JP3094920B2 - 半導体スイッチ - Google Patents
半導体スイッチInfo
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- Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
Description
信号切換スイッチに関し、特に移動体通信の端末器にお
ける送受信号切換など高周波信号の切換スイッチに好適
な半導体スイッチに関する。
Tのon抵抗,off抵抗の差を利用したFETスイッ
チおよびPINダイオードのon抵抗,off抵抗の差
を利用したPINダイオードスイッチが知られている。
これらのスイッチは、いずれも半導体素子の「on抵
抗,off抵抗の差」を利用したものである。前者のF
ETスイッチは、消費電流が小さいこと及び集積化しや
すいことの理由により、最近の移動体通信端末器では、
FETを用いたスイッチICが主流となってきている。
て図3(従来のFETスイッチの回路図)を用いて説明
する。図3において、FET50とFET53のゲートは、
抵抗43,46を介してコントロール端子60と接続し、FE
T51とFET52は、抵抗44,45を介してコントロール端
子61と接続している。各々のFETは、ディプレション
タイプ,エンハンスメントタイプのどちらでも原理的に
は同じであるが、ここではディプレションタイプについ
て説明する。
ントロール端子60の電圧を“VC1”,コントロール端子
61の電圧を“VC2”とし、「VC1=0V,VC2<Vp」
となるようにコントロール電圧を印加すると、FET50
とFET53はon状態,FET51とFET52はoff状
態となる。この場合、FET50とFET53のドレイン・
ソース間は低抵抗となり、FET51とFET52のドレイ
ン・ソース間は高抵抗となるので、入力端子1から入力
した信号は出力端子2へ出力される。
と、FET50とFET53が高抵抗、FET51とFET52
が低抵抗となり、入力端子1からの信号は出力端子3へ
出力される。FET52及びFET53は、出力端子2と出
力端子3との間のアイソレーション改善の役割をしてい
る。つまり、offしている端子に対して低抵抗で接地
することにより、漏れてきた信号をGNDへ落としてい
る。
VC1およびコントロール端子61の電圧VC2を交互に切換
えることにより、入力信号を出力端子2と出力端子3に
切換えることができる。(なお、図3中の30,31,32は
DCカットキャパシタである。)
チ)では、コントロール端子が2つ必要であり、このた
め、制御回路が複雑となる欠点があった。この欠点を解
消した従来技術を図4に示す。図4に示す従来技術は、
PINダイオードを用いたスイッチであつて、PINダ
イオードの「on−off抵抗の差」を利用したもので
ある。
4,55がon状態となるように電圧を印加すると、PI
Nダイオード54,55はいずれも低抵抗となる。ここで、
入力端子1とPINダイオード54の間は、使用周波数に
おいて1/4波長となる分布定数伝送回路(λ/4伝送線
路70)に接続されており、PINダイオード54が低抵抗
時には入力端子1から見たPINダイオード54側のイン
ピーダンスが高インピーダンスとなって見える。従っ
て、信号は出力端子3へ出力される。
がコントロール端子4に印加されている時は、PINダ
イオード54,55はいずれも高抵抗であり、信号は出力端
子2に出力される。このように、PINダイオードのo
n−off時の抵抗の差とλ/4伝送線路70を用いてスイ
ッチ動作を実現している。(なお、図4において、30,
31,32はDCカットキャパシタ、40,47は抵抗を示
す。)
チとして利用した例として、例えば特開平7−312543号
公報に開示された技術が知られている。この公報に記載
の高周波スイッチ回路を図5に示す。図5に示す従来技
術では、“PINダイオード56,57と抵抗40,48,49”
で構成されるダイオードスイッチ回路と、“バラクタダ
イオード(可変容量ダイオード)58とキャパシタ24”等で
構成されるフィルター回路とからなる高周波スイッチで
ある。(なお、図5において、1は入力端子、2は出力
端子、4はコントロール電圧端子、33,34はDCカット
キャパシタである。)
クタダイオード58は、フィルター回路を構成する共振回
路に使用されているにすぎず、スイッチングは、前掲の
図4に示した従来技術と同様、PINダイオード56,57
の「on抵抗,off抵抗」を利用しているものであ
る。
(FETスイッチ)では、コントロール端子が2つ必要で
あるため、制御回路が複雑となる欠点がある上に、より
集積化する場合に端子数が多くなるので、小型化がし難
くなるという問題があった(第1の問題点)。
した従来技術(PINダイオードによるスイッチIC)で
は、電流が流れるため、低消費電力化が重要な移動体通
信の端末器には適さないものである(第2の問題点)。そ
の上、この従来技術では、分布定数回路(λ/4伝送線路7
0)を用いているものであり(前掲の図4参照)、この分布
定数回路を用いることで面積が大きくなり、セットが大
きくなる欠点がある上に、更にIC化する場合、面積が
大きいためコスト的に見合わず、実用的でないという問
題点を有している(第3の問題点)。
れたものであって、その第一の目的は、前記第1の問題
点「コントロール端子を2つ必要とすることに伴う問題
点」を解消すること、つまり、本発明で“コントロール
端子の1本化を実現すること”により、移動体通信装置
の構成を簡易化すると共に“ICとしての端子数を減ら
すこと”で、パッケージの小型化を可能とする半導体ス
イッチを提供することにある。
「電流が流れることに伴う問題点」を解消すること、つ
まり、前記第1の問題点を解決する前記図4に示した従
来技術に対し本発明では“低消費電流化”を考慮し、電
流を流さずに前記第1の問題点を解決したものであっ
て、低消費電力化が重要な移動体通信の端末器に好適な
半導体スイッチを提供することにある。
「分布定数回路を用いることに伴う問題点」を解消する
こと、つまり、本発明では“分布定数回路を用いず、集
中定数のみによる回路構成とすること”により、IC化
に適した構成の半導体スイッチを提供することにある。
ッチは、半導体素子の容量変化を利用してスイッチを構
成するようにしたものであり、これによって、前記第1
〜第3の目的とする半導体スイッチを提供するものであ
る。
「入力端子と第1の出力端子との間に接続され、可変容
量素子を含み、該可変容量素子の容量値に応じて直列共
振または並列共振し、直列共振で前記入力端子からの高
周波信号が通過状態になり、並列共振で前記入力端子か
らの前記高周波信号が遮断状態になる第一の共振回路
と、前記入力端子と第2の出力端子との間に接続され、
可変容量素子を含み、該可変容量素子の容量値に応じて
直列共振または並列共振し、直列共振で前記入力端子か
らの前記高周波信号が通過状態になり、並列共振で前記
入力端子からの前記高周波信号が遮断状態になる第二の
共振回路とを有し、前記入力端子に接続されたコントロ
ール端子に電圧を印加すると前記第一の共振回路の前記
可変容量素子の容量値と前記第二の共振回路の前記可変
容量素子の容量値とが同じ容量値になり、前記第一の共
振回路が前記通過状態では前記第二の共振回路が前記遮
断状態であり、前記第一の共振回路が前記遮断状態であ
ると前記第二の共振回路が前記通過状態であることを特
徴とする半導体スイッチ。」(請求項1)を要旨とし、
さらに、「前記第一の共振回路の前記可変容量素子の容
量値と前記第二の共振回路の前記可変容量素子の容量値
とが同じ容量値であり、前記第一の共振回路が前記通過
状態では前記第二の共振回路が前記遮断状態であり、前
記第一の共振回路が前記遮断状態であると前記第二の共
振回路が前記通過状態であることを特徴とする請求項1
に記載の半導体スイッチ。」(請求項2)また、
「(1)前記可変容量素子とインダクタが直列に接続さ
れ、かつ、前記可変容量素子と前記インダクタに対して
並列に他のインダクタとキャパシタの直列回路が接続さ
れて構成される前記第一の共振回路の1端を入力端子と
し、他端を第1の出力端子とし、該第1の出力端子が前
記第一の共振回路と同じ構成からなる前記第二の共振回
路を介して接地されており、(2)前記入力端子に前記
第一の共振回路と同じ構成からなる第三の共振回路の1
端が接続され、該第三の共振回路の入力端子側と反対側
の他端を第2の出力端子とし、該第2の出力端子が前記
第一 の共振回路と同じ構成からなる第四の共振回路を介
して接地され、前記第一の共振回路の前記可変容量素子
の容量値がある値(C B1 )の時に前記入力端子の信号が
前記第1の出力端子に出力され、前記第二の共振回路の
前記可変容量素子の容量値が他の値(C B2 )の時に前記
入力端子の信号が前記第2の出力端子に出力される、こ
とを特徴とする請求項1に記載の半導体スイッチ。」
(請求項3)、また、「(1)前記可変容量素子とイン
ダクタが直列に接続され、かつ、前記可変容量素子と前
記インダクタに対して並列に他のインダクタとキャパシ
タの直列回路が接続されて構成される前記第一の共振回
路の1端を入力端子とし、他端を第1の出力端子とし、
(2)前記入力端子に前記第一の共振回路と同じ構成か
らなる第三の共振回路の1端が接続され、該第三の共振
回路の入力端子側と反対側の他端を第2の出力端子と
し、前記第一の共振回路の前記可変容量素子の容量値が
ある値(C B1 )の時に前記入力端子の信号が前記第1の
出力端子に出力され、前記第二の共振回路の前記可変容
量素子の容量値が他の値(C B2 )の時に前記入力端子の
信号が前記第2の出力端子に出力されることを特徴とす
る請求項1に記載の半導体スイッチ。」(請求項4)、
を要旨とし、さらに、「前記第1の出力端子が抵抗を介
して接地されており、前記第2の出力端子が抵抗を介し
て接地されることを特徴とする請求項4に記載の半導体
スイッチ。」(請求項5)、を要旨とする。
め、本発明を詳細に説明すると、本発明に係る半導体ス
イッチは、前記したとおり、半導体素子の容量変化を利
用してスイッチを構成するようにしたものである。
用したスイッチであったが(前掲の図3〜図5参照)、本
発明では、半導体素子の容量変化を利用することで消費
電流を増加させずにコントロール端子を1つにすること
が可能となつた。つまり、コントロール端子が1つの場
合、あるコントロール電圧において半導体素子の状態は
全て同じ状態となるが、従来技術のような抵抗変化を利
用する場合、一方をon状態(低抵抗)としたとき、他方
をoff状態(高抵抗)とすることは、分布定数回路を使
用しなければ不可能であった。
め、同じ容量値でも並列共振、直列共振を各々構成すれ
ば、ショート状態(低インピーダンス),オープン状態
(高インピーダンス)を同じ容量値で実現する事ができる
ので、コントロール端子を1本にしてもスイッチ動作す
ることが可能である。
変容量素子として例えばバラクタダイオードを用いるこ
とにより、消費電流がなく、分布定数回路も用いずにコ
ントロール端子1本でスイッチを構成することができ
る。本発明のようにコントロール端子を1本にすること
で、スイッチをコントロールする電源回路として2種類
の電圧を持つ必要がなくなり、装置自体を簡易化するこ
とができる作用効果が生じる。
が、本発明では、このインバータ回路が不要となるの
て、装置全体の小型化,低消費電力化が可能となる。一
方、スイッチとしても、端子数が減るためにパッケージ
の小型化が可能となる。さらに、本発明に係る半導体ス
イッチは、それ自体消費電流がない上に、分布定数回路
を用いずに構成できるため、低消費電力,小型,低価格
のスイッチを提供することができる。
て説明する。
(実施例1)を示す半導体スイッチの回路図である。図1
において、1は入力端子、2,3は出力端子、4はコン
トロール端子(VC)、5〜8はバラクタダイオード、10
〜17はインダクタ(L)、20〜23はキャパシタ(C)であ
る。
にインダクタ10,12,14,16が接続されており、そのバ
ラクタダイオードおよびインダクタと並列にインダクタ
11,13,15,17とキャパシタ20,21,22,23がシリーズ
に接続されている。バラクタダイオードと二つのインダ
クタとキャパシタとの4素子により、第一〜第四の共振
回路が構成されている。
を参照して更に説明すると、 ・第一の共振回路:バラクタダイオード5と二つのイン
ダクタ10,11とキャパシタ20の4素子、 ・第二の共振回路:バラクタダイオード7と二つのイン
ダクタ14,15とキャパシタ22の4素子、 ・第三の共振回路:バラクタダイオード6と二つのイン
ダクタ12,13とキャパシタ21の4素子、 ・第四の共振回路:バラクタダイオード8と二つのイン
ダクタ16,17とキャパシタ23の4素子、 からそれぞれ構成されている。
は、(1) 上記第一の共振回路の1端を入力端子1とし、
他端を第1の出力端子2とし、この第1の出力端子2に
上記第二の共振回路が接地されており、(2) 入力端子1
に上記第三の共振回路が上記第一の共振回路と並列に接
続され、この第三の共振回路の入力端子側1と反対側を
第2の出力端子3とし、該第2の出力端子3に上記第四
の共振回路が接地されている、構成からなる。
にある電圧を印加すると、全てのバラクタダイオード
は、ある同じ容量値になる。ここで、「VC=VC1」の
時のバラクタダイオードの容量値を“CB1”、「VC=
VC2」の時のバラクタダイオードの容量値を“CB2”と
する。バラクタダイオードを含む各共振回路において、
それぞれ下記のように定数を定める。
“CB1”の時に直列共振し“CB2”の時に並列共振する
ように、インダクタ10,キャパシタ20を決定することが
できる。即ち、次の式(1)によりインダクタ10(これを
“L10”と略記する)を、また、次の式(2)により、キャ
パシタ20(これを“C20”と略記する)を決定することが
できる。
nH とすると、ほぼL10=3nH,C20=1.5pFとなる。
“CB1”の時に並列共振し“CB2”の時に直列共振する
ように、インダクタ12,13を決定することができる。例
えば「f,CB1,CB2」の各条件を上記と同様にして、
C21=2pFとした場合(C21はキャパシタ21を意味す
る)、次の式(3)および式(4)により、インダクタ12(これ
を“L12”と略記する)およびインダクタ13(これを“L
13”と略記する)を決定することができる 。
“CB2”によって、一方は直列共振から並列共振に、も
う一方は並列共振から直列共振にすることができる。
2側が直列共振で高周波インピーダンスは低く、出力端
子3側は並列共振で高周波インピーダンスが高いので
「出力端子2側が通過状態,出力端子3側が遮断状態」
となり、信号は、出力端子2へ出力される。一方、「V
C=CB2」の時は、逆に「出力端子2側が遮断状態,出
力端子3側が通過状態」となり、信号は、出力端子3に
出力される。
および第四の共振回路については、インダクタ14,15と
キャパシタ22を、それぞれ前記インダクタ12,13、前記
キャパシタ21と同じ値とし、また、インダクタ16,17と
キャパシタ23を、それぞれ前記インダクタ10,11、前記
キャパシタ20と同じ値とすることにより、それぞれ信号
の通過状態の時は並列共振し、遮断状態の時は直列共振
となり、従来技術におけるFETスイッチと同様にスイ
ッチのアイソレーション特性を改善する役割を果たすこ
とができる。
回路(実施例1)によれば、コントロール端子1つでスイ
ッチ動作していることが理解できる。
(実施例2)を示す半導体スイッチの回路図である。本実
施例2では、前掲の図1に示す前記実施例1の第二の共
振回路および第四の共振回路を省略した構成からなる。
即ち、前掲の図1に示すバラクタダイオード7,8、イ
ンダクタ14,15,16,17、キャパシタ22,23を省略した
構成からなる。
の共振回路および第四の共振回路(図1参照)に代えて抵
抗41及び抵抗42を配設した構成からなる。この抵抗41,
42は、高抵抗であり、DCリターン回路を構成してい
る。しかし、本実施例2では、前記実施例1と同様、第
一の共振回路および第三の共振回路からなり、スイッチ
としての機能は、実施例1と同様に有しているものであ
ることは言うまでもない。(重複を避けるため、その説
明を省略する。)
変容量素子としてバラクタダイオードを用いた例を示し
たが、本発明は、その他にFETのドレインとソースを
接続したショットキバリアダイオードでも同様に構成で
き、これも本発明に包含されるものである。
素子の容量変化を利用してスイッチングを行うことに着
目し、同一の容量値で並列共振と直列共振とを実現する
ことによりスイッチ動作を可能としたので、消費電流が
なく、さらに分布定数回路を用いずにコントロール端子
を1つにできるという効果が生じる。
らすことができるため、パッケージのピン数を減少させ
ることができ、その結果として、パッケージの小型化が
可能となり、さらに、分布定数回路を用いていないの
で、ICの小型化ができ、低コスト化が可能になるとい
う効果が生じる。
ッチの回路図。
イッチの回路図。
図。
いたスイッチ)の回路図。
利用した高周波スイッチ)の回路図。
Claims (5)
- 【請求項1】 入力端子と第1の出力端子との間に接続
され、可変容量素子を含み、該可変容量素子の容量値に
応じて直列共振または並列共振し、直列共振で前記入力
端子からの高周波信号が通過状態になり、並列共振で前
記入力端子からの前記高周波信号が遮断状態になる第一
の共振回路と、 前記入力端子と第2の出力端子との間に接続され、可変
容量素子を含み、該可変容量素子の容量値に応じて直列
共振または並列共振し、直列共振で前記入力端子からの
前記高周波信号が通過状態になり、並列共振で前記入力
端子からの前記高周波信号が遮断状態になる第二の共振
回路とを有し、 前記入力端子に接続されたコントロール端子に電圧を印
加すると前記第一の共振回路の前記可変容量素子の容量
値と前記第二の共振回路の前記可変容量素子の容量値と
が同じ容量値になり、前記第一の共振回路が前記通過状
態では前記第二の共振回路が前記遮断状態であり、前記
第一の共振回路が前記遮断状態であると前記第二の共振
回路が前記通過状態であることを特徴とする半導体スイ
ッチ。 - 【請求項2】 前記第一の共振回路の前記可変容量素子
の容量値と前記第二の共振回路の前記可変容量素子の容
量値とが同じ容量値であり、前記第一の共振回路が前記
通過状態では前記第二の共振回路が前記遮断状態であ
り、前記第一の共振回路が前記遮断状態であると前記第
二の共振回路が前記通過状態であることを特徴とする請
求項1に記載の半導体スイッチ。 - 【請求項3】 (1)前記可変容量素子とインダクタが
直列に接続され、かつ、前記可変容量素子と前記インダ
クタに対して並列に他のインダクタとキャパシタの直列
回路が接続されて構成される前記第一の共振回路の1端
を入力端子とし、他端を第1の出力端子とし、該第1の
出力端子が前記第一の共振回路と同じ構成からなる前記
第二の共振回路を介して接地されており、 (2)前記入力端子に前記第一の共振回路と同じ構成か
らなる第三の共振回路の1端が接続され、該第三の共振
回路の入力端子側と反対側の他端を第2の出力端子と
し、該第2の出力端子が前記第一の共振回路と同じ構成
からなる第四の共振回路を介して接地され、前記第一の
共振回路の前記可変容量素子の容量値がある値(C B1 )
の時に前記入力端子の信号が前記第1の出力端子に出力
され、前記第 二の共振回路の前記可変容量素子の容量値
が他の値(C B2 )の時に前記入力端子の信号が前記第2
の出力端子に出力される、ことを特徴とする請求項1に
記載の半導体スイッチ。 - 【請求項4】 (1)前記可変容量素子とインダクタが
直列に接続され、かつ、前記可変容量素子と前記インダ
クタに対して並列に他のインダクタとキャパシタの直列
回路が接続されて構成される前記第一の共振回路の1端
を入力端子とし、他端を第1の出力端子とし、 (2)前記入力端子に前記第一の共振回路と同じ構成か
らなる第三の共振回路の1端が接続され、該第三の共振
回路の入力端子側と反対側の他端を第2の出力端子と
し、前記第一の共振回路の前記可変容量素子の容量値が
ある値(C B1 )の時に前記入力端子の信号が前記第1の
出力端子に出力され、前記第二の共振回路の前記可変容
量素子の容量値が他の値(C B2 )の時に前記入力端子の
信号が前記第2の出力端子に出力されることを特徴とす
る請求項1に記載の半導体スイッチ。 - 【請求項5】 前記第1の出力端子が抵抗を介して接地
されており、前記第2の出力端子が抵抗を介して接地さ
れることを特徴とする請求項4に記載の半導体スイッ
チ。
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