明細書 :スイッチ切り替え型可変容量、スイッチ切り替え型可変容量の設計方法、及びインピーダンス整合回路

発行国	日本国特許庁(JP)
公報種別	公開特許公報(A)
公開番号	特開2020-155527 (P2020-155527A)
公開日	令和2年9月24日(2020.9.24)
発明の名称または考案の名称	スイッチ切り替え型可変容量、スイッチ切り替え型可変容量の設計方法、及びインピーダンス整合回路
国際特許分類	H01L  21/822       (2006.01) H01L  27/04        (2006.01) H03H   7/38        (2006.01)
ＦＩ	H01L 27/04 V H03H 7/38 B H01L 27/04 C
請求項の数または発明の数	5
出願形態	OL
全頁数	10
出願番号	特願2019-051148 (P2019-051148)
出願日	平成31年3月19日(2019.3.19)
発明者または考案者	【氏名】石崎 俊雄
出願人	【識別番号】597065329 【氏名又は名称】学校法人 龍谷大学
個別代理人の代理人	【識別番号】100121337、【弁理士】、【氏名又は名称】藤河 恒生
審査請求	未請求
テーマコード	5F038
Ｆターム	5F038AC20 5F038AV09 5F038AV13 5F038AV17 5F038AZ04 5F038AZ05 5F038BG02 5F038DF17 5F038EZ20
要約	【課題】スイッチ素子がオフ容量を有していても、回路が複雑にならずに高周波領域でも所望の可変の容量値を実現可能なスイッチ切り替え型可変容量を提供する。 【解決手段】このスイッチ切り替え型可変容量１は、第１端子６と第２端子７の間に設けられた基準用固定容量２と、第１端子６と第２端子７の間に基準用固定容量２と並列に設けられ、オフ状態及びオン状態となり得てオフ時にオフ容量（容量値ＣＦＫ）を有するスイッチ素子３Ｋとそれに直列接続された切り替え用固定容量４Ｋとを有するＮ個の直列体５Ｋ（ここで、Ｎは２以上の自然数、Ｋは１～Ｎの自然数）と、を備え、離散的な容量値を示すＮ桁の２進数の値に応じてＮ個の直列体５Ｋのスイッチ素子３Ｋのオフ状態及びオン状態が切り替わることで、２Ｎ通りに容量値が切り替わり得る。 【選択図】図１
特許請求の範囲	【請求項1】 第１端子と第２端子の間に設けられた基準用固定容量と、 前記第１端子と前記第２端子の間に前記基準用固定容量と並列に設けられ、オフ状態及びオン状態となり得てオフ時にオフ容量を有するスイッチ素子とそれに直列接続された切り替え用固定容量とを有するＮ個の直列体（ここで、Ｎは２以上の自然数）と、を備え、 離散的な容量値を示すＮ桁の２進数の値に応じて前記Ｎ個の直列体の前記スイッチ素子のオフ状態及びオン状態が切り替わることで、２Ｎ通りに容量値が切り替わり得ることを特徴とするスイッチ切り替え型可変容量。 【請求項2】 請求項１に記載のスイッチ切り替え型可変容量を設計する設計方法であって、 前記２進数のＫ桁目のビットに１が立つときの前記スイッチ切り替え型可変容量の容量値の該２進数の値が１少ないときに比べての差分ΔＣＫを全てのＫの値について定め（ここで、Ｋは１～Ｎの自然数）、 前記２進数の全ての桁のビットが０のときの前記スイッチ切り替え型可変容量の容量値ＣＲを定め、 前記Ｎ個の直列体の前記切り替え用固定容量の容量値ＣＫ及び前記基準用固定容量の容量値Ｃ０は、前記差分ΔＣＫと前記容量値ＣＲと前記スイッチ素子の前記オフ容量の容量値ＣＦＫにより導出されることを特徴とするスイッチ切り替え型可変容量の設計方法。 【請求項3】 請求項２に記載のスイッチ切り替え型可変容量の設計方法において、 前記ＣＫは、下記（式２）（ここで、ＡＫは下記（式１）で与えられるもの）のように導出されることを特徴とするスイッチ切り替え型可変容量の設計方法。 【請求項4】 請求項３に記載のスイッチ切り替え型可変容量の設計方法において、 前記Ｃ０は、下記（式３）のように導出されることを特徴とするスイッチ切り替え型可変容量の設計方法。 【請求項5】 請求項１に記載のスイッチ切り替え型可変容量又は請求項２～４のいずれか１項に記載のスイッチ切り替え型可変容量の設計方法を用いて設計されたスイッチ切り替え型可変容量を有することを特徴とするインピーダンス整合回路。
発明の詳細な説明	【技術分野】 【0001】 本発明は、マイクロ波領域などの高周波領域で好適なスイッチ切り替え型可変容量、スイッチ切り替え型可変容量の設計方法、及びインピーダンス整合回路に関する。 【背景技術】 【0002】 マイクロ波領域などの高周波領域の回路では、電力を効率良く伝送するためにインピーダンス整合を行うことが必要であり、一般に、接続する素子間若しくは回路間にインピーダンス整合回路を設けて整合を行う。しかしながら、素子又は回路によっては動作条件によりインピーダンスが変化してしまうものが多々あり、インピーダンス整合回路を特定の容量値に固定できない場合も少なくない。その場合、多くは、バラクタダイオードなどの可変容量を用いたインピーダンス整合回路が用いられているが、バラクタダイオードを用いる回路は損失が大きい。 【0003】 一方、一般に、可変容量には、バラクタダイオードの他に、例えば特許文献１に開示されているように、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）をスイッチ素子として用い、ＦＥＴにより複数個の固定の容量を切り替えるものが知られている。このようなスイッチ切り替え型可変容量では、ゲート幅を大きくしてＦＥＴのオン抵抗を減らすことにより、損失を低減することも可能である。 【先行技術文献】 【0004】 【特許文献1】特開２０１５－６２２０９号公報 【発明の概要】 【発明が解決しようとする課題】 【0005】 しかしながら、スイッチ切り替え型可変容量では、ＦＥＴがオフ時でも固定の容量が完全に切り離されるわけではなく、実際にはＦＥＴのオフ容量と固定の容量との合成容量が付加された状態となる。特に、ゲート幅を大きくしてＦＥＴのオン抵抗を減らすと、逆比例してオフ容量が増加し、スイッチ切り替え型可変容量を高周波領域で用いると、所望の容量値を実現することが容易ではない。このオフ容量を無視できるくらいに小さくするためには、ドレイン－ソース間に並列にインダクタを接続するなどの補償手段を追加する方法が可能であるが、回路が複雑になり、更には、周波数特性が狭くなったり、かえってインダクタなどによる損失の増加があったりもする。また、周波数が比較的低ければ、ＦＥＴの製造のプロセスの改良によりオフ容量を減少させることも考えられるが、ＦＥＴが非常に高価なものとなる。 【0006】 本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチ素子がオフ容量を有していても、回路が複雑にならずに高周波領域でも所望の可変の容量値を実現可能なスイッチ切り替え型可変容量、スイッチ切り替え型可変容量の設計方法、及びインピーダンス整合回路を提供することにある。 【課題を解決するための手段】 【0007】 上記目的を達成するために、請求項１に記載のスイッチ切り替え型可変容量は、第１端子と第２端子の間に設けられた基準用固定容量と、前記第１端子と前記第２端子の間に前記基準用固定容量と並列に設けられ、オフ状態及びオン状態となり得てオフ時にオフ容量を有するスイッチ素子とそれに直列接続された切り替え用固定容量とを有するＮ個の直列体（ここで、Ｎは２以上の自然数）と、を備え、離散的な容量値を示すＮ桁の２進数の値に応じて前記Ｎ個の直列体の前記スイッチ素子のオフ状態及びオン状態が切り替わることで、２Ｎ通りに容量値が切り替わり得ることを特徴とする。 【0008】 請求項２に記載のスイッチ切り替え型可変容量の設計方法は、請求項１に記載のスイッチ切り替え型可変容量を設計する設計方法であって、前記２進数のＫ桁目のビットに１が立つときの前記スイッチ切り替え型可変容量の容量値の該２進数の値が１少ないときに比べての差分ΔＣＫを全てのＫの値について定め（ここで、Ｋは１～Ｎの自然数）、前記２進数の全ての桁のビットが０のときの前記スイッチ切り替え型可変容量の容量値ＣＲを定め、前記Ｎ個の直列体の前記切り替え用固定容量の容量値ＣＫ及び前記基準用固定容量の容量値Ｃ０は、前記差分ΔＣＫと前記容量値ＣＲと前記スイッチ素子の前記オフ容量の容量値ＣＦＫにより導出されることを特徴とする。 【0009】 請求項３に記載のスイッチ切り替え型可変容量の設計方法は、請求項２に記載のスイッチ切り替え型可変容量の設計方法において、前記ＣＫは、下記（式２）（ここで、ＡＫは下記（式１）で与えられるもの）のように導出されることを特徴とする。 【0010】 請求項４に記載のスイッチ切り替え型可変容量の設計方法は、請求項３に記載のスイッチ切り替え型可変容量の設計方法において、前記Ｃ０は、下記（式３）のように導出されることを特徴とする。 【0011】 請求項５に記載のインピーダンス整合回路は、請求項１に記載のスイッチ切り替え型可変容量又は請求項２～４のいずれか１項に記載のスイッチ切り替え型可変容量の設計方法を用いて設計されたスイッチ切り替え型可変容量を有することを特徴とする。 【発明の効果】 【0012】 本発明のスイッチ切り替え型可変容量、スイッチ切り替え型可変容量の設計方法、及びインピーダンス整合回路によれば、スイッチ素子がオフ容量を有していても、回路が複雑にならずに高周波領域でも所望の可変の容量値を実現可能となる。 【図面の簡単な説明】 【0013】 【図1】本発明の実施形態に係るスイッチ切り替え型可変容量を示す回路図であって、（ａ）は一般式（Ｋは１～Ｎの自然数）の図、（ｂ）はＮが２の場合の図、（ｃ）はＮが３の場合の図である。 【図2】同上のスイッチ切り替え型可変容量を有するインピーダンス整合回路を例示する回路図である。 【発明を実施するための形態】 【0014】 以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係るスイッチ切り替え型可変容量１は、図１（ａ）に示すように、基準用固定容量２を備え、また、スイッチ素子３Ｋとそれに直列接続された切り替え用固定容量４Ｋを有する直列体５ＫをＮ個備える（ここで、Ｎは２以上の自然数、Ｋは１～Ｎの自然数）ものである。基準用固定容量２とＮ個の直列体５Ｋは、第１端子６と第２端子７の間に設けられている。Ｎ個の直列体５Ｋは、基準用固定容量２と並列に設けられている。 【0015】 基準用固定容量２は、容量値Ｃ０の固定容量である。スイッチ切り替え型可変容量１は、容量値Ｃ０よりも大きな値になる。 【0016】 切り替え用固定容量４Ｋの容量値ＣＫは、Ｋの値が大きくなるに従って大きくなるようにしている。 【0017】 スイッチ素子３Ｋは、オフ状態及びオン状態となり得るものである。スイッチ素子３Ｋは、典型的にはＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であるが、それに限定されるものではない。また、スイッチ素子３Ｋのオン状態及びオフ状態は、制御端子８Ｋの状態によって制御される。制御端子８Ｋは、外部入力により、離散的な容量値を示すＮ桁の２進数の値に応じた状態にされる（スイッチ素子３ＫがＦＥＴの場合は、２値の電位（多くは、電源電位（ＶＤＤ）及び接地電位）が入力される）。スイッチ素子３Ｋは、オフ状態が２進数のビットの値の０、オン状態が１に対応する。 【0018】 Ｎ個の直列体５Ｋの各々は、それが含む切り替え用固定容量４Ｋの容量値ＣＫの大きさの順に従って、離散的な容量値を示すＮ桁の２進数の各桁に対応している。つまり、切り替え用固定容量４Ｋの容量値ＣＫが最小の直列体５Ｋ（つまり５１）は２進数の最下位の桁（つまり１桁目）に対応し、切り替え用固定容量４Ｋの容量値ＣＫが大きくなるに従ってその直列体５Ｋは大きい位の桁に対応し、切り替え用固定容量４Ｋの容量値ＣＫが最大の直列体５Ｋ（つまり５Ｎ）は２進数の最上位の桁（つまりＮ桁目）に対応する。 【0019】 こうして、スイッチ切り替え型可変容量１は、離散的な容量値を示すＮ桁の２進数の値に応じてＮ個の直列体５Ｋのスイッチ素子３Ｋのオフ状態及びオン状態が切り替わることで２Ｎ通りの容量値が切り替え可能であり、インピーダンス整合回路などの回路に用いることができる（図２参照）。 【0020】 スイッチ素子３Ｋは、オフ時にオフ容量（容量値ＣＦＫ）を有する。直列体５Ｋの容量値は、スイッチ素子３Ｋがオフ時には、オフ容量と切り替え用固定容量４Ｋとの合成容量の容量値となり、一方、スイッチ素子３Ｋがオン時には、切り替え用固定容量４Ｋの容量値ＣＫとなる。 【0021】 スイッチ切り替え型可変容量１における２Ｎ通りの容量値は、以下に詳述するように、２進数のＫ桁目のビットに１が立つときのスイッチ切り替え型可変容量１の容量値の該２進数の値が１少ないときに比べての差分ΔＣＫを全てのＫの値について定める（ここで、ＫはＮ以下の自然数）ことと、２進数の値が０（つまり、２進数の全ての桁のビットが０）のときのスイッチ切り替え型可変容量１の容量値（つまり、スイッチ切り替え型可変容量１の容量値の最低値）ＣＲを定めることによって、定めることができる。 【0022】 ２進数のＫ桁目のビットに１が立つときのスイッチ切り替え型可変容量１の容量値の該２進数の値が１少ないときに比べての差分ΔＣＫとは、換言すると、Ｋ桁目のビットが１でＫ－１桁目以下のビットが全て０のときのスイッチ切り替え型可変容量１の容量値とＫ桁目のビットが０でＫ－１桁目以下のビットが全て１のときのスイッチ切り替え型可変容量１の容量値との差分のことである。このとき、Ｋ＋１桁目以上のビットの状態（以下、「・」で示す）は影響しない。例えば、Ｋの値が１の場合は、ΔＣＫはΔＣ１であり、ΔＣ１は、１桁目のビットが１のとき（・・・１のとき）のスイッチ切り替え型可変容量１の容量値と１桁目のビットが０のとき（・・・０のとき）のスイッチ切り替え型可変容量１の容量値との差分である。Ｋの値が２の場合は、ΔＣＫはΔＣ２であり、ΔＣ２は、２桁目のビットが１で１桁目のビットが０のとき（・・１０のとき）のスイッチ切り替え型可変容量１の容量値と２桁目のビットが０で１桁目のビットが１のとき（・・０１のとき）のスイッチ切り替え型可変容量１の容量値との差分である。Ｋの値が３の場合は、ΔＣＫはΔＣ３であり、ΔＣ３は、３桁目のビットが１で２桁目以下のビットが全て０のとき（・１００のとき）のスイッチ切り替え型可変容量１の容量値と３桁目のビットが０で２桁目以下のビットが全て１のとき（・０１１のとき）のスイッチ切り替え型可変容量１の容量値との差分である。Ｋの値が４以上の場合でも同様である。 【0023】 なお、差分ΔＣＫは、Ｋの値に係わらず一定値ΔＣにすることも可能である。そうすると、Ｎ桁の２進数の値を１だけ変えると、常にスイッチ切り替え型可変容量１の容量値が一定値ΔＣだけ変化して切り替わるようになる。 【0024】 差分ΔＣＫを全てのＫの値について定め、２進数の値が０のときのスイッチ切り替え型可変容量１の容量値ＣＲを定めることによって、例えば、２進数の値が１のときにはスイッチ切り替え型可変容量１の容量値をＣＲ＋ΔＣ１とし、２進数の値が１０のときにはスイッチ切り替え型可変容量１の容量値をＣＲ＋ΔＣ１＋ΔＣ２とし、２進数の値が１１のときにはスイッチ切り替え型可変容量１の容量値をＣＲ＋ΔＣ１＋ΔＣ２＋ΔＣ１とし、２進数の値が１００のときにはスイッチ切り替え型可変容量１の容量値をＣＲ＋ΔＣ１＋ΔＣ２＋ΔＣ１＋ΔＣ３とし、２進数の値が１０１のときにはスイッチ切り替え型可変容量１の容量値をＣＲ＋ΔＣ１＋ΔＣ２＋ΔＣ１＋ΔＣ３＋ΔＣ１とし、２進数の値が１１０のときにはスイッチ切り替え型可変容量１の容量値をＣＲ＋ΔＣ１＋ΔＣ２＋ΔＣ１＋ΔＣ３＋ΔＣ１＋ΔＣ２というように（２進数の値が１１１以上の場合も同様である）、スイッチ切り替え型可変容量１における２Ｎ通りの容量値を定めることができる。 【0025】 次に、これらの差分ΔＣＫと容量値ＣＲを実現するために、これらの差分ΔＣＫと容量値ＣＲとスイッチ素子３Ｋのオフ容量の容量値ＣＦＫによる切り替え用固定容量４Ｋの容量値ＣＫ及び基準用固定容量２の容量値Ｃ０の導出について説明する。 【0026】 容量値ＣＫは以下のようにして導出することができる。すなわち、２進数のＫ桁目のビットに１が立ったときのスイッチ切り替え型可変容量１の容量値は、下記の方程式（式Ａ）の左辺と右辺であらわすことができる。 【0027】 （式Ａ）の左辺は、２進数の全ての桁のビットが０のときのスイッチ切り替え型可変容量１の容量値（つまり、スイッチ切り替え型可変容量１の容量値の最低値）ＣＲを基に、２進数のｉ桁目（及びＫ桁目）のビットに１が立つ毎にその差分ΔＣｉ（及びΔＣＫ）を足し合わせたものである（ここで、ｉはＫ－１以下の自然数）。つまり、ΔＣ１が２Ｋ－２回分、・・・、ΔＣＫ－１が１回分、ΔＣＫが１回分、足し合わせたものとなっている。なお、（式Ａ）の左辺は、Ｋの値が１の場合は、Σによる数列の和は０になり、ＣＲ＋ΔＣ１となる。 【0028】 （式Ａ）の右辺は、１個の直列体５Ｋに着目し、２進数の全ての桁のビットが０のときのスイッチ切り替え型可変容量１の容量値（つまり、スイッチ切り替え型可変容量１の容量値の最低値）ＣＲに、２進数のＫ桁目のビットが１のときと０のときの直列体５Ｋの容量値の差を足し合わせたものである 【0029】 下記（式１）のようにＡＫを定義する。 ＡＫを用いると、（式Ａ）は下記の方程式（式Ｂ）のようになる。 【0030】 （式Ｂ）を解くと、容量値ＣＫが下記（式２）に示すように導出される。 【0031】 そして、基準用固定容量２の容量値Ｃ０は、以下の（式３）に示すように、導出することができる。Σによる数列の和は、スイッチ素子３Ｋが全てオフになったときの全ての直列体５Ｋの容量値の和である。 【0032】 なお、スイッチ素子３Ｋのオフ容量の容量値ＣＦＫは、通常は同じ特性のスイッチ素子３Ｋが用いられるということから、Ｋの値に係わらず一定値ＣＦにして算出することも可能である。 【0033】 以上のようにして、どのようなＮの値でも容量値ＣＫ及び容量値Ｃ０が導出できる。一般的に、Ｎの値が小さいものの方が用いられ易いと考えられるので、以下、図１（ｂ）に示すようなＮが２の場合と図１（ｃ）に示すようなＮが３の場合を具体的な数字を当てて説明する。 【0034】 Ｎが２の場合は、（式１）は、Ａ１＝ΔＣ１、Ａ２＝ΔＣ１＋ΔＣ２となり、（式２）は、 となる。また、（式３）は、 となる。 【0035】 ここで、もし、差分ΔＣＫをＫの値に係わらず一定値ΔＣとし、スイッチ素子３１、３２の全てのオフ容量の容量値ＣＦＫを一定値ＣＦとしたならば、（式２ａ）は、 となり、（式３ａ）は、 となる。 【0036】 Ｎが３の場合は、（式１）は、Ａ１＝ΔＣ１、Ａ２＝ΔＣ１＋ΔＣ２、Ａ３＝２ΔＣ１＋ΔＣ２＋ΔＣ３となり、（式２）は、 となる。また、（式３）は、 となる。 【0037】 ここで、差分ΔＣＫをＫの値に係わらず一定値ΔＣとし、スイッチ素子３１、３２、３３の全てのオフ容量の容量値ＣＦＫを一定値ＣＦとしたならば、（式２ｂ）は、 となり、（式３ｂ）は、 となる。 【0038】 以上説明したように、スイッチ切り替え型可変容量１は、切り替えの（可変の）容量値がスイッチ素子３Ｋのオフ容量の容量値ＣＦＫを組み入れたものにすることができるので、スイッチ素子３Ｋがオフ容量を有していても、また、たとえオン抵抗を減らすようにスイッチ素子３Ｋのサイズ（スイッチ素子３ＫがＦＥＴの場合は、そのゲート幅）を大きくしても、回路が複雑にならずにマイクロ波領域などの高周波領域でも所望の切り替えの（可変の）容量値を実現可能となる。また、２Ｎ通りの容量値を実現するのに直列体５ＫがＮ個で済むので、専有面積が大きくならなくて済み、また、高価な（高周波領域では特に高価な）スイッチ素子３Ｋの数も多くならなくて済む。例えば、４通りの容量値を実現するのに直列体５Ｋが僅か２個（つまり、スイッチ素子３Ｋと切り替え用固定容量４Ｋがそれぞれ僅か２個）で済み、８通りの容量値を実現するのに直列体５Ｋが僅か３個（つまり、スイッチ素子３Ｋと切り替え用固定容量４Ｋがそれぞれ僅か３個）で済む。 【0039】 なお、式３（及び式３ａ、３ａ’、３ｂ、３ｂ’）の右辺がもし負の値になった場合には、基準用固定容量２の容量値Ｃ０を下記の（式Ｃ）に示すインダクタンスＬ０により等価的に実現することが可能である。ここで、ω０は信号の角周波数である。本願では、この場合でも、インダクタンスＬ０のインダクタをそれと等価な容量値Ｃ０の基準用固定容量（明細書中では基準用固定容量２）と表記するものとする。 【0040】 スイッチ切り替え型可変容量１は、上記のように、インピーダンス整合回路に用いることができる。この場合、例えば、図２に示す高周波用の出力回路９Ａの出力インピーダンスを整合するインピーダンス整合回路９Ｂのように、スイッチ切り替え型可変容量１の第１端子６と第２端子７のうち一方を出力回路９Ａの出力から負荷９Ｃまでの間の信号線に接続し、第１端子６と第２端子７のうち他方を接地電位に接続するようにできる。なお、図２では、インピーダンス整合回路９Ｂとして、インダクタ９Ｂａを挟んで２個のスイッチ切り替え型可変容量１を設けたπ型のものを例示しており、また、図中の９ＢｂＫ、９ＢｃＫはそれぞれ、スイッチ切り替え型可変容量１の制御端子８Ｋの入力電位を制御する外部スイッチであってマニュアルスイッチや電子スイッチなどが可能である。 【0041】 インピーダンス整合回路９Ｂのようなインピーダンス整合回路は、例えば、マイクロ波加熱やマイクロ波通信などで用いることができ、また、ワイヤレス電力伝送（ＷＰＴ）などでも用いることができる。また、スイッチ切り替え型可変容量１は、インピーダンス整合回路以外でも、フィルタ回路や発振回路などの回路で用いることができる。 【0042】 以上、本発明の実施形態に係るスイッチ切り替え型可変容量、スイッチ切り替え型可変容量の設計方法、及びインピーダンス整合回路について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載する事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。 【符号の説明】 【0043】 １ スイッチ切り替え型可変容量 ２ 基準用固定容量 ３Ｋ スイッチ素子 ４Ｋ 切り替え用固定容量 ５Ｋ スイッチ素子と切り替え用固定容量の直列体 ６ 第１端子 ７ 第２端子 ８Ｋ 制御端子 ９Ａ 高周波用の出力回路 ９Ｂ インピーダンス整合回路 ９Ｂａ インピーダンス整合回路内のインダクタ ９ＢｂＫ、９ＢｃＫ 外部スイッチ ９Ｃ 負荷
図面	【図1】 【図2】