JPH11112314A - スイッチ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低電圧駆動で大電力のＲＦ信号のスイッチン
グを扱えるスイッチ回路を提供することを目的とする。 【解決手段】 直流電圧生成手段１０は、高周波信号Ｒ
Ｆから直流電圧Ｖ＋を生成する。スイッチ制御信号生成
手段２０は、高周波信号ＲＦのスイッチングタイミング
にもとづいて、駆動電圧Ｖｄｄと直流電圧Ｖ＋のいずれ
か大きい方の電圧からスイッチ制御信号ＣＴＬを生成す
る。スイッチ手段３０は、スイッチ制御信号ＣＴＬで高
周波信号ＲＦのスイッチングを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスイッチ装置に関
し、特に高周波信号のスイッチングを行うスイッチ装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パーソナル通信が大きく発展して
きており、特にディジタル変調技術を用いた携帯端末で
のディジタル通信が世界規模で盛んになってきている。

【０００３】このような携帯端末では、準マイクロ波帯
の高周波信号を用いる場合が多く、携帯であるがゆえに
低電圧で高周波信号を切り替えるスイッチ回路の実現が
望まれている。

【０００４】スイッチ回路としては、扱う信号がＧＨｚ
帯に及ぶため、高周波特性に優れたＧａＡｓＦＥＴを用
いたスイッチ用ＦＥＴが使われ始めている。図６はスイ
ッチ回路の基本単位及びその等価回路を示す図である。
スイッチ回路の基本単位であるスイッチ用ＦＥＴ１００
は、ＦＥＴのゲートＧに高抵抗値の抵抗Ｒが接続されて
構成される。

【０００５】このスイッチ用ＦＥＴ１００の等価回路と
しては、オン状態では数Ωの抵抗Ｒｏｎとして表せ、オ
フ状態ではコンデンサＣｇ及びＣｄｓからなる数百ｐＦ
のコンデンサとして表せる。したがって、準マイクロ波
帯のスイッチとしては良好なスイッチング特性を持って
いる。

【０００６】図７はスイッチ用ＦＥＴ１００のゲートバ
イアス状態の模式図である。縦軸に１／Ｚｄｓ（Ｚｄ
ｓ：ドレインＤ−ソースＳ間のインピーダンス）、横軸
にゲート電圧Ｖｇをとって、ゲートバイアスＧｂｓの状
態を示している。

【０００７】スイッチ用ＦＥＴ１００のＺｄｓは、ピン
チオフ電圧Ｖｐ以下のゲートバイアスＧｂｓで十分大き
なインピーダンスとなり、逆にゲートＧのターンオン電
圧Ｖｆ付近で、低インピーダンス状態となる。

【０００８】したがって、図に示すように、オン時には
ターンオン電圧Ｖｆ付近にゲートのオンバイアスＶｇ
（ＯＮ）を、オフ時にはピンチオフ電圧Ｖｐより十分低
い電圧にゲートバイアスＶｇ（ＯＦＦ）を設定する。

【０００９】ここでスイッチ用ＦＥＴ１００が大電力の
ＲＦ信号のスイッチングを扱う場合には、歪みによる信
号劣化の問題が生じてくる。この大電力入力時に発生す
る歪みは、低駆動電圧の携帯端末の場合では、特にスイ
ッチオフの状態時に発生しやすい。

【００１０】すなわち、オフ時のスイッチ用ＦＥＴ１０
０にＲＦ信号が加わると図７に示すように、ゲートバイ
アスＧｂｓ−１がＶｇ（ＯＦＦ）を中心にＲＦ信号にて
変調を受ける。

【００１１】この度合いが大きくなり、ある限界を越え
ると図中にあるように変調を受けたゲートバイアスＧｂ
ｓ−２がＶｐを越え、ついにはＦＥＴはピンチオフ状
態、つまりオフ状態ではなくなってしまうので、ＲＦ信
号の歪みが発生してしまう。

【００１２】一方、オフ状態のスイッチ用ＦＥＴ１００
は、程度の差こそあれ動作時には、ＲＦ変調を受けるこ
とになる。したがって、このような歪み発生の対策とし
て、スイッチ用ＦＥＴを直列多段接続してＲＦ信号の電
圧を分圧し、電力特性を向上させたスイッチ回路があ
る。

【００１３】図８はスイッチ用ＦＥＴを３段用いて構成
したスイッチ回路である。スイッチ用ＦＥＴ１１１〜１
１３から構成されるシリーズ位置のシリーズＦＥＴ１１
０と、スイッチ用ＦＥＴ１２１〜１２３から構成される
シャント位置のシャントＦＥＴ１２０と、をそれぞれオ
ン／オフするとスイッチ回路２００がオンする。

【００１４】また、シリーズＦＥＴ１１０とシャントＦ
ＥＴ１２０とが、それぞれオフ／オンするとスイッチ回
路２００はオフとなる。すなわち、オフのシリーズＦＥ
Ｔ１１０と、オンのシャントＦＥＴ１２０の組み合わせ
により、スイッチ回路２００のオン時のロスを損なわ
ず、スイッチオフ時には大きなアイソレーションが実現
できる。

【００１５】また、図７で示したように低電圧駆動の携
帯端末では、スイッチ回路のスイッチング電力を決める
最大取扱い電力は、オフＦＥＴにもとづいて決定しなけ
ればならない。

【００１６】図９はオン状態のスイッチ回路２００の等
価回路である。等価回路２００ａの信号経路に電圧振幅
がＶｒｆのＲＦ信号が印加されている時、各ゲートＧ−
ドレインＤ間、またはゲートＧ−ソースＳ間にはＶｒｆ
／６の電圧が印加される。

【００１７】この電圧が図７で示したゲートのＲＦ変調
電圧の振幅であるので、これによりシャントＦＥＴ１２
０がピンチオフ状態でなくなれば、つまりＶｒｆ／６＞
Ｖｐ−Ｖｇ（ＯＦＦ）となれば、シャントＦＥＴ１２０
からリーク電力が発生し、損失の増加、歪みの発生が生
じる。

【００１８】一般にｎ段のシリーズ接続のスイッチ回路
の最大取扱い電力であるハンドリングパワーＰｍａｘは
次式で表される。Ｚｏはシステムのインピーダンスであ
る。

【００１９】

【数１】 Ｐｍａｘ＝２（ｎ（Ｖｐ−Ｖｇ（ＯＦＦ））² ／Ｚｏ …（１） したがって、最大取扱い電力を増加させるには、ｎを増
やす、Ｖｐを高く設定する、あるいはＶｇ（ＯＦＦ）を
低く設定すればよいことがわかる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
低電圧駆動が前提の携帯端末では、ｎを増やす場合、単
位ブロックのＦＥＴの段数が増加すればチップの面積が
増加し、コストアップにつながるといった問題があっ
た。

【００２１】また、Ｖｐを高く設定すると、ＦＥＴのオ
ン抵抗が増加し、スイッチロスの増加につながるといっ
た問題があった。さらに、Ｖｇ（ＯＦＦ）を低く設定す
れば、低電圧駆動ができなくなるといった問題があっ
た。

【００２２】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、低電圧駆動で大電力のＲＦ信号のスイッチン
グを扱えるスイッチ回路を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、高周波信号のスイッチングを行うスイッ
チ装置において、前記高周波信号から直流電圧を生成す
る直流電圧生成手段と、前記高周波信号のスイッチング
タイミングにもとづいて、駆動電圧と前記直流電圧のい
ずれか大きい方の電圧からスイッチ制御信号を生成する
スイッチ制御信号生成手段と、前記スイッチ制御信号で
前記高周波信号のスイッチングを行うスイッチ手段と、
を有することを特徴とするスイッチ装置が提供される。

【００２４】ここで、直流電圧生成手段は、高周波信号
から直流電圧を生成する。スイッチ制御信号生成手段
は、高周波信号のスイッチングタイミングにもとづい
て、駆動電圧と直流電圧のいずれか大きい方の電圧から
スイッチ制御信号を生成する。スイッチ手段は、スイッ
チ制御信号で高周波信号のスイッチングを行う。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明のスイッチ装置の原
理図である。本発明のスイッチ装置１は、セルラー電話
に代表される低電圧駆動の携帯端末に内蔵されて、高周
波信号ＲＦのスイッチングを行う。

【００２６】直流電圧生成手段１０は、高周波信号ＲＦ
から直流電圧Ｖ＋を生成する。スイッチ制御信号生成手
段２０は、高周波信号ＲＦのスイッチングタイミングに
もとづいて、駆動電圧Ｖｄｄと直流電圧Ｖ＋のいずれか
大きい方の電圧からスイッチ制御信号ＣＴＬを生成す
る。スイッチ手段３０は、スイッチ制御信号ＣＴＬで高
周波信号ＲＦのスイッチングを行う。

【００２７】また、直流電圧生成手段１０、スイッチ制
御信号生成手段２０及びスイッチ手段３０は、同一半導
体基板上に集積され、この半導体はＧａＡｓ半導体であ
る。なお、駆動電圧Ｖｄｄとは、スイッチ装置１が内蔵
される携帯端末等を駆動する駆動電圧のことである。

【００２８】次に動作について説明する。図２は本発明
のスイッチ装置１の動作手順を示すフローチャートであ
る。 〔Ｓ１〕直流電圧生成手段１０は、高周波信号ＲＦから
直流電圧Ｖ＋を生成する。 〔Ｓ２〕スイッチ制御信号生成手段２０は、高周波信号
ＲＦのスイッチングタイミングにもとづいて、駆動電圧
Ｖｄｄと直流電圧Ｖ＋のいずれか大きい方の電圧からス
イッチ制御信号ＣＴＬを生成する。

【００２９】ここで、スイッチ制御信号ＣＴＬの電圧の
大きさが十分大きくなるように設定すれば、スイッチ手
段３０のハンドリングパワーを大きくできる。 〔Ｓ３〕スイッチ手段３０は、スイッチ制御信号ＣＴＬ
で高周波信号ＲＦのスイッチングを行う。

【００３０】以上説明したように、本発明のスイッチ装
置１は、高周波信号ＲＦから直流電圧Ｖ＋を生成し、駆
動電圧Ｖｄｄと直流電圧Ｖ＋のいずれか大きい方の電圧
からスイッチ制御信号ＣＴＬを生成して高周波信号ＲＦ
のスイッチングを行う構成とした。

【００３１】これにより高周波信号ＲＦの大電力入力時
には、直流電圧Ｖ＋からスイッチ制御信号ＣＴＬを生成
するので、スイッチ手段３０のハンドリングパワーを大
きくできる。したがって、大電力入力時に発生する歪み
を低減させ、低電圧駆動で安定したスイッチング動作を
行うことが可能になる。

【００３２】なお、スイッチ手段３０は、ＧａＡｓＦＥ
Ｔで構成されるので、一般に消費電流は非常に小さく、
したがってスイッチ制御信号生成手段２０からの出力電
流、そして直流電圧生成手段１０からの電流は小さくて
すむ。

【００３３】このため、実際に高周波信号ＲＦから利用
する電力は非常に少なくてすむため、高周波信号ＲＦか
ら直流電圧Ｖ＋を生成する際の高周波信号ＲＦの劣化
は、ごくわずかであり実用上問題はない。

【００３４】次に直流電圧生成手段１０について説明す
る。図３は直流電圧生成手段１０の回路構成の一例を示
す図である。直流電圧生成手段１０は、図のようなＲＦ
−ＤＣ変換回路１０ａで構成される。ＲＦ−ＤＣ変換回
路１０ａは、高周波信号（以降、ＲＦ信号とする）を直
流電圧（ＤＣ電圧）へ変換する。

【００３５】ＲＦ−ＤＣ変換回路１０ａは、リング状に
接続された４個のダイオードＤ１１〜Ｄ１４と、それに
よりＤＣ電圧を取り出すための抵抗Ｒ１１〜Ｒ１５と、
コンデンサＣ１１、Ｃ１２とから構成される。

【００３６】抵抗Ｒ１１〜抵抗Ｒ１５は直列に接続し、
抵抗Ｒ１１、抵抗Ｒ１５の一方はＧＮＤに接続する。抵
抗Ｒ１１、抵抗Ｒ１２の接続部にはコンデンサＣ１１の
一方が接続し、コンデンサＣ１１の他方はＧＮＤに接続
する。抵抗Ｒ１４、抵抗Ｒ１５の接続部にはコンデンサ
Ｃ１２の一方が接続し、コンデンサＣ１２の他方はＧＮ
Ｄに接続する。

【００３７】ダイオードＤ１１、ダイオードＤ１４のア
ノードは、抵抗Ｒ１２に接続する。ダイオードＤ１２、
ダイオードＤ１３のカソードは、抵抗Ｒ１４に接続す
る。ダイオードＤ１１のカソードは、ダイオードＤ１２
のアノードとＲＦ信号が流れる信号線と接続する。ダイ
オードＤ１４のカソードは、ダイオードＤ１３のアノー
ドとＧＮＤに接続する。

【００３８】このような回路構成に対し、正のＲＦ電圧
が印加した場合は、ダイオードＤ１２、Ｄ１４がオン
に、そして負のＲＦ電圧が印加した場合は、ダイオード
Ｄ１１、ダイオードＤ１３がオンになる。

【００３９】いずれの場合もＶ＋側がＶ−側に比べ高電
位となり、コンデンサＣ１１、Ｃ１２による平滑化によ
り、Ｖ＋側には正のＤＣ電圧、Ｖ−側には負のＤＣバイ
アスが発生する。

【００４０】また、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１５の定数を適当に
選択することにより、ＲＦ信号の電力に応じた十分大き
な電圧を発生できる。そして、ＤＣ電圧Ｖ＋をスイッチ
制御信号生成手段２０に送信する。

【００４１】次にスイッチ制御信号生成手段２０につい
て説明する。図４はスイッチ制御信号生成手段２０の回
路構成の一例を示す図である。スイッチ制御回路２０ａ
は２つのインバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２で構成される。

【００４２】ＩＮＶ１は、ダイオードＤ２１のアノード
でＲＦ−ＤＣ変換回路１０ａから送られたＤＣ電圧Ｖ＋
を受信する。ダイオードＤ２１のカソードは抵抗Ｒ２１
の一方と接続し、抵抗Ｒ２１の他方はＦＥＴ２１のドレ
インＤに接続する。

【００４３】抵抗Ｒ２２の一方はスイッチタイミング信
号ＳＴを受信し、抵抗Ｒ２２の他方はＦＥＴ２１のゲー
トＧに接続する。ＦＥＴ２１のソースＳはＧＮＤに接続
する。

【００４４】ＩＮＶ２は、ダイオードＤ２２のアノード
で駆動電圧Ｖｄｄ（例えば、３Ｖ）を受信する。また、
ダイオードＤ２１とダイオードＤ２２のカソードは接続
されている。その他のＩＮＶ２の構成はＩＮＶ１と同様
なので説明は省略する。 また、ダイオードＤ２１のカ
ソードとダイオードＤ２２のカソードが接続し、ＦＥＴ
２１のドレインＤからスイッチ制御信号ＣＴＬＮが、Ｆ
ＥＴ２２のドレインＤからスイッチ制御信号ＣＴＬＰが
出力する。

【００４５】このような回路構成に対し、ＲＦ−ＤＣ変
換回路１０ａから送られてくるＤＣ電圧Ｖ＋が小さい場
合は、低パワーの駆動電圧ＶｄｄがダイオードＤ２１、
ダイオードＤ２２により選択され、Ｖ１（＝Ｖｄｄ）を
供給する。

【００４６】ＤＣ電圧Ｖ＋が増加、すなわちＲＦ信号の
入力電力が増加してくると、ＤＣ電圧Ｖ＋が駆動電圧Ｖ
ｄｄに比べて十分大きくなり、ＤＣ電圧Ｖ＋がダイオー
ドＤ２１、ダイオードＤ２２により選択され、Ｖ１（＝
Ｖ＋）を供給する。

【００４７】スイッチ制御回路２０ａに入力するスイッ
チタイミング信号ＳＴは、インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ
２により、Ｌレベルは０Ｖ、ＨレベルはＶ１であるスイ
ッチ制御信号に変換されて、スイッチ手段３０へ出力さ
れる。

【００４８】次にスイッチ手段３０について説明する。
図５はスイッチ手段３０の回路構成の一例を示す図であ
る。スイッチ回路３０ａは高周波スイッチで基本的な１
組のシリーズＦＥＴ３１とシャントＦＥＴ３２により構
成され、スイッチングすべきＲＦ信号が流れる信号線間
に配置される。

【００４９】抵抗Ｒ３１の一方でスイッチ制御信号ＣＴ
ＬＰを受信し、抵抗Ｒ３１の他方はシリーズＦＥＴ３１
のゲートＧに接続する。コンデンサＣ３１の一方はシリ
ーズＦＥＴ３１のソースＳに接続する。シリーズＦＥＴ
３１のドレインＤはコンデンサＣ３２の一方とシャント
ＦＥＴ３２のドレインＤに接続する。

【００５０】抵抗Ｒ３２の一方でスイッチ制御信号ＣＴ
ＬＮを受信し、抵抗Ｒ３２の他方はシャントＦＥＴ３２
のゲートＧに接続する。シャントＦＥＴ３２のソースＳ
はコンデンサＣ３３の一方と接続し、コンデンサＣ３３
の他方はＧＮＤに接続する。

【００５１】このような回路構成に対し、スイッチタイ
ミング信号ＳＴがＨの場合は、スイッチ制御信号ＣＴＬ
ＮはＬ、スイッチ制御信号ＣＴＬＰはＨとなる。したが
って、スイッチ回路３０ａのシリーズＦＥＴ３１はオ
ン、シャントＦＥＴ３２はオフと制御されるため、スイ
ッチ回路３０ａはオンする。

【００５２】また、スイッチタイミング信号ＳＴがＬの
場合は、スイッチ制御信号ＣＴＬＮはＨ、スイッチ制御
信号ＣＴＬＰはＬとなる。したがって、スイッチ回路３
０ａのシリーズＦＥＴ３１はオフ、シャントＦＥＴ３２
はオンと制御されるため、スイッチ回路３０ａはオフす
る。

【００５３】このようにＲＦ信号の大電力入力時には、
スイッチング制御信号ＣＴＬのＨレベルは大きくなる。
したがって、式（１）からわかるように、大電力入力時
では低歪みのスイッチングが可能になる。

【００５４】以上説明したように、本発明のスイッチ装
置１は、ＲＦ信号の電力を利用したＲＦ−ＤＣ変換回路
１０ａによりＤＣ電圧を発生させ、これを用いたスイッ
チ制御回路２０ａの制御により、スイッチ回路３０ａを
動作させる構成とした。

【００５５】これにより、低電圧駆動、低コストであり
ながら大電力を扱えるスイッチ装置１を実現できる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のスイッチ
装置は、高周波信号から直流電圧を生成し、駆動電圧と
直流電圧のいずれか大きい方の電圧からスイッチ制御信
号を生成して高周波信号のスイッチングを行う構成とし
た。これにより低電圧駆動で、大電力の高周波信号のス
イッチングを行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスイッチ装置の原理図である。

【図２】本発明のスイッチ装置の動作手順を示すフロー
チャートである。

【図３】直流電圧生成手段の回路構成の一例を示す図で
ある。

【図４】スイッチ制御信号生成手段の回路構成の一例を
示す図である。

【図５】スイッチ手段の回路構成の一例を示す図であ
る。

【図６】スイッチ回路の基本単位及びその等価回路を示
す図である。

【図７】スイッチ用ＦＥＴのゲートバイアス状態の模式
図である。

【図８】スイッチ用ＦＥＴを３段用いて構成したスイッ
チ回路である。

【図９】オン状態のスイッチ回路の等価回路である。

【符号の説明】

１……スイッチ装置、１０……直流電圧生成手段、２０
……スイッチ制御信号生成手段、３０……スイッチ手
段、ＣＴＬ……スイッチ制御信号、ＲＦ……高周波信
号、Ｖ＋……直流電圧、Ｖｄｄ……駆動電圧。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波信号のスイッチングを行うスイッ
   チ装置において、 前記高周波信号から直流電圧を生成する直流電圧生成手
   段と、 前記高周波信号のスイッチングタイミングにもとづい
   て、駆動電圧と前記直流電圧のいずれか大きい方の電圧
   からスイッチ制御信号を生成するスイッチ制御信号生成
   手段と、 前記スイッチ制御信号で前記高周波信号のスイッチング
   を行うスイッチ手段と、 を有することを特徴とするスイッチ装置。
2. 【請求項２】 前記直流電圧生成手段は、ダイオードを
   用いて構成されることを特徴とする請求項１記載のスイ
   ッチ装置。
3. 【請求項３】 前記スイッチ手段は、接合型電界効果ト
   ランジスタを用いて構成されることを特徴とする請求項
   １記載のスイッチ装置。
4. 【請求項４】 前記直流電圧生成手段、前記スイッチ制
   御信号生成手段及び前記スイッチ手段は、同一半導体基
   板上に集積されることを特徴とする請求項１記載のスイ
   ッチ装置。
5. 【請求項５】 前記半導体は、ＧａＡｓ半導体であるこ
   とを特徴とする請求項４記載のスイッチ装置。