JP2013085081A - Semiconductor device, semiconductor design method, transmitter and transceiver - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。特に、出力電力検出回路を備える半導体装置、半導体装置の設計方法、送信機及び送受信機、に関する。 The present invention relates to a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a semiconductor device including an output power detection circuit, a semiconductor device design method, a transmitter, and a transceiver.
近年、Bluetoothや無線LAN(Local Area Network)対応の電子機器の普及が著しい。これらの電子機器は、無線を通信手段として、ホスト機器やアクセスポイント等と通信する。 In recent years, electronic devices compatible with Bluetooth and wireless LAN (Local Area Network) have been widely used. These electronic devices communicate with a host device, an access point, and the like using wireless as a communication means.
これらの電子機器が出力する電波の電力は、一定値以下となるように規制されている。それぞれの電子機器が、無秩序に電波を出力するとすれば、互いの電波が干渉し、支障をきたすからである。従って、無線通信が可能な電子機器は、各国の法令等で定められた規制を遵守する必要がある。そのため、無線通信が可能な電子機器は、電波の出力電力を検出する出力電力検出回路を備えている。 The electric power of radio waves output from these electronic devices is regulated to be a certain value or less. This is because if each electronic device outputs radio waves randomly, the radio waves interfere with each other, causing trouble. Therefore, electronic devices capable of wireless communication need to comply with regulations stipulated by laws and regulations of each country. Therefore, an electronic device capable of wireless communication includes an output power detection circuit that detects output power of radio waves.
無線通信が可能な電子機器は、出力電力検出回路が出力する検出電圧を用いて、増幅回路のゲインを制御し、出力電力に関する規制を遵守する。また、電波の電力は狭い範囲内で変動するものではなく、その変動範囲は広範囲に亘る。従って、出力電力検出回路は、電波の電力が低い場合であっても、高い場合であっても正確にその電力を検出できる必要がある。即ち、出力電力検出回路が検出可能な範囲(ダイナミックレンジ)は広範囲でなければならない。 An electronic device capable of wireless communication uses the detection voltage output from the output power detection circuit to control the gain of the amplifier circuit and comply with regulations regarding output power. Further, the power of radio waves does not fluctuate within a narrow range, and the fluctuation range is wide. Therefore, the output power detection circuit needs to be able to accurately detect the power even when the radio wave power is low or high. That is, the range (dynamic range) that can be detected by the output power detection circuit must be wide.
ここで、特許文献1乃至3において、出力電力検出回路のダイナミックレンジを改善する技術が開示されている。 Here, Patent Documents 1 to 3 disclose techniques for improving the dynamic range of the output power detection circuit.
特許文献1で開示された出力電力検出回路は、容量素子等を介して取り出された高周波信号を増幅する多段構成のアンプを備えている。さらに、各段のアンプの出力を検波する複数の検波回路と、多段構成のアンプを通さない高周波信号を検波する検波回路を設け、これらの検波回路の出力を合成したものを出力電力検出信号として出力する。その結果、出力電力検出回路のダイナミックレンジを拡げ、出力電力の低い領域から高い領域まで変曲点を持たない連続した検出を可能としている。 The output power detection circuit disclosed in Patent Document 1 includes a multistage amplifier that amplifies a high-frequency signal extracted through a capacitive element or the like. Furthermore, a plurality of detection circuits for detecting the output of each stage amplifier and a detection circuit for detecting a high-frequency signal that does not pass through a multistage amplifier are provided, and the output power detection signal is a combination of the outputs of these detection circuits. Output. As a result, the dynamic range of the output power detection circuit is expanded, and continuous detection without an inflection point is possible from a low output power region to a high output power region.
特許文献2で開示された出力電力検出回路は、2つの検波回路を備えている。特許文献2で開示された出力電力検出回路は、2つの検波回路を連携させることで、出力電力検出回路のダイナミックレンジを拡げている。より具体的には、前段の検波回路の出力電圧を後段の検波回路のバイアスとして使用し、それぞれの検出回路の感度を変更している。
The output power detection circuit disclosed in
特許文献3で開示された出力電力検出回路は、2つの検波回路を備えている。特許文献3で開示された出力電力検出回路は、出力電圧が低い領域と高い領域のそれぞれの領域で使用する検波回路を使い分け、出力電力検出回路のダイナミックレンジを拡げている。より具体的には、出力電圧が低い領域の検波を担う検波回路にスイッチを設け、出力電圧が高い領域の検波を担う検波回路が検波を開始したタイミングで、上述のスイッチをオフする。その結果、低域側の検波回路から高域側の検波回路に対する影響が排除され、出力電力検出回路のダイナミックレンジが拡大できる。 The output power detection circuit disclosed in Patent Document 3 includes two detection circuits. The output power detection circuit disclosed in Patent Document 3 uses a different detection circuit for each of a low output voltage region and a high output voltage region, thereby expanding the dynamic range of the output power detection circuit. More specifically, a switch is provided in a detection circuit responsible for detection in a region where the output voltage is low, and the above-described switch is turned off at the timing when the detection circuit responsible for detection in a region where the output voltage is high starts detection. As a result, the influence on the detection circuit on the high frequency side is eliminated from the detection circuit on the low frequency side, and the dynamic range of the output power detection circuit can be expanded.
なお、上記先行技術文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明の観点からなされたものである。 Each disclosure of the above prior art document is incorporated herein by reference. The following analysis has been made from the viewpoint of the present invention.
ここで、無線通信は屋内だけで使用する機器に留まらず、車載用の機器(例えば、ECT(Electronic Toll Collection))やRFID(Radio Frequency IDentification)等においても用いられる。これらの機器が保証する動作温度範囲は極めて広範囲である。例えば、車載用の機器であれば、氷点下以下の環境に長時間さらされた環境や直射日光を長時間受けた環境にある車内においても、正常に動作することが求められる。 Here, the wireless communication is not limited to a device used only indoors, but is also used in a vehicle-mounted device (for example, ECT (Electronic Toll Collection)) or RFID (Radio Frequency IDentification). The operating temperature range guaranteed by these devices is extremely wide. For example, a vehicle-mounted device is required to operate normally even in an environment where it is exposed to an environment below freezing for a long time or in an environment where it is exposed to direct sunlight for a long time.
このような厳しい環境下にあっても、無線通信が可能な電子機器が出力する電波の電力は規制を満たす必要がある。即ち、常温の環境下に限り、規制を満たせば良い訳ではなく、周辺温度が極めて低い又は高い場合であっても、電波の電力は規制を遵守したものでなければならない。 Even in such a harsh environment, the power of radio waves output from electronic devices capable of wireless communication must satisfy regulations. That is, it is not necessary to satisfy the regulations only in a room temperature environment, and even when the ambient temperature is extremely low or high, the power of the radio wave must comply with the regulations.
しかしながら、上述の特許文献1〜3は、ダイオード等の半導体素子の温度特性を考慮に入れた出力電力検出回路を開示していない。 However, Patent Documents 1 to 3 described above do not disclose an output power detection circuit that takes into account the temperature characteristics of a semiconductor element such as a diode.
ここで、ダイオードがオン状態になるベース・エミッタ間電圧VBEは、下記の式(1)で表すことができる。
なお、VTは熱電圧(常温で約26mV)、Isは飽和電流である。さらに、飽和電流Isは下記の式(2)で表すことができる。
なお、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、Aは定数、Egはシリコンバンドギャップエネルギーである。式(1)を温度Tで微分することにより、ダイオードのベース・エミッタ間電圧VBEの温度特性が計算できる。
なお、qはクーロン定数である。このように、ダイオードのベース・エミッタ間電圧VBEは温度に依存する。
Here, the base-emitter voltage V BE at which the diode is turned on can be expressed by the following equation (1).
Note that V T is a thermal voltage (about 26 mV at room temperature), and Is is a saturation current. Further, the saturation current Is can be expressed by the following formula (2).
Here, k is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature, A is a constant, and Eg is a silicon band gap energy. By differentiating the equation (1) with the temperature T, the temperature characteristic of the base-emitter voltage V BE of the diode can be calculated.
Note that q is a Coulomb constant. Thus, the base-emitter voltage V BE of the diode depends on the temperature.
図10は、ダイオードの電流−電圧特性の一例を示す図である。図10に示すように、ダイオードがオン状態に遷移する際のベース・エミッタ間電圧VBEは低温時ほど高電圧になり、高温時ほど低電圧になる。 FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a current-voltage characteristic of the diode. As shown in FIG. 10, the base-emitter voltage V BE when the diode transitions to the on state becomes higher as the temperature is lower, and becomes lower as the temperature is higher.
以上のとおり、ダイオード等の半導体素子はそれぞれ温度特性を備えている。この温度特性を考慮せず設計された出力電力検出回路は、入力電圧が同一であっても周辺温度が異なれば、異なる検出電圧を出力することになる。出力電力検出回路の検出電圧が温度に依存すれば、たとえダイナミックレンジが広範囲であっても、無線通信が可能な電子機器は正確な出力電力を得ることができない。そのため、ダイナミックレンジが広範囲、かつ、温度変動が抑制された検出電圧を出力する出力電力検出回路を備えた半導体装置、半導体装置の設計方法、送信機及び送受信機が、望まれる。 As described above, semiconductor elements such as diodes each have temperature characteristics. The output power detection circuit designed without considering this temperature characteristic outputs a different detection voltage if the ambient temperature is different even if the input voltage is the same. If the detection voltage of the output power detection circuit depends on temperature, an electronic device capable of wireless communication cannot obtain accurate output power even if the dynamic range is wide. Therefore, a semiconductor device, a semiconductor device design method, a transmitter, and a transceiver that include an output power detection circuit that outputs a detection voltage with a wide dynamic range and suppressed temperature fluctuation are desired.
本発明の第1の視点によれば、所定の温度特性を持つ基準電圧と、温度特性を持たない第1及び第2の基準電流と、を出力するレギュレータ回路と、入力信号を受け付け、前記入力信号の電圧を第1の電圧に変換し、前記基準電圧と前記第1の基準電流に応じて、前記第1の電圧の温度特性を無効とし、第1の検波電圧として出力する第1の検波回路と、前記入力信号を受け付け、前記入力信号の電圧を第2の電圧に変換し、前記基準電圧と前記第2の基準電流に応じて、前記第2の電圧の温度特性を無効とし、第2の検波電圧として出力する第2の検波回路と、を含み、前記第1及び第2の検波電圧を合成した電力検出電圧を出力する検出回路と、を備える半導体装置が提供される。 According to a first aspect of the present invention, a regulator circuit that outputs a reference voltage having a predetermined temperature characteristic and first and second reference currents that do not have a temperature characteristic, an input signal is received, and the input A first detection circuit that converts a signal voltage into a first voltage, invalidates a temperature characteristic of the first voltage in accordance with the reference voltage and the first reference current, and outputs the first voltage as a first detection voltage. A circuit, receiving the input signal, converting a voltage of the input signal into a second voltage, invalidating a temperature characteristic of the second voltage according to the reference voltage and the second reference current, And a detection circuit that outputs a power detection voltage obtained by synthesizing the first and second detection voltages, and a second detection circuit that outputs the second detection voltage as a second detection voltage.
本発明の第2の視点によれば、上記第1の視点に係る半導体装置と、前記電力検出電圧を受け付ける制御ブロックと、前記制御ブロックと接続され、送信信号を受け付ける可変利得アンプと、前記可変利得アンプの出力する電圧を増幅するパワーアンプと、を備え、前記パワーアンプの出力を前記第1及び第2の検波回路に対する入力信号とすると共に、前記制御ブロックは、前記電力検出電圧に基づいて、前記可変利得アンプの利得を変更する送信機が提供される。 According to a second aspect of the present invention, the semiconductor device according to the first aspect, a control block that receives the power detection voltage, a variable gain amplifier that is connected to the control block and receives a transmission signal, and the variable A power amplifier that amplifies the voltage output from the gain amplifier, and the output of the power amplifier is used as an input signal to the first and second detection circuits, and the control block is based on the power detection voltage. A transmitter for changing the gain of the variable gain amplifier is provided.
本発明の第3の視点によれば、上記第1の視点に係る半導体装置と、前記電力検出電圧を受け付ける制御ブロックと、前記制御ブロックと接続され、送信信号を受け付ける可変利得アンプと、前記可変利得アンプの出力する電圧を増幅するパワーアンプと、を備え、前記パワーアンプの出力を前記第1及び第2の検波回路に対する入力信号とすると共に、前記制御ブロックは、前記電力検出電圧に基づいて、前記可変利得アンプの利得を変更する送受信機が提供される。 According to a third aspect of the present invention, the semiconductor device according to the first aspect, a control block that receives the power detection voltage, a variable gain amplifier that is connected to the control block and receives a transmission signal, and the variable A power amplifier that amplifies the voltage output from the gain amplifier, and the output of the power amplifier is used as an input signal to the first and second detection circuits, and the control block is based on the power detection voltage. A transceiver for changing the gain of the variable gain amplifier is provided.
本発明の第4の視点によれば、バンドギャップリファレンス回路を含み、所定の温度特性を持つ基準電圧と、温度特性を持たない第1及び第2の基準電流と、を出力するレギュレータ回路と、入力信号を受け付け、前記入力信号の電圧を第1の電圧に変換し、前記基準電圧と前記第1の基準電流に応じて、前記第1の電圧の温度特性を無効とし、第1の検波電圧として出力する第1の検波回路と、前記入力信号を受け付け、前記入力信号の電圧を第2の電圧に変換し、前記基準電圧と前記第2の基準電流に応じて、前記第2の電圧の温度特性を無効とし、第2の検波電圧として出力する第2の検波回路と、を含み、前記第1及び第2の検波電圧を合成した電力検出電圧を出力する検出回路と、を備える半導体装置の設計方法であって、前記バンドギャップリファレンス回路を設計する工程と、前記第1及び第2の電圧の振幅を、前記検出回路のダイナミックレンジに基づいて決定する工程と、前記第1及び第2の電圧の温度特性を無効化する、前記基準電圧が持つ前記所定の温度特性と前記第1及び第2の基準電流の電流値と、を決定する工程と、を含む半導体装置の設計方法が提供される。 According to a fourth aspect of the present invention, a regulator circuit that includes a bandgap reference circuit and outputs a reference voltage having a predetermined temperature characteristic and first and second reference currents having no temperature characteristic; An input signal is received, the voltage of the input signal is converted into a first voltage, the temperature characteristic of the first voltage is invalidated according to the reference voltage and the first reference current, and the first detection voltage A first detection circuit that outputs the input signal, receives the input signal, converts the voltage of the input signal to a second voltage, and determines the second voltage according to the reference voltage and the second reference current. A semiconductor device comprising: a second detection circuit that invalidates the temperature characteristics and outputs the second detection voltage as a second detection voltage; and a detection circuit that outputs a power detection voltage obtained by synthesizing the first and second detection voltages. The design method of Designing a gap gap reference circuit; determining amplitudes of the first and second voltages based on a dynamic range of the detection circuit; and disabling temperature characteristics of the first and second voltages. A method for designing a semiconductor device is provided that includes a step of determining the predetermined temperature characteristic of the reference voltage and the current values of the first and second reference currents.
本発明の各視点によれば、ダイナミックレンジが広範囲、かつ、温度変動が抑制された検出電圧を出力する出力電力検出回路を備えた半導体装置、半導体装置の設計方法、送信機及び送受信機が、提供される。 According to each aspect of the present invention, a semiconductor device including an output power detection circuit that outputs a detection voltage in which a dynamic range is wide and temperature fluctuation is suppressed, a semiconductor device design method, a transmitter, and a transceiver include: Provided.
初めに、図1を用いて一実施形態の概要について説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。 First, an outline of an embodiment will be described with reference to FIG. Note that the reference numerals of the drawings attached to this summary are attached to the respective elements for convenience as an example for facilitating understanding, and are not intended to limit the present invention to the illustrated embodiment.
上述のように、出力電力検出回路の検出電圧が温度に依存すれば、たとえダイナミックレンジが広範囲であっても、無線通信が可能な電子機器は正確な出力電力を得ることができない。そのため、ダイナミックレンジが広範囲、かつ、温度変動が抑制された検出電圧を出力する出力電力検出回路を備えた半導体装置が、望まれる。 As described above, if the detection voltage of the output power detection circuit depends on temperature, an electronic device capable of wireless communication cannot obtain accurate output power even if the dynamic range is wide. Therefore, a semiconductor device including an output power detection circuit that outputs a detection voltage with a wide dynamic range and suppressed temperature fluctuation is desired.
図1に示す出力電力検出回路1は、所定の温度特性を持つ基準電圧と、温度特性を持たない第1及び第2の基準電流と、を出力するレギュレータ回路10と、入力信号を受け付け、入力信号の電圧を第1の電圧に変換し、基準電圧と第1の基準電流に応じて、第1の電圧の温度特性を無効とし、第1の検波電圧として出力する第1の検波回路と、入力信号を受け付け、入力信号の電圧を第2の電圧に変換し、基準電圧と第2の基準電流に応じて、第2の電圧の温度特性を無効とし、第2の検波電圧として出力する第2の検波回路と、を含み、第1及び第2の検波電圧を合成した電圧を出力する検出回路20と、を備えている。
An output power detection circuit 1 shown in FIG. 1 receives a reference voltage having a predetermined temperature characteristic and a first and second reference currents having no temperature characteristic, an input signal, and an input signal. A first detection circuit that converts the voltage of the signal into a first voltage, invalidates the temperature characteristic of the first voltage in accordance with the reference voltage and the first reference current, and outputs the first voltage as the first detection voltage; Receiving the input signal, converting the voltage of the input signal into a second voltage, invalidating the temperature characteristic of the second voltage according to the reference voltage and the second reference current, and outputting the second detection voltage as the second detection voltage; And a
レギュレータ回路10は、所定の温度特性を持つ基準電圧Vref_detと、温度特性を持たない基準電流I_det1及びI_det2を検出回路20に供給する。検出回路20は、レギュレータ回路10が出力する電源(基準電圧Vref_det、基準電流I_det1及びI_det2)を用いて、入力信号の電力を検出する。その際、基準電圧Vref_detの温度特性は検出回路20に含まれる半導体素子の温度特性を無効化(温度特性をキャンセル)するように設計されている。そのため、検出回路20に含まれる第1及び第2の検波回路が出力する電圧の温度特性を、無効化することができる。なお、温度特性の無効化とは、温度特性が消滅していることを意味するものではないことは勿論である。温度特性を無効化とは、本来の温度特性を減殺することを意味する。「温度特性を持たない」も同様であって、本来持っている温度特性が減殺されていることを意味する。
The
さらに、第1及び第2の検波回路への入力信号の電圧(振幅)を、それぞれ変換し、第1及び第2の検波回路における入力レンジをそれぞれ異なる範囲に設計する。より具体的には、第2の検波回路へ入力する信号を、第1の検波回路へ入力する信号よりも減衰させれば、第2の検波回路ではより大きな振幅を持つ信号の検波を行うことができる。このように、第1及び第2の検波回路において、入力レンジを異ならせ、それぞれが出力する検出電圧を合成することで、出力電力検出回路のダイナミックレンジを拡大することができる。 Furthermore, the voltages (amplitudes) of the input signals to the first and second detection circuits are converted, and the input ranges in the first and second detection circuits are designed to be different ranges. More specifically, if the signal input to the second detection circuit is attenuated more than the signal input to the first detection circuit, the second detection circuit detects a signal having a larger amplitude. Can do. As described above, in the first and second detection circuits, the input ranges are made different from each other, and the detection voltage output from each is synthesized, so that the dynamic range of the output power detection circuit can be expanded.
以上のように、レギュレータ回路10から検出回路20の検出電圧の温度特性を無効化できる電源を供給する。さらに、検出回路20は、入力レンジの異なる2つの検波回路を含んでおり、それぞれの検波回路の出力電圧を合成することで、ダイナミックレンジを拡大している。その結果、ダイナミックレンジが広範囲、かつ、温度変動が抑制された検出電圧を出力する出力電力検出回路が、提供できる。
As described above, the power source that can invalidate the temperature characteristic of the detection voltage of the
本発明において下記の形態が可能である。 In the present invention, the following modes are possible.
[形態1]上記第1の視点に係る半導体装置のとおりである。 [Mode 1] As in the semiconductor device according to the first aspect.
[形態2]前記レギュレータ回路は、第1の電流源を含むバンドギャップリファレンス回路と、前記第1の基準電流を供給する第2の電流源と、前記第2の基準電流を供給する第3の電流源と、を備えており、前記レギュレータ回路は、前記バンドギャップリファレンス回路の出力ノードと前記第1の電流源との間に配置した第1の抵抗を含み、前記第1の電流源と前記第1の抵抗との接続ノードから前記基準電圧を出力し、前記バンドギャップリファレンス回路が出力する電圧と、温度特性を持たない基準抵抗に基づいて前記第2及び第3の電流源から供給する電流値が定まることが好ましい。 [Mode 2] The regulator circuit includes a band gap reference circuit including a first current source, a second current source that supplies the first reference current, and a third current source that supplies the second reference current. A current source; and the regulator circuit includes a first resistor disposed between an output node of the bandgap reference circuit and the first current source, and the first current source and the current source The reference voltage is output from a connection node to the first resistor, and the current supplied from the second and third current sources is based on the voltage output from the bandgap reference circuit and the reference resistor having no temperature characteristic. It is preferable that the value is determined.
[形態3]前記第1の検波回路は、前記入力信号を、第2の抵抗を介して、コレクタで受け付けるエミッタ接地の第1のトランジスタと、ベースが、前記第1のトランジスタのベースと共通接続されるエミッタ接地の第2のトランジスタと、を含み、前記第2の検波回路は、前記入力信号を、第3の抵抗を介して、コレクタで受け付けるエミッタ接地の第3のトランジスタと、ベースが、前記第3のトランジスタのベースと共通接続されるエミッタ接地の第4のトランジスタと、を含み、前記基準電圧の出力ノードと前記第2のトランジスタは第4の抵抗を介して接続され、前記基準電圧の出力ノードと前記第4のトランジスタは第5の抵抗を介して接続され、前記第2の電流源と前記第1のトランジスタのコレクタが接続され、前記第3の電流源と前記第3のトランジスタのコレクタが接続されていることが好ましい。 [Mode 3] In the first detection circuit, the input signal is received by the collector via the second resistor and the emitter-grounded first transistor and the base are commonly connected to the base of the first transistor. A second emitter-grounded second transistor, wherein the second detector circuit receives the input signal at a collector via a third resistor, and a base has a base, A grounded-emitter fourth transistor commonly connected to the base of the third transistor, and the reference voltage output node and the second transistor are connected via a fourth resistor, and the reference voltage The output node of the first transistor and the fourth transistor are connected via a fifth resistor, the second current source and the collector of the first transistor are connected, and the third transistor It is preferable that current sources and collector of said third transistor is connected.
[形態4]前記第3の抵抗の抵抗値は、前記第2の抵抗の抵抗値よりも高いことが好ましい。 [Mode 4] The resistance value of the third resistor is preferably higher than the resistance value of the second resistor.
[形態5]前記所定の温度特性は、前記第1の抵抗の抵抗値により定まり、前記第1の電圧の温度特性は、前記基準電圧の前記所定の温度特性と、前記第1の基準電流の電流値と、前記第4の抵抗の抵抗値と、に基づいて決定され、前記第2の電圧の温度特性は、前記基準電圧の前記所定の温度特性と、前記第2の基準電流の電流値と、前記第5の抵抗の抵抗値と、に基づいて決定されることが好ましい。 [Mode 5] The predetermined temperature characteristic is determined by a resistance value of the first resistor, and the temperature characteristic of the first voltage is determined by the predetermined temperature characteristic of the reference voltage and the first reference current. The second voltage is determined based on a current value and a resistance value of the fourth resistor, and the temperature characteristic of the second voltage is the predetermined temperature characteristic of the reference voltage and the current value of the second reference current. And a resistance value of the fifth resistor.
[形態6]上記第2の視点に係る送信機のとおりである。 [Mode 6] The transmitter according to the second aspect.
[形態7]上記第3の視点に係る送受信機のとおりである。 [Mode 7] The transmitter / receiver according to the third aspect.
[形態8]上記第4の視点に係る半導体装置の設計方法のとおりである。 [Mode 8] The method for designing a semiconductor device according to the fourth aspect.
以下に具体的な実施の形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。 Hereinafter, specific embodiments will be described in more detail with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。
[First Embodiment]
The first embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る半導体装置に含まれる出力電力検出回路1の構成の一例を示す図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of an output power detection circuit 1 included in the semiconductor device according to the present embodiment.
出力電力検出回路1は、レギュレータ回路10と、検出回路20から構成されている。
The output power detection circuit 1 includes a
レギュレータ回路10は、半導体装置の内部に含まれる電源生成回路から電源電圧VDDの供給を受ける。レギュレータ回路10は、基準電圧Vref_detと、基準電流I_det1及びI_det2を出力する。また、レギュレータ回路10は、基準抵抗Rrefに接続されている。
The
検出回路20は、レギュレータ回路10が出力する基準電圧Vref_detと、基準電流I_det1及びI_det2を受け付ける。検出回路20は、電力検出の対象となる信号を、入力端子Inを介して受け付ける。検出回路20は、入力端子Inから受け付けた信号の電力に比例する電圧を出力端子Outから出力する。
The
次に、レギュレータ回路10について説明する。
Next, the
図2は、レギュレータ回路10の回路構成の一例を示す図である。レギュレータ回路10は、ダイオードD01〜D03と、Pチャンネル型MOSトランジスタP01〜P07と、オペアンプA01〜A03と、抵抗R01〜R04から構成されている。ダイオードD02は、N個(Nは2以上の整数、以下同じ)のダイオードが並列して接続されていることを示している。なお、ダイオードD01及びD03は、1つのダイオードである。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the circuit configuration of the
Pチャンネル型MOSトランジスタP01〜P03のソースは、電源電圧VDDに接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP01のゲートは、オペアンプA01の出力ノードに接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP01のドレインは、ダイオードD01のアノード及びオペアンプA01の入力ノード(反転入力)に接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP02のゲートは、オペアンプA01の出力ノードに接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP02のドレインは、ダイオードD02のアノード及びオペアンプA01の入力ノード(非反転入力)に接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP03のゲートは、オペアンプA01の出力ノードに接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP03のドレインは、抵抗R03を介して、ダイオードD03のアノード及びオペアンプA02の入力ノード(反転入力)に接続されている。 The sources of the P-channel MOS transistors P01 to P03 are connected to the power supply voltage VDD. The gate of the P-channel MOS transistor P01 is connected to the output node of the operational amplifier A01. The drain of the P-channel MOS transistor P01 is connected to the anode of the diode D01 and the input node (inverting input) of the operational amplifier A01. The gate of the P-channel MOS transistor P02 is connected to the output node of the operational amplifier A01. The drain of the P-channel MOS transistor P02 is connected to the anode of the diode D02 and the input node (non-inverting input) of the operational amplifier A01. The gate of the P-channel MOS transistor P03 is connected to the output node of the operational amplifier A01. The drain of the P-channel MOS transistor P03 is connected to the anode of the diode D03 and the input node (inverting input) of the operational amplifier A02 via the resistor R03.
Pチャンネル型MOSトランジスタP03のドレイン、抵抗R03及びオペアンプA03の入力ノードの接続ノードをノードS01とする。抵抗R03及びオペアンプA02の入力ノードの接続ノードをノードS02とする。 A connection node of the drain of the P-channel MOS transistor P03, the resistor R03, and the input node of the operational amplifier A03 is a node S01. A connection node of the input node of the resistor R03 and the operational amplifier A02 is a node S02.
ダイオードD01のカソードは、接地電圧GNDに接続されている。ダイオードD02のカソードは、抵抗R01を介して、接地電圧GNDに接続されている。ダイオードD03のカソードは、抵抗R02を介して、接地電圧GNDに接続されている。 The cathode of the diode D01 is connected to the ground voltage GND. The cathode of the diode D02 is connected to the ground voltage GND through the resistor R01. The cathode of the diode D03 is connected to the ground voltage GND through the resistor R02.
Pチャンネル型MOSトランジスタP04〜P06のソースは、電源電圧VDDに接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP04のゲートは、オペアンプA02の出力ノードに接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP04のドレインは、オペアンプA02の入力ノード(非反転入力)に接続されると共に、基準抵抗Rrefを介して接地電圧GNDに接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP04のドレインとオペアンプA02の入力ノードの接続ノードをノードS03とする。Pチャンネル型MOSトランジスタP05及びP06のゲートは、それぞれオペアンプA02の出力ノードに接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP05及びP06のドレインは、検出回路20(図2において図示せず)の入力ノードに接続される。Pチャンネル型MOSトランジスタP05及びP06から供給される電流が、それぞれ基準電流I_det1及びI_det2である。 The sources of the P-channel MOS transistors P04 to P06 are connected to the power supply voltage VDD. The gate of the P-channel MOS transistor P04 is connected to the output node of the operational amplifier A02. The drain of the P-channel MOS transistor P04 is connected to the input node (non-inverting input) of the operational amplifier A02 and is connected to the ground voltage GND through the reference resistor Rref. A connection node between the drain of the P-channel MOS transistor P04 and the input node of the operational amplifier A02 is a node S03. The gates of the P-channel MOS transistors P05 and P06 are connected to the output node of the operational amplifier A02. The drains of the P-channel MOS transistors P05 and P06 are connected to the input node of the detection circuit 20 (not shown in FIG. 2). The currents supplied from the P-channel MOS transistors P05 and P06 are reference currents I_det1 and I_det2, respectively.
Pチャンネル型MOSトランジスタP07のソースは電源電圧VDDに接続され、ゲートはオペアンプA03の出力ノードに接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP07のドレインは、オペアンプA03の入力ノード(非反転入力)に接続されると共に、抵抗R04を介して接地電圧GNDに接続されている。Pチャンネル型MOSトランジスタP07のドレイン、抵抗R04及びオペアンプA03の入力ノードの接続ノードをノードS04とする。 The source of the P-channel MOS transistor P07 is connected to the power supply voltage VDD, and the gate is connected to the output node of the operational amplifier A03. The drain of the P-channel MOS transistor P07 is connected to the input node (non-inverting input) of the operational amplifier A03, and is connected to the ground voltage GND through the resistor R04. A connection node of the drain of the P-channel MOS transistor P07, the resistor R04, and the input node of the operational amplifier A03 is defined as a node S04.
オペアンプA03の各入力ノードは、Pチャンネル型MOSトランジスタP03のドレインと抵抗R03の接続ノード(ノードS01)と、Pチャンネル型MOSトランジスタP07のドレインと抵抗R04の接続ノード(ノードS04)に接続されている。ノードS04の電圧が、レギュレータ回路10が出力する基準電圧Vref_detである。
Each input node of the operational amplifier A03 is connected to a connection node (node S01) between the drain of the P-channel MOS transistor P03 and the resistor R03, and a connection node (node S04) between the drain of the P-channel MOS transistor P07 and the resistor R04. Yes. The voltage of the node S04 is the reference voltage Vref_det output from the
ここで、ダイオードD01〜D03と、Pチャンネル型MOSトランジスタP01〜P03と、オペアンプA01と、抵抗R01及びR02と、でバンドギャップリファレンス回路を構成している。 Here, the diodes D01 to D03, the P-channel MOS transistors P01 to P03, the operational amplifier A01, and the resistors R01 and R02 constitute a band gap reference circuit.
ノードS02から温度補償したバンドギャップリファレンス電圧VBGRが出力される。バンドギャップリファレンス電圧VBGRは、以下の式(4)で表すことができる。
なお、r01及びr02は抵抗R01及びR02の抵抗値とする(以下の説明においても、抵抗と抵抗値は同様の表記とする)。VBE3はダイオードD03のベース・エミッタ間電圧とする。さらに、熱電圧VTを、ボルツマン定数(k)、絶対温度(T)、電子のクーロン定数(q)を用いて表すと、式(4)は下記の式(5)と等価になる。
A band gap reference voltage V BGR compensated for temperature is output from the node S02. The band gap reference voltage V BGR can be expressed by the following formula (4).
Note that r01 and r02 are resistance values of the resistors R01 and R02 (in the following description, the resistance and the resistance value are represented in the same manner). V BE3 is the base-emitter voltage of the diode D03. Furthermore, when the thermal voltage V T is expressed using the Boltzmann constant (k), the absolute temperature (T), and the electron Coulomb constant (q), the expression (4) is equivalent to the following expression (5).
式(5)において、温度Tを変数として微分すると、以下の式(6)を得ることができる。
さらに、ダイオードD03のベース・エミッタ間電圧VBE3の温度特性は、式(7)で表すことができる。
そのため、式(6)において、抵抗値r01及びr02と、ダイオードD02に含まれるダイオードの並列数Nを適切に選択すれば、バンドギャップリファレンス電圧VBGRの温度特性を無効化することができる。
In the equation (5), when the temperature T is differentiated as a variable, the following equation (6) can be obtained.
Further, the temperature characteristic of the base-emitter voltage V BE3 of the diode D03 can be expressed by Expression (7).
Therefore, in Equation (6), if the resistance values r01 and r02 and the parallel number N of the diodes included in the diode D02 are appropriately selected, the temperature characteristics of the band gap reference voltage V BGR can be invalidated.
次に、ノードS01の電圧を考える。ノードS01の電圧は、以下の式(8)で表すことができる。
ノードS01とノードS04は、それぞれオペアンプA03の入力ノードに接続されている。従って、オペアンプA03は、ノードS01の電圧とノードS04の電圧(基準電圧Vref_det)が等しくなるように、Pチャンネル型MOSトランジスタP07のゲートに印加する電圧を制御する。即ち、基準電圧Vref_detも式(8)で表すことができる。式(8)において、温度Tを変数として微分すると、以下の式(9)を得ることができる。
Next, consider the voltage at node S01. The voltage of the node S01 can be expressed by the following equation (8).
Node S01 and node S04 are each connected to the input node of operational amplifier A03. Accordingly, the operational amplifier A03 controls the voltage applied to the gate of the P-channel MOS transistor P07 so that the voltage at the node S01 and the voltage at the node S04 (reference voltage Vref_det) are equal. That is, the reference voltage Vref_det can also be expressed by Expression (8). In the equation (8), when the temperature T is differentiated as a variable, the following equation (9) can be obtained.
上述のように、ダイオードD03のベース・エミッタ間電圧VBE3の温度特性は、式(7)で表すことができるので、抵抗値r01〜r03、ダイオードD02に含まれるダイオードの並列数Nを適切に選択することで、基準電圧Vref_detの温度特性を所望の値に定めることができる。例えば、r02/r01=11.2、N=8を選択すると、バンドギャップリファレンス電圧VBGRの温度特性を無効化することができる。さらに、r03/r01=2.2とすることで、基準電圧Vref_detの温度特性を+0.4mV/℃とすることができる。 As described above, the temperature characteristic of the base-emitter voltage V BE3 of the diode D03, so can be represented by the formula (7), the resistance value R01~r03, the parallel number N of diodes included in the diode D02 properly By selecting, the temperature characteristic of the reference voltage Vref_det can be set to a desired value. For example, if r02 / r01 = 11.2 and N = 8 are selected, the temperature characteristics of the bandgap reference voltage V BGR can be invalidated. Furthermore, by setting r03 / r01 = 2.2, the temperature characteristic of the reference voltage Vref_det can be set to +0.4 mV / ° C.
次に、基準電流I_det1及びI_det2の生成について説明する。 Next, generation of the reference currents I_det1 and I_det2 will be described.
上述のように、バンドギャップリファレンス電圧VBGRは、温度特性を持たない。従って、オペアンプA02を介してノードS02と接続されているノードS03の電圧は、バンドギャップリファレンス電圧VBGRとほぼ等しくなる。また、基準抵抗Rrefの抵抗値の温度依存性は、ダイオード等の半導体素子と比較すれば極めて小さい。従って、Pチャンネル型MOSトランジスタP04が供給する電流(以下、基準電流Irefと呼ぶ)は、温度特性を持たない電流と言える。 As described above, the band gap reference voltage V BGR does not have temperature characteristics. Therefore, the voltage of the node S03 connected to the node S02 via the operational amplifier A02 is substantially equal to the band gap reference voltage V BGR . Further, the temperature dependence of the resistance value of the reference resistor Rref is extremely small as compared with a semiconductor element such as a diode. Therefore, it can be said that the current (hereinafter referred to as the reference current Iref) supplied by the P-channel MOS transistor P04 is a current having no temperature characteristic.
さらに、Pチャンネル型MOSトランジスタP04〜P06を、それぞれ同じサイズのトランジスタにすれば、各トランジスタのゲートは共通接続されているため、Pチャンネル型MOSトランジスタP05及びP06が供給する電流と基準電流Irefはほぼ等しくなる。Pチャンネル型MOSトランジスタP05及びP06が供給する電流が、それぞれ、基準電流I_det1及びI_det2である。基準電流Irefが温度特性を持たないため、基準電流I_det1及びI_det2も同様に、温度特性を持たない。 Further, if the P channel type MOS transistors P04 to P06 are made to have the same size, the gates of the transistors are connected in common, so that the current supplied by the P channel type MOS transistors P05 and P06 and the reference current Iref are Almost equal. The currents supplied by the P-channel MOS transistors P05 and P06 are reference currents I_det1 and I_det2, respectively. Since the reference current Iref does not have temperature characteristics, the reference currents I_det1 and I_det2 similarly do not have temperature characteristics.
以上のように、レギュレータ回路10は、所望の(設計者が任意に設定可能な)温度特性を持った基準電圧Vref_detと、温度特性を持たない基準電流I_det1及びI_det2を出力することができる。
As described above, the
続いて、検出回路20について説明する。
Next, the
図3は、検出回路20の回路構成の一例を示す図である。検出回路20は、2つの検波回路21及び22から構成されている。入力端子Inから入力された信号は、検波回路21及び22に入力される。レギュレータ回路10が生成する基準電圧Vref_detは、検波回路21及び22に供給される。さらに、レギュレータ回路10が生成する基準電流I_det1は検波回路21に供給され、基準電流I_det2は検波回路22に供給される。2つの検波回路21及び22が出力する電圧を合成した電圧は、電力検出電圧V_detとして、出力端子Outから出力される。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the
検波回路21は、npn型バイポーラトランジスタTR01及びTR02と、抵抗R05〜R08と、容量C01及びC02から構成されている。
The
npn型バイポーラトランジスタTR01のエミッタは、接地電圧GNDに接続され、ベースは抵抗R06を介してnpn型バイポーラトランジスタTR02のベースに接続されている。また、npn型バイポーラトランジスタTR01のコレクタとベースが共通接続されている。npn型バイポーラトランジスタTR01のコレクタは、容量C01及び抵抗R05を介して入力端子Inと接続されると共に、レギュレータ回路10のPチャンネル型MOSトランジスタP05のドレインと接続されている(基準電流I_det1の供給を受ける)。npn型バイポーラトランジスタTR02のエミッタは、接地電圧GNDに接続され、ベースは抵抗R06を介してnpn型バイポーラトランジスタTR01のベースに接続されている。npn型バイポーラトランジスタTR02のコレクタは、レギュレータ回路10のノードS04に接続(基準電圧Vref_detの供給を受ける)されると共に、抵抗R08を介して出力端子Outに接続される。ここで、npn型バイポーラトランジスタTR02のコレクタに流れ込む電流をIc1とし、npn型バイポーラトランジスタTR02のコレクタの電圧を検出電圧V_det1とする。なお、容量C02は、npn型バイポーラトランジスタTR02のコレクタと接地電圧GNDの間に接続される。 The emitter of npn-type bipolar transistor TR01 is connected to ground voltage GND, and the base is connected to the base of npn-type bipolar transistor TR02 via resistor R06. The collector and base of the npn bipolar transistor TR01 are connected in common. The collector of the npn bipolar transistor TR01 is connected to the input terminal In via the capacitor C01 and the resistor R05, and is also connected to the drain of the P-channel MOS transistor P05 of the regulator circuit 10 (supply of the reference current I_det1). receive). The emitter of npn-type bipolar transistor TR02 is connected to ground voltage GND, and the base is connected to the base of npn-type bipolar transistor TR01 via resistor R06. The collector of the npn bipolar transistor TR02 is connected to the node S04 of the regulator circuit 10 (receives supply of the reference voltage Vref_det) and is connected to the output terminal Out via the resistor R08. Here, the current flowing into the collector of the npn bipolar transistor TR02 is Ic1, and the voltage of the collector of the npn bipolar transistor TR02 is the detection voltage V_det1. Capacitor C02 is connected between the collector of npn bipolar transistor TR02 and ground voltage GND.
検波回路22は、npn型バイポーラトランジスタTR03及びTR04と、抵抗R09〜R12と、容量C03及びC04から構成されている。検波回路22の構成は、検波回路21の構成と相違する点はないので、さらなる説明は省略する。検波回路21と同様に、npn型バイポーラトランジスタTR04のコレクタに流れ込む電流をIc2とし、npn型バイポーラトランジスタTR04のコレクタの電圧を検出電圧V_det2とする。
The detection circuit 22 includes npn-type bipolar transistors TR03 and TR04, resistors R09 to R12, and capacitors C03 and C04. Since the configuration of the detection circuit 22 is not different from the configuration of the
次に、検波回路21及び22の動作の概略について説明する。
Next, an outline of the operation of the
入力端子Inから入力された信号の振幅は、抵抗R05及びR09により減衰する。npn型バイポーラトランジスタTR01及びTR03のコレクタ及びベースは、減衰した入力信号を受け付ける。 The amplitude of the signal input from the input terminal In is attenuated by the resistors R05 and R09. The collectors and bases of the npn bipolar transistors TR01 and TR03 receive the attenuated input signal.
npn型バイポーラトランジスタTR01及びTR02(TR03及びTR04)のベース同士が接続されているため、npn型バイポーラトランジスタTR02及びTR04のベース電圧は、入力信号の振幅に応じて上下する。npn型バイポーラトランジスタTR02及びTR04のベース電圧が定まると、電流Ic1及びIc2が定まる。ここで、抵抗R07及びR11は基準電圧Vref_detの供給を受けるので、検出電圧V_det1及びV_det2は、それぞれ以下の式(10)及び(11)から求まる。
V_det1=Vref_det−r07×Ic1 ・・・(10)
V_det2=Vref_det−r11×Ic2 ・・・(11)
Since the bases of the npn-type bipolar transistors TR01 and TR02 (TR03 and TR04) are connected to each other, the base voltage of the npn-type bipolar transistors TR02 and TR04 varies depending on the amplitude of the input signal. When the base voltages of the npn bipolar transistors TR02 and TR04 are determined, the currents Ic1 and Ic2 are determined. Here, since the resistors R07 and R11 are supplied with the reference voltage Vref_det, the detection voltages V_det1 and V_det2 are obtained from the following equations (10) and (11), respectively.
V_det1 = Vref_det−r07 × Ic1 (10)
V_det2 = Vref_det−r11 × Ic2 (11)
検出電圧V_det1及びV_det2を抵抗R08及びR12の抵抗値の割合で平均した電圧が、電力検出電圧V_detとなる。従って、抵抗R08及びR12の抵抗値が等しければ、検出電圧V_det1及びV_det2の平均電圧が電力検出電圧V_detである。 A voltage obtained by averaging the detection voltages V_det1 and V_det2 by the ratio of the resistance values of the resistors R08 and R12 is the power detection voltage V_det. Therefore, if the resistance values of the resistors R08 and R12 are equal, the average voltage of the detection voltages V_det1 and V_det2 is the power detection voltage V_det.
次に、検波回路21の詳細な動作について説明する。なお、検波回路22の動作は、検波回路21の動作と同様のため、その説明を省略する。
Next, the detailed operation of the
npn型バイポーラトランジスタTR01のコレクタに流れる電流をIc(t)とする。入力端子Inから受け付ける入力信号の周期をCとすると、npn型バイポーラトランジスタTR01のベース電圧も周期Cで変動する。ベース電圧の変動に応じて、電流Ic(t)も周期Cで変動をする。一方、npn型バイポーラトランジスタTR01のコレクタは、基準電流I_det1の供給を受けている。従って、基準電流I_det1と電流Icとの間には、以下の式(12)の関係が成り立つ。
さらに、電流Ic(t)とnpn型バイポーラトランジスタTR01のベース電圧VB(t)との間には、以下の式(13)の関係が成り立つ。
式(13)を式(12)に代入し、以下の式(14)を得る。
Let Ic (t) be the current flowing through the collector of the npn bipolar transistor TR01. When the period of the input signal received from the input terminal In is C, the base voltage of the npn bipolar transistor TR01 also varies with the period C. The current Ic (t) also changes in the cycle C according to the change in the base voltage. On the other hand, the collector of the npn bipolar transistor TR01 is supplied with the reference current I_det1. Accordingly, the relationship of the following formula (12) is established between the reference current I_det1 and the current Ic.
Further, the relationship of the following formula (13) is established between the current Ic (t) and the base voltage VB (t) of the npn bipolar transistor TR01.
By substituting equation (13) into equation (12), the following equation (14) is obtained.
ここで、ベース電圧VB(t)の1周期平均電圧は、ベース電圧VB(t)の最小値と最大値の平均と見做すことができる。ベース電圧VB(t)の最小値は式(15)、最大値は式(16)で表すことができる。
なお、VB_aveはベース電圧VB(t)の平均ベース電圧、Vp1は抵抗R05において減衰された入力信号の振幅とする。式(15)及び(16)を用いると、式(14)は、以下の式(17)と近似できる。
・・・(17)
式(17)をさらに変形して、式(18)を得ることができる。
・・・(18)
Here, the one-cycle average voltage of the base voltage VB (t) can be regarded as the average of the minimum value and the maximum value of the base voltage VB (t). The minimum value of the base voltage VB (t) can be expressed by Expression (15), and the maximum value can be expressed by Expression (16).
VB_ave is the average base voltage of the base voltage VB (t), and Vp1 is the amplitude of the input signal attenuated by the resistor R05. Using the equations (15) and (16), the equation (14) can be approximated with the following equation (17).
... (17)
Equation (17) can be further modified to obtain Equation (18).
... (18)
式(18)において、熱電圧VT(常温で約26mV)は入力信号の振幅Vp1と比較すると極めて小さい(Vp1は1V以上の場合が多い)。従って、exp(−Vp1/VT)はほぼ無視できるほど小さい。従って、式(18)は、以下の式(19)に近似することができる。
式(19)を平均ベース電圧VB_aveで解くと、以下の式(20)を得る。
式(20)から、npn型バイポーラトランジスタTR02のベース電圧が定まり、検出電圧V_det1は、以下の式(21)で求まる。
・・・(21)
式(21)を温度Tについて微分すると、式(22)が得られる。
In Expression (18), the thermal voltage V T (about 26 mV at room temperature) is extremely small compared to the amplitude Vp1 of the input signal (Vp1 is often 1 V or more in many cases). Therefore, exp (−Vp1 / V T ) is small enough to be ignored. Therefore, the equation (18) can be approximated to the following equation (19).
Solving equation (19) with average base voltage VB_ave yields equation (20) below.
From the equation (20), the base voltage of the npn bipolar transistor TR02 is determined, and the detection voltage V_det1 is obtained by the following equation (21).
... (21)
Differentiating equation (21) with respect to temperature T yields equation (22).
・・・(22)
さらに、以下の式(23)を満たせば(式(22)の右辺が0になれば)、検出電圧V_det1の温度特性を無効化できる。
・・・(23)
式(23)において、入力信号の振幅Vp1と温度Tがパラメータであり、クーロン定数q、ボルツマン係数kは固定値である。また、基準電圧Vref_detの温度特性及び基準電流I_det1はレギュレータ回路10の設計により定まり、抵抗値r07は検波回路21の設定により定まる。これらの設計可能なパラメータを適切に定め、半導体装置の使用が想定される入力信号の振幅Vp1と温度Tの範囲で、検出電圧V_det1の温度特性を無効化する。
(22)
Furthermore, if the following expression (23) is satisfied (if the right side of expression (22) becomes 0), the temperature characteristic of the detection voltage V_det1 can be invalidated.
(23)
In Expression (23), the amplitude Vp1 and temperature T of the input signal are parameters, and the Coulomb constant q and the Boltzmann coefficient k are fixed values. Further, the temperature characteristic of the reference voltage Vref_det and the reference current I_det1 are determined by the design of the
図4は、検波回路21における検出電圧の一例を示す図である。図4において、検出回路20に供給する基準電圧Vref_detの温度特性は、無効化されているものとする。基準電圧Vref_detの温度特性が無効化されているため、式(23)は成立しない。従って、式(22)において、検出電圧V_det1の温度特性は無効化されない。その結果、検出電圧V_det1(図4の縦軸)は入力信号の振幅が同じであっても、温度に依存して変化する。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the detection voltage in the
図5は、検波回路21における検出電圧の一例を示す図である。図5において、検出回路20に供給する基準電圧Vref_detは所定の温度特性を持つものとする。より具体的には、基準電圧Vref_detの温度特性は式(23)が成立するように定められている。その結果、式(22)から検出電圧V_det1の温度特性は無効化される。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a detection voltage in the
図4と図5を比較すると、入力信号の振幅が変動すると想定される範囲(図4及び図5に示す検出範囲)においては、図5の検出電圧V_det1の温度特性は無効化されていることが分かる。なお、検出電圧V_det2についても同様に、入力信号の振幅が変動すると想定される範囲では、温度特性を無効化できる。 Comparing FIG. 4 and FIG. 5, in the range where the amplitude of the input signal is assumed to fluctuate (the detection range shown in FIGS. 4 and 5), the temperature characteristic of the detection voltage V_det1 in FIG. 5 is invalidated. I understand. Similarly, for the detection voltage V_det2, the temperature characteristic can be invalidated in a range where the amplitude of the input signal is assumed to fluctuate.
以上のように、レギュレータ回路10から所定の温度特性を持つ基準電圧Vref_det、温度特性を持たない基準電流I_det1及びI_det2を供給することにより、検波回路21及び22に含まれるnpn型バイポーラトランジスタ等の温度特性を無効化できる。
As described above, by supplying the reference voltage Vref_det having predetermined temperature characteristics and the reference currents I_det1 and I_det2 having no temperature characteristics from the
次に、出力電力検出回路1のダイナミックレンジについて説明する。 Next, the dynamic range of the output power detection circuit 1 will be described.
出力電力検出回路1のダイナミックレンジを拡大するために、検波回路21及び22に含まれる抵抗R05及びR09の抵抗値を互いに異なる値に設計する。より具体的には、抵抗値r09を抵抗値r05よりも大きくする(r09>r05)。抵抗値r09の方が抵抗値r05よりも大きいため、検波回路22が受け付ける入力信号の振幅の減衰量は検波回路21が受け付ける入力信号の振幅の減衰量よりも大きい。従って、検波回路22は、検波回路21よりも振幅が大きな入力信号に対して検波動作を行う。
In order to expand the dynamic range of the output power detection circuit 1, the resistance values of the resistors R05 and R09 included in the
図6は、検波回路21及び22の出力波形の一例を示す図である。図6に示すように、検波回路21は小振幅の入力信号を、検波回路22は大振幅の入力信号を、それぞれ検波していることが分かる。検波回路21の検出電圧(V_det1)と検波回路22の検出電圧(V_det2)を抵抗R08及びR12で平均化した電圧が、電力検出電圧V_detである。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of output waveforms of the
図7は、電力検出電圧V_detの一例を示す図である。抵抗05及びR09を調整することで、検波回路21及び22において異なる入力レンジに対応しつつ、温度特性を無効化した検波電圧が出力できる。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the power detection voltage V_det. By adjusting the resistors 05 and R09, it is possible to output a detection voltage in which the temperature characteristics are invalidated while corresponding to different input ranges in the
次に、出力電力検出回路1の設計手法について説明する。 Next, a design method of the output power detection circuit 1 will be described.
図8は、出力電力検出回路1の設計方法の一例を示すフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of a design method for the output power detection circuit 1.
ステップS01において、レギュレータ回路10のバンドギャップリファレンス回路を設計する。具体的には、式(6)で示されるバンドギャップリファレンス電圧VBGRの温度特性を無効化する抵抗R01及びR02の抵抗値を決定する。
In step S01, a band gap reference circuit of the
ステップS02において、検出回路20を設計する。具体的には、出力電力検出回路1に求められるダイナミックレンジに応じて、抵抗R05及びR09の抵抗値を決定する。さらに、検出電圧V_det1と検出電圧V_det2の重み付けに応じて、抵抗R08及びR12の抵抗値を決定する。検出電圧V_det1と検出電圧V_det2を単純平均する場合には、抵抗R08及びR12の抵抗値を等しくする。
In step S02, the
ステップS03において、検出回路20の温度特性を無効化する抵抗値等の設計を行う。具体的には、出力電力検出回路1に求められる検出範囲で、式(23)が成り立つように、基準電圧Vref_detの温度特性及び基準電流I_det1の電流値、抵抗R07及びR11の抵抗値を定める。以上が、出力電力検出回路1の設計方法である。
In step S03, a resistance value or the like that invalidates the temperature characteristic of the
以上のように、レギュレータ回路10から所定の温度特性を持つ基準電圧Vref_detと、温度特性を持たない基準電流I_det1及びI_det2を供給する。検出回路20は、レギュレータ回路10が供給する基準電圧Vref_det、基準電流I_det1及びI_det2を電源として動作することで、検出電圧の温度特性を無効化することができる。さらに、検出回路20に含まれる2つの検波回路21及び22の入力レンジを変更し、検波回路21及び22が出力した電圧を平均化することで、ダイナミックレンジが広範囲、かつ、温度変動が抑制された検出電圧を出力する出力電力検出回路1を得ることができる。
As described above, the reference voltage Vref_det having a predetermined temperature characteristic and the reference currents I_det1 and I_det2 having no temperature characteristic are supplied from the
また、出力電力検出回路1は1つの測定端子(出力端子Out)で、低電力領域と高電力領域の測定が可能である。従って、特許文献3で開示された出力電力検出回路のように、低電力用と高電力用の測定端子を切り替えるスイッチ等は不要になる。その結果、出力電力検出回路1を組み込み、検出電圧を用いて電力制御を行うモジュールの入出力インターフェースを簡素化できる。 Further, the output power detection circuit 1 can measure a low power region and a high power region with one measurement terminal (output terminal Out). Therefore, unlike the output power detection circuit disclosed in Patent Document 3, a switch or the like for switching between a low power measurement terminal and a high power measurement terminal becomes unnecessary. As a result, it is possible to simplify the input / output interface of the module that incorporates the output power detection circuit 1 and performs power control using the detected voltage.
[第2の実施形態]
続いて、第2の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
図9は、本実施形態に係る送信機2の内部構成の一例を示す図である。図9において図1と同一構成要素には、同一の符号を表し、その説明を省略する。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an internal configuration of the
本実施形態に係る送信機2は、第1の実施形態に係る出力電力検出回路1を含んで構成される。送信機2は、出力電力検出回路1と、制御ブロック30と、可変利得アンプ40と、パワーアンプ50から構成されている。
The
送信機2は、入力端子で送信信号を受け付け、電圧増幅した信号を出力端子から出力する。入力信号は、可変利得アンプ40で振幅が増減され、パワーアンプ50に送られる。パワーアンプ50の出力ノードは、出力電力検出回路1の入力端子Inに接続される。出力電力検出回路1の出力端子Outは制御ブロック30に接続される。制御ブロック30は、出力電力検出回路1が出力する電力検出電圧V_detに基づいて、可変利得アンプ40のゲインを制御する。即ち、パワーアンプ50の出力を出力電力検出回路1にフィードバックし、制御ブロック30は、出力波形の電力が規制値を超えないように、可変利得アンプ40のゲインを制御する。
The
その際、出力電力検出回路1の出力する電力検出電圧V_detの温度特性は無効化されているため、可変利得アンプ40又はパワーアンプ50のゲインが温度によって変動したとしても、出力波形の電力を一定に保つことができる。なお、出力電力検出回路1を用いて、送受信機を構成することも可能である。 At this time, since the temperature characteristic of the power detection voltage V_det output from the output power detection circuit 1 is invalidated, the power of the output waveform is kept constant even if the gain of the variable gain amplifier 40 or the power amplifier 50 varies depending on the temperature. Can be kept in. The output power detection circuit 1 can be used to configure a transceiver.
なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 Each disclosure of the cited patent documents and the like cited above is incorporated herein by reference. Within the scope of the entire disclosure (including claims) of the present invention, the embodiment can be changed and adjusted based on the basic technical concept. Various disclosed elements (including each element of each claim, each element of each embodiment, each element of each drawing, etc.) can be combined or selected within the scope of the claims of the present invention. . That is, the present invention of course includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the technical idea.
1 出力電力検出回路
2 送信機
10 レギュレータ回路
20 検出回路
21、22 検波回路
30 制御ブロック
40 可変利得アンプ
50 パワーアンプ
A01〜A03 オペアンプ
C01〜C04 容量
D01〜D03 ダイオード
P01〜P07 Pチャンネル型MOSトランジスタ
R01〜R12 抵抗
Rref 基準抵抗
TR01〜TR04 npn型バイポーラトランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Output
Claims (8)
入力信号を受け付け、前記入力信号の電圧を第1の電圧に変換し、前記基準電圧と前記第1の基準電流に応じて、前記第1の電圧の温度特性を無効とし、第1の検波電圧として出力する第1の検波回路と、
前記入力信号を受け付け、前記入力信号の電圧を第2の電圧に変換し、前記基準電圧と前記第2の基準電流に応じて、前記第2の電圧の温度特性を無効とし、第2の検波電圧として出力する第2の検波回路と、を含み、
前記第1及び第2の検波電圧を合成した電力検出電圧を出力する検出回路と、
を備えることを特徴とした半導体装置。 A regulator circuit for outputting a reference voltage having a predetermined temperature characteristic and first and second reference currents having no temperature characteristic;
An input signal is received, the voltage of the input signal is converted into a first voltage, the temperature characteristic of the first voltage is invalidated according to the reference voltage and the first reference current, and the first detection voltage A first detector circuit that outputs as
Receiving the input signal, converting the voltage of the input signal into a second voltage, invalidating a temperature characteristic of the second voltage according to the reference voltage and the second reference current, and performing a second detection; A second detection circuit that outputs as a voltage,
A detection circuit for outputting a power detection voltage obtained by combining the first and second detection voltages;
A semiconductor device comprising:
前記第1の基準電流を供給する第2の電流源と、
前記第2の基準電流を供給する第3の電流源と、
を備えており、
前記レギュレータ回路は、前記バンドギャップリファレンス回路の出力ノードと前記第1の電流源との間に配置した第1の抵抗を含み、前記第1の電流源と前記第1の抵抗との接続ノードから前記基準電圧を出力し、前記バンドギャップリファレンス回路が出力する電圧と、温度特性を持たない基準抵抗に基づいて前記第2及び第3の電流源から供給する電流値が定まる請求項1の半導体装置。 The regulator circuit includes a band gap reference circuit including a first current source;
A second current source for supplying the first reference current;
A third current source for supplying the second reference current;
With
The regulator circuit includes a first resistor disposed between an output node of the bandgap reference circuit and the first current source, and includes a connection node between the first current source and the first resistor. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the reference voltage is output, and a current value supplied from the second and third current sources is determined based on a voltage output from the bandgap reference circuit and a reference resistor having no temperature characteristic. .
前記入力信号を、第2の抵抗を介して、コレクタで受け付けるエミッタ接地の第1のトランジスタと、ベースが、前記第1のトランジスタのベースと共通接続されるエミッタ接地の第2のトランジスタと、を含み、
前記第2の検波回路は、
前記入力信号を、第3の抵抗を介して、コレクタで受け付けるエミッタ接地の第3のトランジスタと、ベースが、前記第3のトランジスタのベースと共通接続されるエミッタ接地の第4のトランジスタと、を含み、
前記基準電圧の出力ノードと前記第2のトランジスタは第4の抵抗を介して接続され、前記基準電圧の出力ノードと前記第4のトランジスタは第5の抵抗を介して接続され、前記第2の電流源と前記第1のトランジスタのコレクタが接続され、前記第3の電流源と前記第3のトランジスタのコレクタが接続されている請求項2の半導体装置。 The first detection circuit includes:
A grounded first transistor that receives the input signal at a collector via a second resistor, and a grounded second transistor that has a base commonly connected to the base of the first transistor; Including
The second detection circuit includes:
A third transistor with grounded emitter that receives the input signal at a collector via a third resistor, and a fourth transistor with grounded emitter, the base of which is commonly connected to the base of the third transistor. Including
The reference voltage output node and the second transistor are connected via a fourth resistor, the reference voltage output node and the fourth transistor are connected via a fifth resistor, and the second resistor The semiconductor device according to claim 2, wherein a current source and a collector of the first transistor are connected, and a third current source and the collector of the third transistor are connected.
前記第2の電圧の温度特性は、前記基準電圧の前記所定の温度特性と、前記第2の基準電流の電流値と、前記第5の抵抗の抵抗値と、に基づいて決定される請求項3又は4の半導体装置。 The predetermined temperature characteristic is determined by a resistance value of the first resistor, and the temperature characteristic of the first voltage includes the predetermined temperature characteristic of the reference voltage, a current value of the first reference current, And a resistance value of the fourth resistor,
The temperature characteristic of the second voltage is determined based on the predetermined temperature characteristic of the reference voltage, a current value of the second reference current, and a resistance value of the fifth resistor. 3 or 4 semiconductor devices.
前記電力検出電圧を受け付ける制御ブロックと、
前記制御ブロックと接続され、送信信号を受け付ける可変利得アンプと、
前記可変利得アンプの出力する電圧を増幅するパワーアンプと、
を備え、
前記パワーアンプの出力を前記第1及び第2の検波回路に対する入力信号とすると共に、前記制御ブロックは、前記電力検出電圧に基づいて、前記可変利得アンプの利得を変更することを特徴とする送信機。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 5;
A control block for receiving the power detection voltage;
A variable gain amplifier connected to the control block and receiving a transmission signal;
A power amplifier that amplifies the voltage output from the variable gain amplifier;
With
The output of the power amplifier is used as an input signal to the first and second detection circuits, and the control block changes the gain of the variable gain amplifier based on the power detection voltage. Machine.
前記電力検出電圧を受け付ける制御ブロックと、
前記制御ブロックと接続され、送信信号を受け付ける可変利得アンプと、
前記可変利得アンプの出力する電圧を増幅するパワーアンプと、
を備え、
前記パワーアンプの出力を前記第1及び第2の検波回路に対する入力信号とすると共に、前記制御ブロックは、前記電力検出電圧に基づいて、前記可変利得アンプの利得を変更することを特徴とする送受信機。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 5;
A control block for receiving the power detection voltage;
A variable gain amplifier connected to the control block and receiving a transmission signal;
A power amplifier that amplifies the voltage output from the variable gain amplifier;
With
The output of the power amplifier is used as an input signal to the first and second detection circuits, and the control block changes the gain of the variable gain amplifier based on the power detection voltage. Machine.
入力信号を受け付け、前記入力信号の電圧を第1の電圧に変換し、前記基準電圧と前記第1の基準電流に応じて、前記第1の電圧の温度特性を無効とし、第1の検波電圧として出力する第1の検波回路と、
前記入力信号を受け付け、前記入力信号の電圧を第2の電圧に変換し、前記基準電圧と前記第2の基準電流に応じて、前記第2の電圧の温度特性を無効とし、第2の検波電圧として出力する第2の検波回路と、を含み、
前記第1及び第2の検波電圧を合成した電力検出電圧を出力する検出回路と、
を備える半導体装置の設計方法であって、
前記バンドギャップリファレンス回路を設計する工程と、
前記第1及び第2の電圧の振幅を、前記検出回路のダイナミックレンジに基づいて決定する工程と、
前記第1及び第2の電圧の温度特性を無効化する、前記基準電圧が持つ前記所定の温度特性と前記第1及び第2の基準電流の電流値と、を決定する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の設計方法。 A regulator circuit including a bandgap reference circuit and outputting a reference voltage having a predetermined temperature characteristic and first and second reference currents having no temperature characteristic;
An input signal is received, the voltage of the input signal is converted into a first voltage, the temperature characteristic of the first voltage is invalidated according to the reference voltage and the first reference current, and the first detection voltage A first detector circuit that outputs as
Receiving the input signal, converting the voltage of the input signal into a second voltage, invalidating a temperature characteristic of the second voltage according to the reference voltage and the second reference current, and performing a second detection; A second detection circuit that outputs as a voltage,
A detection circuit for outputting a power detection voltage obtained by combining the first and second detection voltages;
A method for designing a semiconductor device comprising:
Designing the bandgap reference circuit;
Determining amplitudes of the first and second voltages based on a dynamic range of the detection circuit;
Determining the predetermined temperature characteristics of the reference voltage and the current values of the first and second reference currents, which invalidate the temperature characteristics of the first and second voltages;
A method for designing a semiconductor device, comprising:
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