JP3670084B2

JP3670084B2 - 半導体スイッチ回路

Info

Publication number: JP3670084B2
Application number: JP21539296A
Authority: JP
Inventors: 勝高橋
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2016-07-25
Also published as: JPH1041801A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体スイッチ回路、特に準マイクロ波帯及びマイクロ波帯の信号を扱う通信装置の送信、受信の切替え、或いは送受信装置内において各種切替えを行うための半導体スイッチ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
準マイクロ波帯及びマイクロ波帯の信号を扱う通信装置等において、高周波信号の伝送を断続し、又は切替えるために集積回路化された半導体スイッチ回路が用いられており、この種の半導体スイッチ回路としては、図３に示されるものがある。
【０００３】
図３において、半導体スイッチ１は例えばＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板を用いたＧａＡｓＩＣ（ガリウム砒素モノリシック集積回路）で作られ、その入力端２に信号源３が接続され、他方の出力端４に負荷抵抗５が接続される。この半導体スイッチ１内では、上記入力端２と出力端４の間にパストランジスタ６が接続され、このパストランジスタ６のドレイン（Ｄ）側とグランド端７の間にシャントトランジスタ８が接続される。これらのトランジスタ６，８としては、ＧａＡｓ化合物半導体の電界効果トランジスタであるＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor）、或いはＧａＡｓＪＦＥＴ（ジャンクションＦＥＴ）等が用いられる。
【０００４】
また、上記パストランジスタ６のソース側に、このトランジスタ６のＤＣ経路を確保するための抵抗１０、このパストランジスタ６のゲートと制御端１３との間に高周波阻止用抵抗１２、上記シャントトランジスタ８と制御端１１との間に同様の高周波阻止用抵抗１４が接続されており、この高周波阻止用抵抗１２，１４によれば、高周波が半導体集積回路外に漏れないようにすることができる。上記制御端１１、１３には、制御電圧源１５，１６が接続され、これらの制御電圧源１５，１６から上記のパストランジスタ６とシャントトランジスタ８のそれぞれのゲートに、制御電圧を相補的に加えることにより、これらのトランジスタ６，８のオンオフ動作を制御することができる。
【０００５】
次に、図３の動作を簡単に説明する。まず、この半導体スイッチ１をオン動作（導通状態）させる場合は、制御電圧源１６からパストランジスタ６のゲートに、例えば０Ｖの電圧が加えられ、他方の制御電圧源１５からシャントトランジスタ８のゲートに、例えば−３Ｖの負電圧が加えられる。そうすると、パストランジスタ６が導通状態、シャントトランジスタ８が非導通状態となり、信号源３から入力端２へ入力した信号はそのまま出力端４へ伝送される。
【０００６】
一方、半導体スイッチ１をオフ動作（非導通状態）させる場合は、上記とは逆に、パストランジスタ６のゲートに−３Ｖの負電圧、他方のシャントトランジスタ８のゲートに０Ｖの電圧が加えられる。そうすると、パストランジスタ６が非導通状態、シャントトランジスタ８が導通状態となり、信号源３からの入力信号はパストランジスタ６で遮断される。このとき、シャントトランジスタ８では、出力を短絡に近くして上記の遮断効果（アイソレーション）を高める役目をすることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の半導体スイッチ回路では、１ＧＨｚ以上の準マイクロ波帯又はマイクロ波帯の周波数信号を扱うことから、半導体集積回路内の上記トランジスタ６，８の寄生容量と寄生抵抗の存在により影響が生じ、上記半導体スイッチ１のオン動作時の通過損失が大きくなり、一方のオフ動作時では、アイソレーション特性が低下するという不具合があった。
【０００８】
このような不具合を解決すため、図４に示されるように、インダクタンス成分の挿入により並列共振状態が得られるようにして、特性の改善を行うことが考えられる。即ち、図４において、半導体スイッチ１内のパストランジスタ６のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間に並列にインダクタ１８を接続し、このインダクタ１８のインダクタンスとパストランジスタ１３の寄生容量によって、使用周波数で並列共振が生じるように、上記インダクタンスの値を調整する。このようなインダクタ１８を用いた並列共振によれば、高インピーダンス化を図ることができ、使用周波数での特性改善が可能となる。
【０００９】
図５には、上記図４の半導体スイッチ回路で共振周波数を約１．６ＧＨｚとしたときの効果であるシュミレーション計算結果が示されており、図（Ａ）はオン動作時の信号通過特性、図（Ｂ）はオフ動作時のアイソレーション特性を示している。この図からも明らかなように、約１．６ＧＨｚの共振周波数を中心に、特性が飛躍的に改善されている。
【００１０】
しかしながら、上記図４のような半導体スイッチ回路においては、上記パストランジスタ６に並列接続した上記インダクタ１８を半導体集積回路内に内蔵しているため、共振周波数、即ち使用周波数を容易に変えることができないという問題があった。上記のように特性改善を図った半導体スイッチ回路を汎用集積回路として用いる場合では、ある程度の周波数範囲の動作領域を確保する必要があり、逆に使用周波数の範囲を容易に変えることができれば、使い勝手がよく、商品性の高い半導体スイッチが得られることになる。
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的は、特性改善をする周波数範囲を拡大することができ、汎用性が高く、使い勝手のよい集積回路化された半導体スイッチ回路を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１請求項に係る発明は、信号入出力動作のためのパストランジスタと、このパストランジスタが非導通状態の際に導通状態となるシャントトランジスタと、を含む半導体スイッチ回路において、上記パストランジスタのドレイン−ソース電極間に、並列共振を得るためのインダクタンス及び電圧容量可変用ダイオードを並列接続し、この電圧容量可変用ダイオードには、直流阻止用キャパシタを直列に接続し、この直流阻止用キャパシタと上記電圧容量可変用ダイオードとの間に、高周波信号阻止用抵抗を介して上記電圧容量可変用ダイオードの容量を変化させるための制御電圧を加える制御電圧源を接続し、上記制御電圧源によって変化させた上記電圧容量可変用ダイオードの容量と上記インダクタンスと上記パストランジスタの寄生容量とにより、所望の使用周波数で並列共振が生じるようにし、上記パストランジスタのオン動作時の通過損失及びオフ動作時のアイソレーション特性を改善することを特徴とする。
第２請求項に係る発明は、上記直流阻止用キャパシタの代りに、第２の電圧容量可変用ダイオードを用い、この第２の電圧容量可変用ダイオードは上記電圧容量可変用ダイオードに電極を対向させて接続することを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、上記パストランジスタの寄生容量と上記電圧容量可変用ダイオードの容量とを加えた容量と、上記インダクタンスとで、ある使用周波数で並列共振が起こることになる。そして、この場合の上記電圧容量可変用ダイオードの容量を制御電圧で変化させると、この容量変化に応じて並列共振の周波数が変化することになる。この結果、並列共振状態により特性改善を図る周波数範囲が拡大できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の実施形態の第１例である半導体スイッチ回路の構成が示されており、このスイッチ回路は、準マイクロ波帯又はマイクロ波帯の高周波信号を扱う回路に適用され、基本的な構成は図３又は図４で示した回路と同様となっている。図１に示されるように、半導体スイッチ１には、信号源３が接続される入力端２、負荷抵抗５が接続される出力端４が配置され、この入力端２と出力端４の間にパストランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ等）６が接続され、このパストランジスタ６のドレイン側とグランド端７の間にシャントトランジスタ８が接続される。
【００１５】
また、上記パストランジスタ６のソース側に、ＤＣ経路を確保するための抵抗１０が接続され、このパストランジスタ６のゲートと制御端１３との間には、高周波が半導体集積回路外に漏れないようにする高周波阻止用抵抗１２が接続され、上記シャントトランジスタ８と制御端１１との間にも同機能の高周波阻止用抵抗１４が接続される。そして、上記パストランジスタ６及びシャントトランジスタ８は、制御電圧源１５，１６から相補的な制御電圧をそれぞれのゲートに印加することにより、オンオフ動作をする。
【００１６】
このような半導体スイッチ１において、上記パストランジスタ６のドレイン（Ｄ）とソース（Ｓ）との間に、インダクタ１８を接続し、またこのドレイン−ソース間に、電圧容量可変用ダイオードとしてのダイオード２０とキャパシタ２１を直列にして、かつインダクタ１８と並列になるように接続する。このダイオード２０としては、ショットキー型や接合型の可変容量ダイオード等が用いられており、上記キャパシタ２１はこのダイオード２０に適切なバイアス電圧が加わるようにするための直流阻止用キャパシタである。これによれば、上記インダクタ１８のインダクタンスとパストランジスタ６の寄生容量及びダイオード２０の容量とによって、ある周波数で並列共振状態が得られる。
【００１７】
そして、このダイオード２０とキャパシタ２１との接続点に、高周波信号阻止用の抵抗２２を介して制御端２３が取り付けられ、この制御端２３には制御電圧源２４が接続される。従って、この制御電圧源２４から印加される電圧を可変すると、ダイオード２０の容量が変化して共振周波数も変化することになり、使用周波数範囲を拡張することができる。
【００１８】
このような並列共振周波数の可変は、次のような式で説明することができる。即ち、上記のダイオード２０に印加される電圧をＶｊ、接合容量をＣJ とすると、両者の関係は次の式となる。
【数式１】
ＣJ ＝ＣJO｛１−（Ｖｊ／Ｖbi）｝^-M
ここで、ＣJOはゼロバイアス時の接合容量、Ｖbiは内蔵電位（build in potential）、Ｍは接合傾斜係数である。
【００１９】
そうして、上記の並列共振周波数ｆO は、上記のパストランジスタ６のドレイン、ソース間の容量をＣds、上記インダクタ１８のインダクタンスをＬｓとすると、上記数式１から、
【数式２】
ｆO ＝１／｛２π［Ｌｓ（ＣJ ＋Ｃds）］^1/2 ｝
と表すことができる。
上記の数式１及び数式２から理解されるように、ダイオード２０に印加される電圧Ｖｊを変化させれば、接合容量ＣJ が変化し、このＣJ の変化によって並列共振周波数ｆO が変化することになる。
【００２０】
第１例は以上の構成からなり、以下にその作用を簡単に説明する。図１において、パストランジスタ６のゲートに、そのドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間が低抵抗にて導通状態となる電圧（例えば０Ｖ）が制御電圧源１６から印加され、シャントトランジスタ８のゲートには、そのドレイン−ソース間が高抵抗でオープン状態となる負電圧（例えば−３Ｖ）が他方の制御電圧源１５から印加されると、パストランジスタ６が導通状態、シャントトランジスタ８が非導通状態となる。この状態で、半導体スイッチ１はオン状態となり、入力端２へ入力した信号はそのまま出力端４へ伝送される。
【００２１】
一方、パストランジスタ６のゲートに、そのドレイン−ソース間が高抵抗にて開放となる負電圧（例えば−３Ｖ）が制御電圧源１６から印加され、シャントトランジスタ８のゲートには、そのドレイン−ソース間が低抵抗の状態となる電圧（例えば０Ｖ）が他方の制御電圧源１５から印加されると、パストランジスタ６が非導通状態、シャントトランジスタ８が導通状態となる。この状態で、半導体スイッチ１はオフ状態となり、入力信号は出力端４へ伝送されず、このときのシャントトランジスタ８はアイソレーション機能を果たすことになる。
【００２２】
このような半導体スイッチ１の切替え動作においては、上記パストランジスタ６に対し並列接続されたダイオード２０とキャパシタ２１の間に、制御電圧源２４から使用周波数により設定された制御電圧が印加されており、これにより、上記ダイオード２０の容量は上記数式１の関係で設定される値となる。従って、このダイオード２０の容量及びパストランジスタ６の寄生容量とインダクタ１８のインダクタンスによって並列共振が起きることになる。この結果、例えば約１．６ＧＨｚを使用周波数とした場合は、上記図５で示した信号通過特性［図（Ａ）］及びアイソレーション特性［図（Ｂ）］と同等の特性が得られる。
【００２３】
そうして、本発明では、上記制御電圧源２４の制御電圧を変化させると、上記ダイオード２０の容量は上記数式１の関係で変化することになり、この容量が変化した結果として、並列共振の共振周波数ｆO が上記数式２により変化する。このことは、図５の特性が得られる周波数を１．６ＧＨｚから上側又は下側へシフトできることを意味し、これによって使用周波数を容易に広げることが可能となる。
【００２４】
図２には、実施形態の第２例の構成が示されており、この第２例は第１例の直流阻止用キャパシタ２１の代りに電圧容量可変用ダイオードを用いたものである。図２に示されるように、電圧容量可変用ダイオードである第１のダイオード２６（上記ダイオード２０と同様）及び第２のダイオード２７をそれらの電極を対向させた状態で、パストランジスタ６のドレイン−ソース間に接続する。そして、これらダイオード２６，２７間の接続点に、高周波信号阻止用の抵抗２２を介して制御端２３が取り付けられ、この制御端２３に制御電圧源２４が接続される。
【００２５】
このような第２例においても、上記制御電圧源２４から印加される電圧を変えて上記第１ダイオード２６の容量を変化させ、並列共振の共振周波数を可変とすることにより、使用周波数範囲を拡張することが可能となる。そして、上記第２のダイオード２７は、直流を阻止して第１のダイオード２６へ適切なバイアス電圧を与える役目をすることになる。
【００２６】
この第２例によれば、集積回路の製作において、上記第２のダイオード２７の方が第１例で使用したキャパシタ２１よりも構造的に容易であり、コスト的にも有利であるという利点がある。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、第１請求項記載の発明によれば、パストランジスタのドレイン−ソース電極間に、並列共振を得るためのインダクタンス及び電圧容量可変用ダイオードを接続し、この電圧容量可変用ダイオードには、直流阻止用キャパシタを直列に接続し、上記電圧容量可変用ダイオードの容量を変化させるための制御電圧源を接続し、この制御電圧源によって変化させた電圧容量可変用ダイオードの容量とインダクタンスとパストランジスタの寄生容量とで、所望の使用周波数で並列共振が生じるようにすることにより、パストランジスタのオン動作時の通過損失及びオフ動作時のアイソレーション特性を改善するようにしたので、特性改善を実現する周波数範囲を拡大して高性能化を図ることができ、集積回路として汎用性が高く、また使い勝手がよく商品性の高い半導体スイッチ回路を得ることが可能となる。
【００２８】
第２請求項記載の発明によれば、上記直流阻止用キャパシタの代りに、第２の電圧容量可変用ダイオードを用いるようにしたので、集積回路化が容易となり、低コスト化を図ることができ、また小型化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の第１例に係る半導体スイッチ回路の構成を示す回路図である。
【図２】実施形態の第２例に係る半導体スイッチ回路の構成を示す回路図である。
【図３】従来の半導体スイッチ回路の一例を示す回路図である。
【図４】図３の半導体スイッチ回路に対して特性を改善した例を示す回路図である。
【図５】図４の半導体スイッチ回路における特性を示し、図（Ａ）はオン動作時の信号通過特性図、図（Ｂ）はオフ動作時のアイソレーション特性図である。
【符号の説明】
２ … 入力端、
４ … 出力端、
６ … パストランジスタ、
８ … シャントトランジスタ、
１２，１４，２２ … 高周波阻止用抵抗、
１５，１６，２４ … 制御電圧源、
１８ … インダクタ、
２０，２６，２７ … ダイオード、
２１ … キャパシタ。

Claims

信号入出力動作のためのパストランジスタと、このパストランジスタが非導通状態の際に導通状態となるシャントトランジスタと、を含む半導体スイッチ回路において、
上記パストランジスタのドレイン−ソース電極間に、並列共振を得るためのインダクタンス及び電圧容量可変用ダイオードを並列接続し、この電圧容量可変用ダイオードには、直流阻止用キャパシタを直列に接続し、この直流阻止用キャパシタと上記電圧容量可変用ダイオードとの間に、高周波信号阻止用抵抗を介して上記電圧容量可変用ダイオードの容量を変化させるための制御電圧を加える制御電圧源を接続し、
上記制御電圧源によって変化させた上記電圧容量可変用ダイオードの容量と上記インダクタンスと上記パストランジスタの寄生容量とにより、所望の使用周波数で並列共振が生じるようにし、上記パストランジスタのオン動作時の通過損失及びオフ動作時のアイソレーション特性を改善することを特徴とする半導体スイッチ回路。
上記直流阻止用キャパシタの代りに、第２の電圧容量可変用ダイオードを用い、この第２の電圧容量可変用ダイオードは上記電圧容量可変用ダイオードに電極を対向させて接続することを特徴とする第１請求項記載の半導体スイッチ回路。