KR101301213B1 - 고주파 대역 스위칭용 에스피디티 스위치 - Google Patents

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Abstract

고주파 대역에서 격리도 특성이 향상된 에스피디티 스위치가 개시된다. 그러한 에스피디티 스위치는, 제1,2 에이치비티로 이루어진 직렬 스위칭부와, 공통 입력단에서 직렬 스위칭부의 제1,2 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하는 전류 씽크부와, 직렬 스위칭부가 동작할 때 제1,2 출력단들 중의 비선택 출력단이 공통 입력단과는 전기적으로 격리되도록 하기 위한 스위칭 격리부를 구비한다. 또한, 직류 블록킹부는 제1 에이치비티와 제1 출력단 사이 및 제2 에이치비티와 제2 출력단 사이의 직류를 블록킹하기 위해 스위치에 채용된다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 통상의 스위치에 비해 보다 높은 고주파 대역 이상에서도 삽입손실과 격리도 특성이 개선되는 장점이 있다.
SPDT 스위치, BiCMOS, HBT, SiGe, 고주파 대역 스위치

Description

고주파 대역 스위칭용 에스피디티 스위치 및 스위칭 격리도 강화방법{SPDT switch for use in radio frequency switching and isolation enhancement method}
본 발명은 마이크로파 대역의 부품 및 시스템에서 고주파 신호의 경로를 제어하는데 이용되는 스위치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로파 등과 같은 고주파 대역에서 동작하는 에스피디티(SPDT, Single Pole Double Throw)스위치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 무선통신 산업의 발전으로 인해 이동전화, 무선 랜 등 각종 응용분야에서 집적회로 기술에 의해 제조된 저잡음 증폭기, 발진기, 고출력 증폭기, 스위치 등과 같은 RF 부품들이 개발되고 있다. 이러한 무선통신 산업의 발전과 더불어 사용 주파수 대역 또한 점점 올라가는 추세에 있으며, X 대역 이상의 주파수에서 동작되는 RF 부품이 요구되고 있다.
일반적인 SPDT 스위치는 FET 계열의 소자를 사용한다. SPDT 스위치의 설계시에, 직렬 스위칭 소자로서는 삽입손실을 줄이기 위해 보통 면적이 큰 FET 소자가 사용되고, 직렬 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 스위칭 소자로서는 격리도 특성을 향상시키기 위해 상대적으로 작은 면적의 FET 소자가 사용된다.
SPDT 스위치의 성능을 개선하기 위한 연구는 적용분야에 따라 다양하게 이루어지고 있다. 예를 들어, 병렬 공진기를 사용한 SPDT 스위치에 대한 회로 구조는 대한민국에 출원 공개된 특허 공개번호 10-2004-91182에 개시되어 있다. 상기 특허에서는 기생성분을 제거하여 격리도 및 반사 손실을 개선하는 기술이 나타나 있다.
또한, 스위칭 소자 사이에 임피던스 변환회로를 추가한 구조는 대한민국에 출원 공개된 특허 공개번호 10-2006-94005에 개시되어 있다. 상기 특허 공개번호 10-2006-94005의 발명에서는 스위칭 소자의 온 및 오프 상태에서의 임피던스를 확실하게 단락 및 개방하는 회로 기술이 개시되어 있으며, 높은 격리도 및 낮은 삽입손실을 얻을 수 있는 구조를 취하고 있다. 그러나 상기 특허 공개번호 10-2006-94005에서 보여지는 스위치는 기본적으로 필터 구조가 포함된 기술이므로 협대역 특성을 가진다. 따라서, 적용분야가 제한적이므로 보다 넓은 대역에서 사용이 곤란하다.
도 1은 통상적인 씨모오스 타입 에스피디티 스위치의 회로구성도로서, 일반적인 CMOS 기술을 이용한 SPDT(Single Pole Double Through) 스위치를 보여주고 있다.
도면을 참조하면, 제1,2 씨모오스 스위치들(104,105)로 이루어진 직렬 스위칭부와, 엔형 모오스 트랜지스터들(106,107)로 구성되며 상기 직렬 스위칭부가 동작할 때 두 출력단들(102,103)중의 비선택 출력단이 공통 입력단(101)과는 전기적 으로 격리되도록 하기 위한 스위칭 격리부를 포함하는 CMOS SPDT 스위치가 보여진다.
도 1에 도시된 바와 같은 CMOS SPDT 스위치는 공통 입력단(P1:101)에 스위칭 소자로서 사용되는 CMOS 소자(104,105)가 각각 제1 출력단(P2:102)과 제2 출력단(P3:103)에 연결되어 있는 구조임을 알 수 있다. 제1,2 콘트롤 단자(108, 109)에 인가되는 전압의 레벨에 따라 공통 입력단(101)과 제1 출력단(102)사이의 스위칭 경로가 형성되거나, 또는 공통 입력단(101)과 제2 출력단(103)사이의 스위칭 경로가 형성된다. 예를 들어, 제1 콘트롤 단자(108)에 스위치 ON 전압이 가해지고 제2 콘트롤 단자(108)에 스위치 OFF 전압이 가해지면, 공통 입력단(101)에 연결된 모오스 트랜지스터 스위치(104)는 ON 되고 모오스 트랜지스터 스위치(105)는 OFF된다. 또한, 이 경우에 제1 출력단(102)에 연결된 엔형(n-type) 모오스 트랜지스터(106)는 OFF되고 제2 출력단(103)에 연결된 엔형 모오스 트랜지스터(107)는 ON된다. 따라서, 공통 입력단(101)에 인가되는 고주파 신호는 제1 씨모오스 스위치(104)를 통해 스위칭되어 제1 출력단(102)으로 출력된다. 여기서, 상기 제1 출력단(102)과 제 2 출력단(103)에 각각 병렬로 연결된 엔형 모오스 트랜지스터들(106,107)는 스위치 회로의 격리도를 높여주기 위해 사용되는 션트(shunt)소자이다.
이러한 CMOS 기술을 이용한 스위치는, 스위칭 소자로서 CMOS 소자가 사용되므로 스위칭 콘트롤이 상대적으로 쉽고 또한 전력 소모가 거의 없다는 장점이 있다. 그러나, 신호의 동작 주파수가 높을 수 록 삽입 손실이 증가 되고 특히 기생 캐패시턴스 성분에 의해 스위치의 중요한 특성 중의 하나인 격리도(Isolation) 특 성이 나빠지는 문제가 있다.
도 2는 도 1중 씨모오스 스위치의 간략 회로 및 그 등가 회로로서, RF 및 마이크로파 대역에서 스위칭 소자로 사용되는 CMOS 소자 및 그 등가회로를 나타내고 있다.
도 2에서, 콘트롤 단자(201)에 인가되는 전압에 따라 제1 단자(202)와 제2 단자(203)사이를 ON 또는 OFF 하는 모오스 트랜지스터(204)가 나타나 있는데, 이는 도 1의 스위치들(104,105)중의 하나에 대응됨을 알 수 있다. 상기 모오스 트랜지스터(204)의 온 또는 오프 동작은 등가 회로에서 보여지는 바와 같이 가변저항(204)의 크기 변화로서 나타낼 수 있다. 또한, CMOS 스위칭 소자는 캐패시턴스 성분이 상존하므로 커패시터(205)도 등가적으로 존재하며, 다이오드(206)로서 나타낸 부분에서의 접합 캐패시턴스도 포함된다. 이러한 기생 캐패시턴스 성분은 주파수가 높아질수록 스위칭에 미치는 영향이 커지며, RF 및 마이크로파 대역에서 스위치의 격리도를 떨어뜨리는 주된 요인이 되고 있다.
따라서, 삽입손실(Insertion Loss)과 격리도(Isolation) 특성이 보다 높고 넓은 주파수 범위에서까지 우수한 특성을 가지며, 보다 소형으로 간단히 제조할 수 있는 구조를 가진 기술이 요망된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 삽입손실 및 격리도 특성을 개선 할 수 있는 고주파 대역 스위칭용 에스피디티 스위치 및 스위칭 격리도 강화방법을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 삽입손실과 반사손실을 개선하고 주파수 특성을 향상시킬 수 있는 에스피디티 스위치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, HBT 소자의 바이어스 회로를 단순하게 하여 보다 소형으로 제조할 수 있는 에스피디티 스위치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 회로구성이 심플하고 마이크로파 대역 또는 그 이상의 주파수 대역에서 동작특성이 우수한 고주파 대역 스위칭용 에스피디티 스위치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 스위칭 동작에서의 누설 전류를 차단 또는 최소화할 수 있는 고주파 대역 스위칭용 에스피디티 스위치를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예의 일 양상(an aspect)에 따른 에스피디티 스위치는, 공통 입력단과 제1 출력단 간에 채널이 연결된 제1 에이치비티와 상기 공통 입력단과 제2 출력단 간에 채널이 연결된 제2 에이치비티로 이루어져 에스피디티 스위치를 구성하는 직렬 스위칭부와; 제어신호에 응답하여 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제1,2 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하는 전류 씽크부와; 상기 직렬 스위칭부가 동작할 때 상기 제1,2 출력단들 중의 비선택 출력단이 상기 공통 입력단과는 전기적으로 격리되도록 하기 위한 스위칭 격리부와; 상기 제1 에이치비티와 상기 제1 출력단 사이 및 상기 제2 에이치비티와 상기 제2 출력단 사이의 직류를 블록킹하기 위한 직류 블록킹부를 구비한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 전류 씽크부는, 상기 제어신호에 응답하여 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제1 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하는 제1 엔형 모오스 트랜지스터와, 상기 제어신호의 상보 제어신호에 응답하여 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제2 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하는 제2 엔형 모오스 트랜지스터를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 스위칭 격리부는, 상기 제1,2 에이치비티와는 병렬로 상기 제1,2 출력단들에 각기 연결된 제1,2 션트 소자들을 구비할 수 있다. 또한, 상기 제1,2 션트 소자들은 엔형 모오스 트랜지스터로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 상기 직류 블록킹부는 캐패시터로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예의 다른 양상에 따른 에스피디티 스위치는,
공통 입력단에 베이스가 공통으로 연결된 제1,2 에이치비티로 이루어져 에스피디티 스위치를 구성하는 직렬 스위칭부와; 제1 제어신호에 응답하여 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제1 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하는 제1 씽크 소자와 제2 제어신호에 응답하여 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제2 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하는 제2 씽크 소자를 가지는 전류 씽크부와; 상기 직렬 스위칭부가 동작할 때 상기 제1,2 출력단들 중의 비선택 출력단이 상기 공통 입력단과는 전기적으로 격리되도록 하기 위한 스위칭 격리부와; 상기 제1 에 이치비티의 에미터와 상기 제1 출력단 사이 및 상기 제2 에이치비티의 에미터와 상기 제2 출력단 사이의 직류를 블록킹하기 위한 직류 블록킹부를 구비한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 에스피디티 스위치는 마이크로파 대역의 신호를 스위칭할 수 있으며, 상기 제1,2 씽크 소자들은, 엔형 모오스 트랜지스터로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 스위칭 격리부는, 상기 제1,2 에이치비티와는 병렬로 상기 제1,2 출력단들에 각기 연결된 제1,2 션트 소자들을 포함할 수 있다. 바람직하기로, 상기 제1,2 션트 소자들은 엔형 모오스 트랜지스터로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 상기 직류 블록킹부는 캐패시터로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예의 또 다른 양상에 따른 에스피디티 스위치는,
공통 입력단과 제1 출력단 간에 채널이 연결되며 제1 제어신호의 인가 시에 상기 공통 입력단을 상기 제1 출력단에 스위칭하는 제1 에이치비티와, 상기 공통 입력단과 제2 출력단 간에 채널이 연결되며 제2 제어신호의 인가 시에 상기 공통 입력단을 상기 제2 출력단에 스위칭하는 제2 에이치비티를 가지는 직렬 스위칭부와;
상기 제1 제어신호를 게이트 단자로 수신하고 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제1 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하기 위해 소오스 단자가 접지된 제1 모오스 트랜지스터와, 상기 제2 제어신호를 게이트 단자로 수신하고 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제2 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하기 위해 소오스 단자가 접지된 제2 모오스 트랜지스터를 가지는 전류 씽크부와;
상기 제2 제어신호를 게이트 단자로 수신하고 드레인-소오스 채널이 상기 제 1 출력단과 접지사이에 연결되어 상기 제2 출력단이 선택된 경우에 상기 제1 출력단과 상기 공통 입력단 사이가 전기적으로 격리되도록 하는 제1 션트 소자와, 상기 제1 제어신호를 게이트 단자로 수신하고 드레인-소오스 채널이 상기 제2 출력단과 접지사이에 연결되어 상기 제1 출력단이 선택된 경우에 상기 제2 출력단과 상기 공통 입력단 사이가 전기적으로 격리되도록 하는 제2 션트 소자를 구비하는 스위칭 격리부와;
상기 제1 에이치비티의 에미터와 상기 제1 출력단 사이에 연결된 제1 캐패시터 및 상기 제2 에이치비티의 에미터와 상기 제2 출력단 사이에 연결된 제2 캐패시터로 이루어져 직류를 블록킹하는 직류 블록킹부를 구비한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1,2 모오스 트랜지스터들은 엔형 모오스 전계효과 트랜지스터로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1,2 션트 소자들도 엔형 모오스 전계효과 트랜지스터로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 공통 입력단과 상기 제1,2 에이치비티의 베이스 간에는 블록킹용 캐패시터가 더 구비될 수 있으며, 상기 제1,2 에이치비티의 베이스와 전원공급 전압단 간에는 인덕터가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 제어신호가 하이레벨로 인가되는 경우에 상기 제2 제어신호는 로우레벨로 인가될 수 있으며, 상기 에스피디티 스위치는 SiGe BiCMOS 공정으로 제조될 수 있다.
본 발명의 실시 예의 또 다른 양상에 따라, 제1,2 스위치들로 이루어진 직렬 스위칭부와; 상기 직렬 스위칭부가 동작할 때 두 출력단들 중의 비선택 출력단이 공통 입력단과는 전기적으로 격리되도록 하기 위한 스위칭 격리부를 구비한 에스피디티 스위치에서의 스위칭 격리도 강화방법은,
상기 제1,2 스위치들 중 하나를 제어신호에 응답하여 구동하는 단계와;
상기 직렬 스위칭부의 상기 제1,2 스위치들을 헤테로 정션 바이폴라 트랜지스터의 동작 특성을 가지도록 구동하는 단계를 가진다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 스위칭 격리부는 엔형 모오스 트랜지스터의 동작 특성을 가지도록 구동될 수 있다.
본 발명의 실시 예의 에스피디티 스위치에 따르면, 마이크로파 대역에서 스위칭 퍼포먼스가 개선된다. 즉, SiGe BiCMOS 공정과 같이 FET 계열 및 BJT 계열의 트랜지스터 소자 모두를 제공하는 공정을 사용하여 SPDT 스위치를 제조할 시에, 스위칭 소자로서 HBT를 채용하고 션트(Shunt) 소자로서 nMOS 트랜지스터를 채용함에 의해, 통상적인 스위치보다 높은 주파수 대역에서 우수한 RF 성능이 제공된다.
또한, 회로구성이 상대적으로 콤팩트하게 이루어진다. 즉, 도 3에서 보여지는 스위칭 소자(Q1, Q2)에 대한 전류 씽크 회로를 nMOS 트랜지스터들(M1, M2)로 구현함에 의해 높은 임피던스 값이 제공되어짐과 아울러 작은 면적을 갖는 SPDT 스위치가 얻어진다.
그리고, 본 발명의 실시 예의 에스피디티 스위치에 따르면, 고 격리도 특성을 갖는 스위치를 구현되어 신호 누설 특성이 개선된다. 즉, 션트 소자(M3, M4)를 nMOS 트랜지스터로 구현함에 의해 마이크로파 대역 또는 그 이상의 주파수 대역에서 스위칭 동작의 퍼포먼스가 우수하다.
위와 같은 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는, 이해의 편의를 제공할 의도 이외에는 다른 의도 없이, 개시된 내용이 보다 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 소자 또는 라인들이 대상 소자에 연결 된다 라고 언급된 경우에 그것은 직접적인 연결뿐만 아니라 어떤 다른 소자를 통해 대상 소자에 간접적으로 연결된 의미까지도 포함한다.
또한, 각 도면에서 제시된 동일 또는 유사한 참조 부호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 가급적 나타내고 있다.
여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함될 수 있음을 유의하라.
먼저, 본 발명의 실시 예에서는 고주파 (Radio Frequency: RF) SPDT 스위치를 구현 시에, 바이폴라(Bipolar) 계열의 헤테로 정션 바이폴라 트랜지스터(Hetero-junction Bipolar Transistor: 이하 "HBT"라 칭함)와 FET 계열의 모오 스(Metal Oxide Semiconductor: MOS) 트랜지스터를 혼합적으로 사용한다. 이에 따라, 삽입손실(Insertion Loss)과 격리도(Isolation) 특성이 보다 높은 주파수에서까지 우수한 특성을 보이게 된다.
SiGe BiCMOS 공정과 같이 MOS와 HBT 트랜지스터를 함께 제조 가능한 공정에 있어서 SPDT 스위치를 설계하는 가장 간단한 방법은 MOS 트랜지스터를 직렬 및 병렬 소자에 모두 사용하는 것일 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 MOS 트랜지스터의 기생 성분에 의해서 그 동작 주파수가 낮을 뿐만 아니라, 삽입손실 또한 일반적으로 큰 단점이 있다. 한편, HBT의 차단주파수(cutoff frequency)는 0.25㎛ 공정의 경우 약 120 GHz이고, 0.13㎛ 공정의 경우 약 200 GHz 이므로, HBT는 MOS 트랜지스터에 비해 차단 주파수가 약 3~4배 높은 특성을 갖는다. 따라서 SPDT 스위치를 HBT 소자를 사용하여 설계하는 경우에 보다 높은 주파수까지 사용할 수 있고 삽입손실 특성 및 반사 손실 특성을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
한편, HBT소자를 사용하여 SPDT 스위치를 설계하는 경우에 HBT에 바이어스 전류를 공급해야 하므로, 회로 구조가 복잡해질 수 있다. 그러므로, 보다 소형으로 제작될 수 있는 회로 기술도 아울러 필요하게 된다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 참조로, 본 발명의 실시 예에 대한 스위치의 구체가 설명될 것이다.
먼저, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 에스피디티 스위치의 회로구성도이고, 도 4는 도 3에 따른 스위치의 특성을 보여주는 시뮬레이션 그래프도이다.
도 3을 참조하면, BJT 계열의 HBT 스위칭 소자 및 FET 계열의 션트 소자로 구성된 SPDT 스위치 회로가 보여진다. 도 3의 스위치 회로는, SiGe BiCMOS 공정과 같이 FET 계열 및 BJT 계열의 트랜지스터 소자 모두를 제공하는 공정에서 제조된다. SPDT 스위치 내에서, 스위칭 소자로서는 HBT가 사용되고 HBT 소자의 바이어스 회로가 보다 간단하게 구현된다. 이에 따라, 보다 높은 주파수에서까지 동작되는 스위칭 퍼포먼스가 얻어진다.
도 3에서, 제1 에이치비티(HBT:310)와 제2 에이치비티(HBT:311)는 직렬 스위칭부를 구성한다. 베이스와 콜렉터가 노드(ND1)에 공통으로 연결된 상기 제1 HBT(310)는 공통 입력단(P1)과 제1 출력단(P2) 간에 채널이 연결되며 제1 제어신호(Vc)의 인가 시에 상기 공통 입력단(P1)에 인가되는 고주파 신호를 상기 제1 출력단(P2)에 스위칭한다. 유사하게, 베이스와 콜렉터가 노드(ND1)에 공통으로 연결된 상기 제2 HBT(311)는 상기 공통 입력단(P1)과 제2 출력단(P3) 간에 채널이 연결되며 제2 제어신호(VC')의 인가 시에 상기 공통 입력단(P1)에 인가되는 고주파 신호를 상기 제2 출력단(P3)에 스위칭한다.
제1 모오스 트랜지스터(M1)와 제2 모오스 트랜지스터(M2)는 전류 씽크(current sink)부를 구성한다. 제1 씽크 소자(410)로서 기능하는 제1 모오스 트랜지스터(M1)는, 상기 제1 제어신호(Vc)를 게이트 단자로 수신하고 상기 공통 입력단(P1)에서 상기 직렬 스위칭부의 제1 출력단(P2)으로 흐르는 전류를 씽킹하기 위해 소오스 단자가 접지되고 드레인 단자가 상기 제1 HBT(310)의 에미터와 연결된다. 제2 씽크 소자(411)로서 기능하는 제2 모오스 트랜지스터(M2)는, 상기 제2 제어신호(Vc')를 게이트 단자로 수신하고 상기 공통 입력단(P1)에서 상기 직렬 스위 칭부의 제2 출력단(P3)으로 흐르는 전류를 씽킹하기 위해 소오스 단자가 접지되고 드레인 단자가 상기 제2 HBT(311)의 에미터와 연결된다.
엔형 모오스 트랜지스터(M3)로 이루어진 제1 션트 소자(210)와, 엔형 모오스 트랜지스터(M4)로 이루어진 제2 션트 소자(211)는, 본 발명의 실시 예에서 격리도를 높이기 위한 스위칭 격리부로서 기능한다. 상기 제1 션트 소자(210)는, 상기 제2 제어신호(Vc')를 게이트 단자로 수신하고 드레인-소오스 채널이 상기 제1 출력단(P2)과 접지사이에 연결되어 상기 제2 출력단(P2)이 스위칭 출력으로서 선택된 경우에 상기 제1 출력단(P2)과 상기 공통 입력단(P1) 사이가 전기적으로 격리되도록 한다. 상기 제2 션트 소자(211)는, 상기 제1 제어신호(Vc)를 게이트 단자로 수신하고 드레인-소오스 채널이 상기 제2 출력단(P3)과 접지사이에 연결되어 상기 제1 출력단(P2)이 선택된 경우에 상기 제2 출력단(P3)과 상기 공통 입력단(P1) 사이가 전기적으로 격리되도록 한다.
직류를 블록킹하는 직류 블록킹부는, 상기 제1 에이치비티(310:Q1)의 에미터와 상기 제1 출력단(P2) 사이에 연결된 제1 캐패시터(C2) 및 상기 제2 에이치비티(311:Q2)의 에미터와 상기 제2 출력단(P3) 사이에 연결된 제2 캐패시터(C3)로 이루어져 있다.
캐패시터(C1)는 상기 공통 입력단(P1)과 상기 제1,2 에이치비티(Q1,Q2)의 베이스 단자가 공통 연결된 노드(ND1) 사이에 연결되어 직류 블록킹(DC Blocking)용 캐패시터로서의 기능을 한다.
또한, 인덕터(L1)는 상기 제1,2 에이치비티(Q1,Q2)의 베이스 단자가 공통 연 결된 노드(ND1)와 전원공급 전압단(VCC) 사이에 연결되어 전원으로 고주파 신호가 인가되는 것을 차단하는 역할을 한다. 이 경우에 전원은 상기 HBT(Q1 혹은 Q2)중에서 온-상태(On-stage)인 HBT 쪽으로만 공급된다.
모든 nMOS 트랜지스터들(M1-M4)의 게이트에는 저항(Rc)이 직렬로 각기 연결되어 제1 제어신호(Vc) 또는 제2 제어신호(Vc')를 전달한다.
도 3에서, 상기 제1 제어신호(Vc)가 하이레벨로 인가되는 경우에 상기 제2 제어신호(Vc')는 로우레벨로 인가될 수 있다.
도 3에서, 엔형 모오스 트랜지스터(M1)는 제1 제어신호(Vc)가 로직 하이인 경우에 전원공급 전압단(VCC)에서 HBT(Q1)의 에미터로 흐르는 라인(L1)의 전류를 접지로 흐르게 하는 전류 씽크 회로의 역할을 한다. 엔형 모오스 트랜지스터(M2)는 제2 제어신호(Vc')가 로직 하이인 경우에 전원공급 전압단(VCC)에서 HBT(Q2)의 에미터로 흐르는 라인(L2)의 전류를 접지로 흐르게 하는 전류 씽크 회로의 역할을 한다. 전류 씽크 회로를 nMOS 트랜지스터와 게이트 저항으로만 구성할 경우에 회로 구성이 콤팩트해진다.
제1 제어신호(Vc)가 로직 하이이고, 제2 제어신호(Vc')가 로직 로우인 경우에, HBT (Q1)가 온-상태로 동작하므로 공통 입력단(P1)과 제1 출력단(P2)사이에서 RF 경로가 형성된다. 또한, 엔형 모오스 트랜지스터(M3)는 드레인-소스 채널 간의 전위가 0V이고 로직 로우가 게이트 제어전압으로서 인가되므로, 하이 임피던스(High-Impedance) 상태가 된다. 엔형 모오스 트랜지스터(M4)는 드레인-소스 간의 전위가 0V이고 로직 하이가 게이트 제어전압으로서 인가되므로, 로우 임피던 스(Low Impedance) 상태로 된다. 이에 따라, 상기 공통 입력단(P1)으로부터 제2 출력단(P3)쪽으로 누설되는 RF 신호는 엔형 모오스 트랜지스터(M4)에 의해 단락(Short)된다. 그러므로, 간단한 회로의 채용에 의해서도 격리도(Isolation) 특성이 개선됨을 알 수 있다. 상기 제1 제어신호(Vc)가 로직 로우이고, 제2 제어신호(Vc')가 로직 하이인 경우에는 위에서 설명한 동작과는 반대의 동작이 이루어진다.
HBT(Q1)가 온-상태로 되는 스위칭 동작 시에, nMOS 트랜지스터(M1)의 기생 커패시터가 RF 성능에 영향을 미칠 수 있게 된다. 이상적으로는 HBT (Q1)의 에미터에서 nMOS 트랜지스터(M1)쪽으로의 임피던스를 무한대로 하여 전혀 RF 성능에 영향을 주지 않도록 해줄 필요가 있다. 따라서 가장 간단하게는 인덕터를 사용하여 RF 신호 누설을 막아줄 수가 있다. 하지만 인덕터를 사용하게 되면 두개의 인덕터가 추가되어 전체 SPDT 스위치의 크기를 심각하게 커지게 하므로 사이즈 구현 측면에서 바람직하지 않다. 본 실시 예의 도 3에서는 전류 씽크회로로서 nMOS를 사용하기 때문에 그러한 사이즈 제한을 해소한다. 결국, nMOS를 채용하여 면적을 작게 하면, 스위칭 소자인 HBT(Q1과 Q2)에서 바라본 전류 씽크 쪽으로의 임피던스가 아주 크게 된다. 이에 따라 RF 성능에 미치는 신호 누설의 영향이 미비하다.
격리도(Isolation) 특성을 개선하기 위하여 nMOS 트랜지스터들(M3,M4)을 캐패시터들(C2,C3) 후단에 채용한 이유는 이하에서 설명된다. 전원공급 전압단(VCC)에 인가되는 전원 전압은 약 3V의 정전압이 사용될 수 있는데, 이 경우 HBT(Q1)이 온-상태로 동작하는 경우 HBT의 턴-온(Turn-on)에 의해 약 1V 정도 전압강하된 약 2 V 의 전압이 HBT(Q1)의 에미터에 나타난다. 한편, HBT(Q2)는 오프-상태에 있으므로, 이상적으로 HBT(Q2)의 에미터 단자의 전압은 약 3V로 형성됨을 알 수 있다. 이 경우 HBT(Q1과 Q2)모두는 로직 하이의 조건에서 전위가 형성되므로, nMOS 트랜지스터들(M3,M4)을 nMOS 트랜지스터들(M3,M4)을 캐패시터들(C2,C3) 후단에 채용한 채용한 것이다. 만약, HBT(Q1,Q2)의 에미터에 병렬로 트랜지스터를 다이렉트로 연결할 경우에는 로직 하이의 전위 조건에서는 nMOS 트랜지스터들(M3,M4)이 아닌 pMOS 트랜지스터들을 사용해야 한다. 일반적으로 pMOS의 RF 성능이 nMOS에 비하여 좋지 않기 때문에 pMOS 트랜지스터들의 사용은 특별한 경우에 한해 제한될 필요가 있다.
도 3을 통하여 설명된 에스피디티 스위치에 따르면, 마이크로파 대역 이상에서 스위칭 퍼포먼스가 도 4에서 보여지는 바와 같이 개선된다. 즉, SiGe BiCMOS 공정과 같이 FET 계열 및 BJT 계열의 트랜지스터 소자 모두를 제공하는 공정을 사용하여 SPDT 스위치를 제조할 시에, 스위칭 소자로서 HBT를 채용하고 션트(Shunt) 소자로서 nMOS 트랜지스터를 채용함에 의해, 통상적인 스위치보다 높은 주파수 대역에서 우수한 RF 성능이 제공된다. 또한, 도 3에서 보여지는 스위칭 소자(Q1, Q2)에 대한 전류 씽크 회로를 nMOS 트랜지스터들(M1, M2)로 구현함에 의해 높은 임피던스 값이 제공되어짐과 아울러 작은 면적을 갖는 SPDT 스위치가 얻어진다.
도 3에 따른 스위치의 특성을 보여주는 시뮬레이션 그래프를 보여주는 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 SPDT 스위치의 RF 성능을 알 수 있다. 도 4에서, 가로축은 주파수(GHz)를 나타내고, 세로축의 좌측은 격리도 (Isolation) 및 반사 손실(Return Loss)을 dB로서 나타낸다. 세로축의 우측은 삽입손실 (Insertion Loss)을 dB 로서 나타낸다.
그래프 G3에서 보여지는 바와 같이 삽입손실의 경우10~52 GHz 대역에서 2.0 dB이하의 값을 보여준다. 그래프 G1,G2 에서 각기 보여지는 바와 같이 격리도 (Isolation) 및 반사 손실(Return Loss)의 경우도 동 대역에서 15 dB 이상의 값을 보여준다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 스위치는 상대적으로 넓은 대역에서 RF 스위칭 퍼포먼스가 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시 예들의 스위치는 SiGe BiCMOS 공정 기술을 이용한 저잡음 증폭기, 발진기, 고출력 증폭기, 또는 스위치 등의 RF 부품들에 적용될 수 있다. 그러한 스위치는 고주파수 대역에서의 삽입손실 및 광대역 특성이 우수하므로 마이크로파 대역과 같은 X 대역 이상의 신호를 스위칭하는 분야에 더욱 유용할 것이다.
상기한 설명에서는 본 발명의 실시 예들을 위주로 도면을 따라 예를 들어 설명하였지만, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 또는 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이다. 예를 들어, 사안이 다른 경우에 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이, 회로 소자들의 연결구성이나 이와 연결되는 소자들의 배치순서 및 회로 구성을 다양하게 변형 또는 변경할 수 있음은 물론이다.
도 1은 통상적인 씨모오스 타입 에스피디티 스위치의 회로구성도
도 2는 도 1중 씨모오스 스위치의 간략 회로 및 그 등가회로도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 에스피디티 스위치의 회로구성도
도 4는 도 3에 따른 스위치의 특성을 보여주는 시뮬레이션 그래프도
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
P1: 공통 입력단 P2: 제1 출력단
P3: 제2 출력단 310,311: HBT

Claims (20)

  1. 공통 입력단과 제1 출력단 간에 채널이 연결된 제1 에이치비티와 상기 공통 입력단과 제2 출력단 간에 채널이 연결된 제2 에이치비티로 이루어져 에스피디티 스위치를 구성하는 직렬 스위칭부와;
    제어신호에 응답하여 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제1,2 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하는 전류 씽크부와;
    상기 직렬 스위칭부가 동작할 때 상기 제1,2 출력단들 중의 비선택 출력단이 상기 공통 입력단과는 전기적으로 격리되도록 하기 위한 스위칭 격리부와;
    상기 제1 에이치비티와 상기 제1 출력단 사이 및 상기 제2 에이치비티와 상기 제2 출력단 사이의 직류를 블록킹하기 위한 직류 블록킹부를 구비함을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 씽크부는, 상기 제어신호에 응답하여 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 상기 제1 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하는 제1 엔형 모오스 트랜지스터와, 상기 제어신호의 상보 제어신호에 응답하여 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 상기 제2 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하는 제2 엔형 모오스 트랜지스터를 가짐을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 격리부는, 상기 제1,2 에이치비티와는 병렬로 상기 제1,2 출력단들에 각기 연결된 제1,2 션트 소자들을 구비함을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1,2 션트 소자들은 엔형 모오스 트랜지스터로 구성됨을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 직류 블록킹부는 캐패시터로 구성됨을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  6. 공통 입력단에 베이스가 공통으로 연결된 제1,2 에이치비티로 이루어져 에스피디티 스위치를 구성하는 직렬 스위칭부와;
    제1 제어신호에 응답하여 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제1 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하는 제1 씽크 소자와 제2 제어신호에 응답하여 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제2 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하는 제2 씽크 소자를 가지는 전류 씽크부와;
    상기 직렬 스위칭부가 동작할 때 상기 제1,2 출력단들 중의 비선택 출력단이 상기 공통 입력단과는 전기적으로 격리되도록 하기 위한 스위칭 격리부와;
    상기 제1 에이치비티의 에미터와 상기 제1 출력단 사이 및 상기 제2 에이치비티의 에미터와 상기 제2 출력단 사이의 직류를 블록킹하기 위한 직류 블록킹부를 구비함을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 에스피디티 스위치는 마이크로파 대역의 신호를 스위칭함을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1,2 씽크 소자들은, 엔형 모오스 트랜지스터로 이루어짐을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 스위칭 격리부는, 상기 제1,2 에이치비티와는 병렬로 상기 제1,2 출력단들에 각기 연결된 제1,2 션트 소자들을 포함함을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1,2 션트 소자들은 엔형 모오스 트랜지스터로 구성됨을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 직류 블록킹부는 캐패시터로 구성됨을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  12. 공통 입력단과 제1 출력단 간에 채널이 연결되며 제1 제어신호의 인가 시에 상기 공통 입력단을 상기 제1 출력단에 스위칭하는 제1 에이치비티와, 상기 공통 입력단과 제2 출력단 간에 채널이 연결되며 제2 제어신호의 인가 시에 상기 공통 입력단을 상기 제2 출력단에 스위칭하는 제2 에이치비티를 가지는 직렬 스위칭부 와;
    상기 제1 제어신호를 게이트 단자로 수신하고 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제1 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하기 위해 소오스 단자가 접지된 제1 모오스 트랜지스터와, 상기 제2 제어신호를 게이트 단자로 수신하고 상기 공통 입력단에서 상기 직렬 스위칭부의 제2 출력단으로 흐르는 전류를 씽킹하기 위해 소오스 단자가 접지된 제2 모오스 트랜지스터를 가지는 전류 씽크부와;
    상기 제2 제어신호를 게이트 단자로 수신하고 드레인-소오스 채널이 상기 제1 출력단과 접지사이에 연결되어 상기 제2 출력단이 선택된 경우에 상기 제1 출력단과 상기 공통 입력단 사이가 전기적으로 격리되도록 하는 제1 션트 소자와, 상기 제1 제어신호를 게이트 단자로 수신하고 드레인-소오스 채널이 상기 제2 출력단과 접지사이에 연결되어 상기 제1 출력단이 선택된 경우에 상기 제2 출력단과 상기 공통 입력단 사이가 전기적으로 격리되도록 하는 제2 션트 소자를 구비하는 스위칭 격리부와;
    상기 제1 에이치비티의 에미터와 상기 제1 출력단 사이에 연결된 제1 캐패시터 및 상기 제2 에이치비티의 에미터와 상기 제2 출력단 사이에 연결된 제2 캐패시터로 이루어져 직류를 블록킹하는 직류 블록킹부를 구비함을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1,2 모오스 트랜지스터들은 엔형 모오스 전계효과 트랜지스터로 구성됨을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1,2 션트 소자들은 엔형 모오스 트랜지스터로 구성됨을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 공통 입력단과 상기 제1,2 에이치비티의 베이스 간에 블록킹용 캐패시터가 더 구비됨을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1,2 에이치비티의 베이스와 전원공급 전압단 간에 인덕터가 더 구비됨을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 제어신호가 하이레벨로 인가되는 경우에 상기 제2 제어신호는 로우레벨로 인가됨을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 에스피디티 스위치는 SiGe BiCMOS 공정으로 제조됨을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 에스피디티 스위치는 마이크로파 대역의 신호를 스위칭함을 특징으로 하는 에스피디티 스위치.
  20. 삭제
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