JP2020198570A - 可変利得回路、高周波スイッチ、およびトランジスタ回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型でかつ双方向増幅動作可能な可変利得回路を提供すること。【解決手段】可変利得回路１ａは、高周波信号を入出力する入出力端子Ｐ１、Ｐ２と、入出力端子Ｐ１に接続された信号端子ａ、入出力端子Ｐ２に接続された信号端子ｂ、および制御端子ｃを有するトランジスタＭ１と、互いに独立した第１可変電圧、第２可変電圧、第３可変電圧、および固定電圧にそれぞれ設定されるバイアス端子Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３および基準電圧端子ＲＥＦと、バイアス端子Ｂ１と信号端子ａとの間に接続されたインピーダンス素子Ｘ１と、バイアス端子Ｂ２と信号端子ｂとの間に接続されたインピーダンス素子Ｘ２と、バイアス端子Ｂ３と制御端子ｃとの間に接続されたインピーダンス素子Ｘ３と、基準電圧端子ＲＥＦと制御端子ｃとを接続するかしないかを切り替える第１スイッチＳ１と、を備える。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は可変利得回路、高周波スイッチ、およびトランジスタ回路に関する。
従来、増幅器を介してゲインが与えられる信号経路と、増幅器を介さない信号経路と、２つのＳＰＤＴ（単極双投）スイッチと、を備え、２つのＳＰＤＴスイッチを介して任意の一方の信号経路を入出力端子間に接続する可変利得回路が知られている（例えば、特許文献１の図９）。当該可変利得回路によれば、増幅器を介さない信号経路による０ｄＢのゲインと、増幅器に対して設定された所定の増幅率に基づくゲインとの、２種類のゲインを有する可変利得回路が得られる。
特開平９−１６２６６２号公報
上述の可変利得回路は、少なくとも増幅器と２つのＳＰＤＴスイッチとを含む複数の部品を必要とするため、回路が大型化しやすい。また、さらなる部品の追加なしには、双方向増幅動作を行うことができず、可変利得回路の要否に応じて可変利得回路への信号の通流と遮断とを切り替える動作を行うこともできない。
そこで、本発明は、小型でかつ双方向増幅動作および信号の通流と遮断との切り替え動作が可能な可変利得回路を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る可変利得回路は、高周波信号を入出力する第１入出力端子および第２入出力端子と、前記第１入出力端子に接続された第１信号端子、前記第２入出力端子に接続された第２信号端子、および制御端子を有するトランジスタと、互いに独立した第１可変電圧、第２可変電圧、第３可変電圧、および固定電圧にそれぞれ設定される第１バイアス端子、第２バイアス端子、第３バイアス端子、および基準電圧端子と、前記第１バイアス端子と前記第１信号端子との間に接続された第１インピーダンス素子と、前記第２バイアス端子と前記第２信号端子との間に接続された第２インピーダンス素子と、前記第３バイアス端子と前記制御端子との間に接続された第３インピーダンス素子と、前記基準電圧端子と前記制御端子とを接続するかしないかを切り替える第１スイッチと、を備える。
本発明に係る可変利得回路において、トランジスタはＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であってもよい。その場合、第１信号端子および第２信号端子は、トランジスタのソースおよびドレインの一方および他方にそれぞれ対応し、制御端子はゲートに対応する。
上述の構成によれば、第１スイッチによりトランジスタのゲートと基準電圧端子とを分離する（接続しない）ことで、トランジスタのゲートは、第３インピーダンス素子を介して、第３可変電圧に応じた電圧に設定される。これにより、トランジスタはスイッチとして機能し、オン動作とオフ動作とを行う。オン動作では、信号は、第１信号端子と第２信号端子との間を、増幅時と比べて小さいゲイン（例えば、ゲインなし）で伝達する。スイッチとしてのオン動作とオフ動作とは、第３可変電圧に応じて切り替えられる。
また、第１スイッチによりトランジスタのゲートと基準電圧端子とを接続することで、トランジスタのゲートは、第１スイッチを介して固定電圧に設定される。言い換えれば、トランジスタのゲートは交流的に接地される。これにより、トランジスタは、ゲート接地増幅器として機能し、ソースを入力としドレインを出力とした信号増幅動作を行う。第１信号端子および第２信号端子のうちいずれの一方をソースとし他方をドレインとするかは、第１可変電圧および第２可変電圧に応じて設定される。つまり、トランジスタは双方向増幅動作が可能である。
その結果、１のトランジスタで、スイッチとしてのオン動作、オフ動作（信号の通流と遮断との切り替え動作）、および双方向増幅動作が可能な、小型でかつ双方向増幅動作が可能な可変利得回路が得られる。
実施の形態１に係る可変利得回路の構成の一例を示す回路図 実施の形態１に係る可変利得回路の構成の他の一例を示す回路図 実施の形態２に係る高周波スイッチの構成の一例を示す回路図 実施の形態２に係る高周波スイッチの構成の他の一例を示す回路図 実施の形態３に係る高周波機能回路の構成の一例を示す回路図 実施の形態４に係る方向性結合器の構成の一例を示す回路図
本発明の複数の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。
また、以下の実施の形態において「接続する」という記述は、２個以上の対象物または対象物の部分を、互いに、直接、もしくは１個以上の部品、回路要素、またははんだなどの接続材を介して接続することを意味する。
（実施の形態１）
実施の形態１に係る可変利得回路について、小型でかつスイッチとしてのオン動作、オフ動作、および双方向増幅動作が可能な可変利得回路の例を挙げて説明する。
図１Ａは、実施の形態１に係る可変利得回路の構成の一例を示す回路図である。図１Ａに示されるように、可変利得回路１ａは、入出力端子Ｐ１、Ｐ２、トランジスタＭ１、バイアス端子Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、基準電圧端子ＲＥＦ、インピーダンス素子Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、キャパシタＣ１、Ｃ２、およびスイッチＳ１を備える。
入出力端子Ｐ１、Ｐ２は、高周波信号を入出力する。
トランジスタＭ１は、信号端子ａ、ｂ、制御端子ｃを有する。トランジスタＭ１がＦＥＴ（電界効果トランジスタ）で構成される場合、信号端子ａ、ｂは、ソースおよびドレインの一方および他方にそれぞれ対応し、制御端子ｃはゲートに対応する。
信号端子ａは、直流電圧阻止用のキャパシタＣ１を介して入出力端子Ｐ１に接続され、信号端子ｂは、直流電圧阻止用のキャパシタＣ２を介して入出力端子Ｐ２に接続される。
バイアス端子Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、および基準電圧端子ＲＥＦは、図示していないバイアス回路によって、互いに独立した第１可変電圧、第２可変電圧、第３可変電圧、および固定電圧にそれぞれ設定される。バイアス端子Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、および基準電圧端子ＲＥＦに設定される電圧は、一例としてグランド電圧であってもよく、その他の電圧であってもよい。
なお、可変電圧とは、トランジスタＭ１が、後述するスイッチオン動作、スイッチオフ動作、および所望方向に所望利得の増幅動作を行うために必要となる所定のバイアス電圧に変化させて設定することができるという意味である。設計次第では、これら全ての動作を実現しつつ、例えばバイアス端子Ｂ３およびまたは基準電圧端子ＲＥＦを常に固定電圧に設定することもできる。
インピーダンス素子Ｘ１は、バイアス端子Ｂ１と信号端子ａとの間に接続され、インピーダンス素子Ｘ２は、バイアス端子Ｂ２と信号端子ｂとの間に接続され、インピーダンス素子Ｘ３は、バイアス端子Ｂ３と制御端子ｃとの間に接続される。インピーダンス素子Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は、抵抗器またはインダクタであってもよい。
スイッチＳ１は、制御端子ｃに接続されるＳＰＤＴスイッチである。スイッチＳ１は、制御端子ｃと基準電圧端子ＲＥＦおよびインピーダンス素子Ｘ３のいずれか一方とを択一的に接続する。すなわち、スイッチＳ１は制御端子ｃと基準電圧端子ＲＥＦとを接続するかしないかを切り替える第１スイッチの一例である。
可変利得回路１ａは、高周波用のＩＣ（集積回路）に形成されてもよい。可変利得回路１ａが形成されたＩＣに、図示しないバイアス回路がさらに形成されてもよい。
可変利得回路１ａは、バイアス電圧の設定に応じて、スイッチオフ、スイッチオン、順方向増幅、および逆方向増幅の４つの動作を行うことができる。
ここで、スイッチオフ動作は、トランジスタＭ１をオフ状態のスイッチとして機能させ、入出力端子Ｐ１、Ｐ２間での信号の伝達を阻止する動作である。スイッチオン動作は、トランジスタＭ１をオン状態のスイッチとして機能させ、入出力端子Ｐ１、Ｐ２間で、増幅動作に比べて低いゲイン（例えば、ゲインなし）で信号を伝達する動作である。
順方向増幅動作は、トランジスタＭ１をゲート接地増幅器として機能させ、入出力端子Ｐ１に供給される信号を増幅して入出力端子Ｐ２から出力する動作である。逆方向増幅動作は、トランジスタＭ１をゲート接地増幅器として機能させ、入出力端子Ｐ２に供給される信号を増幅して入出力端子Ｐ１から出力する動作である。
表１に、可変利得回路１ａの４つの動作に対応する制御条件を示す。
Figure 2020198570
スイッチオフ動作およびスイッチオン動作では、制御端子ｃはスイッチＳ１およびインピーダンス素子Ｘ３を介してバイアス端子Ｂ３に接続される。バイアス端子Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、表１に従って、各端子に設定される電圧間での比較においてより高いバイアス電圧（高電位）またはより低いバイアス電圧（低電位）に設定される。これにより、スイッチオフ動作およびスイッチオン動作が行われる。
なお、スイッチオフ動作において良好な遮断特性を得るために必要なバイアス端子Ｂ１、Ｂ２とバイアス端子Ｂ３との間の電位差は、トランジスタＭ１にエンハンスメント型のＦＥＴを用いる場合に比べてデプレッション型のＦＥＴを用いる場合のほうが大きい。そのため、トランジスタＭ１にデプレッション型のＦＥＴを用いる場合、スイッチオフ動作においてバイアス端子Ｂ３を負電位に設定する（つまり、負バイアスとする）こともある。
順方向増幅動作および逆方向増幅動作では、制御端子ｃはスイッチＳ１を介して基準電圧端子ＲＥＦに接続される。バイアス端子Ｂ１、Ｂ２は、表１に従って、電圧間での比較においてより高いバイアス電圧（高電位）およびより低いバイアス電圧（低電位）のいずれかに設定される。
バイアス端子Ｂ１が低電位に設定され、バイアス端子Ｂ２が高電位に設定されると、信号端子ａがソース、信号端子ｂがドレインとなり、順方向増幅動作が行われる。バイアス端子Ｂ１が高電位に設定され、バイアス端子Ｂ２が低電位に設定されると、信号端子ｂがソース、信号端子ａがドレインとなり、逆方向増幅動作が行われる。
以上説明したように、可変利得回路１ａは、単一のトランジスタＭ１を用いて、入出力端子Ｐ１、Ｐ２間でスイッチとしてのオン動作とオフ動作とができるほかに、入出力端子Ｐ１、Ｐ２間で双方向増幅動作ができる。
より詳細には、ドレインに高電位、ソースに低電位の適切なバイアス電圧を印加し、ベースを適切な基準電位に固定するすなわち交流的に接地することで、ドレインからソースの間に適切なバイアス電流が流れ、ソースからドレイン間が適切な利得すなわち相互コンダクタンスを得られるようになる。これにより、ソースを入力とし、ドレインを出力とする増幅動作が可能となる。
バイアス端子Ｂ１、Ｂ２でバイアス電位の高低を入れ替え、適切な電位に設定し、ベースを適切な基準電位に固定する、すなわち交流的に接地することで、入力と出力が入れ替わるので、双方向の増幅動作ができる。
このように、可変利得回路１ａでは、単一のトランジスタＭ１でスイッチおよび双方向増幅器を実現するので、増幅器の数や切換え回路を減らすことができる。トランジスタを減らすことができると同時に、特にＩＣ内に形成した場合に占有面積が大きくなる大容量の直流阻止コンデンサやバイアス供給用のインダクタの数をトランジスタの数の減少に応じて減らすことができ、小型化ができる。
その結果、小型でかつ、スイッチとしてのオン動作、オフ動作、および双方向増幅動作が可能な可変利得回路が得られる。
また、順方向増幅動作および逆方向増幅動作では、トランジスタＭ１をゲート接地増幅器として機能させるため、入力インピーダンスが低く、５０Ωの特性インピーダンスの信号との整合を広帯域にわたって良好とできる。これにより、広帯域にわたって良好な入力整合が実現される。
また、トランジスタＭ１では、スイッチ動作の対称性を得るため、ドレインとソースの間の構造および電気特性の対称性が高い。高い対称性の一例として、トランジスタＭ１のソースとドレインとがゲートを挟んでほぼ線対称に作られていること、および、ソースの電気特性とドレインの電気特性とがほぼ同じであることが挙げられる。そのため、順方向増幅動作および逆方向増幅動作において対称性に優れた電気特性を得ることができる。
なお、図１Ａに示す可変利得回路１ａではスイッチＳ１としてＳＰＤＴスイッチを用いる例を示したが、図１Ｂに示すように、スイッチＳ１をＳＰＳＴ（単極単投）スイッチとしてもよい。図１Ｂに示す可変利得回路１ｂは、図１Ａに示す可変利得回路１ａに比べて、スイッチＳ１がＳＰＳＴスイッチとされ、かつ、スイッチＳ１とトランジスタＭ１の制御端子ｃとの間にバイアス端子Ｂ３、および、インピーダンス素子Ｘ３が常に接続されている点が異なる。
図１Ｂの可変利得回路１ｂにおいても、スイッチＳ１は制御端子ｃと基準電圧端子ＲＥＦとを接続するかしないかを切り替える第１スイッチとして機能する。具体的には、スイッチオフ動作およびスイッチオン動作では、スイッチＳ１がオフ状態となり、制御端子ｃはインピーダンス素子Ｘ３を介してバイアス端子Ｂ３に接続される。また、順方向増幅動作および逆方向増幅動作では、スイッチＳ１がオン状態となり、制御端子ｃはスイッチＳ１を介して基準電圧端子ＲＥＦに接続される。このような回路構成とすることで、可変利得回路１ａと同様に、小型でかつ、スイッチとしてのオン動作、オフ動作、および双方向増幅動作が可能な可変利得回路１ｂが得られる。
なお、以降の実施の形態では、図１Ｂに示したＳＰＳＴスイッチを用いた可変利得回路を用いた例を説明する。
（実施の形態２）
実施の形態２では、可変利得回路を用いた高周波スイッチについて、ＳＰＳＴスイッチとして機能する高周波スイッチの例を挙げて説明する。
図２は、実施の形態２に係る高周波スイッチの構成の一例を示す回路図である。図２に示されるように、高周波スイッチ１０は、トランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３の３段スタックを含む第１シリーズ部、トランジスタＭ８、Ｍ９、Ｍ１０の３段スタックを含むシャント部、トランジスタＭ５、Ｍ６、Ｍ７の３段スタックを含む第２シリーズ部、および制御部を備える。
高周波スイッチ１０では、第１シリーズ部を構成するトランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３のうちのトランジスタＭ３を用いて可変利得回路２が構成されている。つまり、トランジスタＭ３は、スイッチとして動作しかつ双方向増幅器としても動作する。トランジスタＭ３以外のトランジスタは、スイッチとしてのみ動作する。
図２の可変利得回路２は、図１Ｂの可変利得回路１ｂと比べて、トランジスタＭ３のゲートを交流接地するためのスイッチにトランジスタＭ４を用いている点、トランジスタＭ４と基準電圧端子ＲＥＦとの間にキャパシタＣ３が接続されている点、インピーダンス素子Ｘ１〜Ｘ３として抵抗器を用いている点で相違する。
可変利得回路２では、トランジスタＭ４がオン状態のとき、トランジスタＭ３のゲートはキャパシタＣ３を介して基準電圧端子ＲＥＦに接続されることで交流接地され、その結果、トランジスタＭ３は増幅器として動作する。また、トランジスタＭ３のゲートに対し、キャパシタＣ３のほかに外部にバイパス用キャパシタを接続することのできる端子ＥＣ１が設けられている。
制御部は、高周波スイッチ１０のＳＰＳＴスイッチとしてのオン動作およびオフ動作を制御し、かつトランジスタＭ３の増幅器としての増幅方向と増幅率を制御する機能を持つ。
すなわち、トランジスタＭ３のゲートの電位は、複数の電位が設定可能になっており、より高電位としてドレイン−ソース間のバイアス電流がより大きく利得も大きい第１増幅モードと、より低電位としてドレイン−ソース間のバイアス電流がより小さく利得が小さい第２増幅モードとを選択できる。選択は、外部からシリアル通信で供給される制御信号ＣＴＬに従って行われる。
なお、高周波スイッチにおける２以上のトランジスタの各々で可変利得回路を構成してもよい。つまり、高周波スイッチにおいて、スイッチとして動作しかつ双方向増幅器としても動作するトランジスタを２以上設けてもよい。
図３は、実施の形態２に係る高周波スイッチの構成の他の一例を示す回路図である。図３に示される高周波スイッチ１１は、図２の高周波スイッチ１０と比べて、トランジスタＭ３を用いた可変利得回路２に加えて、トランジスタＭ２を用いた可変利得回路３が構成される点で相違する。
以上のように構成される高周波スイッチ１０、１１によれば、可変利得回路２、３において実施の形態１で述べた効果と同様の効果が得られることに加えて、以下の効果が得られる。
高周波スイッチ１０、１１は、第１シリーズ部、シャント部、および第２シリーズ部で構成されるため、高周波スイッチ全体でのオフ状態において、シャント部をオン状態とすることで、高いアイソレーションが得られる。第１シリーズ部、シャント部、および第２シリーズ部の各部が従属接続された３つのトランジスタによる３段スタックとなっているので、耐圧性を高められる。結果、大電力の信号の遮断が可能になる。
高周波スイッチ１０ではトランジスタＭ３、高周波スイッチ１１ではトランジスタＭ２、Ｍ３が、スイッチおよび増幅器として動作可能である。増幅器として動作可能なトランジスタは、スイッチとして動作する際には、スタックの１段として動作可能であるので、余分な段数を足す必要なく、高周波スイッチ全体での耐圧を維持できる。言い換えれば、従属接続される複数のトランジスタのうち１以上のトランジスタに増幅機能を追加することで、トランジスタ数および面積の増加は限定的とでき、小型化ができる。
また、高周波スイッチ１０、１１では、スイッチおよび増幅器として動作可能なトランジスタＭ２、Ｍ３は、入出力端子Ｐ１、Ｐ２からトランジスタＭ１を挟んで離れた位置に配置されている。すなわち、トランジスタＭ２、Ｍ３は、スイッチおよび増幅器として動作可能なトランジスタＭ２、Ｍ３と、他のトランジスタＭ１、Ｍ５〜Ｍ７とが互いに縦続接続された並びにおいて端部（トランジスタＭ１の位置、および、トランジスタＭ５の位置）以外の位置に配置されている。
これにより、トランジスタＭ２、Ｍ３に印加される電力（求められる耐圧）を比較的小さくすることができるため、後述する補正容量をトランジスタＭ２、Ｍ３のドレインとソースとの間に接続する必要がなくなる。
ゲート接地の増幅器においては、この補正容量は、正帰還の機能をするため、一定帰還量すなわち一定容量値以上とすることで不要の発振を起こす可能性があるが、この補正容量値を最小限あるいは分布容量のみで構成することで、双方向増幅器として動作する場合の増幅動作を安定化できる。
さらに、インピーダンス素子Ｘ１〜Ｘ３として抵抗器を用いることで、直流的バイアス電流に負帰還をかけながら、必要なバイアス電流の通流を実現できる。また、交流的な周波数特性を持たないため、広帯域に必要なバイアス電流の通流を実現できる。
トランジスタの機能をスイッチと増幅器とで切り替えるスイッチにトランジスタを用いることで、機能の切り替えを電子制御できる。他のトランジスタの機能を切り替えるためのトランジスタには、大きな電力の信号は通さず大きな耐圧も必要ないため、小型のトランジスタを用いることができる。
増幅器としても動作可能なトランジスタを２個以上とする場合、ゲート接地増幅回路は、出力から入力へのアイソレーションがソース接地増幅回路やドレイン接地増幅回路に比べて良好なため、すなわち単方向性が良いため、複数段のシリーズ接続時も不要の発振を起こしにくい効果がある。
外部バイパス用キャパシタの接続端子を設けることで、必要に応じてキャパシタを接続して、増幅作用の動作帯域幅をより低域に拡大できる。
高周波スイッチの動作をシリアル通信で制御できる制御部があることで、複数の利得設定を含む複雑な制御を限られた端子すなわち小型な形状で容易に行うことが可能となる。
（実施の形態３）
実施の形態３では、可変利得回路を用いた高周波機能回路について、バイパス経路を有する高周波機能回路の例を挙げて説明する。
図４は、実施の形態３に係る高周波機能回路の構成の一例を示す回路図である。図４では、主に高周波信号を伝達する経路のみを記載している。実施の形態１、２で特徴を記載した事項については、矛盾がない限り適宜設けられるものとし、記載を略する。
図４に示されるように、高周波機能回路２０は、機能素子Ｆと、機能素子Ｆを含む機能経路２１（図４での下段）と、機能素子Ｆを迂回するバイパス経路２２（図４での上段）とを備える。機能素子Ｆは、特には限定されないが、一例として、バンドパスフィルタであってもよい。機能経路２１およびバイパス経路２２はいずれも、実施の形態２の高周波スイッチ１０と同様に構成された高周波スイッチである。
機能経路２１に含まれるトランジスタＭ１を用いて可変利得回路４が構成され、バイパス経路２２に含まれるトランジスタＭ２を用いて可変利得回路５が構成されている。つまり、トランジスタＭ１、Ｍ２は、スイッチとして動作可能であり、かつ双方向増幅器としても動作可能である。トランジスタＭ１、Ｍ２以外のトランジスタ（符号省略）は、スイッチとしてのみ動作する。スイッチとしてのみ動作する各トランジスタのソース、ドレイン間には、信号の交流電圧分布を補正するためのキャパシタが接続されている。
以下では、説明の便宜上、順方向増幅動作を基準に、トランジスタＭ１、Ｍ２の、入出力端子Ｐ１側にある信号端子をソースと言い、入出力端子Ｐ２側にある信号端子をドレインと言う。
機能経路２１において、スイッチＳ２とキャパシタＣ３とが直列に接続された直列回路が、キャパシタＣ１と並列に接続されている。また、スイッチＳ３とキャパシタＣ４とが直列に接続された直列回路が、キャパシタＣ２と並列に接続されている。トランジスタＭ１の順方向増幅動作時には、スイッチＳ２をオン状態にしてキャパシタＣ１、Ｃ３を並列接続するとともに、スイッチＳ３をオフ状態にする。
インダクタＬ１は、複数のインダクタを選択することができる可変インダクタであり、バイアス端子Ｂ１とトランジスタＭ１のソースとの間に接続されている。インダクタＬ２は、１以上のタップを有しインダクタの複数の部分を選択することができる可変インダクタであり、バイアス端子Ｂ２とトランジスタＭ１のドレインとの間に接続されている。
トランジスタＭ１のソースとグランド端子との間に、キャパシタＣ６とスイッチＳ４とが直列に接続された直列回路が接続されている。トランジスタＭ１のドレインとグランド端子との間に、キャパシタＣ７とスイッチＳ５とが直列に接続された直列回路が接続されている。ここで、グランド端子は、固定電圧に設定される端子の一例である。
インダクタＬ１、Ｌ２は、ソース−ゲート間の分布容量（図示せず）およびドレイン−ゲート間の分布容量（図示せず）とともに、所定の共振周波数を有する並列共振回路をそれぞれ形成する。スイッチＳ４、Ｓ５をオン状態にすることにより、キャパシタＣ６、Ｃ７が、ソース−ゲート間の分布容量およびドレイン−ゲート間の分布容量と、それぞれ並列に接続される。
バイパス経路２２において、トランジスタＭ２のソース、ドレインにバイアスを供給するインダクタＬ３、Ｌ４には、巻線の密結合によるインピーダンス変換に使えるトランスが用いられる。均一な密結合を得るために複数の巻き線を互いにインターリーブしてもよい。トランジスタＭ２の順方向増幅動作には、スイッチＳ６を高インピーダンス側に切り替え、スイッチＳ７を低インピーダンス側に切り替える。
以上のように構成される高周波機能回路２０によれば、可変利得回路４、５において実施の形態１で述べた効果と同様の効果が得られることに加えて、以下の効果が得られる。
最低限の挿入損失で信号を通過させたいバイパス経路を選択した場合でも、挿入損失が十分低くなかった場合など、わずかの利得が必要な場合に利得を補うことができるようになる。
整合が良好となり、反射損失を最小とし、利得を最大とするかまたは挿入損失を最小とすることができる。
具体的に、機能経路２１では、トランジスタＭ１の順方向増幅動作において、入力側のスイッチＳ２をオン状態にしてキャパシタＣ１、Ｃ３を並列接続してキャパシタンスを増大させて低インピーダンスとし、５０Ωの特性インピーダンスの信号を低入力インピーダンスであるソースに直接的に接続して整合させることができる。
インダクタＬ１の可変のインダクタンスに応じて、インダクタＬ１とソース−ゲート間の分布容量による並列共振回路の共振周波数が調整できる。共振周波数は、キャパシタＣ６を接続することで、さらに調整可能である。これにより、一定の周波数選択性を周波数可変で持つことができる。
この周波数選択性を用いれば、選択した所定の周波数にて並列共振回路を共振させることで、機能素子Ｆの動作帯域（機能素子Ｆがフィルタの場合には機能素子Ｆの通過帯域）外の不要波を減衰させることができる。これにより、例えば、機能素子Ｆの動作帯域では可変利得回路４の増幅特性を発揮させて、機能素子Ｆの動作帯域外では、可変利得回路４の減衰特性を発揮させることができる。従って、特に機能素子Ｆがフィルタであった場合には、機能素子Ｆのフィルタ特性を可変利得回路４で補完して向上させることができる。
また、出力側のスイッチＳ３をオフ状態にしてキャパシタＣ２単独でのキャパシタンスを用いることで、ドレインの相対的に高い出力インピーダンスから５０Ωの特性インピーダンスに整合させることができる。
インダクタＬ２の可変のインダクタンスに応じて、インダクタＬ２とドレイン−ゲート間の分布容量による並列共振回路の共振周波数が調整できる。共振周波数は、キャパシタＣ７を接続することで、さらに調整可能である。これにより、一定の周波数選択性を周波数可変で持つことができる。
この周波数選択性を用いれば、選択した所定の周波数にて並列共振回路を共振させることで、機能素子Ｆの動作帯域（機能素子Ｆがフィルタの場合には機能素子Ｆの通過帯域）外の不要波を減衰させることができる。これにより、例えば、機能素子Ｆの動作帯域では可変利得回路４の増幅特性を発揮させて、機能素子Ｆの動作帯域外では、可変利得回路４の減衰特性を発揮させることができる。従って、特に機能素子Ｆがフィルタであった場合には、機能素子Ｆのフィルタ特性を可変利得回路４で補完して向上させることができる。
可変利得回路４の構成の対称性に基づいて、スイッチおよびバイアス電位の設定を左右で入れ替えることで、トランジスタＭ１の逆方向増幅動作が可能であり、逆方向動作時においても順方向増幅動作について説明した効果と同様の効果を得ることができる。
また、バイパス経路２２において、トランジスタＭ２は、バイアス端子Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６に設定されるバイアス電圧およびスイッチＳ８の状態に応じて、スイッチオン動作、スイッチオフ動作、順方向増幅動作、および逆方向増幅動作を行う。
トランジスタＭ２のバイアス用のインダクタＬ３、Ｌ４は、インピーダンス変換に使えるトランスを兼ねている。インダクタＬ３、Ｌ４は、トランジスタＭ２のソースおよびドレインにおけるインピーダンスを変換すると同時に、バイアス端子Ｂ４、Ｂ５に設定されるバイアス電圧をトランジスタＭ２のソースおよびドレインに印加する。
トランジスタＭ２の順方向増幅動作において、入力側のスイッチＳ６を高インピーダンス側に切換える（具体的には、スイッチＳ６を構成するスイッチのうち図４での上側のスイッチをオンとし図４での下側のスイッチをオフとする）。これにより、インダクタＬ３は高周波チョークとして高周波信号に対しては高インピーダンスとなりつつ、バイアス電流を流すことができ、信号には干渉しないので、５０Ωの特性インピーダンスの信号は整合状態でソースに入力される。
出力側のインダクタＬ４では、出力側のスイッチＳ７をタップ側である低インピーダンス側に切り替える（つまり、スイッチＳ７を構成するスイッチのうち図４での上側のスイッチをオフとし図４での下側のスイッチをオンとする）。これにより、ドレインの相対的に高い出力インピーダンスから５０Ωの特性インピーダンスに整合される。また、ドレインのバイアス電流がインダクタＬ４を通流できる。
その結果、ドレイン電流がバイアス端子Ｂ５からインダクタＬ４を経由しトランジスタＭ２のドレイン（図４での右側端）に流れ込み、当該電流が、トランジスタＭ２のソース（図４での左側端）からインダクタＬ３を経由しバイアス端子Ｂ４から流れ出る。入出力端子Ｐ１側から供給される入力信号がソースの電位を変化させることでバイアス電流が変化して、トランジスタＭ２は増幅作用を発揮する。
これにより、特に、順方向増幅動作時および逆方向増幅動作時においては、インダクタＬ３、Ｌ４によってトランジスタＭ２を流れるバイアス電流（事実上直流電流）の通流ルートを確保できるようになる。
入力側、出力側とも、インダクタＬ３、Ｌ４は、それぞれ高周波チョークおよびトランスとして広帯域に動作できる。広帯域に動作できるトランスは、例えば巻線を密結合させることで実現する。
可変利得回路５の構成の対称性に基づいて、スイッチおよびバイアス電位の設定を左右で入れ替えることで、トランジスタＭ２の逆方向増幅動作が可能であり、逆方向動作時においても順方向増幅動作について説明した効果と同様の効果を得ることができる。
スイッチとしてのみ動作するトランジスタ（トランジスタＭ２、Ｍ１に縦続接続されているトランジスタ）のドレイン−ソース間には、信号の交流電圧分布の補正用キャパシタが設けられている。すなわち、スイッチとしてのみ動作するトランジスタにはそれぞれ、補正用キャパシタが並列に接続されている。また、それらのトランジスタは多段にスタックされている。これにより、機能経路２１およびバイパス経路２２は、高周波スイッチとして高耐圧性に優れる。
ここで、双方向増幅器として動作可能なトランジスタＭ１、Ｍ２は、入出力端Ｐ１から最も離れた位置に配置されている。具体的には、トランジスタＭ１、Ｍ２は、トランジスタＭ１、Ｍ２、および、トランジスタＭ１、Ｍ２と縦続接続されたスイッチとしてのみ動作する複数のトランジスタで構成された縦続接続回路の中で、入出力端Ｐ１から最も離れた位置に配置されている。これにより、トランジスタＭ１、Ｍ２に並列接続される信号の交流電圧分布のための補正容量を最小限とするかまたはトランジスタＭ１、Ｍ２のドレイン−ソース間の分布容量のみで構成することができる。図４の例では、補正容量を分布容量のみで構成している。
ゲート接地の増幅器においては、この補正容量は、正帰還の機能をするため、一定帰還量すなわち一定容量値以上とすることで不要の発振を起こす可能性があるが、この補正容量値を最小限あるいは分布容量のみで構成することで、双方向増幅器として動作する場合の増幅動作を安定化できる。
（実施の形態４）
実施の形態４では、可変利得回路を用いた方向性結合器について、結合方向を切り替えるためのスイッチを有する方向性結合器の例を挙げて説明する。
図５は、実施の形態４に係る方向性結合器の構成の一例を示す回路図である。実施の形態１、２、３で特徴を記載した項目については、矛盾がない限り適宜設けられるものとし、記載を略する。
図５に示されるように、方向性結合器３０は、主線路ＭＬ、副線路ＣＬ、スイッチＳ１〜Ｓ４、可変終端器ＴＲＭ、可変整合器ＭＮ、および可変減衰器ＡＴＴを備える。ここで、スイッチＳ１〜Ｓ４が結合方向を切り替えるためのスイッチの一例である。スイッチＳ１、Ｓ４の構成の一例が、図５の左側点線枠内に示されている。
スイッチＳ１、Ｓ４は、いずれも、実施の形態２の高周波スイッチ１０と同様に構成された高周波スイッチである。すなわち、スイッチＳ１、Ｓ４は、トランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の４段スタックを含む第１シリーズ部、トランジスタＭ９、Ｍ１０、Ｍ１１、Ｍ１２の４段スタックを含むシャント部、およびトランジスタＭ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８の４段スタックを含む第２シリーズ部を備える。
スイッチＳ１、Ｓ４では、第２シリーズ部を構成するトランジスタＭ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８のうちのトランジスタＭ５を用いて可変利得回路６が構成されている。つまり、トランジスタＭ５は、スイッチとして動作しかつ増幅器としても動作する。トランジスタＭ５以外のトランジスタは、スイッチとしてのみ動作する。
スイッチＳ１、Ｓ４において、トランジスタＭ５には、図５での上側端を入力とし下側端を出力とする単方向増幅動作のみ必要であり、双方向増幅動作の必要はない。
以上のように構成される方向性結合器３０によれば、可変利得回路６において実施の形態１で述べた効果と同様の効果が得られることに加えて、以下の効果が得られる。
方向性結合器３０の結合出力が所望より低い場合、例えば、方向性結合器３０の動作帯域のうち低周波数側での計測であって結合度が低い場合や、方向性結合器３０への入力電力自体が低い場合には、より大きな結合度が必要となる。このような場合に、可変利得回路６の利得で結合度を補うことができるようになる。
方向性結合器３０自体の結合度を、想定される最小の入力電力から必要な結合出力を取り出すことができる大きさに調整してもよいが、方向性結合器３０への入力電力が十分高い場合には、必要以上の結合出力を取り出すこととなり不要の損失が増大する。その結果、携帯電話機などバッテリー動作機器にあっては、電池の消耗を早めることになる。
その点、方向性結合器３０によれば、トランジスタＭ５は、必要に応じてスイッチとしてのオン動作と増幅動作とを切り替えて実行をしつつ、スイッチとしてのオフ動作をする場合にはスイッチ耐圧を高めるスタックの１段として動作することができる。
トランジスタＭ５は、スイッチとしてのオン動作から、増幅動作、特にトランジスタのゲート電位やさらにはドレイン電位やソース電位も制御してバイアス電流を設定して利得を調整することができる。その結果、等価的な結合度が調整可能な、不要の損失を抑制しやすい方向性結合器が実現できる。
また、トランジスタＭ５は、副線路ＣＬから最も遠い位置に設けられている。そのため、副線路ＣＬに近い側の入出力端子Ｐ１から入力された信号に、スイッチＳ１、Ｓ４中を伝送する途中で生じた全てのロスをトランジスタＭ５の増幅動作により補償できる。このとき、上記信号の有する電力がロスの影響で小さくなるため、トランジスタＭ５にトランジスタＭ５の線形動作可能範囲以上の信号が入力される可能性がより低くなり、低歪に増幅動作を行ってロスを補償できる。
他方、ロスをあえて増幅しない場合には、可変利得回路６での損失分で方向性結合器の入力反射損失を改善でき、また方向性結合器の結合度を等価的に低くできる。
以上、本発明の可変利得回路、および、可変利得回路を用いた高周波スイッチ、高周波機能回路、および方向性結合器について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、個々の実施の形態には限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つ又は複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
本発明は、小型でかつスイッチとしてのオン動作、オフ動作、および双方向増幅動作が可能な可変利得回路として、携帯端末装置などの無線機器において広く利用できる。
１、２、３、４、５、６ 可変利得回路
１０、１１ 高周波スイッチ
２０ 高周波機能回路
２１、２２ 機能経路
３０ 方向性結合器
ａ、ｂ 信号端子
ｃ 制御端子
ＡＴＴ 可変減衰器
Ｂ１〜Ｂ３ バイアス端子
ＣＬ 副線路
Ｃ１〜Ｃ７ キャパシタ
ＥＣ１、ＥＣ２ 端子
Ｌ１〜Ｌ４ インダクタ
ＭＬ 主線路
ＭＮ 可変整合器
Ｍ１〜Ｍ１２ トランジスタ
Ｐ１、Ｐ２ 入出力端
Ｓ１〜Ｓ７ スイッチ
ＴＲＭ 可変終端器
Ｘ１〜Ｘ３ インピーダンス素子

Claims (8)

  1. 高周波信号を入出力する第１入出力端子および第２入出力端子と、
    前記第１入出力端子に接続された第１信号端子、前記第２入出力端子に接続された第２信号端子、および制御端子を有するトランジスタと、
    互いに独立した第１可変電圧、第２可変電圧、第３可変電圧、および固定電圧にそれぞれ設定される第１バイアス端子、第２バイアス端子、第３バイアス端子、および基準電圧端子と、
    前記第１バイアス端子と前記第１信号端子との間に接続された第１インピーダンス素子と、
    前記第２バイアス端子と前記第２信号端子との間に接続された第２インピーダンス素子と、
    前記第３バイアス端子と前記制御端子との間に接続された第３インピーダンス素子と、
    前記基準電圧端子と前記制御端子とを接続するかしないかを切り替える第１スイッチと、
    を備える可変利得回路。
  2. 前記第１入出力端子と前記第１信号端子との間に接続された第１キャパシタと、
    前記第２入出力端子と前記第２信号端子との間に接続された第２キャパシタと、
    第３キャパシタと第２スイッチとが直列に接続された第１直列回路と、をさらに備え、
    前記第１直列回路は、前記第１キャパシタおよび前記第２キャパシタのうち少なくとも一方のキャパシタと並列に接続されている、
    請求項１に記載の可変利得回路。
  3. 前記第１インピーダンス素子および前記第２インピーダンス素子のうち少なくとも一方の素子はインダクタである、
    請求項１または２に記載の可変利得回路。
  4. 前記インダクタは可変インダクタである、
    請求項３に記載の可変利得回路。
  5. 第４キャパシタと第３スイッチとが直列に接続された第２直列回路をさらに備え、
    前記第２直列回路は、前記第１信号端子および前記第２信号端子のうち少なくとも一方の端子と固定電圧に設定される端子との間に接続されている、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の可変利得回路。
  6. 前記基準電圧端子と前記第１スイッチとの間に接続された第５キャパシタをさらに備える、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の可変利得回路。
  7. 各々が請求項１から６のいずれか１項に記載の可変利得回路である１以上の可変利得回路と、
    前記１以上の可変利得回路の各々に含まれるトランジスタである第１トランジスタと共に縦続接続される１以上の第２トランジスタと、を備え、
    前記第１トランジスタは、前記縦続接続の並びにおいて端部以外の位置に配置される、
    高周波スイッチ。
  8. 第１入出力端子と第２入出力端子との間において、双方向増幅動作と、増幅を伴わない信号通流動作と、信号遮断動作とを、切り替えて実行するトランジスタ回路。
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