントFETT3)について考える。この時、それらFETのソース・ドレイン間には大きな電圧振幅が印加される。また、ゲート電極は高抵抗によってバイアスされており、ソースおよびドレインとの間にはそれぞれ、ゲート・ソース間容量Cgs、ゲート・ドレイン間容量Cgdが存在するので、ゲートの電位はDC(direct current)バイアス電位(=Vss)に高周波信号が重畳されたものになる。
Cgs=Cgdであると仮定すれば、ゲートに重畳される高周波信号の振幅は、ソース・ドレイン間電圧に印加される高周波電圧振幅(ΔVdsとする)の1/2となる。すなわち、Vgs=Vss+ΔVds/2…(1)となる。
Vgsがしきい値電圧Vthを超えたとき、すなわち、(ΔVds/2)が(Vth−Vss)を超えた時、FETは遮断状態を維持することができない。Vssを負側に大きくすることにより、最大許容送信電力を大きくすることができるが、Vssを負側に大きくし過ぎるとオフFETのドレイン・ソース間にリーク電流が生じ、それによる歪が発生するので、Vssには最適値が存在する。
ここで、図8は比較例の高周波半導体スイッチ装置の構成を示す。図1と同じ要素には同一の符号を付している。この図8に示す比較例では、Vppを出力する正チャージポンプ41と、Vssを出力する負チャージポンプ42のそれぞれに出力容量Cout1、Cout2が設けられている。
図9は、図8に示された回路の動作を説明するために、駆動回路11と高周波スイッチ回路1を簡略化した等価回路である。高周波スイッチ回路1はFETT1〜T4のゲート容量Cgおよび各FETのゲートに接続された高抵抗Rgのみでモデル化されている。また、駆動回路11は差動出力であるが、一方の出力に対して2つのFET1、FET2のみでモデル化されている。
まず、初期状態としてFET1がオン、FET2がオフの場合を考える。この時、高周波スイッチ回路1のFETのゲート容量CgにはHighレベルとしてVppが充電されている。ここで、高周波スイッチ回路1のFETの総ゲート幅は大きく、それゆえゲート容量Cgも大きい(数十pF程度)。
さて次に、FET1がオフ、FET2がオンに切り替わった状況を考える。この時、Cgに蓄えられていた電荷はFET2を介して、負チャージポンプ42の出力容量Cout2に流れ込む。これにより、ノードCP_out2の電位はVssから瞬間的に下式(2)で表される電位Voff_peakまで上昇してしまう。
Voff_peak=Vss+(Vpp−Vss)×Cg/(Cg+Cout2)…(2)
Voff_peak=Vss+(Vpp−Vss)×Cg/(Cg+Cout2)…(2)
一般に負チャージポンプ42の電流引き抜き能力は小さく、出力容量Cout2に充電された電荷を極めて短い時間(例えば1μ秒)で引き抜くことはできない。よって、ノードCP_out2の電位はある時定数をもって、初期状態の電位であるVssに緩やかに漸近することになる。これによりゲート容量Cgの電位Vgもある時定数を持ってVssに緩やかに漸近する。
次に、FET1がオフからオンに、FET2がオンからオフに切り替わる状況を考える。初期状態では、ゲート容量CgにはLowレベルとしてVssが充電されており、Cgに蓄えられていた負の電荷はFET1を介して、正チャージポンプ41の出力容量Cout1に流れ込む。これにより、ノードCP_out1の電位はVppから瞬間的に下式(3)で表される電位Von_valleyまで下降してしまう。
Von_valley=Vpp−(Vpp−Vss)×Cg/(Cg+Cout1)…(3)
Von_valley=Vpp−(Vpp−Vss)×Cg/(Cg+Cout1)…(3)
正チャージポンプ41の電流供給能力も小さく、出力容量Cout1に充電された負電荷を極めて短い時間(例えば1μ秒)で引き抜くことはできない。よって、ノードCP_out1の電位はある時定数をもって、初期状態の電位であるVppに緩やかに漸近することになる。これによりゲート容量Cgの電位Vgもある時定数を持ってVppに緩やかに漸近する。
Voff_peakとVssとの差分、およびVon_valleyとVppとの差分が十分小さくなければ、切替直後のスイッチ特性が劣化してしまうため、Cout1とCout2はCgに比べて十分大きい値でなければならない。
Cout1およびCout2に対して必要な値を見積もるため、例えば下記に示される条件を想定する。Cg=50pF、Vpp=3.5V、Vss=−1.5V、Voff_peak≦−1.25V、Von_valley≧3.25V。これらの値を上記式(2)および(3)に代入すると、Cout1≧950pF、Cout2≧950pFが得られる。
このような合計1.9nFもの大きな容量を半導体基板上に設けるためには、相当のチップ面積を要することになる。1.9nFの容量を、例えば酸化膜厚10nmのMIM(Metal Insulator Metal)構造で実現したとすると、732μm角の面積を要することになる。これは高周波スイッチ回路1の面積に匹敵する。
以上述べたように、正チャージポンプ回路と負チャージポンプ回路を内蔵した高周波半導体スイッチ装置を実現するには、大きなチップ面積を要するという問題があった。
これに対して図1に示される本発明の第1の実施形態では、正負両極性チャージポンプ回路15の正側出力端子CP_out1と負側出力端子CP_out2との間にこれらに共通に単一の出力容量Cxを設けている。
また、高周波スイッチ回路1におけるスルーFETT1とT2との間でゲート長及びゲート幅がそれぞれ概略等しく、シャントFETT3とT4との間でゲート長及びゲート幅がそれぞれ概略等しい。すなわち、駆動回路11の出力の負荷容量(スルーFETT1のゲート容量)と、駆動回路12の出力の負荷容量(スルーFETT2のゲート容量)とが概略等しく、駆動回路11の反転出力の負荷容量(シャントFETT3のゲート容量)と、駆動回路12の反転出力の負荷容量(シャントFETT4のゲート容量)とが概略等しい。
このような、本実施形態の構成により、チャージポンプの出力容量Cxの値を、図8、9を参照して前述した比較例におけるCout1及びCout2の容量値の半分にすることができる。その理由を図2を用いて説明する。
図2は、図1における駆動回路11、12および高周波スイッチ回路1を簡略化したものである。高周波スイッチ回路1は、FETT1のゲート容量Cg1およびそのゲートに接続された高抵抗Rg1、FETT2のゲート容量Cg2およびそのゲートに接続された高抵抗Rg2のみでモデル化されている。また、駆動回路11は、その一方の出力に対して2つのFET1、FET2でモデル化されており、駆動回路12も同様にその一方の出力に対して2つのFET3、FET4でモデル化されている。
例えば、FET1がオフからオンに、FET2がオンからオフに、FET3がオンからオフに、FET4がオフからオンに切り替わる状況を考える。この時、ノードVg1の初期電位はVssでありFET1を介して電流I1が流れることによりVg1はVppまで上昇する。また、ノードVg2の初期電位はVppであり、FET4を介して電流I2が流れることによりVssまで低下する。
電流I1により、容量Cxの図中上側電極からゲート容量Cg1へ流れ込む総電荷量((Q1とする)は以下の式(4)で与えられる。
Q1=Cg1(Vpp−Vss)…(4)
Q1=Cg1(Vpp−Vss)…(4)
また、電流I2により、ゲート容量Cg2から容量Cxの図中下側電極へ流れ込む総電荷量(Q2とする)は以下の式(5)で与えられる。
Q2=Cg2(Vpp−Vss)…(5)
ここで、Cg1=Cg2であるので、Q1=Q2…(6)となる。
Q2=Cg2(Vpp−Vss)…(5)
ここで、Cg1=Cg2であるので、Q1=Q2…(6)となる。
このように、容量Cxは平衡対信号間に接続されていることになる。よって、図2の等価回路は図3の等価回路に等しいことになる。すなわち、本実施形態は、正負両極性チャージポンプ回路15の正側出力端子CP_out1と負側出力端子CP_out2のそれぞれに、2・Cxの対地容量を接続したのと等価である。
ここで、比較例の説明で用いたのと同じ下記条件を想定する。
Cg=50pF、Vpp=3.5V、Vss=−1.5V、Voff_peak≦−1.25V、Von_valley≧3.25V。この時、本実施形態におけるCxは475pFとなり、酸化膜厚10μmのMIM容量を想定すると、その面積は366μ角となる。
Cg=50pF、Vpp=3.5V、Vss=−1.5V、Voff_peak≦−1.25V、Von_valley≧3.25V。この時、本実施形態におけるCxは475pFとなり、酸化膜厚10μmのMIM容量を想定すると、その面積は366μ角となる。
このように、本実施形態によれば、チャージポンプの出力容量として必要な容量の総和が、高周波スイッチ回路1と同程度の面積を要していた比較例におけるチャージポンプの出力容量の1/4となり、チップ面積を大幅に縮小できる。
[第2の実施形態]
図4は、図1における正負両極性チャージポンプ回路15の構成例を示す。
図4は、図1における正負両極性チャージポンプ回路15の構成例を示す。
この正負両極性チャージポンプ回路は、4つ以上のダイオード(本実施形態では例えば8つのダイオードD1〜D8)が直列接続され、両端子がそれぞれ抵抗R1、R2を介して正側出力端子CP_out1と負側出力端子CP_out2に接続されたダイオード直列回路を有する。
一端のダイオードD1のカソードは抵抗R1を介して正側出力端子CP_out1に接続され、他端のダイオードD8のアノードは抵抗R2を介して負側出力端子CP_out2に接続されている。
ダイオードD1とダイオードD2との接続点、ダイオードD3とダイオードD4との接続点、ダイオードD6とダイオードD7との接続点には、それぞれ容量C1、C3、C5を介してクロック信号CKが供給される。ダイオードD2とダイオードD3との接続点、ダイオードD4とダイオードD5との接続点、ダイオードD7とダイオードD8との接続点には、それぞれ容量C2、C4、C6を介して反転クロック信号CK/が供給される。また、ダイオードD5とダイオードD6との接続点は接地されている。
ダイオードD1のカソードとダイオードD8のアノードとの間には容量C7が接続され、容量C7および抵抗R1、R2はリップル除去用RCフィルタを構成する。
チャージポンプ用ダイオードD1〜D8において接地された接続点以外の他の接続点に容量を介して相補のクロック信号CK、CK/が交互に与えられ、ダイオードD1〜D8の特性に基づき電荷を遷移させ、正側出力端子CP_out1に正電位Vppを、負側出力端子CP_out2に負電位Vssを出力する。ダイオードD5とダイオードD6との接続点に接続されたグランド電位は基準電位を与え、実質そのグランドには電流は流れない。
なお、図4に示す例ではチャージポンプ用ダイオードの直列段数は8段であるが、必要な出力電位に応じて適宜変更されるべきものである。また、接地される接続点も適宜変更されるべきものである。
ここで、チャージポンプ用ダイオード直列回路における両端の接続点(D1とD2との接続点と、D7とD8との接続点)には同相のクロック信号を供給しても、正負両極性チャージポンプ回路として機能する。しかし、この場合、両端の接続点に共にHighレベルが供給される半周期の間は、図4に示す電流Iaは流れるが電流Ibは流れず、また、両端の接続点に共にLowレベルが供給される半周期の間は、電流Ibは流れるが電流Iaは流れない。すなわち、出力端子CP_out1から流れ出る電流とCP_out2に流れ込む電流は同期しない。そのため、CP_out1とCP_out2との間に接続される容量Cxの一方の電極に電流が流れ込もうとしても、他方の電極から電流が流れ出ようとしないため、容量Cxの等価的インピーダンスが大きくなり、容量Cxの両端には非常に大きなリップルが発生することになる。
これに対して本実施形態では、D1とD2との接続点と、D7とD8との接続点に供給されるクロック信号は逆相であり、これにより、電流IaとIbは同期して流れるため、チャージポンプ回路で生じるリップルを低減することができる。
また、図4に示す正負両極性チャージポンプ回路の基準電位はグランドのみであり、外部高電位電源電位Vddが基準電位として用いられていない。これによりVddが変動しても正負両極性チャージポンプ回路の正側出力電位は変動しない。
また、正側出力端子CP_out1と負側出力端子CP_out2との間には、複数段のダイオードDが直列接続されて構成されたクランプ回路17が接続され、その両端間に(ダイオードDの順方向バイアスVf×段数)以上の電圧がかかると電流が流れ、それ以上の電位差にはならない。なお、図4のクランプ回路17にはダイオードDの多段直列回路が例示されているが、FET等を用いたクランプ回路を用いてもよい。
図4に示した正負両極性チャージポンプ回路の出力波形を調べるために、クランプ回路17におけるダイオード接続段数を7段とし、また、正側出力端子CP_out1と負側出力端子CP_out2との間に図1に示すように容量Cxを接続し、下記の回路定数を与えて回路シミュレーションを実施した。
クロック信号CKおよびその反転クロック信号CK/はパルス電圧とし、電圧振幅ΔVck、立ち上がり時間tr、立下り時間tf、周期Tck、Duty比は下記のように設定した。
ΔVck=2Vpp、tr,tf=50n秒、Tck=1μ秒、Duty比=50%。また、容量値および抵抗値は下記のように設定した。
C1〜C6=5pF、C7=10pF、R1,R2=20kΩ、Cx=200pF。
ダイオードD1〜D8およびクランプ回路17のダイオードDはすべて同一とし、下記のモデルパラメータを与えた。
IS=9.57×10−14、RS=76.0、N=1.84。
ΔVck=2Vpp、tr,tf=50n秒、Tck=1μ秒、Duty比=50%。また、容量値および抵抗値は下記のように設定した。
C1〜C6=5pF、C7=10pF、R1,R2=20kΩ、Cx=200pF。
ダイオードD1〜D8およびクランプ回路17のダイオードDはすべて同一とし、下記のモデルパラメータを与えた。
IS=9.57×10−14、RS=76.0、N=1.84。
上記のモデルパラメータでシミュレーションしたところ、下記の結果を得た。
CP_out1の出力電位=3.78V、CP_out2の出力電位=−1.50V。また、CP_out1およびCP_out2のリップル電圧は同一であり、378μVppであった。
CP_out1の出力電位=3.78V、CP_out2の出力電位=−1.50V。また、CP_out1およびCP_out2のリップル電圧は同一であり、378μVppであった。
[第3の実施形態]
次に、図5は、図1に示す正負両極性チャージポンプ回路15の他の構成例を示す。
次に、図5は、図1に示す正負両極性チャージポンプ回路15の他の構成例を示す。
図5においては、チャージポンプが2系統(第1のチャージポンプ31と、第2のチャージポンプ32)が設けられている。
第1のチャージポンプ31を構成する直列接続ダイオードD1a〜D8aにおける、一端のダイオードD1aのカソードは抵抗R1aを介して正側出力端子CP_out1に接続され、他端のダイオードD8aのアノードは抵抗R2aを介して負側出力端子CP_out2に接続されている。
ダイオードD1aとダイオードD2aとの接続点、ダイオードD3aとダイオードD4aとの接続点、ダイオードD6aとダイオードD7aとの接続点には、それぞれ容量C1a、C3a、C5aを介してクロック信号CKが供給される。ダイオードD2aとダイオードD3aとの接続点、ダイオードD4aとダイオードD5aとの接続点、ダイオードD7aとダイオードD8aとの接続点には、それぞれ容量C2a、C4a、C6aを介して反転クロック信号CK/が供給される。また、ダイオードD5aとダイオードD6aとの接続点は接地されている。
第2のチャージポンプ32を構成する直列接続ダイオードD1b〜D8bにおける、一端のダイオードD1bのカソードは抵抗R1bを介して正側出力端子CP_out1に接続され、他端のダイオードD8bのアノードは抵抗R2bを介して負側出力端子CP_out2に接続されている。
ダイオードD1bとダイオードD2bとの接続点、ダイオードD3bとダイオードD4bとの接続点、ダイオードD6bとダイオードD7bとの接続点には、それぞれ容量C1b、C3b、C5bを介して反転クロック信号CK/が供給される。ダイオードD2bとダイオードD3bとの接続点、ダイオードD4bとダイオードD5bとの接続点、ダイオードD7bとダイオードD8bとの接続点には、それぞれ容量C2b、C4b、C6bを介してクロック信号CKが供給される。また、ダイオードD5bとダイオードD6bとの接続点は接地されている。
ダイオードD1aのカソードとダイオードD8aのアノードとの間には容量C7aが接続され、ダイオードD1bのカソードとダイオードD8bのアノードとの間には容量C7bが接続されている。容量C7a、C7b、抵抗R1a、R2a、R1b、R2bはリップル除去用RCフィルタを構成する。
第1のチャージポンプ31と第2のチャージポンプ32との間で、対となる容量にはそれぞれ逆相のクロック信号が供給される。図5に示す各要素において、対となる関係の要素には同じ数字を付し、対の一方に添字aを付け他方に添字bを付けている。
すなわち、C1aとC1bにはそれぞれ逆相のクロック信号が供給され、C2aとC2bにはそれぞれ逆相のクロック信号が供給され、C3aとC3bにはそれぞれ逆相のクロック信号が供給され、C4aとC4bにはそれぞれ逆相のクロック信号が供給され、C5aとC5bにはそれぞれ逆相のクロック信号が供給され、C6aとC6bにはそれぞれ逆相のクロック信号が供給される。このように構成することにより、2系統のチャージポンプ31、32でそれぞれ発生するリップルが相殺し合うことになり、よりリップルを低減した正負両極性チャージポンプ回路を実現できる。
この図5に示す正負両極性チャージポンプ回路の出力波形を調べるために、クランプ回路17のダイオード接続段数を7段とし、また、正側出力端子CP_out1と負側出力端子CP_out2間に図1に示すように容量Cxを接続し、下記の回路数を与えて回路シミュレーションを実施した。
クロック信号CKおよびその反転クロック信号CK/はパルス電圧とし、電圧振幅ΔVck、立ち上がり時間tr、立ち下がり時間tf、周期Tck、Duty比は下記のように設定した。
ΔVck=2Vpp、tr,tf=50n秒、Tck=1μ秒、Duty比=50%。また、容量値および抵抗値は下記のように設定した。
C1a〜C6a,C1b〜C6b=5pF、C7a,C7b=10pF、R1a,R2a,R1b,R2b=20kΩ、Cx=200pF。
ダイオードD1a〜D8a,D1b〜D8bおよびクランプ回路17のダイオードDはすべて同一とし、下記のモデルパラメータを与えた。
IS=9.57×10−14、RS=76.0、N=1.84。
ΔVck=2Vpp、tr,tf=50n秒、Tck=1μ秒、Duty比=50%。また、容量値および抵抗値は下記のように設定した。
C1a〜C6a,C1b〜C6b=5pF、C7a,C7b=10pF、R1a,R2a,R1b,R2b=20kΩ、Cx=200pF。
ダイオードD1a〜D8a,D1b〜D8bおよびクランプ回路17のダイオードDはすべて同一とし、下記のモデルパラメータを与えた。
IS=9.57×10−14、RS=76.0、N=1.84。
上記のモデルパラメータでシミュレーションしたところ、下記の結果を得た。
CP_out1の出力電位=3.89V、CP_out2の出力電位=−1.56V。また、CP_out1およびCP_out2のリップル電圧は同一であり、153μVppであった。このように、リップル電圧は図4に示す第2の実施形態に比べ半分以下に低減した。
CP_out1の出力電位=3.89V、CP_out2の出力電位=−1.56V。また、CP_out1およびCP_out2のリップル電圧は同一であり、153μVppであった。このように、リップル電圧は図4に示す第2の実施形態に比べ半分以下に低減した。
[第4の実施形態]
図6は、本発明の第4の実施形態に係る高周波半導体スイッチ装置の構成を示し、これは本発明をSPnT(Single-Pole n-Throw)スイッチに適用したものである。
図6は、本発明の第4の実施形態に係る高周波半導体スイッチ装置の構成を示し、これは本発明をSPnT(Single-Pole n-Throw)スイッチに適用したものである。
高周波多ポートスイッチ回路21は、制御回路2−1〜2−nの出力電位に応じて、アンテナ端子ANTと、n個の各高周波端子RF1〜RFnとの間の接続を切り換える。アンテナ端子ANTと、各高周波端子RF1〜RFnとの間には1段乃至複数段直列接続されたスルーFETが設けられ、かつ、各高周波端子RF1〜RFnとグランドとの間には1段乃至複数段直列接続されたシャントFETが設けられている。
各高周波端子RF1〜RFnに接続されるそれぞれのスルーFETの段数およびFETサイズは等しく、各々のゲート容量の総和は概略等しい。また、各高周波端子RF1〜RFnに接続されるそれぞれのシャントFETの段数およびFETサイズは等しく、各々のゲート容量の総和は概略等しい。
各制御回路2−1〜2−nはすべて同一の構成であり、以下に制御回路2−1の構成について説明する。
制御回路2−1は、インバータINV11、インバータINV12、両極性レベルシフト回路22を有する。インバータINV11およびインバータINV12は外部電源電圧Vddとグランドをそれぞれ高電位電源、低電位電源とするインバータであり両極性レベルシフト回路22の差動入力信号を生成する。
両極性レベルシフト回路22には、高電位電源としてVddおよびVpp(>Vdd)が供給され、低電位電源としてグランド電位および負電位Vssが供給される。両極性レベルシフト回路22は、HighレベルがVpp、LowレベルがVssの制御信号(ゲート駆動信号)を高周波多ポートスイッチ回路21に供給する。Vppは前述した正負両極性チャージポンプ回路15の正側出力電位であり、Vssは正負両極性チャージポンプ回路15の負側出力電位である。
デコーダ回路20は、m個の外部制御信号Con_1〜Con_mをデコードしn個の制御信号S1〜Snを生成する。制御信号S1〜Snはそれぞれ制御回路2−1〜2−nの入力となる。
前述した実施形態と同様、正負両極性チャージポンプ15の正側出力端子と負側出力端子との間には共通の出力容量Cxが設けられ、これにより、本実施形態においても、チャージポンプの出力に必要な容量の総和は前述した比較例の1/4となり、チップ面積の大幅な縮小を実現できる。
[第5の実施形態]
図7は、図6における両極性レベルシフト回路22の具体例を示す。
図7は、図6における両極性レベルシフト回路22の具体例を示す。
この両極性レベルシフト回路は、第1のレベルシフト回路23と第2のレベルシフト回路24とを有し、第1のレベルシフト回路23の入力と第2のレベルシフト回路24の入力、および第1のレベルシフト回路23の出力と第2のレベルシフト回路24の出力とがワイヤード接続された構成になっている。
第1のレベルシフト回路23は、HighレベルがVdd、Lowレベルがグランド電位の差動入力信号を、HighレベルがVpp、Lowレベルがグランド電位の差動出力レベルに変換する回路である。第2のレベルシフト回路24は、HighレベルがVdd、Lowレベルがグランド電位の差動入力信号を、HighレベルがVdd、LowレベルがVssの差動出力レベルに変換する回路である。
第1のレベルシフト回路23は、フリップフロップ接続された一対のPMOS1、PMOS2と、一対のPMOS3、PMOS4と、一対のNMOS1、NMOS2と、一対のダイオードD11、D12とを有する。ここで、PMOSはPチャネル型MOSFET、NMOSはNチャネル型MOSFETである。
第2のレベルシフト回路24は、一対のPMOS5、PMOS6と、一対のPMOS7、PMOS8と、一対のNMOS3、NMOS4と、フリップフロップ接続された一対のNMOS5、NMOS6と、一対のダイオードD21、D22とを有する。
第1のレベルシフト回路23において、PMOS1、PMOS2のそれぞれのソースは、Vpp(例えば3.5V)が供給される端子に接続され、ゲートは、互いのドレインおよびPMOS3、PMOS4のソースにそれぞれ接続されている。
PMOS3のドレインは、ダイオードD11のアノードおよび出力端子OUTAに接続されている。PMOS4のドレインは、ダイオードD12のアノードおよび出力端子OUTBに接続されている。PMOS3及びPMOS4のゲートには、バイアス電位Vb2が与えられる。
ダイオードD11のカソードはNMOS1のドレインと接続され、ダイオードD12のカソードはNMOS2のドレインと接続されている。NMOS1及びNMOS2のソースは接地されている。
NMOS1のゲートは、入力端子INAおよび第2のレベルシフト回路24のPMOS5のゲートに接続されている。NMOS2のゲートは、入力端子INBおよび第2のレベルシフト回路24のPMOS6のゲートに接続されている。
PMOS5、PMOS6のそれぞれのソースは、Vdd(例えば1.8V)が供給される端子に接続されている。PMOS5、PMOS6のドレインはそれぞれPMOS7、PMOS8のソースに接続されている。PMOS7及びPMOS8のゲートは接地されている。
PMOS7のドレインはダイオードD21のアノードに接続され、PMOS8のドレインはダイオードD22のアノードに接続されている。ダイオードD21のカソードは出力端子OUTAおよびNMOS3のドレインに接続され、ダイオードD22のカソードは出力端子OUTBおよびNMOS4のドレインに接続されている。NMOS3及びNMOS4のゲートにはバイアス電位Vb1が与えられる。
NMOS5のゲートは、NMOS4のソース及びNMOS6のドレインに接続されている。NMOS6のゲートは、NMOS3のソース及びNMOS5のドレインに接続されている。NMOS5およびNMOS6のソースは、Vss(例えば−1.5V)が供給される端子に接続されている。
ダイオードD11、D12、D21、D22は、第1のレベルシフト回路23と第2のレベルシフト回路24とをワイヤード接続したことにより電流が逆流することを防ぐために設けられている。
例えば、INAにHighレベル(1.8V)、INBにLowレベル(0V)が入力した場合、第1のレベルシフト回路23におけるノードAはLowレベル(0V)、ノードBはHighレベル(Vppの電位3.5V)になり、第2のレベルシフト回路24におけるノードCはLowレベル(Vssの電位−1.5V)、ノードDはHighレベル(Vddの電位1.8V)になる。
ここで、ノードBが3.5V、ノードDが1.8Vであるため、Vpp端子からVdd端子に電流が流れようとするがダイオードD22があるために阻止され、出力端子OUTBには3.5Vが出力される。また、ノードAが0V、ノードCが−1.5Vであるため、グランドからVss端子に電流が流れようとするがダイオードD11があるために阻止され、出力端子OUTAには−1.5Vが出力される。
逆に、INAにLowレベル(0V)、INBにHighレベル(1.8V)が入力した場合、第1のレベルシフト回路23におけるノードAはHighレベル(Vppの電位3.5V)、ノードBはLowレベル(0V)になり、第2のレベルシフト回路24におけるノードCはHighレベル(Vddの電位1.8V)、ノードDはLowレベル(Vssの電位−1.5V)になる。
ここで、ノードAが3.5V、ノードCが1.8Vであるため、Vpp端子からVdd端子に電流が流れようとするがダイオードD21があるために阻止され、出力端子OUTAには3.5Vが出力される。また、ノードBが0V、ノードDが−1.5Vであるため、グランドからVss端子に電流が流れようとするがダイオードD12があるために阻止され、出力端子OUTBには−1.5Vが出力される。
また、PMOS3、PMOS4、PMOS7、PMOS8、NMOS3およびNMOS4は、図7のレベルシフト回路における各MOSFETの端子間に印加される電圧が耐圧を越えないように設けられているが、各MOSFETが十分高い耐圧を有すれば設けなくてもよい。なお、Vpp、Vdd、Vssの各電位に応じて適切なバイアス電位Vb1、Vb2を供給することで、CMOS微細プロセスゆえに各MOSFETの耐圧が低くても、各MOSFETのゲート・ソース間電圧Vgs及びドレイン・ソース間電圧Vdsを信頼性が保証される耐圧以下に抑えつつ、出力振幅が耐圧よりも大きい[3.5V−(−1.5V)=5V]の制御信号(駆動信号)を生成して、高周波特性の優れた半導体スイッチ装置を提供できる。
また、OUTA、OUTBにおけるLowレベル(−1.5V)からHighレベル(3.5V)への切り替わり時には、まずVdd端子からダイオードD21、D22を介して、Vdd−(D21、D22の順方向バイアスVf(0.7V))まではすぐにチャージアップして、その後Vpp端子から電流が供給されてHighレベル(3.5V)に切り替わる。このため、高速なスイッチ切り替えを行える。
逆に、OUTA、OUTBにおけるHighレベル(3.5V)からLowレベル(−1.5V)への切り替わり時には、まずダイオードD11、D12を介してグランドに電流が流れ、D11、D12の順方向バイアスVf(0.7V)までは迅速に電位が下がり、そこからVss(−1.5V)に低下していく。このため、高速なスイッチ切り替えを行える。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
図6を参照して説明した第4の実施形態において、正負両極性チャージポンプ回路15の正側出力電位Vpp及び負側出力電位Vssは、制御回路2−1〜2−nのすべてに供給しなくてもよく、必要な制御回路のみに供給するようにしてもよい。
1…高周波スイッチ回路、11…駆動回路、12…駆動回路、15…正負両極性チャージポンプ回路、17…クランプ回路、23…第1のレベルシフト回路、24…第2のレベルシフト回路
Claims (5)
- アンテナ端子と、第1〜第n(nは2以上の整数)の各高周波端子との間の接続を切り換える回路であって、前記アンテナ端子と前記第1〜第nの各高周波端子との間にそれぞれ接続された第1〜第nのスルーFET(Field Effect Transistor)を有する高周波スイッチ回路と、
前記各スルーFETのゲートを駆動する駆動回路と、
前記駆動回路の高電位電源端子に正側出力端子が接続され、前記駆動回路の低電位電源端子に負側出力端子が接続された正負両極性チャージポンプ回路と、
を備え、
前記第1〜第nのスルーFETのゲート容量はそれぞれ概略等しく、
前記正負両極性チャージポンプ回路の前記正側出力端子と前記負側出力端子との間に容量が設けられていることを特徴とする高周波半導体スイッチ装置。 - 前記正負両極性チャージポンプ回路は、4つ以上のダイオードが直列接続され両端子がそれぞれ抵抗を介して前記正側出力端子と前記負側出力端子に接続されたダイオード直列回路を有し、
前記直列接続されたダイオード間の接続点のうち、端以外の一つの接続点が接地され、他の接続点には容量を介してクロック信号が供給され、
前記クロック信号が供給される接続点のうち、両端の接続点には互いに逆相のクロック信号が供給されることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体スイッチ装置。 - 前記正負両極性チャージポンプ回路は、4つ以上のダイオードが直列接続され両端子がそれぞれ第1の抵抗と第2の抵抗を介して前記正側出力端子と前記負側出力端子に接続された第1のダイオード直列回路と、前記第1のダイオード直列回路と同じ段数のダイオードが直列接続され両端子がそれぞれ第3の抵抗と第4の抵抗を介して前記正側出力端子と前記負側出力端子に接続された第2のダイオード直列回路を有し、
前記第1のダイオード直列回路における直列接続されたダイオード間の接続点のうち、端以外の一つの接続点が接地され、他の接続点には容量を介してクロック信号が供給され、前記クロック信号が供給される接続点のうち、両端の接続点には互いに逆相のクロック信号が供給され、
前記第2のダイオード直列回路における直列接続されたダイオード間の接続点のうち、前記第1のダイオード直列回路における接地された接続点と同じ位置に対応する接続点が接地され、他の接続点には容量を介してクロック信号が供給され、前記クロック信号が供給される接続点のうち、両端の接続点には互いに逆相のクロック信号が供給され、
前記第1のダイオード直列回路と前記第2のダイオード直列回路とで、同じ位置に対応する接続点に供給されるクロック信号が逆相であることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体スイッチ装置。 - 前記駆動回路は、前記正負両極性チャージポンプ回路の正側出力電位Vppが供給される第1のレベルシフト回路と、前記正負両極性チャージポンプ回路の負側出力電位Vssが供給される第2のレベルシフト回路とを有し、
前記第1のレベルシフト回路と前記第2のレベルシフト回路は、入力および出力がそれぞれワイヤード接続され、
前記第1のレベルシフト回路は、前記Vppの供給端子に接続されると共にフリップフロップ接続された一対のPチャネル型FETと、グランドに接続された一対のNチャネル型FETと、前記一対のNチャネル型FETと一対の出力端子との間にそれぞれ接続されたダイオードとを有し、
前記第2のレベルシフト回路は、前記Vssの供給端子に接続されると共にフリップフロップ接続された一対のNチャネル型FETと、外部電源端子に接続された一対のPチャネル型FETと、前記一対のPチャネル型FETと前記一対の出力端子との間にそれぞれ接続されたダイオードとを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の高周波半導体スイッチ装置。 - SOI(Silicon on Insulator)構造に形成されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の高周波半導体スイッチ装置。
Priority Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2012095897A1 (ja) * | 2011-01-14 | 2012-07-19 | パナソニック株式会社 | チャージポンプ回路 |
JP2012138762A (ja) * | 2010-12-27 | 2012-07-19 | Renesas Electronics Corp | 高周波モジュールおよび無線通信システム |
JP2015204485A (ja) * | 2014-04-11 | 2015-11-16 | 株式会社デンソー | 負荷駆動回路 |
CN105322932A (zh) * | 2014-06-23 | 2016-02-10 | 株式会社东芝 | 充电泵、电位转换电路及开关电路 |
-
2008
- 2008-09-26 JP JP2008248423A patent/JP2010081365A/ja active Pending
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