JP5828768B2 - 保護回路 - Google Patents

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Description

本発明は、電子回路に設ける保護回路に関し、例えば高周波信号を入力する電子回路において、静電気放電(Electro-Static Discharge,ESD)を含む外乱による回路の破壊を防ぐための保護回路に関する。
高周波信号を入力する電子回路において、例えば無線回路のIC(Integrated Circuit)には、静電気放電による回路の破壊を防ぐための保護回路が設けられる。図10は、無線回路の受信ブロックの高周波信号入力部にESD保護回路を設けた構成例を示す回路図である。
外部から信号入力される端子部(パッド)101の後段には、低雑音増幅器(Low Noise Amplifier,LNA)102が接続されている。図10の例では、静電気放電により入力信号振幅が許容電圧値以上になることを防ぐために、ESD保護回路としてのESDダイオード回路103が端子部101と低雑音増幅器102との間に挿入されている。
ESDダイオード回路103は、二つのダイオード103a、103bが直列接続され、一方のダイオード103aのカソードが電源に、他方のダイオード103bのアノードがグランド(GND)にそれぞれ接続されている。静電気放電により入力信号が正側に変化すると、ダイオード103aがON状態になり、ダイオード103aに電流が流れて電源電圧以上になることを防ぐ。また、入力信号が負側に変化すると、ダイオード103bがON状態になり、ダイオード103bに電流が流れて接地電位以下になることを防ぐ。
しかし、ESDダイオード回路103を構成するダイオード103a、103bには、寄生容量成分が存在する。ダイオードの寄生容量は、ESDダイオード回路103を設ける場合に受信信号の伝達特性を劣化させる要因となっている。入力信号として数GHzのマイクロ波信号を扱う無線回路では、伝達特性への影響を抑制するためにESDダイオード回路の寄生容量を小さくする技術が検討されてきた。
寄生容量は、周波数が高くなるほど影響が大きくなり、例えば周波数がマイクロ波帯の十倍以上である数十GHzのミリ波信号を扱う場合、寄生容量の影響が増大する。このため、ミリ波帯の無線回路においては、寄生容量による伝達特性の劣化を取り除くことは困難である。
上記ダイオードの寄生容量に起因する課題に対する解決策として、伝送線路を用いたESD保護回路が提案されている(特許文献1参照)。図11は、特許文献1に記載されたESD保護回路の第1例を示す回路図、図12は、特許文献1に記載されたESD保護回路の第2例を示す回路図である。
図11の第1例は、端子部(パッド)151と接地点とを接続する伝送線路154、オンチップ回路(例えば低雑音増幅器)157の入力とバイアス電源回路168とを接続する伝送線路155、および端子部151とオンチップ回路157の入力とを接続する容量156を有する。
ミリ波帯において、伝送線路154のインピーダンスは高いため、端子部151からオンチップ回路157に向かって信号が通過する。一方、静電気放電により発生する信号はミリ波帯よりも十分に低い周波数である。低い周波数の静電気放電信号に対しては、伝送線路154のインピーダンスは低くなり、信号経路と接地点とがショートされている場合と同様の特性を示すため、オンチップ回路157への静電気放電信号の伝達を抑制できる。
図12の第2例は、図11における伝送線路154と容量156を設けない構成である。伝送線路155とバイアス電源回路168との間に、ESDダイオード回路103、抵抗159が接続され、伝送線路155とESDダイオード回路103との接続点に容量158の一端が接続され、容量158の他端が接地されている。
ミリ波帯において、伝送線路155のインピーダンスは高いため、ESDダイオード回路103の寄生容量による信号経路への影響を抑制できる。低い周波数の静電気放電信号に対しては、伝送線路155のインピーダンスは低くなり、信号経路とESDダイオード回路103とが接続されている場合と同様の特性を示すため、静電気放電が生じた場合にESDダイオード回路103によって信号振幅を抑制できる。
それぞれの伝送線路154、155は、オンチップ回路157の入力整合回路の一部となっており、実際の回路では必要に応じて端子部151とオンチップ回路157との間に別途伝送線路、抵抗、容量、インダクタといった素子が接続される。
米国特許出願公開第2008/0112101号明細書
しかしながら、特許文献1が提案する技術には次に示す課題があった。図11の第1例にて使用される容量156は、整合回路の帯域幅を広げる観点から、十分に大きい容量値であることが望まれる。一方、IC上に大きな容量を実装すると、基板に対しての寄生容量が大きくなり、信号ロスの要因となる。図12の第2例では、容量156を使用せずに保護回路を実現しているため、寄生容量による特性の劣化は発生しない。しかし、端子部151とオンチップ回路157の入力とのDC電位が共通になるため、IC外部においてDC電位を切り離すための容量素子が必要となり、実装コストの増大につながる恐れがある。
また、図11および図12に示した構成では、ESD保護用の伝送線路は1本であるが、静電気放電に対して十分な耐性を得るためには伝送線路が1本では足りない場合がある。同様の伝送線路を並列に接続する必要があり、占有面積の増大につながる。なお、図11の構成においては、容量156の耐圧も考慮する必要がある。図13では、耐圧を考慮し、容量156よりも端子部151に近い点に新たな伝送線路160が接続されている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、保護回路において、寄生容量による性能劣化を抑制し、占有面積を増加させることなく保護機能を向上することである。また、他の目的は、保護回路において、信号経路に直列接続する容量を用いることなく、端子部の電位と電子回路のバイアス電位とを切り離すことにある。
本発明の保護回路は、電子回路の端子部と前記電子回路の入力または出力との間に設けた、磁気結合される複数のインダクタを有するトランスフォーマを備え、前記トランスフォーマの端子側インダクタは、一端が前記端子部に接続され、他端が接地され、前記トランスフォーマの回路側インダクタは、一端が前記電子回路の入力または出力に接続され、他端が前記電子回路のバイアス電源回路に接続される。
また、本発明の保護回路は、電子回路の端子部と前記電子回路の入力または出力との間に、磁気結合される複数のインダクタを有するトランスフォーマを備え、前記トランスフォーマの端子側インダクタは、一端が前記端子部に接続され、他端が接地され、前記電子回路は差動構成の回路であり、前記トランスフォーマの回路側インダクタは、中点端子を有し、一端が前記差動構成の一方の電子回路の入力または出力に接続され、他端が前記差動構成の他方の電子回路の入力または出力に接続され、前記中点端子が前記電子回路のバイアス電源回路に接続される。
上記構成により、トランスフォーマの端子側インダクタと回路側インダクタとの間は、磁気結合により信号が伝送されるが、DC的には絶縁されているので、切り離される。このため、電子回路の端子部及び外部と電子回路の入出力とのDC電位が分離され、信号経路に直列接続する容量を用いることなく、端子部の電位と電子回路のバイアス電位とを切り離しできる。また、静電気放電により発生する信号帯域よりも低い周波数の信号に対してインピーダンスを低くでき、静電気放電信号をトランスフォーマの端子側インダクタの他端より接地点に流し、電子回路側に入力されることが防がれる。
本発明によれば、保護回路において、寄生容量による性能劣化を抑制し、占有面積を増加させることなく保護機能を向上できる。また、保護回路において、信号経路に直列接続する容量を用いることなく、端子部の電位と電子回路のバイアス電位とを切り離しできる。
本発明の第1の実施形態に係る保護回路を設けた無線回路の構成を示す図 本実施形態のトランスフォーマ11をIC上に作成した構造例を示した図であり、(a)は上面図、(b)は(a)のA−A線断面図 図1の構成に対してESD耐性の強化を施した第1変形例の無線回路を示す図 図1に示した無線回路に適用するオンチップ回路の具体例を示す図であり、(a)は受信回路に適用した構成例を、(b)は送信回路に適用した構成例をそれぞれ示す図 図3に示した無線回路に適用するオンチップ回路の具体例を示す図であり、(a)は受信回路に適用した構成例を、(b)は送信回路に適用した構成例をそれぞれ示す図 図3の構成に対して端子部側にESDダイオード回路を設けた第2変形例の無線回路を示す図 本実施形態に用いるバイアス電源回路の一例を示す図 図3の構成に対して整合回路素子を設けた第3変形例の無線回路を示す図 本発明の第2の実施形態に係る保護回路を設けた無線回路の構成を示す図 無線回路の受信ブロックの高周波信号入力部にESD保護回路を設けた構成例を示す回路図 特許文献1に記載されたESD保護回路の第1例を示す回路図 特許文献1に記載されたESD保護回路の第2例を示す回路図 耐圧を考慮した従来のESD保護回路の例を示す図
以下の実施形態では、本発明を適用する電子回路の一例として、無線ICにおいて回路を形成するオンチップ回路を用いる構成例を示す。オンチップ回路としては、例えば低雑音増幅器、電力増幅器のいずれかを含む回路を想定する。回路に対して入出力する信号としては、数十GHzのミリ波信号を想定する。オンチップ回路の入力部または出力部において、本発明の実施形態に係る保護回路が設けられる。
本実施形態では、オンチップ回路の入出力整合回路として、トランスフォーマを用いる。トランスフォーマは、オンチップ回路の入力または出力の端子部(パッド)周辺の回路に接続されて設けられる。トランスフォーマにおいて、互いに絶縁され磁気結合する二つのインダクタの機能を利用する。
オンチップ回路としては、例えば、受信部の入力部に設けられる低雑音増幅器、送信部の出力部に設けられる電力増幅器を想定する。トランスフォーマの端子部側インダクタにより、端子部と接地点あるいはESD保護回路(ESDダイオード回路)とを接続する。また、トランスフォーマの回路側インダクタ(オンチップ回路側インダクタ)により、オンチップ回路の入力または出力とバイアス電源回路とを接続する。
これにより、DC電位切り離し用の容量素子を用いずに、入力または出力の端子部の電位とオンチップ回路のバイアス電位との切り離しができる。また、トランスフォーマを形成するインダクタ一つ分の占有面積によってESD対策回路を構成でき、ESD耐性の強化においても占有面積の増加を必要としない。
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係る保護回路を設けた無線回路の構成を示す図である。本実施形態の保護回路は、オンチップ回路7の入出力整合回路として、二つのインダクタを有し4つの端子を持つトランスフォーマ11を備える。なお、トランスフォーマ11は、互いに絶縁され磁気結合する2つのインダクタを含めば、2巻線に限らず、例えば、回路構成、実装可能な占有面積の状況により、使用可能であれば3巻線以上としてもよい。
トランスフォーマ11の端子11aには無線ICの端子部(パッド)1、端子11bには接地点、端子11cにはオンチップ回路7の入力または出力、端子11dにはバイアス電源回路18がそれぞれ接続されている。
トランスフォーマ11の端子側インダクタ11fと回路側インダクタ(オンチップ回路側インダクタ)11gとの間は、磁気結合により信号が伝送されており、DC的には絶縁され、切り離されている。このため、端子部1とオンチップ回路7の入力または出力とには、異なるDC電位を与えられる。
周波数が数十GHzであるミリ波帯においては、トランスフォーマ11のインピーダンスは十分大きく、磁気結合により端子部1からオンチップ回路7に信号が伝送される。一方、ミリ波帯より低い周波数では、トランスフォーマ11のインピーダンスが小さくなり、トランスフォーマ11の端子11aと端子11b、および端子11cと端子11dがショートした場合と同様の特性を示す。これにより、静電気放電により発生する大振幅の低周波信号は、トランスフォーマ11の端子11bに接続された接地点に流れ込み、オンチップ回路7への伝送を防止できる。
図2は本実施形態のトランスフォーマ11をIC上に作成した構造例を示した図であり、(a)は上面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。半導体基板上には、略八角形の環状の配線層によって端子側インダクタ11fが形成されている。端子側インダクタ11fの端部には、端子11a、11bが形成される。また、端子側インダクタ11fの内側(環の中心側)には、同様に略八角形の環状の配線層によって回路側インダクタ11gが形成されている。
端子側インダクタ11fと回路側インダクタ11gとは同一面の層において形成される。回路側インダクタ11gの端部は、端子側インダクタ11fを迂回し、接続導体を介して配線層11hの一端と接続され、配線層11hの他端が接続導体を介して端子11c、11dと接続される。
図2(a)、(b)では、トランスフォーマ11は、二つのインダクタ配線が同一面の層において重ねて配置されており、インダクタ一つと同等の占有面積によって作成できる。一方、図11および図12にて示した従来例の回路構成において必要となる伝送線路は、一つにつきインダクタ一つと同等の面積が必要となる。従って、図1に示される本実施形態の回路は、図11で示される従来例の回路のおよそ1/2の占有面積によって同等の機能を実現できる。
本実施形態では、トランスフォーマを用いることによって、IC外部とオンチップ回路の入出力とのDC電位を分離できるので、信号経路に直列接続する容量を用いることなく、端子部の電位とオンチップ回路のバイアス電位とを切り離しできる。また、トランスフォーマによって、容量を設けることなく、静電気放電により発生する信号帯域よりも低い周波数の信号に対してインピーダンスを低くでき、静電気放電信号をグランドに流してオンチップ回路に入力することを防止できる。
本実施形態におけるトランスフォーマを用いる構成では、ESD保護および外部とのDC電位分離のために容量素子が必須ではないので、寄生容量による性能劣化を抑制でき、占有面積を増加させることなく静電気放電への耐性を強化し、保護機能を向上できる。また、ESD保護のために伝送線路も必須ではないので、電子回路の性能劣化を抑制でき、占有面積を削減できる。電子回路として低雑音増幅器を用いる場合は、DC電位分離用の容量を除くことにより、低雑音増幅器の利得及び雑音性能が改善できる。
図3は、図1の構成に対してESD耐性の強化を施した第1変形例の無線回路を示す図である。第1変形例では、トランスフォーマ11の端子11dとバイアス電源回路18との間に、ESD保護回路としてのESDダイオード回路3、抵抗9が接続され、端子11dとESDダイオード回路3との接続点にAC接地用容量8の一端が接続され、AC接地用容量8の他端が接地されている。
ESDダイオード回路3は、二つのダイオード3a、3bが直列接続され、一方のダイオード3aのカソードが電源に接続され、他方のダイオード3bのアノードが接地されている。静電気放電により入力信号が正側に変化すると、ダイオード3aがON状態になり、ダイオード3aに電流が流れて電源電圧以上になることを防ぐ。また、入力信号が負側に変化すると、ダイオード3bがON状態になり、ダイオード3bに電流が流れて接地電位以下になることを防ぐ。
図13に示した従来例においては、容量156の耐圧が低いため、伝送線路155に対してESD対策用の回路を挿入することは困難であった。これに対し本実施形態のトランスフォーマ11の耐圧は十分に大きい。よって、端子11dにESDダイオード回路3を接続することにより、静電気放電により発生する大振幅の低周波信号がオンチップ回路7に入力されることを防止でき、信号振幅抑制の効果が得られる。
また、回路構成の追加、例えば、新たに線路の追加は必要ないため、図1に示した本実施形態の回路とほぼ同等の占有面積によって、ESD耐性の強化を実現している。同等のESD耐性を持つと考えられる図13の回路構成と比較すると、占有面積をおよそ1/3に減少できる。
なお、本実施形態は、受信回路、送信回路いずれにも適用することが可能である。図4は、図1に示した無線回路に適用するオンチップ回路の具体例を示す図であり、(a)は受信回路に適用した構成例を、(b)は送信回路に適用した構成例をそれぞれ示す図である。
図4(a)に示す受信回路の構成では、オンチップ回路7として低雑音増幅器2が設けられる。トランスフォーマ11の端子11cには、低雑音増幅器2の入力が接続される。図4(b)に示す送信回路の構成では、オンチップ回路7として電力増幅器(Power Amplifier,PA)16が設けられる。トランスフォーマ11の端子11cには、電力増幅器16の出力が接続される。
図5は、図3に示した無線回路に適用するオンチップ回路の具体例を示す図であり、(a)は受信回路に適用した構成例を、(b)は送信回路に適用した構成例をそれぞれ示す図である。
図5(a)に示す受信回路の構成では、オンチップ回路7として低雑音増幅器2が設けられる。トランスフォーマ11の端子11cには、低雑音増幅器2の入力が接続される。図5(b)に示す送信回路の構成では、オンチップ回路7として電力増幅器16が設けられる。トランスフォーマ11の端子11cには、電力増幅器16の出力が接続される。
なお、本実施形態の構成は、受信回路、および、送信回路において、効果が得られる。また、送信回路にESD耐性の強化を施す場合には、バイアス電源回路18からオンチップ回路7に向けて電流が流れるため、電圧降下を抑制するためには、図3の抵抗9は挿入を省略できる。
図6は、図3の構成に対して端子部側にESDダイオード回路を設けた第2変形例の無線回路を示す図である。
端子部1が接地電位以外を有する場合には、図6のように、端子部1側にESD耐性の強化を施してもよい。第2変形例では、トランスフォーマ11の端子11bにESDダイオード回路3が接続され、端子11bとESDダイオード回路3との接続点にAC接地用容量8の一端が接続され、AC接地用容量8の他端が接地されている。これにより、ESD耐性をさらに強化できる。
図7は本実施形態に用いるバイアス電源回路の一例を示す図であり、図3の構成に適用した例を示している。バイアス電源回路18は、トランジスタ12を有している。トランジスタ12のゲートとドレインがバイアス電源端子19に接続され、ソースが接地される。ドレインからソースに向けて基準電流Irを流すことで、所望のDC電位をバイアス電源端子19に発生できる。バイアス電源回路18は、回路の温度特性に応じて、周囲の温度変化に基づきバイアス電位を調整する。
これにより、バイアス電源端子19から抵抗9、ESDダイオード回路3を介して、トランスフォーマ11の端子11dに所定のバイアス電圧が印加される。トランジスタ12によるバイアス回路を用い、例えば、温度によりトランジスタの性能に変化があった場合にも、DC電位を与えることによって、オンチップ回路7の特性の変化を抑制できる。
図8は、図3の構成に対して整合回路素子を設けた第3変形例の無線回路を示す図である。
トランスフォーマ11によってIC外部とオンチップ回路の入力または出力とのインピーダンスを整合することが困難な場合には、図8のように、整合回路素子を設けてもよい。第3変形例では、端子部1とトランスフォーマ11の端子11aとの間、およびオンチップ回路7とトランスフォーマ11の端子11cとの間に、伝送線路13が接続される。また、トランスフォーマ11の端子11aと11bとの間、および端子11cと11dとの間に、容量14が接続される。
これにより、IC外部とオンチップ回路との間のインピーダンスを容易に整合できる。ただし、トランスフォーマ11によってインピーダンスが整合できる状態では、整合回路素子の追加は、信号伝送特性を劣化させる恐れがある。
(第2の実施形態)
図9は本発明の第2の実施形態に係る保護回路を設けた無線回路の構成を示す図である。第1の実施形態においてはシングル構成のオンチップ回路を想定していたが、差動構成のオンチップ回路に対しても適用できる。第2の実施形態では差動構成の例を示す。
第2の実施形態の保護回路は、オンチップ回路側に中点端子15eを有する5端子のトランスフォーマ15を備える。トランスフォーマ15の端子15aには無線ICの端子部(パッド)1、端子15bには接地点、端子15cには第1のオンチップ回路7aの入力または出力、端子15dには第2のオンチップ回路7bの入力または出力がそれぞれ接続されている。
また、中点端子15eには、ESDダイオード回路3、抵抗9を介して、バイアス電源回路18が接続され、中点端子15eとESDダイオード回路3との接続点にAC接地用容量8の一端が接続され、AC接地用容量8の他端が接地されている。トランスフォーマ15の端子側インダクタ15fと回路側インダクタ15gとの間は、磁気結合により信号が伝送されるが、DC的には、絶縁されているので、切り離されている。
トランスフォーマ15の回路側インダクタ15gの両端の端子15cと端子15dとには、互いに位相が反転した信号が伝送される。すなわち、端子15c、15dにそれぞれ接続される第1のオンチップ回路7aと第2のオンチップ回路7bには、正負が逆転した信号が伝送される。また、中点端子15eとバイアス電源回路18との間にESDダイオード回路3を挿入することで、ESD耐性を強化できる。
差動構成においても、トランスフォーマを用いた保護回路を適用できるので、第1の実施形態と同様、寄生容量による性能劣化を抑制でき、占有面積を増加させることなく静電気放電への耐性を強化し、保護機能を向上できる。
なお、本発明は、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が様々な変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
本発明は、保護回路において、寄生容量による性能劣化を抑制し、占有面積を増加させることなく保護機能を向上できる効果、信号経路に直列接続する容量を用いることなく、端子部の電位と電子回路のバイアス電位とを切り離しできる効果を有する。本発明は、電子回路に設ける保護回路、例えば高周波信号を入力する電子回路において、静電気放電を含む外乱による回路の破壊を防ぐための保護回路等として有用である。
1 端子部(パッド)
2 低雑音増幅器
3 ESDダイオード回路
7、7a、7b オンチップ回路
8 AC接地用容量
9 抵抗
11、15 トランスフォーマ
11a、11b、11c、11d、15a、15b、15c、15d 端子
11f、15f 端子側インダクタ
11g、15g 回路側インダクタ
11h 配線層
12 トランジスタ
13 伝送線路
14 容量
15e 中点端子
16 電力増幅器
18 バイアス電源回路
19 バイアス電源端子

Claims (5)

  1. 電子回路の端子部と前記電子回路の入力または出力との間に設けた、磁気結合される複数のインダクタを有するトランスフォーマを備え、
    前記トランスフォーマの端子側インダクタは、一端が前記端子部に接続され、他端が接地され、
    前記トランスフォーマの回路側インダクタは、一端が前記電子回路の入力または出力に接続され、他端が前記電子回路のバイアス電源回路に接続され
    前記回路側インダクタの他端と前記バイアス電源回路との間に、ダイオードを直列接続して一端を電源に接続し、他端を接地したESD保護回路を設けた、保護回路。
  2. 電子回路の端子部と前記電子回路の入力または出力との間に、磁気結合される複数のインダクタを有するトランスフォーマを備え、
    前記トランスフォーマの端子側インダクタは、一端が前記端子部に接続され、他端が接地され、
    前記電子回路は差動構成の回路であり、
    前記トランスフォーマの回路側インダクタは、中点端子を有し、一端が前記差動構成の一方の電子回路の入力または出力に接続され、他端が前記差動構成の他方の電子回路の入力または出力に接続され、前記中点端子が前記電子回路のバイアス電源回路に接続され
    前記回路側インダクタの他端と前記バイアス電源回路との間に、ダイオードを直列接続して一端を電源に接続し、他端を接地したESD保護回路を設けた、保護回路。
  3. 請求項1又は2に記載の保護回路であって、
    前記端子側インダクタの他端と接地用グランドとの間に、前記ESD保護回路を設け、前記直列接続したダイオード間の接続点を、容量を介して接地した、保護回路。
  4. 請求項1からのいずれか一項に記載の保護回路であって、
    前記電子回路は無線装置の受信部に設けられる低雑音増幅器であり、
    前記トランスフォーマは、前記端子部と前記低雑音増幅器の入力との間に設けられる、保護回路。
  5. 請求項1からのいずれか一項に記載の保護回路であって、
    前記電子回路は無線装置の送信部に設けられる電力増幅器であり、
    前記トランスフォーマは、前記端子部と前記電力増幅器の出力との間に設けられる、保護回路。
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