JP5617742B2

JP5617742B2 - 高周波スイッチモジュール

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Publication number: JP5617742B2
Application number: JP2011079721A
Authority: JP
Inventors: 高司川本; 勇介和智; 杉山　雄太; 雄太杉山
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: JP2012216932A

Description

本発明は、高周波スイッチモジュールに係り、特に、送受信機能を備えた移動体通信装置に用いられる高周波スイッチモジュールに関する。

周知のように、SPDTスイッチ回路（Single Pole Double Throw）のような高周波スイッチは、多くの無線通信システムにおいて重要な構成ブロックとなっている。高周波スイッチは、携帯電話機、無線インフラ設備、衛星通信設備などの多くの異なる通信設備に使用されている。従来、このような高周波スイッチモジュールのスイッチ素子には、化合物半導体を用いたHEMT（High Electron Mobility Transistor）が用いられてきたが、近年、低コスト、小型化の要求から、シリコン基板上に形成されたMOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）に置き換えることが検討されている。

但し、通常のシリコン基板上に形成されたMOSFETでは、ソースあるいはドレイン電極とシリコン基板との間の寄生容量が大きい。また、シリコンは半導体であることから、高周波信号の電力損失が大きいといった問題がある。そこで、例えば特許文献１には、高周波信号用のスイッチ回路をSOI（Silicon On Insulator）基板上に形成する技術が提案されている。

SPDTスイッチ回路が通す信号として、たとえば、送信信号は、送信用信号端子に正負に振れる振幅の信号が通過する。アンテナスイッチトランジスタがOFFとなるためには、ドレイン・ソース間電位がゲート・ソース間電位以上でなければならない。しかし、送信信号振幅によっては信号の下限ピーク時に、ドレイン・ソース間電位がゲート・ソース間電位以下になることも考えられる。

この問題を解決するために、スイッチトランジスタをOFFさせるときは、スイッチトランジスタのゲート電位に負電圧を入力することが、例えば特許文献２に開示されている。

図１０に、従来のスイッチモジュールの一構成例を示す。スイッチモジュール１は、SPDTスイッチ回路のようなスイッチ回路１１、負電圧発生回路１４、発振回路１５、インターフェース回路１２から構成されている。インターフェース回路１２は、ベースバンド部２から電源電圧（Vdd）、クロック信号（BCLK）、データ信号（DATA）を入力され、スイッチ制御信号（CNT）を生成してスイッチ回路１１に出力し、スタンバイ信号（ST）を生成して負電圧発生回路１４と発振回路１５に出力する。発振回路１５は発振動作によりクロック信号（第一の負電圧動作クロック（CLK）、第二の負電圧動作クロック（CLKB））を生成し、負電圧発生回路１４に出力する。負電圧発生回路１４はクロック信号（CLK）、（CLKB）を受信して、負電圧（VN）を生成し、スイッチ回路１１に出力する。

特表２００５−５１５６５７号公報特開２０１０−２２６３５０号公報

図１０に示したようなスイッチモジュールが動作する際、最も電力を消費するブロックは発振回路１５である。この発振回路１５の一般的な構成例は、図１１に示すように、インバータを多段に接続したリングオシレータが挙げられる。

特に、携帯電話機などでは、電池駆動のため消費電力の低減は重要な項目であり、スイッチモジュールの発振回路１５の消費電力の低減が求められている。

一方で、従来スイッチモジュールの動作は、図１２に示す４つの状態で規定されていた。図１２はスイッチモジュールの状態遷移図を示したものである。図１２に示す状態遷移図は、非動作状態（Standby）、低消費電力状態（Low power）、起動状態（Wakeup）、動作状態（Running）の４つの状態から構成されている。

非動作状態では、電源電圧（Vdd）はLowとなり、スイッチモジュールには電源電圧は印加されていない。この状態から、ベースバンド部によって（Vdd）がHighとなり電源電圧が印加されると、スイッチモジュールの状態は、起動状態（Wakeup）に遷移する。起動状態では、クロック信号（BCLK）やデータ信号（DATA）が入力される。ベースバンド部はデータ信号を全て送信し終わると、データ信号とクロック信号は止まり、スイッチモジュールは自動的に動作状態（Running）に遷移する。動作状態（Running）において、スイッチモジュールは発振回路１５から負電圧発生回路１４に負電圧動作クロックを提供し続けることで、スイッチモジュールは動作し続ける。動作状態（Running）において発振回路１５が動作し続けるために、消費電力が大きくなると考えられる。

本発明の目的は、低消費電力で動作するスイッチモジュールを提供することにある。
本発明の他の目的は、小型で安価なスイッチモジュールを提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。本発明の高周波スイッチモジュールは、その外部にベースバンド部(2)を有し、その内部にSPDT(Single Pole Double Throw)スイッチ回路(11)、インターフェース回路(12)、分周回路(13)および負電圧発生回路(14)を有し、かつ、前記その内部には発振回路を持たず、前記インターフェース回路(12)は、前記ベースバンド部(2)より電源電圧(Vdd)、バスクロック信号(BCLK)およびデータ信号(DATA)を入力され、前記その内部は前記電源電圧(Vdd)、前記バスクロック信号(BCLK)および前記データ信号(DATA)を受信して動作するように構成され、前記その内部では前記データ信号(DATA)の受信が終わった後も、前記ベースバンド部(2)から前記バスクロック信号(BCLK)を受信し続けるように構成されている高周波スイッチモジュール(1)であって、前記インターフェース回路(12)は、スイッチ制御信号(CNT)を生成して前記スイッチ回路(11)に入力するように構成され、前記インターフェース回路(12)は、スタンバイ信号(ST)を生成して前記分周回路(13)および前記負電圧発生回路(14)へ出力するように構成され、動作クロック信号生成手段としての機能を有する前記分周回路(13)は、前記スタンバイ信号(ST)によりこの分周回路(13)が動作状態とされたとき、入力された前記バスクロック信号(BCLK)を分周して第１の負電圧動作クロック(CLK)を生成して前記負電圧発生回路(14)に出力すると共に、前記第１の負電圧動作クロック(CLK)を反転させた第２の負電圧動作クロック(CLKB)を生成して前記負電圧発生回路(14)に出力するように構成され、前記負電圧発生回路(14)は、前記第１および前記第２の負電圧動作クロック（CLK、CLKB）を用いて-Vddの負電圧(VN)を前記スイッチ回路(11)に出力するように構成され、前記スイッチ制御信号(CNT)によって、前記スイッチ回路(11)の端子がONまたはOFF動作するように構成され、前記その内部では前記バスクロック信号(BCLK)に基づいて前記第１および前記第２の負電圧動作クロック（CLK、CLKB）を生成して前記スイッチ回路(11)に出力するように構成され、前記その内部に発振回路を持つことによる前記その内部での消費電力増大の方が、データ送信が無いのにクロックを送信し続ける前記その内部での消費電力増大よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、ベースバンド部からクロック信号を入力され続けることでスイッチモジュールは、ベースバンド部から入力されたクロック信号を使って所望のクロック信号を生成して負電圧発生回路に入力することで、スイッチモジュールは発振回路を持たずに動作を続けることが可能となり、低消費電力で動作するスイッチモジュールを提供することが可能となる。

本発明に係る高周波スイッチモジュールの、実施形態１の第１の構成例を説明するためのブロック図。実施形態１の分周回路及び負電圧発生回路の構成例を示す回路図。実施形態１のスイッチ回路の構成例を示すための回路図。実施形態１のスイッチモジュールの動作を示すタイムチャート図。比較例として、図１０に示した従来の高周波スイッチモジュールのタイムチャート図。本発明に係る高周波スイッチモジュールの、実施形態１の動作状態を説明するための状態遷移図。本発明に係る高周波スイッチモジュールの、実施形態２の構成例を説明するためのブロック図。本発明に係る高周波スイッチモジュールの、実施形態３の構成例を説明するためのブロック図。実施形態３のスイッチモジュールの動作を示すタイムチャート図。実施形態３のスイッチモジュールの動作を示すタイムチャート図。本発明に係る高周波スイッチモジュールの、実施形態３の動作状態を説明するための状態遷移図。従来の高周波スイッチモジュールの、構成例を説明するためのブロック図。従来の負電圧発生回路と発振回路の構成例を示すための回路図。従来の高周波スイッチモジュールの、動作状態を説明するための状態遷移図。

本発明の高周波スイッチモジュールは、通信装置の送受信動作を切り替える高周波スイッチモジュールであって、ベースバンド部から電源電圧、クロック信号、データ信号を受信して動作し、ベースバンド部からデータ信号を受信し終わった後も、クロック信号を受信し続けて動作する。以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本発明の実施形態１について、以下に説明する。
図１に、本発明の実施形態を示す好適なスイッチモジュールの構成例を示す。スイッチモジュール１は、スイッチ回路１１、インターフェース回路１２、分周回路１３、及び負電圧発生回路１４から構成されている。このスイッチモジュールは、例えば、SOI基板上に高周波信号用のスイッチモジュールとして形成される。スイッチモジュール１のインターフェース回路１２は、ベースバンド部２から電源電圧（Vdd）、バスクロック信号（BCLK）、及びデータ信号（DATA）を入力され、スイッチ制御信号（CNT）を生成してスイッチ回路１１へ出力し、スタンバイ信号（ST）を生成して、分周回路１３および負電圧発生回路１４に出力する。さらに、バスクロック信号（BCLK）は分周回路１３にも送られる。動作クロック信号生成手段としての機能を有する分周回路１３は、スタンバイ信号によって動作状態とされたとき、入力されたクロック信号を分周して負電圧動作クロック（CLK）を生成して、負電圧発生回路１４に出力する。負電圧発生回路１４は、負電圧動作クロックによって動作し、負電圧（VN）を発生させ、スイッチ回路１１に出力する。スイッチ１１は、スイッチ制御信号によって端子のONまたはOFFが制御される。

図２に、分周回路１３と負電圧発生回路１４の構成例を示す。分周回路１３には、例えば第１のインバータ１３１とフリップフロップ１３２を含む２分周回路等を使い、バスクロック信号（BCLK）を所望の周波数まで分周し、第一の負電圧動作クロック（CLK）を生成する。また、（CLK）を第２のインバータで反転させて第二の負電圧動作クロック（CLKB）を生成する。負電圧発生回路１４は、容量（C1、C2）とスイッチ（S1〜S4）によって構成され、第一の負電圧動作クロック（CLK）、第二の負電圧動作クロック（CLKB）によってスイッチ（S1〜S4）をON、OFFさせることで、容量（C1、C2）に電荷を充電、放電させて、-Vddの負電圧をVNに出力させる。

図１に示すスイッチモジュールが動作するには、その間、ベースバンド部２からバスクロック信号（BCLK）が入力し続けなければならない。

分周回路１３は、スイッチモジュールが動作している期間中、すなわち、スタンバイ信号によって動作状態とされたときから、高周波スイッチモジュールの動作終了の信号を受信し終わるまでの期間中、バスクロック信号（BCLK）から該バスクロック信号を分周した動作クロックを生成してスイッチ回路に出力する。

図３に、スイッチ回路１１の具体例として、SPDTスイッチ回路の例を示す。SPDTスイッチ回路は３つの信号端子を持つ。これら３つの信号端子はそれぞれアンテナ用信号端子（ANT）、送信用信号端子（P1）、受信用信号端子（P2）である。アンテナ用信号端子（ANT）と送信用信号端子（P1）の間にはスイッチトランジスタ１１２が介在し、アンテナ用信号端子と受信用信号端子（P2）の間にはスイッチトランジスタ１１３が介在する。一方、送信用信号端子（P1）とスイッチトランジスタ１１２の間のノードには接地用スイッチトランジスタ１１１が、受信用信号端子（P2）とスイッチトランジスタ１１３の間のノードには接地用スイッチトランジスタ１１４が接続されている。それぞれのスイッチトランジスタは、ソース、ドレインがスイッチの各ノードに接続され、ゲートから入力されるスイッチ制御信号VNにより、各トランジスタをONまたはOFFさせることにより、信号の導通、非導通を行う。

図３のSPDTスイッチ回路１１が信号を通すとき、例えば、送信信号は、送信用信号端子に正負に振れる振幅の信号が通過する。アンテナスイッチトランジスタがOFFとなるためには、ドレイン・ソース間電位がゲート・ソース間電位以上でなければならない。そのため、スイッチトランジスタをOFFさせるときは、スイッチトランジスタのゲート電位に、負電圧発生回路１４で生成された負電圧VNを入力する。

スイッチモジュール１の動作を、図４Ａのタイムチャート、及び、図５のスイッチモジュールの状態遷移図で説明する。図４Ｂは比較例である。

図４Ａにおいて、スイッチモジュール１の非動作状態では、電源電圧（Vdd）がLowとなり、スイッチモジュールには電源電圧は印加されていない。この状態から、ベースバンド部からの信号によって（Vdd）がHighとなり電源電圧が印加されると（ｔ＝ｔ0）、スイッチモジュールの状態は、起動状態（Wakeup）に遷移する。起動状態では、バスクロック信号（BCLK）やデータ信号（DATA）が入力される。データ信号（DATA）の状態モード（Mode）として0b00が入力されていた場合は、（ｔ＝ｔ1）でデータ信号が止まり、負電圧動作クロック信号（CLK）はそのまま（ｔ＝ｔ3）まで送信され続け、スイッチモジュールは自動的に低消費電力動作状態（Save power）に遷移する。

本発明の実施形態によれば、図５に示す状態遷移図は、非動作状態（Standby）、低消費電力状態（Low power）、起動状態（Wakeup）、低消費電力動作状態（Save power）の４つの状態から構成されている。

非動作状態では、電源電圧（Vdd）はLowとなり、スイッチモジュールには電源電圧は印加されていない。この状態から、ベースバンド部によって（Vdd）がHighとなり電源電圧が印加されると、スイッチモジュールの状態は、起動状態（Wakeup）に遷移する。起動状態では、バスクロック信号（BCLK）やデータ信号（DATA）が入力される。状態モードMode＝0b11では、スイッチモジュールは自動的に低消費電力動作状態（Save power）に遷移する。その後、状態モードModeに応じて、（Wakeup）、低消費電力状態（Low power）、あるいは非動作状態（Standby）に遷移する。

図４Ｂは比較例として、図１０に示した従来の高周波スイッチモジュールのタイムチャートを示している。図４Ｂにおいて、非動作状態から、ベースバンド部からの信号によって（Vdd）がHighとなり電源電圧が印加されると、スイッチモジュールの状態は、起動状態（Wakeup）に遷移する。起動状態では、バスクロック信号（BCLK）やデータ信号（DATA）が入力される。ベースバンド部はデータ信号を全て送信し終ったとき、状態モード（Mode）として、0b00が入力されていた場合は、データ信号とバスクロック信号（BCLK）が止まり、スイッチモジュールは動作状態（Running）に遷移する。動作状態（Running）において、スイッチモジュールはバスクロック信号（BCLK）を受信し続け、発振回路（図１０のVCO１５）から負電圧発生回路に動作クロックを提供し続けることで、スイッチモジュールは動作し続ける。比較例では、動作状態（Running）において動作し続ける発振回路が別途必要なために、消費電力が大きくなる。

本実施形態のスイッチモジュール１は、図５のいずれの遷移状態にあっても、ベースバンド部２からクロック信号（BCLK）を受信し続け、分周回路１３でバスクロック信号を分周して負電圧発生回路１４に負電圧動作クロック（CLK、CLKB）を提供し続けることで、動作し続ける。これにより、低消費電力動作を実現する。

本実施形態の分周回路１３は、図１１の従来例に示すようなリングオシレータのような自走発振回路に比べて、消費電力が少ない。

一例として、従来のスイッチモジュールに採用されている発振回路の消費電力（電流）は１３０μＡであるのに対し、本実施形態の分周回路の消費電力（電流）は２０μＡで良い。

本実施形態によれば、発振回路なしに、外部から入力されるバスクロック信号を用いて負電圧回路を動作させる負電圧動作クロック（CLK、CLKB）を生成するために、発振回路は不要であり、スイッチモジュールの消費電力を低減することが可能である。

図６に、本発明の実施形態２の構成例を示す。図６に示すスイッチモジュール１は、スイッチ回路１１、負電圧発生回路１４、インターフェース回路１２から構成されており、ベースバンド部から送信されるバスクロック信号（BCLK）がインターフェース回路１２を介してそのまま負電圧発生回路１４に入力されている。

動作クロック信号生成手段としての機能も有する負電圧発生回路１４には、例えば２分周回路等を使い、バスクロック信号（BCLK）を所望の周波数まで分周し、第一の負電圧動作クロック（CLK）を生成する。また、（CLK）をインバータで反転させて第二の負電圧動作クロック（CLKB）を生成する。負電圧発生回路１４は、さらに、図２に示したような、容量（C1、C2）とスイッチ（S1〜S4）を備えており、第一、第二の負電圧動作クロック信号（CLK、CLKB）によって、スイッチ（S1〜S4）をON、OFFさせることで、容量容量（C1、C2）に電荷を充電、放電させて、-Vddの負電圧をVNに出力させる。

本実施例は、動作クロック信号生成手段としての負電圧発生回路１４がより高速で動作する代わりに、図１に記載のスイッチモジュール１が有していた分周回路１３がない構成である。このため、図６に記載のスイッチモジュールは、分周回路１３の消費電力分だけ、図１に記載のスイッチモジュールに比べて低消費電力の動作が可能である。

次に、本発明の実施形態３について、以下に説明する。
図７に、本発明の実施形態を示す好適なスイッチモジュールの構成例を示す。スイッチモジュール１は、スイッチ回路１１、負電圧発生回路１４、分周回路１３、発振回路１５、セレクタ１６、インターフェース回路１２から構成されている。負電圧発生回路１４には、第一の負電圧動作クロック（CLK）と、この（CLK）をインバータで反転させた第二の負電圧動作クロック（CLKB）とが入力される。

図７に記載のスイッチモジュールの基本動作は、図１に記載の実施形態１で説明したスイッチモジュールと同等のため割愛する。

本実施形態のスイッチモジュールと実施形態１のスイッチモジュールとの違いは、本実施形態のスイッチモジュールが発振回路１５を有することである。これは、ベースバンド部２から入力されたデータ信号（DATA）によって、スイッチモジュール１の動作状態を選択できるようにしている点である。すなわち、ベースバンド部から送信されたバスクロック信号（BCLK）を分周することで負電圧発生回路１４を動作させるか、あるいは、ベースバンド部から送信されるクロック信号（BCLK）を止めて、スイッチモジュール内の発振回路１５を動作させて動作クロックを生成し負電圧発生回路１４を動作させるか、どちらかの動作状態を選択できるスイッチモジュールを提供する。

スイッチモジュール１の動作を、図８Ａ、図８Ｂのタイムチャート、及び、図９のスイッチモジュールの状態遷移図で説明する。図９に、本実施形態に好適な状態遷移図の一例を示す。図９に示す状態遷移図は、非動作状態（Standby）、低消費電力状態（Low power）、起動状態（Wakeup）、動作状態（Running）、低消費電力動作状態（Save power）の５つの状態から構成されている。

スイッチモジュール１の非動作状態では、非動作状態では、電源電圧（Vdd）はLowとなり、スイッチモジュールには電源電圧は印加されていない。この状態から、ベースバンド部によって（Vdd）がHighとなり電源電圧が印加されると（ｔ＝ｔ0）、スイッチモジュールの状態は、起動状態（Wakeup）に遷移する。起動状態では、スイッチモジュール１にバスクロック信号（BCLK）やデータ信号（DATA）が入力される。

ベースバンド部２は、図８Ａに示すように、データ信号を全て送信し終ったとき（ｔ＝ｔ１）、状態モード（Mode）として、0b00が入力されていた場合は、データ信号とバスクロック信号が止まり、スイッチモジュールは動作状態（Running）に遷移する。このとき、スイッチモジュール１は、選択信号（SEL）＝０により発振回路１５が選択される。これにより、発振回路１５が動作して、セレクタ１６では発振回路１５の出力信号が負電圧動作クロック（CLK）として選択される。

一方、図８Ｂに示すように、データ信号を全て送信し終ったとき（ｔ＝ｔ１）、状態モード（Mode）として、0b11が入力されていた場合は、データ信号が止まり、バスクロック信号（BCLK）はそのまま送信され続け、スイッチモジュールは低消費電力動作状態（Save power）に遷移する。このとき、スイッチモジュール１は、選択信号（SEL）＝１により分周回路１３が選択される。これにより、分周回路１３がバスクロック信号（BCLK）を分周して、セレクタ１６では分周回路１３の出力信号が負電圧動作クロック（CLK）として選択される。

これにより、実施形態３に記載のスイッチモジュールは、動作状態を、低消費電力動作状態と通常動作状態の２状態を選択することが可能になる。

１・・・スイッチモジュール
１１・・・スイッチ回路
１１１、１１２、１１３、１１４・・・スイッチトランジスタ
１２・・・インターフェース回路
１３・・・分周回路
１３１・・・インバータ
１３２・・・フリップフロップ
１４・・・負電圧発生回路
１５・・・発振回路
１６・・・セレクタ
２・・・ベースバンド部。

Claims

その外部にベースバンド部(2)を有し、その内部にSPDT(Single Pole Double Throw)スイッチ回路(11)、インターフェース回路(12)、分周回路(13)および負電圧発生回路(14)を有し、かつ、前記その内部には発振回路を持たず、
前記インターフェース回路(12)は、前記ベースバンド部(2)より電源電圧(Vdd)、バスクロック信号(BCLK)およびデータ信号(DATA)を入力され、前記その内部は前記電源電圧(Vdd)、前記バスクロック信号(BCLK)および前記データ信号(DATA)を受信して動作するように構成され、
前記その内部では前記データ信号(DATA)の受信が終わった後も、前記ベースバンド部(2)から前記バスクロック信号(BCLK)を受信し続けるように構成されている高周波スイッチモジュール(1)であって、
前記インターフェース回路(12)は、スイッチ制御信号(CNT)を生成して前記スイッチ回路(11)に入力するように構成され、
前記インターフェース回路(12)は、スタンバイ信号(ST)を生成して前記分周回路(13)および前記負電圧発生回路(14)へ出力するように構成され、
動作クロック信号生成手段としての機能を有する前記分周回路(13)は、前記スタンバイ信号(ST)によりこの分周回路(13)が動作状態とされたとき、入力された前記バスクロック信号(BCLK)を分周して第１の負電圧動作クロック(CLK)を生成して前記負電圧発生回路(14)に出力すると共に、前記第１の負電圧動作クロック(CLK)を反転させた第２の負電圧動作クロック(CLKB)を生成して前記負電圧発生回路(14)に出力するように構成され、
前記負電圧発生回路(14)は、前記第１および前記第２の負電圧動作クロック（CLK、CLKB）を用いて-Vddの負電圧(VN)を前記スイッチ回路(11)に出力するように構成され、
前記スイッチ制御信号(CNT)によって、前記スイッチ回路(11)の端子がONまたはOFF動作するように構成され、
前記その内部では前記バスクロック信号(BCLK)に基づいて前記第１および前記第２の負電圧動作クロック（CLK、CLKB）を生成して前記スイッチ回路(11)に出力するように構成され、
前記その内部に発振回路を持つことによる前記その内部での消費電力増大の方が、データ送信が無いのにクロックを送信し続ける前記その内部での消費電力増大よりも大きいことを特徴とするとする高周波スイッチモジュール。