JP6996934B2 - 高周波スイッチ装置 - Google Patents
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Description
このような半導体スイッチ素子が多段直列接続された高周波スイッチを有する高周波スイッチ装置の従来回路例について、図13乃至図16を参照しつつ説明する。
この高周波スイッチ装置は、SPDTスイッチの場合の構成例であり、高周波回路部100Aと制御回路部200Aとに大別されて構成されている(図13参照)。
高周波パススイッチ回路8A-1,8A-2は、複数のFETが直列接続されて構成されている。
正電圧電源回路1Aは、高周波スイッチを導通状態にするための正の電圧VON及びデコーダ3A、レベルシフトバッファ回路5A-1,5A-2の電源電圧VHを出力する。電圧VONとVHは、同じ電圧でも良い。
負電圧電源回路2Aは、高周波スイッチを遮断状態にするための負の電圧VOFFを出力する。
また、レベルシフトバッファ回路5A-2の入力信号vc2cは、PC-P2経路の高周波パススイッチ回路8A-2を遮断状態とするため論理値Lowに相当する電圧レベルとなっている(図15(A)及び図15(C)参照)。
この際の充電経路は、図16に点線で示されたように、負電圧電源回路回路2Aの出力コンデンサ6Aからレベルシフトバッファ回路5A-1を通る経路iss0となる。
この際の充電経路は、図16に点線で示されたように、正電源電圧1Aからレベルシフトバッファ回路5A-2を通る経路idd0となる。
しかしながら、半導体チップの制約上、必要とされるだけの大きな容量値を確保することは現実的には困難なため、実際には、半導体チップの制約の範囲で実現可能な値を選択せざる得ない。
複数の半導体スイッチ素子が直列接続されてなる高周波パススイッチ回路を有し、一つの高周波入出力共通端子と、所要数設けられた高周波入出力個別端子との間に、前記高周波パススイッチ回路がそれぞれ設けられ、前記高周波パススイッチ回路の動作を制御する制御信号を生成、出力する制御回路部を有してなる高周波スイッチ装置において、
前記制御回路部は、
外部から印加される電源入力電圧を基に正の電圧を生成、出力する正電圧電源回路と、
外部から印加される電源入力電圧を基に負の電圧を生成、出力する負電圧電源回路と、
外部から入力される制御信号をデコードして前記高周波パススイッチ回路の設置数に対応した複数の第一制御信号を生成、出力するデコーダ回路と、
論理値Lowに相当する電圧レベルから論理値Highに相当する電圧レベルへの入力信号の立ち上がりに対して第1の遅延時間の遅延を施して出力する一方、前記入力信号の論理値Highに相当する電圧レベルから論理値Lowに相当する電圧レベルへの立ち下がりに対して前記第1の遅延時間より長い第2の遅延時間の遅延を施して出力するよう構成されてなり、前記高周波パススイッチ回路に対応してそれぞれ設けられたタイミング調整回路と、
前記タイミング調整回路に対応してそれぞれ設けられ、対応する前記タイミング調整回路の出力信号が入力されるレベルシフトバッファ回路と、を具備し、
前記デコーダ回路から出力される複数の第一制御信号は、前記高周波パススイッチ回路の内、所望の高周波パススイッチ回路を導通状態とするべく論理値Highに相当する電圧レベルとされた一方の第一制御信号と、前記導通状態とされる高周波パススイッチ回路を除く残余の前記高周波パススイッチ回路を非導通状態とすべく論理値Lowに相当する電圧レベルとされた他方の第一制御信号とに区分され、
前記タイミング調整回路の内、前記一方の第一制御信号が入力されたタイミング調整回路は、前記一方の第一制御信号に前記遅延を施して一方の第二制御信号として出力する一方、前記他方の第一制御信号が入力されたタイミング調整回路は、前記他方の第一制御信号に前記遅延を施して他方の第二制御信号として出力し、
前記レベルシフトバッファ回路は、論理値Lowに相当する電圧レベルの前記第二制御信号が入力された場合に、前記負電圧電源回路で生成された負電圧を出力する一方、論理値Highに相当する電圧レベルの前記第二制御信号が入力された場合に、前記正電圧電源回路で生成された正電圧を出力するよう構成されると共に、前記レベルシフトバッファ回路の各々の出力と対地との間には、それぞれデカップリングコンデンサが接続され、
前記高周波パススイッチ回路は、それぞれ、前記複数の半導体スイッチ素子としての複数の電界効果型トランジスタが直列接続されて構成されてなり、前記複数の電界効果型トランジスタの各々のゲートは、それぞれゲート抵抗器を介して、対応する前記レベルシフトバッファ回路の出力に接続され、
前記高周波パススイッチ回路の内、導通状態にある高周波パススイッチ回路が、導通状態から非導通状態へ、残余の前記高周波パススイッチ回路の内、所要の高周波パススイッチ回路が新たに非導通状態から導通状態とされる場合、前記デコーダ回路へ入力される制御信号の論理の切り替えにより、前記一方の第一制御信号は、論理値Highから論理値Lowとされ、次いで、前記タイミング調整回路において前記制御信号の論理値の切り替え時から前記第1の遅延時間遅れて論理値Highから論理値Lowとされて第二制御信号として前記レベルシフトバッファ回路を介して前記導通状態から非導通状態とされる高周波パススイッチ回路へ入力される一方、前記他方の第一制御信号の内、前記制御信号の論理の切り替えにより、論理値Lowから論理値Highとされた第一制御信号は、前記タイミング調整回路において前記制御信号の論理値の切り替え時から前記第2の遅延時間遅れて論理値Lowから論理値Highとされて第二制御信号として前記レベルシフトバッファ回路を介して前記新たに導通状態とされる前記高周波パススイッチ回路に入力され、
前記第1の遅延時間と前記第2の遅延時間は、前記第1の遅延時間遅れて論理値Highから論理値Lowとなる前記第二制御信号と、前記第2の遅延時間遅れて論理値Lowから論理値Highとなる第二制御信号とが共に論理値Lowとなる期間が生じて前記高周波パススイッチ回路を全て非導通状態とできる値に設定され、前記導通状態から非導通状態となる前記高周波パススイッチ回路においては、導通状態から非導通状態となる際に、当該高周波パススイッチ回路のゲート容量が、第1の経路と第2の経路の2つの経路により負電圧に充電され、
前記第1の経路は、前記負電圧電源回路の出力とグランドとの間に接続されて設けられた出力コンデンサから、前記導通状態から非導通状態となる高周波パススイッチ回路に接続された前記レベルシフトバッファ回路を介して充電電流が流入する経路であり、
前記第2の経路は、前記新たに導通状態とされる高周波パススイッチ回路及び非導通状態を継続する高周波パススイッチ回路のゲート容量と、これらの高周波パススイッチ回路に接続された前記レベルシフトバッファ回路の出力に接続された前記デカップリングコンデンサとから、前記新たに導通状態とされる高周波パススイッチ回路及び非導通状態を継続する高周波パススイッチ回路に接続された前記レベルシフトバッファ回路と、前記導通状態から非導通状態とされる前記高周波パススイッチ回路に接続された前記レベルシフトバッファ回路を介する経路から充電電流が流入する経路であり、
前記2つの経路を介した充電により前記高周波パススイッチ回路の導通状態から非導通状態への短時間での切り替えを可能としてなるものである。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、第1の回路構成例について、図1を参照しつつ説明する。
図1における回路構成例は、SPDTスイッチの場合の構成例であり、本発明の実施の形態における高周波スイッチ装置は、高周波回路部100と制御回路部200とに大別されて構成されたものとなっている。
高周波パススイッチ回路8-1,8-2は、半導体スイッチ素子として、k個のFET(電界効果型トランジスタ)21-1~21-kが直列接続されて構成されたものとなっている。
すなわち、近年、無線通信機器などで使用される高周波スイッチICの場合、その取り扱う高周波信号の電圧振幅は数10Vのピーク電圧に達している。
一方で、スイッチFETは、微細プロセスを用いて製造されているため、その動作耐圧は2.5V程度であり、1つのスイッチFETだけで高周波スイッチICに要求される耐電圧を満足することができない。そのため、複数直列接続することで所望の耐電圧を確保するためである。
かかる正電圧電源回路1の出力電圧は、レベルシフトバッファ回路5-1,5-2の正電圧入力端子に印加されるようになっている。なお、正電圧電源回路1はデコーダ回路3の正電源として用いても良い。
かかる負電圧電源回路2は、良く知られているように、例えば、発振回路9とチャージポンプ回路10を用いて実現される。
かかる負電圧電源回路2の出力電圧は、レベルシフトバッファ回路5-1,5-2の負電圧入力端子に印加されるようになっている。
デコーダ回路3から出力された複数の第一制御信号は、それぞれタイミング調整回路4-1,4-2へ入力される。なお、この第1の回路構成例におけるデコーダ回路3は、2つの第一制御信号vc1a、vc2aを生成、出力するものとなっている。
タイミング調整回路4-1,4-2から出力された第二制御信号は、それぞれレベルシフトバッファ回路5-1,5-2へ入力される。
タイミング調整回路4-1,4-2は、いずれも、FET41と、2つのバッファ素子42-1,42-2と、一つの反転素子43と、抵抗器44と、コンデンサ45とを有して構成されたものとなっている。
また、抵抗器44と第2のバッファ素子42-2の入力端子の接続点とグランドとの間には、コンデンサ45が接続されている。
入力信号vin1が論理値Lowに相当する電圧レベルVLから論理値Highに相当する電圧レベルVHに遷移する際、出力信号vout1は時間Trdだけ遅延して第2のバッファ素子42-2から出力される(図4(A)及び図4(B)参照)。
すなわち、この第1の回路構成例にあっては、Trd>Tfdとなるように回路定数が設定される。
レベルシフトバッファ回路5-1,5-2は、論理値Lowに相当する電圧レベルVLの信号が入力されると、負電圧電源回路2で生成された負電圧VOFFを出力する(図5(A)及び図5(B)参照)一方、論理値Highに相当する電圧レベルVHの信号が入力されると、正電圧電源回路1で生成された正電圧VONを出力する(図5(A)及び図5(B)参照)。
デカップリングコンデンサ7-1,7-2は、レベルシフトバッファ回路5-1,5-2の出力において対地に対して接続されている。
このデカップリングコンデンサ7-1,7-2は、高周波回路部100と制御回路部200を電気的に分離するために設けられている。
以下、初期状態である状態Iから状態III(図7参照)へ遷移する際の回路動作について説明する。
ここで、状態Iは、高周波入出力共通端子31と第1の高周波入出力個別端子32-1間の経路が導通し、高周波入出力共通端子31と第2の高周波入出力個別端子32-2間の経路が遮断した状態と定義する(図7参照)。
また、状態IIIは、高周波入出力共通端子31と第1の高周波入出力個別端子32-1間の経路が遮断し、高周波入出力共通端子31と第2の高周波入出力個別端子32-2間の経路が導通した状態であると定義する(図7参照)。
また、レベルシフトバッファ回路5-2の入力信号vc2bは、高周波入出力共通端子31と第2の高周波入出力個別端子32-2間の経路の高周波パススイッチ回路8-2を遮断状態とするため論理値Lowに相当する電圧レベルとなっている(図6(A)及び図6(C)参照)。
一方、第一制御信号vc2aはタイミング調整回路4-2に入力され、時間Trdの遅延が施された後、第二制御信号vc2bとして出力され(図6(A)及び図6(C)参照)、レベルシフトバッファ回路5-2に入力される。
すなわち、高周波パススイッチ回路8-1,8-2の経路切り替えは、図7に示されたように、従来と異なり、状態Iから状態IIを経由して状態IIIへ、又は、状態IIIから状態IIを経由して状態Iへ至るものとなっている。
一方、第二制御信号vc1bのレベルは、論理値Highに相当するレベルから論理値Lowに相当するレベルへ遷移するため、レベルシフトバッファ回路5-1においては、正電圧(VON)から負電圧(VOFF)へ出力切替が行われる。
その結果、高周波パススイッチ回路8-1のFETのゲート容量は、ハイレベル(VON)からローレベル(VOFF)に充電されることとなる。
したがって、本発明の実施の形態における高周波スイッチ装置においては、上述のように、2つの経路iss0、経路iss2によって高周波パススイッチ回路8-1のゲート容量の充電が行われるため、従来回路に比してより早く短時間での充電が可能となる。
この場合、充電経路は、図9に示されたように、正電圧電源回路1からレベルシフトバッファ回路5-2を通る経路idd0となる。
このように、本発明の実施の形態における高周波スイッチ装置においては、従来回路に比して、高周波パススイッチ回路8-1,8-2の経路切り替えが確実に高速で行われるものとなっている。
図10において、本発明の実施の形態における高周波スイッチ装置のシミュレーション結果が実線で、従来回路(図13参照)のシュミレーション結果が点線で、それぞれ表されている。
先の第1の回路構成例は2つの高周波パススイッチ回路8-1,8-2を有する構成のものであったのに対して、第2の回路構成例は、1つの高周波パススイッチ回路8とし、新たに高周波シャントスイッチ回路13を付加した構成を有するものである。
高周波パススイッチ回路8は、先に図2に示された回路構成と同一であるので、ここでの再度の詳細な説明は省略する。
かかる高周波シャントスイッチ回路13は、複数のFET(図12においては、「S11」、「S12」、「S13」・・・「S1k」と表記)24-1~24-kが直接接続されて設けられている。
このように、高周波パススイッチ回路8と高周波シャントスイッチ回路13は、逆論理で動作するものとなっている。
2…負電圧電源回路
3…デコーダ回路
4-1,4-2…タイミング調整回路
5-1,5-2…レベルシフトバッファ回路
6…出力コンデンサ
7-1,7-2…デカップリングコンデンサ
8-1,8-2…高周波パススイッチ回路
100…高周波回路部
200…制御回路部
Claims (2)
- 複数の半導体スイッチ素子が直列接続されてなる高周波パススイッチ回路を有し、一つの高周波入出力共通端子と、所要数設けられた高周波入出力個別端子との間に、前記高周波パススイッチ回路がそれぞれ設けられ、前記高周波パススイッチ回路の動作を制御する制御信号を生成、出力する制御回路部を有してなる高周波スイッチ装置において、
前記制御回路部は、
外部から印加される電源入力電圧を基に正の電圧を生成、出力する正電圧電源回路と、
外部から印加される電源入力電圧を基に負の電圧を生成、出力する負電圧電源回路と、
外部から入力される制御信号をデコードして前記高周波パススイッチ回路の設置数に対応した複数の第一制御信号を生成、出力するデコーダ回路と、
論理値Lowに相当する電圧レベルから論理値Highに相当する電圧レベルへの入力信号の立ち上がりに対して第1の遅延時間の遅延を施して出力する一方、前記入力信号の論理値Highに相当する電圧レベルから論理値Lowに相当する電圧レベルへの立ち下がりに対して前記第1の遅延時間より長い第2の遅延時間の遅延を施して出力するよう構成されてなり、前記高周波パススイッチ回路に対応してそれぞれ設けられたタイミング調整回路と、
前記タイミング調整回路に対応してそれぞれ設けられ、対応する前記タイミング調整回路の出力信号が入力されるレベルシフトバッファ回路と、を具備し、
前記デコーダ回路から出力される複数の第一制御信号は、前記高周波パススイッチ回路の内、所望の高周波パススイッチ回路を導通状態とするべく論理値Highに相当する電圧レベルとされた一方の第一制御信号と、前記導通状態とされる高周波パススイッチ回路を除く残余の前記高周波パススイッチ回路を非導通状態とすべく論理値Lowに相当する電圧レベルとされた他方の第一制御信号とに区分され、
前記タイミング調整回路の内、前記一方の第一制御信号が入力されたタイミング調整回路は、前記一方の第一制御信号に前記遅延を施して一方の第二制御信号として出力する一方、前記他方の第一制御信号が入力されたタイミング調整回路は、前記他方の第一制御信号に前記遅延を施して他方の第二制御信号として出力し、
前記レベルシフトバッファ回路は、論理値Lowに相当する電圧レベルの前記第二制御信号が入力された場合に、前記負電圧電源回路で生成された負電圧を出力する一方、論理値Highに相当する電圧レベルの前記第二制御信号が入力された場合に、前記正電圧電源回路で生成された正電圧を出力するよう構成されると共に、前記レベルシフトバッファ回路の各々の出力と対地との間には、それぞれデカップリングコンデンサが接続され、
前記高周波パススイッチ回路は、それぞれ、前記複数の半導体スイッチ素子としての複数の電界効果型トランジスタが直列接続されて構成されてなり、前記複数の電界効果型トランジスタの各々のゲートは、それぞれゲート抵抗器を介して、対応する前記レベルシフトバッファ回路の出力に接続され、
前記高周波パススイッチ回路の内、導通状態にある高周波パススイッチ回路が、導通状態から非導通状態へ、残余の前記高周波パススイッチ回路の内、所要の高周波パススイッチ回路が新たに非導通状態から導通状態とされる場合、前記デコーダ回路へ入力される制御信号の論理の切り替えにより、前記一方の第一制御信号は、論理値Highから論理値Lowとされ、次いで、前記タイミング調整回路において前記制御信号の論理値の切り替え時から前記第1の遅延時間遅れて論理値Highから論理値Lowとされて第二制御信号として前記レベルシフトバッファ回路を介して前記導通状態から非導通状態とされる高周波パススイッチ回路へ入力される一方、前記他方の第一制御信号の内、前記制御信号の論理の切り替えにより、論理値Lowから論理値Highとされた第一制御信号は、前記タイミング調整回路において前記制御信号の論理値の切り替え時から前記第2の遅延時間遅れて論理値Lowから論理値Highとされて第二制御信号として前記レベルシフトバッファ回路を介して前記新たに導通状態とされる前記高周波パススイッチ回路に入力され、
前記第1の遅延時間と前記第2の遅延時間は、前記第1の遅延時間遅れて論理値Highから論理値Lowとなる前記第二制御信号と、前記第2の遅延時間遅れて論理値Lowから論理値Highとなる第二制御信号とが共に論理値Lowとなる期間が生じて前記高周波パススイッチ回路を全て非導通状態とできる値に設定され、前記導通状態から非導通状態となる前記高周波パススイッチ回路においては、導通状態から非導通状態となる際に、当該高周波パススイッチ回路のゲート容量が、第1の経路と第2の経路の2つの経路により負電圧に充電され、
前記第1の経路は、前記負電圧電源回路の出力とグランドとの間に接続されて設けられた出力コンデンサから、前記導通状態から非導通状態となる高周波パススイッチ回路に接続された前記レベルシフトバッファ回路を介して充電電流が流入する経路であり、
前記第2の経路は、前記新たに導通状態とされる高周波パススイッチ回路及び非導通状態を継続する高周波パススイッチ回路のゲート容量と、これらの高周波パススイッチ回路に接続された前記レベルシフトバッファ回路の出力に接続された前記デカップリングコンデンサとから、前記新たに導通状態とされる高周波パススイッチ回路及び非導通状態を継続する高周波パススイッチ回路に接続された前記レベルシフトバッファ回路と、前記導通状態から非導通状態とされる前記高周波パススイッチ回路に接続された前記レベルシフトバッファ回路を介する経路から充電電流が流入する経路であり、
前記2つの経路を介した充電により前記高周波パススイッチ回路の導通状態から非導通状態への短時間での切り替えを可能としてなることを特徴とする高周波スイッチ装置。 - 半導体スイッチ素子を用いてなり、前記高周波パススイッチ回路が非導通状態にある場合に、当該高周波パススイッチ回路の入力段をグランドに接続する高周波シャントスイッチ回路を設け、
前記高周波シャントスイッチ回路には、当該高周波シャントスイッチ回路が接続された前記高周波パススイッチ回路に入力される前記第二制御信号と逆論理の前記デコーダ回路により生成された第一制御信号が、前記高周波パススイッチ回路の動作制御に用いられる前記タイミング調整回路及び前記レベルシフトバッファ回路と同一構成のタイミング調整回路及びレベルシフトバッファ回路を介して入力されて動作制御されることで、
前記高周波シャントスイッチ回路が導通状態から非導通状態へ、当該高周波シャントスイッチ回路が接続された前記高周波パススイッチ回路が非導通状態から導通状態へ、それぞれ切り替わる際に、前記高周波シャントスイッチ回路においては、前記高周波パススイッチ回路を構成する電界効果型トランジスタのゲート容量が前記2つの経路により負電圧に充電されると同様に、前記高周波シャントスイッチ回路を構成する前記複数の半導体スイッチ素子としての複数の直列接続されて設けられた電界効果型トランジスタのゲート容量が、2つの経路により負電圧に充電され、前記高周波シャントスイッチ回路の導通状態から非導通状態への短時間での切り替えを可能としてなることを特徴とする請求項1記載の高周波スイッチ装置。
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