JPWO2003003561A1 - 周波数混合回路 - Google Patents

Abstract

ＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスを用いて半導体基板上に一体成形した場合に発生する低周波ノイズを低減することができる周波数混合回路を提供することを目的とする。ＦＭ受信機を構成する高周波増幅回路１１、混合回路１２、局部発振器１３、中間周波フィルタ１４、１６、中間周波増幅器１５、リミット回路１７、ＦＭ検波回路１８、ステレオ復調回路１９が１チップ部品１０として形成されている。混合回路１２は、ＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスを用いて半導体基板上に形成されており、回路を構成するトランジスタはｐチャネル型のＦＥＴが用いられている。

Description

技術分野
本発明は、受信機の周波数変換に用いられる周波数混合回路に関する。
背景技術
スーパーヘテロダイン方式を採用した一般の受信機は、アンテナを介して受信した変調波信号を高周波増幅した後に周波数混合回路を用いて周波数変換を行っており、所定の周波数を有する中間周波信号に変換した後に復調処理を行っている。
特に、最近では、周波数混合回路を含むアナログ回路をＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスで半導体基板上に一体形成する技術の研究が進んでおり、一部の装置では実用化されている。ＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスを用いて１チップ上に各種の回路を形成することにより、装置全体の小型化やコスト低減等が可能になるため、１チップ上に形成される装置の範囲が今後拡大すると考えられる。
ところで、ＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスで周波数混合回路を形成する場合に、使用する周波数帯域によっては１／ｆノイズと称される低周波ノイズが増加するという問題があった。特に、バイポーラトランジスタに比べてＭＯＳ型のＦＥＴは１／ｆノイズが多く、しかも、２種類の信号を合成するために周波数混合回路には多くのトランジスタが使用されているためそれぞれがノイズ源となり、回路全体として発生するノイズが多くなる。周波数混合回路において発生する１／ｆノイズが多くなるということは、それだけ中間周波信号における１／ｆノイズ成分の占める割合が高くなるということであり、ＳＮ比の悪化による受信品質の劣化を招くことになる。
発明の開示
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、ＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスを用いて半導体基板上に一体成形した場合に発生する低周波ノイズを低減することができる周波数混合回路を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の周波数混合回路は、トランジスタを含む構成部品がＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスを用いて半導体基板上に一体形成されており、このトランジスタをｐチャネル型のＦＥＴを用いて形成している。周波数混合回路に含まれるトランジスタを移動度の小さなｐチャネル型のＦＥＴとすることにより、それぞれのトランジスタにおいて発生する１／ｆノイズ自体を少なくすることができるため、周波数混合回路全体で発生する低周波ノイズを低減することができる。
また、上述した半導体基板にはＮウェルが形成されており、このＮウェル上に構成部品が形成されていることが望ましい。ｐチャネル型のＦＥＴを含む周波数混合回路の全部品をＮウェル上に形成することにより、Ｎウェルとその下の半導体基板との間にｐｎ接合面が形成されるため、この接合面を介してノイズ電流が流れることを防止することが可能になり、周波数混合回路において発生したノイズが半導体基板を通して他の部品に回り込むことを防止することができる。
また、上述した半導体基板上であって、構成部品の周囲にガードリングが形成されていることが望ましい。これにより、周波数混合回路において発生したノイズが半導体基板を通して他の部品に回り込むことをさらに有効に防止することができる。
また、上述した構成部品の周囲に、半導体基板表面からＮウェルよりも深い位置までガードリングが形成されていることが望ましい。ガードリングをＮウェルよりも深い位置まで形成することにより、このガードリングを越えてＮウェル上に形成された部品と外部の部品との間で回り込む低周波領域のノイズを除去することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を適用した一実施形態の周波数混合回路（以後、単に「混合回路」と称する）について詳細に説明する。
図１は、本実施形態の混合回路を含むＦＭ受信機の構成を示す図である。図１に示すＦＭ受信機は、１チップ部品１０として形成された高周波増幅回路１１、混合回路１２、局部発振器１３、中間周波フィルタ１４、１６、中間周波増幅回路１５、リミット回路１７、ＦＭ検波回路１８、ステレオ復調回路１９を含んで構成されている。
アンテナ２０によって受信したＦＭ変調波信号を高周波増幅回路１１によって増幅した後、局部発振器１３から出力される局部発振信号を混合することにより、高周波信号から中間周波信号への変換を行う。中間周波フィルタ１４、１６は、中間周波増幅回路１５の前段および後段に設けられており、入力される中間周波信号から所定の帯域成分のみを抽出する。中間周波増幅回路１５は、中間周波フィルタ１４、１６を通過する一部の中間周波信号を増幅する。
リミット回路１７は、入力される中間周波信号を高利得で増幅する。ＦＭ検波回路１８は、リミット回路１７から出力される振幅一定の信号に対してＦＭ検波処理を行う。ステレオ復調回路１９は、ＦＭ検波回路１８から出力されるＦＭ検波後のコンポジット信号に対してステレオ復調処理を行って、Ｌ信号およびＲ信号を生成する。
上述した本実施形態の１チップ部品１０は、ＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスを用いて半導体基板上に一体形成されている。この半導体基板上には、図１に示した１チップ部品１０を構成する各回路のみが形成されている場合の他に、各種のアナログ回路やデジタル回路が形成されている。ＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスによって各種のＣＭＯＳ部品を形成することが容易であるため、例えば受信周波数を設定するために局部発振器１３の発振周波数を可変する周波数シンセサイザや表示装置とその制御回路等を同じ半導体基板上に形成することが望ましい。
ところで、一般にバイポーラトランジスタに比べてＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスで形成したＦＥＴは、低周波ノイズである１／ｆノイズが大きいという特徴がある。したがって、図１に示した１チップ部品１０をＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスを用いて１チップ上に形成すると、その中に含まれる増幅素子としてのＦＥＴが１／ｆノイズの発生源になってしまう。しかも、高い周波数の変調波信号を混合回路１２を用いて低い周波数の中間周波信号に変換すると、この中間周波信号における１／ｆノイズ成分の占める割合が高くなって、ＳＮ比の悪化による受信品質の劣化を招くことになる。
このため、本実施形態のＦＭ受信機を構成する１チップ部品１０では、少なくとも混合回路１２に含まれる増幅素子（トランジスタ）としてｐチャネル型のＦＥＴを用いている。
図２は、ＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスを用いて製造したＦＥＴのノイズ特性を示す図である。横軸が周波数を、縦軸がノイズレベルをそれぞれ示している。また、実線で示した特性がｐチャネル型のＦＥＴのノイズ特性を、点線で示した特性がｎチャネル型のＦＥＴのノイズ特性をそれぞれ示している。図２に示すように、ｐチャネル型のＦＥＴの方が、ｎチャネル型のＦＥＴに比べて、低周波領域に現れる１／ｆノイズが小さい。これは、ｐチャネル型のＦＥＴの方が移動度が小さいからであると考えられる。
したがって、ｐチャネル型のＦＥＴを増幅素子として用いることにより、混合回路１２に含まれるＦＥＴが発生する１／ｆノイズ自体を少なくすることができるため、混合回路１２における低周波ノイズの発生を低減して、受信機全体におけるＳＮ比の向上および信号品質の改善を図ることが可能になる。
図３は、混合回路１２の具体的な構成を示す回路図であり、一例として差動で動作する例が示されている。図３に示す混合回路１２は、定電流を生成するＦＥＴ３１、３２、電流源３３と、２種類の入力信号を合成するために用いられる６個のＦＥＴ４１〜４６と、２個の負荷抵抗４７、４８を含んで構成されている。具体的には、高周波増幅回路１１からの入力信号（ＩＮ^＋、ＩＮ⁻）がＦＥＴ４１、４２に入力され、局部発振器１３からの入力信号（Ｌｏ^＋、Ｌｏ⁻）がＦＥＴ４３〜４６に入力されている。この構成に含まれるＦＥＴ３１、３２、４１〜４６は全てｐチャネル型が用いられている。また、負荷抵抗４７、４８を用いて出力信号を取り出すことにより、上述した混合回路１２を構成する全部品を半導体基板上に形成することができる。
図４は、上述した実施形態の混合回路１２の変形例を示す断面図である。また、図５は図４に示した構造の平面図である。これらの図に示す構造では、混合回路１２の全部品がＮウェル５２上に形成されている。Ｎウェル５２とＰ形の半導体基板５０との間にはＰＮ接合面が形成されるため、Ｎウェル５２の電位の方が半導体基板５０よりも高い場合には、Ｎウェル５２から半導体基板５０に向けて流れる電流がこのＰＮ接合面で遮断される。このため、混合回路１２において発生したノイズが半導体基板５０を通って他の回路に回り込むことを防止することができる。
また、図５に示すように、半導体基板５０の表面近傍であって、Ｎウェル５２を囲む周辺領域に、ガードリング５４が形成されている。このガードリング５４は、Ｐ形の半導体基板５０の一部をＮ形領域に形成したものである。ガードリング５４と半導体基板５０によってＰＮＰ層が形成されるため、混合回路１２において発生したノイズが半導体基板５０の表面近傍を通って他の回路に回り込むことを有効に防止することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、ＦＭ受信機について説明したが、ＡＭ受信機やデータ端末装置等の各種の受信機や送信機あるいは通信機であっても、本発明を適用することができる。
また、上述した実施形態では、局部発振信号の周波数と変調波信号の搬送波周波数との関係については特に言及していないが、これらの周波数の差が少なくなればなるほど混合回路１２から出力される中間周波信号の周波数も低くなるため、１／ｆノイズの影響が最も大きくなる。したがって、このような設定がなされた受信機に本発明の混合回路を用いることにより、ノイズ低減の効果を最も大きくすることができる。
また、上述した実施形態では、混合回路１２の全部品を半導体基板上に形成したが、一部の部品のみを外付けするようにしてもよい。
図６は、混合回路の他の変形例を示す図である。図６に示す混合回路１２Ａは、図３に示した混合回路１２の負荷抵抗４７、４８をトランス６０とコンデンサ６２に置き換えたものである。半導体基板上には、これらトランス６０とコンデンサ６２を除くそれ以外の混合回路１２Ａの各部品が一体形成されており、プリント配線等を介して外付け部品としてのトランス６０およびコンデンサ６２が接続される。
また、図４に示した例では、ガードリング５４を半導体基板５０の表面近傍に形成したが、図７に示すように、このガードリング５４の代わりに、半導体基板５０の表面からＮウェル５２よりも深い位置まで形成したガードリング５４Ａを用いるようにしてもよい。これにより、Ｎウエル５２上に形成された混合回路１２で発生したノイズがガードリング５４Ａの下側（半導体基板５０の内部）を通って他の回路に回り込む場合に、より低周波成分の回り込みを防止することが可能になる。
産業上の利用可能性
上述したように、本発明によれば、周波数混合回路に含まれるトランジスタを移動度の小さなｐチャネル型のＦＥＴとすることにより、それぞれのトランジスタにおいて発生する１／ｆノイズ自体を少なくすることができるため、周波数混合回路全体で発生する低周波ノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、一実施形態のＦＭ受信機の構成を示す図、
図２は、ＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスを用いて製造したＦＥＴのノイズ特性を示す図、
図３は、混合回路の具体的な構成を示す回路図、
図４は、混合回路の変形例を示す断面図、
図５は、図４に示す混合回路の平面図、
図６は、混合回路の他の変形例を示す図、
図７は、ガードリングの変形例を示す断面図である。

Claims (4)

1. トランジスタを含む構成部品がＣＭＯＳプロセスあるいはＭＯＳプロセスを用いて半導体基板上に一体形成された周波数混合回路であって、
   前記トランジスタをｐチャネル型のＦＥＴを用いて形成することを特徴とする周波数混合回路。
2. 前記半導体基板にはＮウェルが形成されており、このＮウェル上に前記構成部品が形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の周波数混合回路。
3. 前記半導体基板上であって、前記構成部品の周囲にガードリングが形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の周波数混合回路。
4. 前記構成部品の周囲に、前記半導体基板表面から前記Ｎウェルよりも深い位置までガードリングが形成されていることを特徴とする請求の範囲第２項記載の周波数混合回路。

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