JP5075958B2

JP5075958B2 - 高周波スイッチ回路および無線通信装置

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Publication number: JP5075958B2
Application number: JP2010201976A
Authority: JP
Inventors: トウ王; 友敏也三
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: JP2012060441A; US20120064835A1; US8311477B2

Description

本発明の実施形態は、高周波回路間の接続を切り替える高周波スイッチ回路、および当該高周波スイッチ回路を用いた無線通信装置に関する。

従来の高周波スイッチ回路は、たとえば回路間の接続切り替え用の複数のMOSスイッチ（MOSトランジスタ）と、当該MOSスイッチのそれぞれに対するシャント用のMOSスイッチとから構成される。また別の例としては、トランスと、シャント用MOSスイッチとで構成される高周波スイッチ回路もある。

MOSスイッチのゲート幅を大きくすると、オン（ON）抵抗が小さくなり、好適な損失特性が得られる。

しかしながら、ゲート幅を大きくすると、寄生容量が大きくなる問題が発生する。寄生容量が大きいと、漏れ電流が大きくなり、これにより動作特性が劣化する。つまり、MOSスイッチのON抵抗と寄生容量の間には、トレードオフ関係がある。

また上記構成の高周波スイッチ回路は、差動構成の無線通信装置に適用する場合に、レイアウトが難しく、回路面積が大きくなる問題もあった。

EuMC2009 pp389-392

本発明は、寄生容量による動作特性の劣化を抑制した高周波スイッチ回路および無線通信装置を提供する。

本実施形態により、第1線路と第2線路と第1スイッチとを含む第1差動線路と、第3線路とを含む高周波スイッチ回路が提供される。

前記第1線路は一端および他端を有する。前記第2線路は一端および他端を有する。

前記第1線路および第2線路の前記他端で差動信号を受信、または前記他端から前記差動信号を出力する。

前記第1スイッチは前記第1および第2線路の前記一端間の電気的接続を切り替える。

前記第3線路は、前記第1スイッチがオンのとき前記第1差動線路と電磁結合するように配置される。

前記第1スイッチは、前記第1線路の他端からの電気長と、前記第2線路の他端からの電気長とが略等しくなる位置に設けられている。

高周波スイッチ回路の機能イメージを示す。第1実施形態に係る高周波スイッチ回路の構成例を示す。図2の高周波スイッチ回路のレイアウトの一例を示す。第2実施形態に係る高周波スイッチ回路を示す。図4の高周波スイッチ回路のレイアウトの一例を示す。高周波スイッチ回路の他の構成例を示す。第3実施形態に係る無線通信装置を示す。第4実施形態に係る無線通信装置を示す。第5実施形態に係る高周波スイッチ回路を示す。

以下、図面を参照しながら、第1、第2、第3、第4、第5実施形態を説明する。なお、図面において同一の番号を付した要素は同様の動作を行うものとし、重複する説明を省略する。

(第1実施形態)
図1に高周波スイッチ回路の機能イメージを示す。

高周波スイッチ回路10は、高周波回路Hと、高周波回路1，2,…,Nとの間の接続を切り換える。

Nは1以上の整数である。N=1のときは、高周波スイッチ回路10は、2つの高周波回路間（高周波回路Hと高周波回路1間）の接続および非接続を切り換える。

図2に、第1実施形態に係る高周波スイッチ回路の構成例（N=1の場合）を示す。

図2の高周波スイッチ回路100は、高周波回路1，H間の接続および非接続を切り替え制御する。

高周波スイッチ回路100は、第1差動線路140と、第3線路150とを含む。

第1差動線路140は、第1線路110と、第2線路120と、スイッチ（第1スイッチ）130とを含む
第1線路110は、一端および他端を有する。第1線路110はインダクタパターン（第1インダクタ）110aを含む。

第2線路120は、一端および他端を有する。第2線路120はインダクタパターン（第2インダクタ）110bを含む。

第1線路110の一端および第2線路の一端は、スイッチ130の接続端子（ドレイン端子・ソース端子）に接続されている。スイッチ130は、半導体基板等の基板に形成されるMOS（metal-oxide-semiconductor）トランジスタである。スイッチ130はMOSスイッチとも称される。

スイッチ130のオン・オフ制御（ゲート電圧制御）により、第1線路110および第2線路120間の電気的接続が切り替えられる。スイッチ130のオン・オフ制御は、制御回路により行われる。

第1線路110および第2線路120の各他端は、高周波回路1の差動端子に接続される。

スイッチ130がオンのとき、インダクタ110a、110bの組は、差動インダクタを形成する。

第3線路150は、高周波回路Hに接続される一端および他端を有する。また第3線路150は、差動インダクタとして、インダクタパターン（第3インダクタ）151を含む。

第3線路150は、スイッチ130がオンのときに、第1差動線路140と磁気結合するように配置されている。

スイッチ130がオンのとき、第1差動線路140は高周波回路1とループを形成し、第3線路150と磁気結合を形成する。

動作時、第1および第2線路の各他端には、高周波回路1から供給される差動信号が入力される。入力された差動信号はインダクタ110a、110bを介して、第3線路150に電磁結合により伝達され、高周波回路Hに入力される。

または、第1差動線路140は、第3線路150との電磁結合を介して高周波回路Hから差動信号を受信し、受信した差動信号を、第1および第2線路の各他端から、高周波回路1に出力する。

スイッチ130がオフのときは、第1差動線路140はループを形成せず、第3線路150と磁気結合しない。

図2の例では、第3線路150が差動インダクタを備える構成を示したが、単相インダクタを備える構成でもよい。この場合、たとえば、第3線路150と回路Hとの間の部分の片側をグランドに接続すれば、単相インダクタを得られる。このことは後述する他の実施形態でも同様である。

図3（A）〜図3（C）に、図2の高周波スイッチ回路100のレイアウトの一例を示す。

図3（A）および図3（B）のレイアウト例では、半導体基板等の基板における2つのレイヤを用いて、第1差動線路140および第3線路150が形成されている。

図3（C）のレイアウト例では、お互いクロスするところを除いて、基板における1つのレイヤを用いて、第1差動線路140および第3線路150が形成されている。

このように第1差動線路および第3線路のレイアウトの自由度は高く、本実施形態により回路面積を低減することが可能である。

ここで、スイッチ130は、第1差動線路140において第1線路110の他端からの電気長と、第2線路120の他端からの電気長とが等しくなる、もしくは略等しくなる位置に設けられていることを特徴とする。

第1差動線路140の両端（第1および第2線路の他端）から電気的に等距離の位置では、交流信号（AC信号）の振幅が、非常に小さい同相ノードとなる。

そこでこの同相ノードにスイッチ130を配置することで、スイッチ130の両極におけるAC電圧の振幅を非常に小さくし、スイッチ130の寄生容量による信号損失を大きく抑制することが可能となる。

したがって、寄生容量による信号損失を抑制しつつ、スイッチ130のゲート幅を大きくすることが可能となる。これによりスイッチ130のオン抵抗を小さくできる。

以上、本実施形態によれば、スイッチ130を差動線路の同相ノードに配置するようにしたことにより、寄生容量による信号損失を抑制しつつ、スイッチ130のオン抵抗を小さくできる。

また差動線路および第3線路のレイアウトの自由度が高いため、回路面積を低減することが可能となる。

図2の例では、第1線路110と、第2線路120と、第1スイッチ130とを含む第1差動線路140を備える構成を示したが、代わりに第2線路120を含まないような単相線路を用いてもいい。この場合、第1スイッチ130の片側の端子を接地すればいい。グランドに近いノードにスイッチ130を配置することで、スイッチ130の両極におけるAC電圧の振幅を非常に小さくし、スイッチ130の寄生容量による信号損失を大きく抑制することが可能となる。

（第2実施形態）
第1実施形態ではN＝1のときの高周波スイッチ回路を示したが、本実施形態ではN＝2のときの高周波スイッチ回路を説明する。

図4は、第2実施形態に係る高周波スイッチ回路を示す。図2と同様の要素には同一の符号を付してある。

図4のブロック図では、第2差動線路240、および高周波回路2が追加されている。

第2差動線路240は、第1差動線路140と同様の構成を有する。

すなわち、第2差動線路240は、第4線路210、第5線路220、およびスイッチ（第2スイッチ）230を備える。

第4線路210は、一端および他端を有する。第4線路210は、インダクタパターン（第4インダクタ）210aを含む。

第5線路220は、一端および他端を有する。第5線路220は、インダクタパターン（第5インダクタ）210bを含む。

第4線路210および第5線路220の各他端は、第2差動線路240の差動端子に接続される。

スイッチ230は、第4線路210および第5線路220の一端間の電気的接続を切り替える。

スイッチ230がオンのとき、第2差動線路240は高周波回路2とループを形成し、第2差動線路240と、第3線路とは互いに電磁結合する。

動作時、第4および第5線路の各他端には、高周波回路2から供給される差動信号が入力される。入力された差動信号はインダクタ210a、210bを介して、第3線路150に電磁結合により伝達され、高周波回路Hに入力される。

または、第2差動線路240は、第3線路150との電磁結合を介して高周波回路Hから差動信号を受信し、受信した差動信号を、第4および第5線路の各他端から、高周波回路2に供給する。

スイッチ230がオフのとき、第1差動線路240はループを形成せず、第3線路150と磁気結合しない。

なお、スイッチ230およびスイッチ130は、それぞれどちらか一方がオンになり、他方がオフになるように、高周波スイッチ回路により制御される。

第3線路150は、スイッチがオンにされた差動線路と電磁結合する。これにより、高周波回路Hと、スイッチがオンにされた差動線路に接続された高周波回路との通信が実現される。

スイッチ230は、第1実施形態と同様、第2差動線路240において第4線路210の他端からの電気長と、第5線路220の他端からの電気長とが等しい、または略等しい位置に設けられている。

したがって、動作時、スイッチ230の両極におけるAC信号の振幅は非常に小さくなり、スイッチ230の寄生容量による信号損失を大きく抑制することが可能となる。

よって、寄生容量による信号損失を抑制しつつ、スイッチ230のゲート幅を大きくできる。これによりスイッチ230のオン抵抗を小さくできる。

図5（A）〜図5（C）に、図4の高周波スイッチ回路200のレイアウトの一例を示す。

図5（A）および図5（B）のレイアウト例では、半導体基板等の基板における3つのレイヤを用いて、第1差動線路140、第2差動線路240、および第3線路150が形成されている。

図5（C）のレイアウト例では、お互いクロスするところを除いて、基板における2つのレイヤを用いて、第1差動線路140、第2差動線路240、および第3線路150が形成されている。

このように第1差動線路、第2差動線路および第3線路のレイアウトの自由度は高く、本実施形態により回路面積を低減することが可能である。

本実施形態ではN＝2の例を示したが、Nが3以上の場合も同様に、図6に示すように、高周波スイッチ回路を構成できる。この場合の構成および動作は、N＝2の例から自明であるため、説明を省略する。

以上、本実施形態によれば、スイッチを差動線路の同相ノードに配置するようにしたことにより、寄生容量による信号損失を抑制しつつ、スイッチのオン抵抗を小さくできる。

（第3実施形態）
図7に第3実施形態に係る無線通信装置を示す。

この無線通信装置は、第2実施形態に係る図4の高周波スイッチ回路200と、送信器フロントエンド回路1100と、受信器フロントエンド回路1200と、発信器回路1300と、ループアンテナ1400とを含む。

送信器フロントエンド回路1100は、図4の高周波回路1に対応する。受信器フロントエンド回路1200は高周波回路2に対応する。またループアンテナ1400は高周波回路Hに対応する。

送信器フロントエンド回路1100は、ローパスフィルタ1101、ミキサ1102、差動の電力増幅器（第1増幅器）1103を含む。

差動の電力増幅器1103の差動出力端子は、差動線路140の両端（すなわち第1線路140の他端と、第2線路240の他端）に接続されている。

ミキサ1102は発信器回路1300により生成されるローカル信号を用いて、ローパスフィルタ1101を通過した信号をアップコンバートする。

電力増幅器1103はアップコンバートされた信号を増幅して、増幅された差動信号を出力する。

受信器フロントエンド回路1200は、低雑音増幅器（第2増幅器）1203、ミキサ1202、ローパスフィルタ1201を含む。

低雑音増幅器1203の差動入力端子は、差動線路240の両端（すなわち第4線路210の他端と、第5線路220の他端）に接続されている。

ミキサ1202は発信器回路1300により生成されるローカル信号を用いて、低雑音増幅器1203により増幅された信号をダウンコンバートする。

ダウンコンバート信号はローパスフィルタ1201に入力され、その後、アナログ・デジタル変換、復号および復調処理などが施される。

図7の装置では、スイッチ130、230の片方をオンに、もう片方をオフにすることによって、送信モードと受信モードを、切り替えることができる。

送信モードでは、スイッチ130をオンにし、スイッチ230をオフにする。

送信モード時、送信器フロントエンド回路1100での送信処理により送信信号（差動信号）が生成される。生成された送信信号は、差動線路140の両端に入力される。

入力された信号は、差動線路140におけるインダクタ110a、110bと、第3線路150間の電磁結合により、第3線路150に伝達される。この際、スイッチ130での寄生容量による信号損失は非常に小さく抑えられる。

第3線路150に伝達された信号はループアンテナ1400に入力され、空間に電波として放射される。

受信モードでは、スイッチ130をオフにし、スイッチ230をオンにする。

受信モード時、ループアンテナ1400で受信された高周波信号がアナログ受信信号として第3線路150に供給される。

第3線路150に与えられた信号は、第3線路150と、第2差動線路240におけるインダクタ210a、210b間の電磁結合により、差動線路240に伝達される。この際、スイッチ230での寄生容量による信号損失は非常に小さく抑えられる。

差動線路240に伝達された受信信号は、受信器フロントエンド回路1200に入力され、受信処理が施される。

図７の例では高周波回路Hとしてループアンテナ1400を用いたが、ダイポールアンテナ、L字アンテナ等の他の種類のアンテナを用いることも可能である。使用するアンテナに応じて、第3線路140が備える差動インダクタの代わりに、単相インダクタを用いてもよい。

(第4実施形態)
図8に第4実施形態に係る無線通信装置を示す。

この無線通信装置は、第2実施形態の高周波スイッチ回路200と、アップコンバージョンミキサ回路310と、電力増幅器320と、低雑音増幅器330と、ダウンコンバージョンミキサ回路340と、発振器回路350とを備える。

アップコンバージョンミキサ回路310は、図4の高周波回路1に対応する。ダウンコンバージョンミキサ回路340は高周波回路2に対応する。また発振器回路350は、高周波回路Hに対応する。

スイッチ130、230の片方をオンに、もう片方をオフにすることによって、発振器回路350により生成されるローカル信号（LO信号）の伝送先を、アップコンバージョンミキサ回路310と、ダウンコンバージョンミキサ回路340間で、切り替えることができる。

送信モード時、発振器回路350により生成されるローカル信号が、第3線路150に供給される。第3線路150に与えられた信号は、第3線路150と、第1差動線路140におけるインダクタ110a、110b間の電磁結合により、差動線路140に伝達される。この際、スイッチ130での寄生容量による信号損失は非常に小さく抑えられる。

差動線路140に伝達されたローカル信号は、アップコンバージョンミキサ回路310に入力され、別途入力される中間周波数（IF）の送信信号に掛け合わされる。これにより無線周波数（RF）の送信信号が得られる。RF信号は電力増幅器320により増幅され、図示しないアンテナを介して送信される。

受信モード時、発振器回路350により生成されるローカル信号が、第3線路150に供給される。

差動線路240に伝達されたローカル信号は、ダウンコンバージョンミキサ回路340に入力され、低雑音増幅器330の出力である無線周波数（RF）の受信信号と掛け合わされる。これにより中間周波数（IF）の受信信号が生成される。

生成された受信信号はこの後、ローパスフィルタの処理、アナログ・デジタル変換処理、復調処理等の処理が施される。

(第5実施形態)
図9に第5実施形態に係る高周波スイッチ回路を示す。図4と同様の要素には同一の符号を付してある。

本実施形態では、高周波回路1は、送信機能を有する第1差動回路、高周波回路2は、受信機能を有する第2差動回路、高周波回路Hは、アンテナ機能を有する。

第2実施形態との大きな違いは、第4線路210の一端と、第5線路220の一端とが互いに直接接続され、第2差動線路241の中心にスイッチが設けられていない点にある。

この場合、スイッチ130がオンのときに第1差動線路140から第2差動線路241へ信号パワーが漏れるのを防ぐ必要がある。

そこで、第1差動線路140および第2差動線路241のレイアウトは、第1差動線路140および第2差動線路241間の磁気結合が弱くなるように（すなわち、インダクタ110a、110bと、インダクタ210a、210b間の磁気結合が弱くなるように）なされている。

これによりスイッチ130がオンのときに、第1差動線路140から第3線路150まで伝わる信号パワーが、第2差動線路241に漏れることを十分、抑えることができる。

一方、スイッチ130がオフのとき、ループを形成しない第1差動線路140は、第3線路150と磁気結合されない。このため、アンテナHで受信され、第3線路150へ送られたアナログ受信信号は、第3線路150と第2差動線路241との磁気結合により、すべて高周波回路2（受信機能）に伝わる。

以上、本実施形態によれば、複数の差動線路のうちの少なくとも1つの差動線路のスイッチを省くことができる。これによりスイッチが省略された差動線路では信号損失がより確実に低減される。またスイッチを省くことにより、回路面積を低減することが可能となる。

上述した各実施形態はそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

1,2,…,N,H：高周波回路
100：高周波スイッチ回路
140：第1差動線路
110：第1線路
110a、110b：インダクタ
120：第2線路
130：スイッチ
150、151、152：第3線路
200：高周波スイッチ回路
210：第4線路
210a、210b：インダクタ
220：第5線路
230：スイッチ
240、241：第2差動線路
310:アップコンバージョンミキサ回路
320:電力増幅器
330:低雑音増幅器
340:ダウンコンバージョンミキサ回路
350:発振器回路
1400：ループアンテナ
1200:受信器フロントエンド回路
1300:発信器回路
1101, 1201:ローパスフィルタ
1102, 1202:ミキサ
1103:電力増幅器
1203:低雑音増幅器

Claims

一端および他端を有する第1線路と、
一端および他端を有する第2線路と、
前記第1および第2線路の前記一端間の電気的接続を切り替える第1スイッチと、
を含み、
前記第1線路および第2線路の前記他端で差動信号を受信、または前記他端から前記差動信号を出力する、第1差動線路と、
前記第1スイッチがオンのとき前記第1差動線路と電磁結合するように配置された第3線路と、を備え、
前記第1スイッチは、前記第1線路の他端からの電気長と、前記第2線路の他端からの電気長とが略等しくなる位置に設けられた
ことを特徴とする高周波スイッチ回路。
一端および他端を有する第4線路と、
一端および他端を有する第5線路と、
前記第4および第5線路の前記一端間の電気的接続を切り替える第2スイッチと、
を含み、
前記第4線路および第5線路の前記他端で差動信号を受信、または前記他端から前記差動信号を出力する、第2差動線路、をさらに備え、
前記第3線路は、前記第2スイッチがオンのとき前記第2差動線路と電磁結合するように配置され、
前記第2スイッチは、前記第4線路の他端からの電気長と、前記第5線路の他端からの電気長とが略等しくなる位置に設けられた
ことを特徴とする請求項1に記載の高周波スイッチ回路。
請求項2に記載の高周波スイッチ回路と、
前記第3線路に接続されたアンテナと、
前記第1および第2線路の前記他端に接続された第1増幅器を含む送信器と、
前記第4および第5線路の前記他端に接続された第2増幅器を含む受信器と、を備え、
前記高周波スイッチ回路は、送信時は前記第1スイッチをオンにするとともに前記第2スイッチをオフにし、受信時は前記第1スイッチをオフにするとともに前記第2スイッチをオンにし、
前記第1増幅器は、前記送信時に送信信号を増幅して前記第1および第2線路の前記他端に供給し、
前記第2増幅器は、前記受信時に前記第4および第5線路の前記他端から供給される信号を増幅する、
ことを特徴とする無線通信装置。
一端および他端を有する第1インダクタと、
一端および他端を有する第2インダクタと、
前記第1および第2インダクタの前記一端間の電気的接続を切り替える第1スイッチと、
を含み、
前記第1インダクタおよび第2インダクタの前記他端で差動信号を受信、または前記他端から前記差動信号を出力する、第1差動線路と、
前記第1スイッチがオンのとき前記第1差動線路における前記第1インダクタおよび第2インダクタと電磁結合するように配置された第3インダクタを含む線路と、を備え、
前記第1スイッチは、前記第1インダクタの他端からの電気長と、前記第2インダクタの他端からの電気長とが略等しくなる位置に設けられた
ことを特徴とする高周波スイッチ回路。
一端および他端を有する第4インダクタと、
一端および他端を有する第5インダクタと、
前記第4および第5インダクタの前記一端間の電気的接続を切り替える第2スイッチと、
を含み、
前記第4インダクタおよび第5インダクタの前記他端で差動信号を受信、または前記他端から前記差動信号を出力する、第2差動線路、をさらに備え、
前記第3インダクタは、前記第2スイッチがオンのとき前記第2差動線路における前記第4インダクタおよび第5インダクタと電磁結合するように配置され、
前記第2スイッチは、前記第4インダクタの他端からの電気長と、前記第5インダクタの他端からの電気長とが略等しくなる位置に設けられた
ことを特徴とする請求項4に記載の高周波スイッチ回路。
請求項5に記載の高周波スイッチ回路と、
前記線路に接続されたアンテナと、
前記第1および第2インダクタの前記他端に接続された第1増幅器を含む送信器と、
前記第4および第5インダクタの前記他端に接続された第2増幅器を含む受信器と、を備え、
前記高周波スイッチ回路は、送信時は前記第1スイッチをオンにするとともに前記第2スイッチをオフにし、受信時は前記第1スイッチをオフにするとともに前記第2スイッチをオンにし、
前記第1増幅器は、前記送信時に送信信号を増幅して前記第1および第2インダクタの前記他端に供給し、
前記第2増幅器は、前記受信時に前記第4および第5インダクタの前記他端から供給される信号を増幅する、
ことを特徴とする無線通信装置。