JP2016009943A - ダイオードスイッチ回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】高電圧の高周波信号を安定的に切替えることが可能なダイオードスイッチ回路を比較的安価に提供する。【解決手段】端子部F1IN側のダイオードD1CがON状態の時、端子部F1IN側に供給される高周波信号が整流回路RC1を介して整流されて、他のダイオードD1Dの逆バイアス電圧として印加されるため、他のダイオードD1Dは確実にOFFされる。また、他の端子部F2IN側のダイオードD1DがON状態の時、他の端子部F2IN側に供給される高周波信号が整流回路RC2を介して整流され、その出力がダイオードD1Cの逆バイアス電圧として印加されるため、ダイオードD1Cは確実にOFFされる。これによって、一のダイオードD1Cと他のダイオードD1Dは同期した安定動作が可能になる。【選択図】図1

Description

本発明は、信号を切替えて出力するダイオードスイッチ回路、特に高電圧で高周波の信号切替に適したダイオードスイッチ回路に関する。
一般に、この種のダイオードスイッチ回路は、生体刺激装置等の医療機器の他に各種分野にも使用されている。これは図4に示すように、高周波信号の通過経路を、高周波信号の入力端子となる端子部F1INと高周波信号の出力端子となる共通端子部FOUTとの間と、他の高周波信号の入力端子となる他の端子部F2INと前記共通端子FOUTとの間の何れかに切替えるために、スイッチ素子としてのダイオードD1A,D1Bを備えている。
各ダイオードD1A,D1Bのアノード側と各端子部F1IN,F2IN間にはコンデンサC1A,C1Bがそれぞれ挿入接続され、各ダイオードD1A,D1Bのカソード側と共通端子部FOUT間にはコンデンサC2A,C2Bが挿入接続されている。
前記ダイオードD1Aのアノード側には、正の動作電圧VCC1とアースとの間に抵抗R1Aと抵抗R2Aとの直列回路が設けられ、前記抵抗R1A,R2Aの接続点が前記ダイオードD1Aのアノードに接続されている。同様に前記ダイオードD1Bのアノード側には、動作電圧VCC1とアースとの間に抵抗R1Bと抵抗R2Bとの直列回路が設けられ、前記抵抗R1B,R2Bの接続点が前記ダイオードD1Bのアノードに接続されている。
前記ダイオードD1Aのカソード側には、動作電圧VCC1とアースとの間に抵抗R3AとコイルL1AとトランジスタQ1Aとの直列回路が設けられ、前記抵抗R3Aと前記コイルL1Aの接続点が、前記ダイオードD1Aのカソードに接続されている。前記トランジスタQ1AのコレクタにはコイルL1Aが、またエミッタにはアースがそれぞれ接続されている。同様に前記ダイオードD1Bのカソード側には、動作電圧VCC1とアースとの間に抵抗R3BとコイルL1BとトランジスタQ1Bとの直列回路が設けられ、前記抵抗R3Bと前記コイルL1Bの接続点が、前記ダイオードD1Bのカソードに接続されている。前記トランジスタQ1BのコレクタにはコイルL1Bが、またエミッタにはアースがそれぞれ接続されている。
さらに、各ダイオードD1A,D1BのON(オン)/OFF(オフ)を制御するために、前記トランジスタQ1AのベースにはNOT回路N1の出力側が接続され、前記NOT回路N1の入力側は前記トランジスタQ1Bのベースに接続されているとともに、制御信号の入力端子となる端子DSWに接続されている。
以上の回路構成において、前記コンデンサC1A,C2A,C1B,C2Bは高周波線路の直流成分カット用素子であり、前記端子F1IN,F2INと共通端子FOUTとを高周波的に接続するためのものである。抵抗R1A,R2A,R1B,R2Bはダイオード順バイアス用素子、抵抗R3A,R3Bはダイオード逆バイアス用素子となる。コイルL1A,L1Bは、高周波成分漏れ防止用素子である。
図5は、図4に示すダイオードスイッチ回路の波形図であり、同図(A)は端子F1INに供給される高周波信号、(B)は他の端子F2INに供給される高周波信号、(C)は端子DSWに供給される制御信号をそれぞれ示している。そして、制御信号がL(ロー)の時、NOT回路N1の出力はH(ハイ)となり、トランジスタQ1AはON状態となるため、前記ダイオードD1Aのアノード側に抵抗R1A,R2Aで分圧された電圧が順バイアスとして印加される。このためダイオードD1AはONし、ダイオードD1Aのアノード電圧を表す図5(D)や、ダイオードD1Aのカソード電圧を表す図5(E)に示す様に、図5(A)に示す高周波信号が流れ共通端子FOUTに出力される。
一方、このときのトランジスタQ1BはOFF状態であるため、ダイオードD1Bのアノードには図5(F)に示す抵抗R1B,R2Bで分圧された電圧が順バイアスとして印加されるとともに、カソードには抵抗R3Aを介して同図(G)に示す逆バイアス電圧が印加され、ダイオードD1BはOFFする。このため同図(B)に示す他の高周波信号は、共通端子FOUTに出力されない。このようにして制御信号がLの時は、端子F1Nと共通端子FOUTが高周波的に接続される。
制御信号がHの時は、逆にダイオードQ1BがON、ダイオードQ1AがOFFになり、端子F2INと共通端子FOUTが高周波的に接続される。
上述したダイオードスイッチ回路では、例えば制御信号がLの期間中に、OFF側のダイオードD1Bのカソード側には抵抗R3Bを通して、ほぼ動作電圧VCC1に等しい逆バイアス電圧が印加され、アノード側には抵抗R1B,R2Bを介して順バイアス電圧が印加されるので、端子F2INからの高周波の電圧がその電圧差以内であればダイオードD1BのOFF状態が維持される。
したがって、端子F1IN,F2INに供給する高周波信号の電圧が高くなればなるほど高い正の動作電圧VCC1が逆バイアスとして必要となり、またこの動作電圧VCC1はダイオードD1A,D1BのON時に流す電源も兼ねるので、電力的にも大きくなるという問題があった。また、ダイオードOFF時のアイソレーションを十分にとることができないという問題があった。
特開2001−326502号公報
こうした問題に対して、上記特許文献1には、アノード側が端子部に接続され、カソード側がノードを介して共通端子部に接続されたPINダイオードと、前記PINダイオードのアノード側に正のバイアス電圧を印加するバイアス部と、アノード側が前記端子部と異なる他の端子部に接続され、カソード側が前記ノードを介して前記共通端子に接続された他のPINダイオードと、前記他のPINダイオードのアノード側に負のバイアス電圧を印加する他のバイアス部と、前記PINダイオードから流れるバイアス電流を制限する制限抵抗を有し、前記ノードに接続された直流リターン部を備え、前記正のバイアス電圧から前記PINダイオードの順方向電圧降下分を除いた前記ノードにおける電圧と前記負のバイアス電圧との間の電位差を、オフバイアスとして他のPINダイオードに印加するように構成したダイオードスイッチ回路が提案されている。
上記の構成によればアイソレーションの低下を防止できるものの、負のバイアス電圧を用いる必要があり、また正負のバイアス電圧を切り替える必要があるため複雑な回路構成になるという問題がある。
そこで本発明は、高電圧の高周波信号を安定的に切替えることが可能なダイオードスイッチ回路を比較的安価に提供することを目的とする。
請求項1の発明では、高周波信号の通過経路を一の端子部と共通端子部との間と、他の端子部と前記共通端子との間とで切替えるダイオードスイッチ回路において、前記一の端子部側のダイオードのアノード側と前記他の端子部側のダイオードのカソード側とを整流回路を介して接続するとともに、前記他の端子部側のダイオードのアノード側と前記一の端子部側のダイオードのカソード側とを整流回路を介して接続したことにより構成される。
請求項2の発明では、前記ダイオードに順バイアス電圧及び逆バイアス電圧を供給するバイアス電源を備えたことにより構成される。
請求項1の発明では、前記一の端子部側のダイオードがON状態の時、前記端子部側に供給される高周波信号が前記整流回路を介して整流され、前記他のダイオードの逆バイアス電圧として印加されるため他のダイオードはOFFされる。前記他の端子部側のダイオードがON状態の時、前記他の端子部側に供給される高周波信号が前記整流回路を介して整流され、前記一の端子部側のダイオードの逆バイアス電圧として印加されるためダイオードはOFFされる。これによってダイオードと他のダイオードは同期した安定動作が可能になる。
また請求項1の発明では、高周波信号が高電圧になってもこの高電圧の高周波信号を逆バイアスとして使用するため逆バイアスも高い電圧になり、ダイオードOFF時のアイソレーションを十分にとることができ、安定した動作が可能である。
請求項2の発明では、バイアス電源からダイオードの順バイアス電圧及び逆バイアス電圧が供給される。
本発明におけるダイオードスイッチ回路の一例を示す回路図である。 図1の動作を示す波形図である。 他の実施例を示す回路図である。 従来のダイオードスイッチ回路の一例を示す回路図である。 図4の動作を示す波形図である。
以下、添付図面を参照して、本発明におけるダイオードスイッチ回路の好適な一実施形態について説明する。なお、従来技術で示した図4と同一箇所には同一符号を用いる。
ダイオードスイッチ回路の構成を示す図1において、ここでは高周波信号の通過経路を、高周波信号の入力端子となる端子部F1INと高周波信号の出力端子となる共通端子部FOUTとの間と、他の高周波信号の入力端子となる他の端子部F2INと前記共通端子FOUTとの間の何れかに切替えるために、スイッチ素子としてのダイオードD1C,D1Dを備えている。
各ダイオードD1C,D1Dのアノード側と各端子部F1IN,F2IN間にはコンデンサC1C,C1Dがそれぞれ挿入接続され、各ダイオードD1C,D1Dのカソード側と共通端子部FOUT間にはコンデンサC2C,C2Dが挿入接続されている。
前記ダイオードD1Cのアノード側には、正のバイアス電源となる固定した動作電圧VCC2とアースとの間に抵抗R1Cと抵抗R2Cとの直列回路が設けられ、前記抵抗R1C,R2Cの接続点が前記ダイオードD1Cのアノードに接続されている。同様に前記ダイオードD1Dのアノード側には、動作電圧VCC2とアースとの間に抵抗R1Dと抵抗R2Dとの直列回路が設けられ、前記抵抗R1D,R2Dの接続点が前記ダイオードD1Dのアノードに接続されている。
前記ダイオードD1Cのカソード側には、動作電圧VCC2とアースとの間に抵抗R3CとコイルL1CとトランジスタQ1Cとの直列回路が設けられ、前記抵抗R3Cと前記コイルL1Cの接続点が、前記ダイオードD1Cのカソードに接続されている。前記トランジスタQ1CのコレクタにはコイルL1Cが接続され、またエミッタにはアースがそれぞれ接続されている。同様に前記ダイオードD1Dのカソード側には、動作電圧VCC2とアースとの間に抵抗R3DとコイルL1DとトランジスタQ1Dとの直列回路が設けられ、前記抵抗R3Dと前記コイルL1Dの接続点が、ダイオードD1Dのカソードに接続されている。前記トランジスタQ1DのコレクタにはコイルL1Dが、またエミッタにはアースがそれぞれ接続されている。
さらに、各ダイオードD1C,D1DのON/OFFを制御するために、前記トランジスタQ1CのベースにはNOT回路N2の出力側が接続され、前記NOT回路N2の入力側は前記トランジスタQ1Dのベースに接続されているとともに、制御信号の入力端子となる端子DSWに接続されている。
前記コンデンサC1C,C2C,C1D,C2Dは高周波線路の直流成分カット用素子であり、前記端子F1IN,F2INと共通端子FOUTとを高周波的に接続するためのものである。抵抗R1C,R2C,R1D,R2DはダイオードON用素子、抵抗R3C,R3DはダイオードOFF用素子となる。コイルL1C,L1Dは、高周波成分漏れ防止用素子である。
以上の回路構成に、本実施形態では各ダイオードD1C,D1Dの逆バイアス電圧生成回路が付加される。具体的には、前記端子F1INと前記コンデンサC1Cとの間には後述する整流回路RC1が接続され、この整流回路RC1で整流された出力が、抵抗R4Dを介してダイオードD1Dのカソード側に逆バイアス電圧として印加されるようになっている。
前記整流回路RC1は、前記端子F1INと前記コンデンサC1Cとの接続点とアースとの間に、コンデンサC3CとダイオードD2Cとの直列回路が接続され、前記ダイオードD2Cのカソードは前記コンデンサC3Cに接続され、ダイオードD2Cのアノードはアースに接続されている。前記コンデンサC3Cと前記ダイオードD2Cの接続点と、前記他の端子F2IN側の前記ダイオードD1Dと前記コンデンサC2Dとの接続点との間には、ダイオードD3Cと抵抗R4Dとの直列回路が挿入接続されている。前記ダイオードD3Cと前記抵抗R4Dとの接続点とアースとの間には、コンデンサC4Cが接続されている。
同様に、前記他の端子F2INと前記コンデンサC1Dとの間には後述する整流回路RC2が接続され、この整流回路RC2で整流された出力が、抵抗R4Cを介して前記ダイオードD1Cのカソード側に逆バイアス電圧として印加されるようになっている。
前記整流回路RC2は、前記他の端子F2INと前記コンデンサC1Dとの接続点とアースとの間に、コンデンサC3DとダイオードD2Dとの直列回路が接続され、前記ダイオードD2Dのカソードは前記コンデンサC3Dに接続され、ダイオードD2Dのアノードはアースに接続されている。前記コンデンサC3Dと前記ダイオードD2Dの接続点と、前記端子F1IN側の前記ダイオードD1Cと前記コンデンサC2Cとの接続点との間には、ダイオードD3Dと抵抗R4Cの直列回路が挿入接続されている。前記ダイオードD3Dと前記抵抗R4Cとの接続点とアースとの間には、コンデンサC4Dが接続されている。
次に、上記構成のダイオードスイッチ回路について、その作用を図2に示す各部の波形図で説明する。なお、同図(A)は端子F1INに供給される例えば1MHzの高周波信号、(B)は他の端子F2INに供給される例えば3MHzの高周波信号、(C)は端子DSWに供給される例えば1ms以内の高速切替可能な制御信号をそれぞれ示している。これらの高周波信号や制御信号は、生体刺激装置に組み込まれたCPUなどの制御回路(図示せず)から、所定のタイミングで生成出力される。また、端子F1INまたは端子F2INのいずれか一方の高周波信号を刺激電流として出力する共通端子部FOUTは、生体刺激装置の導子電極として、予め生体患部に装着される。
そして、制御信号がLの時、NOT回路N2の出力はHとなり、トランジスタQ1CはON状態となるため、ダイオードD1Cのアノード側には抵抗R1C,R2Cで分圧された電圧が順バイアスとして印加される。そのため、ダイオードD1CはONし、ダイオードD1Cのアノード電圧を表す図2(D)や、ダイオードD1Cのカソード電圧を表す図2(E)に示す様に、図2(A)に示す高周波信号が流れ共通端子FOUTに出力される。
一方、このときのトランジスタQ1DはOFF状態であるため、ダイオードD1Dのアノードには図2(F)に示す抵抗R1D,R2Dの分圧分が印加されるとともに、カソードには抵抗R3Dを介して同図(G)に示す逆バイアス電圧が印加される。さらに、ダイオードD1CのON動作によって流れた高周波信号が前記整流回路RC1で整流され、その出力が抵抗R4Dを介して逆バイアス電圧として印加される。これにより、ダイオードD1Dは確実にOFFする。このため同図(B)に示す他の高周波信号は、共通端子FOUTに出力されない。このようにして制御信号がLの時は、端子F1Nと共通端子FOUTが高周波的に接続される。
制御信号がHの時は、逆にダイオードD1DがON、ダイオードD1CがOFFになり、端子F2INと共通端子FOUTが高周波的に接続される。この場合、ダイオードD1Cのカソードには抵抗R4Cを介して同図(E)に示す逆バイアス電圧が印加されるだけでなく、ダイオードD1DのON動作によって流れた高周波信号が前記整流回路RC2で整流され、その出力が逆バイアス電圧として印加されることにより、ダイオードD1Cは確実にOFFする。このため、同図(A)に示す高周波信号は、共通端子FOUTに供給されない。
上述したダイオードスイッチ回路では、OFF側のダイオードD1Dのカソードには抵抗R3Dを通してほぼVCC2に等しい電圧が印加され、アノードには抵抗R1D,R2Dで分圧された電圧が印加される。
上記のように本発明では、前記端子部F1IN側のダイオードD1CがON状態の時、前記端子部F1IN側に供給される高周波信号が前記整流回路RC1を介して整流され、その出力が前記他のダイオードD1Dの逆バイアス電圧として印加されるため、他のダイオードD1Dは確実にOFFされる。前記他の端子部F2IN側のダイオードD1DがON状態の時、前記他の端子部F2IN側に供給される高周波信号が前記整流回路RC2を介して整流され、その出力が前記ダイオードD1Cの逆バイアス電圧として印加されるため、ダイオードD1Cは確実にOFFされる。これによって、一のダイオードD1Cと他のダイオードD1Dは同期した安定動作が可能になる。
また本発明では、高周波信号が高電圧になってもこの高電圧の高周波信号が整流された高い逆バイアス電圧として使用される。このため逆バイアスも高い電圧になるため、ダイオードD1CやダイオードD1DのOFF時におけるアイソレーションを十分にとることができ、安定した動作が可能である。これにより、所望の逆バイアス電圧を得るために、スイッチングレギュレータのような大掛かりな回路をわざわざ組み込まなくても、高電圧の高周波信号を安定的に切替えることが可能なダイオードスイッチ回路を比較的安価に提供できる。またダイオードD1C,D1DのOFF動作が確実になり、安定した切替動作が可能になる。
また本発明では、ON側の通過経路の高周波信号を整流してOFF側のダイオードに逆バイアスとして印加するものであるため、電流はほとんど流れず、ここで消費される電力は僅かなものになる。
図3は本発明の他の実施形態であり、例えば5MHzの高周波信号の入力端子F3INを追加したものであり、高周波信号の入力端子の数は自由に選定できることを示している。この場合、前記入力端子F3INから共通端子FOUTまでの回路構成は、他の入力端子F2INから共通端子FOUTまでの回路構成と基本的に同じであり、NOT回路N2は使用せず、入力端子DSW1〜3にはそれぞれHレベルの制御信号が選択的に供給されるようになっている。またコンデンサC2Eは前記共通端子FOUTに接続され、ダイオードD3EとコンデンサC4Eの接続点は前記ダイオードD3DとコンデンサC4Dの接続点に接続され、抵抗R4Eは前記ダイオードD3Cと抵抗R4Dの接続点に接続されている。
そして、F1INから供給される高周波信号が、入力端子F2INの高周波信号または入力信号F3INの高周波信号と組み合わされて、共通信号FOUTから出力される。この組合せの切替は入力端子DSW1〜3からの制御信号によって制御される。例えばDSW1に図2(C)に示す制御信号が供給され、DSW3に図2(C)と逆の信号が供給され、DSW2に制御信号が供給されない時、1MHzと5MHzの組合せの高周波信号が共通端子FOUTから出力される。この場合においてもダイオードD1CのONにより入力端子F1INから供給された高周波信号は整流回路SR1を介して逆バイアス電圧がダイオードD1Eに印加され、ダイオードD1EのONにより入力端子F3INから供給された高周波信号は整流回路SR3を介して逆バイアス電圧がダイオードD1Cに印加される。これによって、本実施形態によっても上記実施形態と同様な効果を有する。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えばダイオードの種類は適宜選定すればよく、また高周波信号を整流する回路構成も適宜選定することが可能である。また本発明は、ダイオードのON,OFFで高周波信号を切り替える各種のダイオードスイッチング回路に適用できる。
F1IN 一の端子部
F2IN 他の端子部
F3IN 他の端子部
FOUT 共通端子部
D1C ダイオード
D1D ダイオード
D1E ダイオード
RC1 整流回路
RC2 整流回路
RC3 整流回路
VCC2 バイアス電源

Claims (2)

  1. 高周波信号の通過経路を一の端子部と共通端子部との間と、他の端子部と前記共通端子との間とで切替えるダイオードスイッチ回路において、前記一の端子部側のダイオードのアノード側と前記他の端子部側のダイオードのカソード側とを整流回路を介して接続するとともに、前記他の端子部側のダイオードのアノード側と前記一の端子部側のダイオードのカソード側とを整流回路を介して接続したことを特徴とするダイオードスイッチ回路。
  2. 前記ダイオードに順バイアス電圧及び逆バイアス電圧を供給するバイアス電源を備えたことを特徴とする請求項1記載のダイオードスイッチング回路。
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