(57)【要約】キャパシタンス要素は、2個以上の電圧可変キャパシタ(バラクタ)を有する。これらのバラクタは、印加される交流信号に関して直列に接続され、印加される直流バイアス電圧に関して並列に接続されるよう構成されている。前記キャパシタンス要素全体の有効キャパシタンスは、前記直流バイアス電圧を変化させることによって調整可能である。
2005508096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流バイアス電圧を受けるための第１の直流バイアスノードおよび第２の直流バイアスノードと、
交流信号を受けるための第１の交流ノードおよび第２の交流ノードと、
Ｎ個のバラクタと
を具備し、前記Ｎ個が少なくとも２個であり、各前記バラクタが該バラクタに印加される電圧に従って変化するキャパシタンスを有し、
前記Ｎ個のバラクタが、前記直流バイアス電圧に関して並列に前記直流バイアスノード間に接続されており、前記交流信号に関して直列に前記交流ノード間に接続されていることを特徴とする電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項２】
前記Ｎ個のバラクタが直列接続されてＮ＋１個の接続ノードを構成しており、
前記第１の交流ノードが第１の前記接続ノードに接続されており、
Ｎ＋１番目の前記接続ノードが前記第２の交流ノードに接続されており、
前記第１の直流バイアスノードが奇数番目の前記接続ノードに直流接続されており、
前記第２の直流バイアスノードが偶数番目の前記接続ノードに直流接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項３】
前記第１の直流バイアスノードを各前記奇数番目の接続ノードに直流接続する第１の交流遮断回路要素のセットと、
前記第２の直流バイアスノードを各前記偶数番目の接続ノードに直流接続する第２の交流遮断回路要素のセットと
をさらに具備した請求項２に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項４】
少なくとも一方の前記セットの前記交流遮断回路要素が、抵抗で構成されている請求項３に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項５】
少なくとも一方の前記セットの前記交流遮断回路要素が、誘導子で構成されている請求項３に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項６】
前記直流バイアスノードのうちの一方と前記接続ノードのうちの１つとの間に接続されたバイアス抵抗をさらに具備し、
該バイアス抵抗の抵抗が前記接続ノードに接続された前記バラクタのリアクタンスより相当大きいことを特徴とする請求項２に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項７】
前記バイアス抵抗に接続された前記直流バイアスノードがアースから絶縁されており、
前記バイアス抵抗の抵抗が、前記接続ノードに接続された前記バラクタのリアクタンスより少なくとも１０倍大きいことを特徴とする請求項６に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項８】
前記バイアス抵抗に接続された前記直流バイアスノードがアースにも接続されており、前記バイアス抵抗の抵抗が、前記接続ノードに接続された前記バラクタのリアクタンスより少なくとも１０倍大きいことを特徴とする請求項６に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項９】
前記直流バイアスノードのうちの一方と前記接続ノードのうちの１つとの間に接続されたバイアス誘導子をさらに具備し、
該バイアス誘導子の抵抗が前記接続ノードに接続された前記バラクタのリアクタンスより相当大きいことを特徴とする請求項２に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項１０】
所定の周波数において、前記バイアス誘導子が前記接続ノードに接続された前記バイアス誘導子と共振するよう、前記バイアス誘導子のインダクタンスが選択されている請求項９に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項１１】
前記バイアス誘導子に接続された前記直流バイアスノードがアースから絶縁されており、
前記バイアス誘導子のリアクタンスが、前記接続ノードに接続された前記バラクタのリアクタンスより少なくとも１０倍大きいことを特徴とする請求項９に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項１２】
前記バイアス誘導子に接続された前記直流バイアスノードがアースにも接続されており、前記バイアス誘導子のリアクタンスが、前記接続ノードに接続された前記バラクタのリアクタンスより少なくとも１０倍大きいことを特徴とする請求項９に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項１３】
Ｎ＋１番目の前記前記接続ノードと前記第２の交流ノードとの間に接続された直流遮断キャパシタをさらに具備した請求項２に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項１４】
アースされている前記第１の直流バイアスノードを各前記奇数番目の接続ノードに直流接続する第１の交流遮断回路要素のセットと、
前記第２の直流バイアスノードを各前記偶数番目の接続ノードに直流接続する第２の交流遮断回路要素のセットと、
Ｎ＋１番目の前記前記接続ノードと前記第２の交流ノードとの間に接続された直流遮断キャパシタと
をさらに具備し、前記第１の交流モードがアースされており、前記第１の接続ノードがアースされていることを特徴とする請求項２に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項１５】
アースされている前記第１の直流バイアスノードを各前記奇数番目の接続ノードに直流接続する第１の交流遮断回路要素のセットと、
前記第２の直流バイアスノードを各前記偶数番目の接続ノードに直流接続する第２の交流遮断回路要素のセットと、
前記第１の交流ノードと前記第１の接続ノードとの間に接続された第１の直流遮断キャパシタと、
Ｎ＋１番目の前記前記接続ノードと前記第２の交流ノードとの間に接続された第２の直流遮断キャパシタと
をさらに具備した請求項２に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項１６】
前記Ｎ個のバラクタが、単一の基板に集積化されている請求項１に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項１７】
前記Ｎ個のバラクタが、薄膜バラクタである請求項１６に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項１８】
前記Ｎ個のバラクタが、薄膜状の強誘電バラクタである請求項１７に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項１９】
単一の基板に集積化されている請求項１に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項２０】
前記交流信号が無線周波数スペクトルにある請求項１に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項２１】
前記直流バイアス電圧を発生するためのバッテリをさらに具備した請求項１に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項２２】
調整可能なリアクタンス整合ネットワークを具備し、該調整可能なリアクタンス整合ネットワークが請求項１に記載の電圧可変キャパシタンス要素からなる無線周波数パワーアンプ。
【請求項２３】
請求項１に記載の電圧可変キャパシタンス要素からなる調整可能な無線周波数パワーアンプ。
【請求項２４】
直流バイアス電圧を受けるための第１の直流バイアスノードおよび第２の直流バイアスノードと、
交流信号を受けるための第１の交流ノードおよび第２の交流ノードと、
少なくとも２個であるＮ個のバラクタであって、各前記バラクタが該バラクタに印加される電圧に従って変化するキャパシタンスを有するものと、
前記Ｎ個のバラクタを、前記交流信号に関して直列に前記交流ノード間に接続する交流接続手段と、
前記Ｎ個のバラクタを、前記直流バイアス電圧に関して並列に前記直流バイアスノード間に接続する直流接続手段と
を具備した電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項２５】
前記交流接続手段が、前記Ｎ個のバラクタを直列接続してＮ＋１個の接続ノードを構成しており、前記第１の交流ノードを第１の前記接続ノードに接続しており、Ｎ＋１番目の前記接続ノードを前記第２の交流ノードに接続しており、
前記直流接続手段が、前記第１の直流バイアスノードを奇数番目の前記接続ノードに直流接続しており、前記第２の直流バイアスノードを偶数番目の前記接続ノードに直流接続している
ことを特徴とする請求項２４に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項２６】
前記Ｎ＋１番目の接続ノードと前記第２の交流ノードとの間に接続された直流遮断手段をさらに具備した請求項２５に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項２７】
前記Ｎ＋１番目の接続ノードと前記第２の交流ノードとの間に接続された直流遮断手段をさらに具備し、前記第１の直流バイアスノード、前記第１の交流ノードおよび前記第１の接続ノードのすべてがアースされていることを特徴とする請求項２５に記載電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項２８】
前記第１の交流ノードと前記第１の接続ノードとの間に接続された第１の直流遮断手段と、
前記Ｎ＋１番目の接続ノードと前記第２の交流ノードとの間に接続された第２の直流遮断手段と
をさらに具備した請求項２５に記載電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項２９】
単一の基板に集積化されている請求項２４に記載の電圧可変キャパシタンス要素。
【請求項３０】
少なくとも２個であるＮ個のバラクタからなる電圧可変キャパシタンス要素のキャパシタンスを変化させる方法であって、
直流バイアス電圧を受けることと、
前記Ｎ個のバラクタに並列に前記直流バイアス電圧を印加することと、
前記Ｎ個のバラクタに直列に前記交流信号を印加することと、
前記直流バイアス電圧を変化させることと
を具備する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
(関連出願)
本出願は、2001年10月31日に出願されたRobert A Yorkによる米国仮特許出願No.60／335,191"Thin-Film Ferroelectric Tuning Circuit"に対する35 U.S.C.§119(e)に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
両前記出願の主題は、その全体が参考のためにここに示されている。
【０００３】
本発明は、印加されるバイアス電圧によってキャパシタンス(静電容量)が変化可能なキャパシタンス要素(容量要素)に関する。
【背景技術】
【０００４】
可変キャパシタンスを有する回路要素は、電子回路の設計において主要な構成部品である１つの手法において、キャパシタンスは、キャパシタンス要素に印加されるバイアス電圧によって調節される。これらの電圧可変キャパシタ(バラクタ)は、薄膜状強誘電材料に基づく技術を含む多数の様々異なる技術を使用して作られ得る。
【０００５】
前記薄膜状強誘電材料に基づく手法において、強誘電材料の薄膜は、導電電極の間に挟まれる。適当な強誘電材料の一例としては、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、および、これら2つの混合物(例えばチタン酸バリウムストロンチウム(BST))が含まれる。このような構成のキャパシタンスは、強誘電膜の非線形の電気分極特性のために、印加される電界と共に変化する。前記印加される電界は概ねE = V／dによって与えられ、ここで、Eは電界、Vはバラクタに印加される電圧、dは強誘電膜の厚みである。実際上、有用なキャパシタンス変化を実現するためには、具体的な材料組成に応じて、最大1MV／cmの電界強度が必要である。しかしながら、電界強度をさらに増加すると、デバイスの故障または信頼度上の問題が発生するおそれがある。
【０００６】
多くの用途において、バラクタは主に交流信号を処理するために使用され、バラクタのキャパシタンスを設定するために、該バラクタに直流バイアス電圧が印加される。前記キャパシタンスは、前記直流バイアス電圧を変化させることによって調整される。しかしながら、その用途が低い直流電圧に限られ(例えば、バッテリ駆動用途)、バラクタを広いキャパシタンス範囲にわたって調整することも望ましい(すなわち、高い"調整可能性(チューナビリティ)"が望ましい)場合、前記誘電膜は、典型的には、必要な電界を実現するために非常に薄いものでなくてはならない。しかし、薄い誘電膜は、絶縁破壊電圧が低く、交流電力対応能力が乏しいものとなる。無線用のパワーアンプ等の多くの回路において、バラクタに印加されるピーク交流電圧は、直流バイアス電圧をかなり超えることがある。例えば、現在の携帯電話においては、バッテリ電圧は典型的には約3.5Vであり、該バッテリが前記直流バイアス電圧を発生する。故に、前記直流バイアス電圧は典型的には3.5V以下に制限される。しかしながら、全体的な電圧(交流 + 直流)は7V以上に達することができる。
【０００７】
これまで、強誘電膜における絶縁破壊電界を増大させるための一般的な手法は、前記膜を1つまたは複数の材料で軽くドープ処理するものであった。絶縁破壊電界を増大させるために、BST膜には、例えば、Ti, Mg, MnおよびZrが使用されてきた。この手法の不利な点は、ある特定の印加電圧について、前記混合材料のキャパシタンス調整能力が著しく低下することである。これは設計者がさらに薄い膜を使用することを強要し、従って、絶縁破壊上の問題点をより深刻にし、ドープ剤から生じるゲインを弱める。
【０００８】
バラクタのもう1つの問題点は、バラクタが大きな回路の1つの構成部品として使用されることである。しかしながら、典型的には、外部回路に接続されるものと同じ2つの端子に直流バイアス電圧が印加される。その結果、前記直流バイアス電圧および対応するバイアス回路が前記外部回路から絶縁されず、両者間に干渉が生じるおそれがある。
【０００９】
従って、低い直流バイアス電圧を使用して調整可能であり、しかも、高い交流電圧を処理することが可能であるキャパシタンス要素が要望されている。また、前記直流バイアス電圧およびその回路が、前記キャパシタンス要素が使用されるいずれの外部回路からも絶縁されることが有利である。強誘電薄膜に基づくキャパシタンス要素は、典型的には、小サイズ、低コストおよび大量生産に適するという付加的な利点を有する。
【発明の開示】
【００１０】
本発明は、2つまたは3つ以上のバラクタに基づくキャパシタンス要素を設けることによって、従来の技術の制約を克服するものである。前記2つまたは3つ以上のバラクタは、印加される交流信号に関して直列に接続され、このようにして、全体的な交流電圧の振れ(スィング)が前記2つまたは3つ以上のバラクタ間で分割されることにより、交流電力処理能力を上げるよう構成される。また、前記2つまたは3つ以上のバラクタは、印加される直流バイアス電圧に関して並列に接続され、このようにして、各前記バラクタが直流バイアス電圧をフルレベルで得ることにより、低い直流バイアス電圧で高いキャパシタンス調整能力を維持する。
【００１１】
一実施の形態において、前記電圧可変キャパシタンス要素は、直列に接続されてチェーンを構成しているＮ個(Ｎ ＞１)のバラクタを有する。該チェーンにおけるＮ＋1個の接続ノードを、交差ノードと言うことにする。前記電圧可変キャパシタンス要素は、さらに、交流信号を受けるための第1の交流ノードおよび第2の交流ノードを有する。前記第1の交流ノードは第1の前記接続ノードに接続され、Ｎ＋1番目の前記接続ノードは前記第2の交流ノードに接続されている。前記キャパシタンス要素は、さらに、第1の直流バイアスノードおよび第2の直流バイアスノードを有する。前記第1の直流バイアスノードは奇数番目の前記接続ノードに直流接続され、前記第2の直流バイアスノードは偶数番目の前記接続ノードに直流接続されている。ある具体例において、前記直流バイアスノードは、高インピーダンス(すなわち、交流遮断)抵抗または誘導子からなる交流遮断回路要素によって、前記接続ノードに接続されている。このようにして、前記直流バイアス回路は前記交流信号から絶縁される。本発明の他の特徴によると、前記交流ノードは、直流遮断キャパシタによってそれぞれ対応する接続ノードに接続されていて、前記直流バイアス電圧を外部回路から絶縁する。
【００１２】
前記キャパシタンス要素は、様々な技術を使用して実現されてよい。例えば、ディスクリート構成部品を使用して、前記キャパシタンス要素の一部または全部を実現してよい。しかしながら、好ましくは、前記バラクタは薄膜状の強誘電バラクタであり、前記キャパシタンス要素は、単一の基板上において前記バラクタと共に一体化される。
【００１３】
本発明は、以下の発明の詳細な説明と添付図面からより容易に明らかになるように、その他の利点と特徴を有する。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図1は、本発明に係るキャパシタンス要素100の機能図。該キャパシタンス要素100は4つのノードを有し、そのうちの2つのノードを交流ノード110A−110Bと言い、残りの2つのノードを直流バイアスノード120A−120Bと言う。前記キャパシタンス要素は、少なくとも2つのバラクタ150A〜150Nをさらに有している。バラクタとは電圧可変容量のキャパシタ(コンデンサ)であり、該バラクタのキャパシタンスが該バラクタに印加される直流バイアス電圧に応じて変化することを意味している。
【００２５】
前記キャパシタンス要素100は、電圧可変容量のキャパシタとしても機能する。前記交流ノード110は、前記キャパシタの端子として機能する。交流信号が前記交流ノード110に与えられ、前記要素100は、主に、該与えられた交流信号に対してキャパシタンス作用を有する。前記要素100の実際のキャパシタンスは、前記直流バイアスノード120に印加される直流バイアス電圧によって決定される。従って、前記直流バイアスノード120に印加される直流バイアス電圧を変化させることによって、前記交流ノード110間の有効キャパシタンスが調整され得る。
【００２６】
図2Aおよび図2Bは、前記キャパシタンス要素100の作用を示す機能図である。図2Aは交流に対する作用を示す。前記キャパシタンス要素100内の回路は、前記N個のバラクタ150A〜150Nが前記交流ノード110に印加される交流信号に関して直列に接続されるよう構成されている。図2Aに示すようにその他のキャパシタが設けられていないと仮定した場合、前記要素100の有効キャパシタンスは、前記N個のバラクタ150A〜150Nの直列組み合わせから得られる。各前記バラクタがキャパシタンスCを有する場合、前記有効キャパシタンスはC／Nである。さらに、各前記バラクタ150は、前記交流ノード110に印加される交流信号のトータルな振れの1／Nである交流電圧降下に遭遇し、これにより、前記要素100の電力処理能力を向上させる。
【００２７】
図2Bは前記要素100の直流に対する作用を示す。前記キャパシタンス要素100内の回路は、前記N個のバラクタ150A〜150Nが前記直流バイアスノード120に印加される直流バイアス電圧に関して並列に接続されるよう構成されている。このようにして、直流バイアス電圧がフルレベルで各前記バラクタ150に印加される。その結果、より低いバイアス電圧を使用して、前記バラクタ150のキャパシタンスを調整することができる。例えば、前記バラクタ150がその代わりに前記直流バイアス電圧に関して直列に接続され、各前記バラクタ150が全直流バイアス電圧の1／Nの直流電圧降下に遭遇する場合、前記直流バイアスノード120に印加される電圧は、図2Bに示した並列構成に必要とされる電圧に比べてN倍大きくなければならない。
【００２８】
なお、図1および図2は簡略化された機能説明図である。例えば、図2Aおよび図2Bの回路は、前記交流ノードおよび直流バイアスノード間における完全な直列接続および並列接続を示している。しかし、例えば、回路の不完全性および／または前記接続に影響を及ぼす付加的な回路要素によって、理想的な結果が実現されないおそれがある。ほとんどの場合、図2に示した機能を実現するために前記バラクタ150以外の回路要素も使用されるが、その場合、前記キャパシタンス要素100は、図2に示した理想的な作用を実現しない。場合によっては、他の目的を達成するための回路要素が前記キャパシタンス要素100に付加されることがある。
【００２９】
他の例として、図1は、前記4つのノード110および120を別個のノードとして示している。これは明確さのためである。様々な具体例において、物理的なノードが前記ノード110および120のうちの1つまたは複数の役割を行ってよい。逆に、各ノード110、120が、2つ以上の物理的なノードによって実現されてよい。同様に、各バラクタ150は1つの記号によって示されている。実際上、各前記バラクタ150自体は、例えば個々のバラクタの直列または並列的な組み合わせを含む多数の要素を含んでいてよい。最終的な例としては、それぞれのバラクタ150が同一構成で同じキャパシタンスを有する必要は無い。
【００３０】
上述の手法は、多くの異なる技術を使用して実施されてよい。ここにおける開示内容の多くの部分は、強誘電材料または強誘電材料から得られた材料を含む、電圧調整可能な誘電材料に基づくキャパシタンス要素100を中心として扱っている。調整可能(チューナブル)な誘電層は、好ましくは、有効温度範囲(例えば、−30Ｃ〜＋90Ｃ)にわたる(非ヒステレシス)常誘電状態において電界依存誘電率を示す。この明細書の開示においては、薄膜状の強誘電バラクタ150を使用した集積型の具体例が特に強調されて説明されている。しかしながら、本発明は、このような特定の技術に限定されるものではない。ここに説明される原則は、概ね、薄膜型ではなく、強誘電型ではなく、および／または集積型でもないものを含む、多種類の電圧調整可能なバラクタ150に適用可能である。該原則は、特定の調整可能な誘電材料、膜の厚みまたは製作手順に限定されるものではない。他の種類のバラクタ技術の例としては、MEMS(micro-electromechanical systems)技術を使用した調整可能または切り換え可能なキャパシタが含まれる。
【００３１】
このような手法は多くの利点を有する。例えば、該手法は、特定の範囲の直流バイアス電圧によって実現可能なキャパシタンス調整範囲を縮小させることなく、前記キャパシタンス要素100の交流パワー処理能力を改善できる。一方、その代案も検討する。薄膜技術において、前記バラクタのキャパシタンスは誘電薄膜の結果である。前記キャパシタンス要素100の交流パワー処理能力は、典型的には、薄膜の絶縁破壊電圧によって制限される。この絶縁破壊電圧は、前記膜の厚みを大きくすることによって大きくすることができる。しかしながら、キャパシタンス調整は、典型的には、薄膜における電界に依存する。前記膜の厚みを大きくすると、特定の直流バイアス電圧についての電界低下をきたし、このため、キャパシタンス調整範囲を狭くする。故に、前記交流パワー処理能力を上げると、前記キャパシタンス調整範囲が狭くなる。上述の手法によると、キャパシタンス調整範囲を狭くすることなく、前記交流パワー処理能力を上げることができる。
【００３２】
さらに、多くの具体例において、図2に示した交流直列接続および直流並列接続を同時に実現するために、前記直流バイアス電圧が前記交流信号から電気的に絶縁される。その結果、典型的には、前記直流バイアス電圧およびバイアス回路も、前記キャパシタンス要素100が一体化された前記外部回路から電気的に絶縁される。これは、前記外部回路に対する直流バイアスによる悪影響、または、その逆による悪影響を減少させ、前記キャパシタンス要素100が多種類の外部回路に容易に組み込まれることを可能にする。
【００３３】
優れた交流パワー処理能力および低直流バイアス電圧の組み合わせにより、前記キャパシタンス要素100は多くの用途に適したものになる。強誘電薄膜技術を使用した具体例は、小型化および高度集積化という効果を付加する。その結果、前記キャパシタンス要素100は、典型的には低い動作電圧を必要とするバッテリ作動型の装置に十分適したものとなる。また、前記キャパシタンス要素100は、携帯無線装置において、例えば、高性能および高効率、故に長いバッテリ寿命を維持するためにパワーアンプ回路のインピーダンスレベルを調整することに適している。直列接続または並列接続された誘導子(インダクタ)を付加することにより、インピーダンス整合およびフィルタネットワークに使用される調整可能共振体を構成することができる。また、前記キャパシタンス要素100は、製造公差を補償するためにも使用可能であり、これにより生産高を向上しコストを下げることができる。
【００３４】
次に述べる2つの適用例は無線周波数(RF)通信に関するものである。一方の適用例において、前記キャパシタンス要素100は、無線周波数パワーアンプのための調整可能リアクタンス整合ネットワークに使用される。もう一方の適用例において、前記キャパシタンス要素100は、調整可能フィルタに使用される。両前記適用例において、前記キャパシタンス要素は、低直流バイアス電圧を維持しながら、パワー処理能力を高め、相互変調歪みを減少させる。他の適用例(無線周波数以外の周波数での適用例を含む)も容易に案出されるであろう。
【００３５】
図3〜図9は、前記キャパシタンス要素100の様々異なる実施の形態を例示する図である。これらの例の多くにおいて、前記交流信号を前記直流バイアス回路から絶縁するために、高インピーダンス抵抗および／または誘導子が交流遮断回路要素として使用され、前記直流バイアス電圧を前記外部回路(すなわち、前記交流ノードに接続された回路)から絶縁するために、直流遮断キャパシタが使用される。
【００３６】
図3は、キャパシタンス要素100を実現するための1つの一般的な手法を示す回路図である。この手法において、チェーンを構成するために、バラクタ150A〜150Nが直列に接続されている。前記チェーン自体はN＋1個のノード310、すなわち、前記バラクタの間に配置されたN−1個のノード310B〜310Nと、前記チェーンの両端に配置された2つのノード310Aおよび310Oとを有する。便宜上、これらのノード310を接続ノードと言う。前記交流ノードのうちの1つ110Aは第1の接続ノード310Aに接続され、最後の接続ノード310Oは他の交流ノード110Bに接続されている。各直流バイアスノードは交流接続ノード310に直流接続されている。図3において、直流バイアスノード120Aは奇数番目の接続ノード310(すなわち、ノード310A, 310C, 310Eなど)に直流接続されており、直流バイアスノード120Bは偶数番目の接続ノード(すなわち、ノード310B, 310Dなど)に直流接続されている。前記ノード110、120と接続ノード310との間の接続部には、例えばキャパシタンス要素300の直流部分と交流部分との間を絶縁するために、(破線で示すように)付加的な要素が含まれていてよい。
【００３７】
図4は、4つのバラクタ150A〜150Dと、直流遮断回路要素としての2つのキャパシタ410A, 410Bと、交流遮断回路要素としての5つの抵抗420A, 420C, 420E, 430B, 430Dとを使用したキャパシタンス要素300の具体例を示す図である。前記4つのバラクタ150は直列に接続されて図3に示すようなチェーンを構成している。前記バラクタチェーンの各端(すなわち、接続ノード310A, 310E)は、前記直流遮断キャパシタ410A, 410Bのうちの1つによって、前記交流ノード110A、110Bのうちの1つに接続されている。前記直流バイアスノード120A，120Bは、前記バイアス抵抗420, 430によって前記交流バイアスノードに接続されている。より詳しくは、前記直流バイアスノード120Aは前記バイアス抵抗420A, 420C, 420Eによって接続ノード310A, 310C, 310Eに接続されており、前記直流バイアスノード120Bは前記バイアス抵抗420B, 420Dによって接続ノード310B, 310Dに接続されている。
【００３８】
図4のキャパシタンス要素は下記のように機能する。前記交流ノード110に印加される交流信号に関して、前記バイアス抵抗420, 430は、高い抵抗を有し、前記回路のこれらの部分を流れる交流電流を有効に妨げる。その結果、前記交流信号に対して、前記キャパシタンス要素は、直列接続された6つのキャパシタ410、150のように動作し、このようにして図2Aに示した交流モデルを模倣する。前記直流バイアスノード120に印加される直流バイアス電圧に関して、前記バラクタ150および直流遮断キャパシタ410は、前記回路のこれらの部分を流れる直流電流を有効に妨げる。その結果、前記バイアス抵抗420, 430において無視してよいわずかな電圧降下が生じ、また、前記直流バイアスノード120が交流接続ノード310に接続されていることにより、各バラクタ150は概ねフルの直流バイアス電圧によってバイアスされる。これは、図2Bに示した交流モデルを模倣する。さらに、前記直流遮断キャパシタ410は、前記直流バイアス回路を前記交流ノード110に接続された外部回路から有効に絶縁し、このようにして、これら2つの回路間における干渉を阻止する。
【００３９】
前記直流バイアス方式の変更例は容易に案出されるであろう。例えば、図5は、前記直流バイアス抵抗520の構成が上記と異なるキャパシタンス要素の他の例を示す回路図である。各接続ノード310A, 310C, 310Eをバイアス抵抗を介して前記直流バイアスノード120Aに直接接続する代わりに、前記バイアス抵抗520を使用して前記接続ノード310A, 310C, 310E間を接続している。より詳しくは、前記抵抗520Aは直流バイアスノード120Aを接続ノード310Aに接続し、前記抵抗520Cは接続ノード310Aを接続ノード310Cに接続し、前記抵抗520Eは接続ノード310Cを接続ノード310Eに接続している。しかしながら、前記バイアス抵抗520は、概ね、図4のものと同じ機能を実行する。これらのバイアス抵抗520は、交流電流の流れを妨げ、直流バイアス電圧を交流接続ノードに分配する。
【００４０】
図6において、図5の前記キャパシタンス要素が分路構成に使用されており、つまり、このことは1つの交流ノード110Aがアースされていることを意味する。交流アースと直流アースとが同じものであると仮定する。その結果、回路が幾分簡略化され得る。特に、アースノードでの直流遮断が必要でないので、前記直流遮断キャパシタ410Aが省略される。同様に、交流遮断が必要でないので、前記バイアス抵抗520Aも省略される。その結果としての回路が図6に示されている。
【００４１】
図4〜図6は、正確に4つのバラクタを有するキャパシタンス要素を有する。しかしながら、図3について上述したように、4つ以外の数のバラクタを使用することも可能である。図7は、図4の回路設計が任意個数のバラクタ150を使用するためにいかに拡張されるかを示す。他の上記回路も同様に拡張可能である。
【００４２】
さらに、抵抗が唯一の交流遮断回路要素である。しかし、他の種類の交流遮断回路要素が使用されてもよい。例えば、図3〜図7に示した抵抗のうちのいくつかまたは全部が、大きな値の誘導子と置き換えられてよい。一例として、図8に示した回路は、バイアス抵抗520C, 520Eがバイアス誘導子820C, 820Eと置き換えられている点を除き、図6に示した回路と同じである。
【００４３】
上記キャパシタンス要素は１つの個別の回路基板またはキャリアに実装された個別の(ディスクリートな)構成部品を使用して実現され得る。例えば、ある薄膜抵抗方式は、大きな値の抵抗の実施を難しくする制限されたシート抵抗を有する。これらの場合、その代わりに、前記抵抗は個別の構成部品として実施されてよい。
【００４４】
しかしながら、好ましくは、前記キャパシタンス要素全体が単一の集積回路として実現され、前記バラクタが強誘電薄膜技術を使用して実現される。前記キャパシタンス要素を製作するために、標準的なIC製作方法を使用することができる。コスト削減のためには、高抵抗性シリコン(HR Si)、結晶サファイア(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、石英およびガラスを含む(しかしこれらに限定されるものではない)廉価な絶縁物質が好ましい。これらの物質は、高い絶縁破壊電界での滑らかな強誘電膜の成長に適合可能に、低い表面粗さを有するよう研磨される。この手法により、大量生産に適し、付加的な回路要素との一体化に適した低コストで、小型で信頼のおける構成部品が提供される。
【００４５】
図9Aおよび図9Bは、この方法で実現されるキャパシタンス要素を示す。図9Aは前記回路の図であり、図9Bは前記薄膜集積回路の実施の形態を示す上面図である。図9Bは、実際のキャパシタンス要素の写真に基づく線画である。図9Aにおいて、前記実現された回路は図6に示した設計の2バラクタ版である。従って、5つの回路要素、すなわち、キャパシタンスCを有する2つのバラクタ150A,−150Bと、抵抗Rb, Rpをそれぞれ有する2つのバイアスと、キャパシタンスCbを有する直流遮断キャパシタ410Bとが設けられている。
【００４６】
図9Bにおいて、外部要素への相互接続を考慮して、交流バイアスノード110および直流バイアスノード120は大きな金属パッド1, 2, 3として実現される。最も左のパッド1は交流ノード110Bであり、最も右のパッド2は交流ノード110Aおよび直流ノード120A(すなわち、図9Aにおいてアースされているノード)の両方として機能し、底のパッド3は直流バイアスノード120Bである。これらのパッドは、例えば、ワイヤボンド装着またははんだバンプ装着のために使用可能である。
【００４７】
先ず交流信号の経路について説明すると、交流ノード110Bは、直列に接続された直流遮断キャパシタ410Bと2つのバラクタ150B−150Aによって、交流アース端子110Aに接続されている。図9Bにおいて、この信号経路は左から右に配置されたものとして示されている。交流ノード110B(金属パッド1)の直ぐ右には、"2Cb"と示された2つの直列接続されたキャパシタが設けられている。これらのキャパシタの各々は、キャパシタンス2Cbを有する。合計すると、これらのキャパシタは、有効キャパシタンスCbを有し、これにより、直流遮断キャパシタ410Bを実現する。前記直列接続されたキャパシタの対は、この要素の直流絶縁破壊電圧を上げるために使用されている。必須ではないが、この例において、前記直流遮断キャパシタは、前記バラクタと同じ材料で構成されている。
【００４８】
強誘電膜は大きなキャパシタンス密度を有するので、電圧によるキャパシタンスの変化は必ずしも利用されずまたは望ましくないものの、前記遮断キャパシタ410Bに強誘電膜を使用するのが有利である。大きな値の遮断キャパシタは通常チップ上の大きな基板面積を占めるので、強誘電材料の使用は大幅なサイズ減少をもたらす。例えば二酸化ケイ素(SiO2)、窒化珪素(SixNy)、酸化アルミニウム(Al2O3)および酸化チタン(TiO2)を含むその他の誘電材料を、前記遮断キャパシタに用いてもよい。
【００４９】
図9Bにおいて、前記2つのキャパシタ150B、150Aは"C"と示されている。これらは通常の強誘電薄膜技術を使用して実現され、典型的には、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムまたはこれらの固溶体が前記誘電体として使用される。
【００５０】
前記バラクタ150の潜在的な調整変化作用を有効利用するために、前記遮断キャパシタ410BのキャパシタンスCbは、前記バラクタ150のキャパシタンスCに比べて少なくとも5倍大きいのが好ましい。この具体例において、前記遮断キャパシタは前記バラクタのキャパシタンスの少なくとも20倍のキャパシタンスを有し、前記バラクタは、ゼロボルトから前記調整可能な誘電材料の絶縁破壊電圧に変化する直流バイアス電圧に応じて、3倍のキャパシタンス変化を実現する。多くの無線周波数用途において、前記遮断キャパシタのサイズは数百ピコファラドであってよく、前記バラクタのキャパシタンスは、0ボルトから5ボルトの範囲で変化する直流バイアス電圧に応じて、2倍変化してよい。
【００５１】
前記2つのバイアス抵抗430Bおよび520Cは、従来の薄膜技術を使用して実現される。図9Bにおいて、これらの抵抗は"Rb"および"Rp"と示されている。これらの抵抗を流れる交流電流が極わずかであることを保証するために、該抵抗は前記バラクタのリアクタンスに比べて大きいのが好ましい。
【００５２】
より詳しくは、前記バイアス抵抗430Bは、好ましくは、前記バラクタ150のリアクタンスの少なくとも10倍大きい抵抗を有する。換言すれば、Ｒb＞１０ ／ ωＣである。ここで、ωは作動角周波数である。同様に、前記バイアス抵抗520Cは、好ましくは、前記バラクタ150のリアクタンスの少なくとも10倍大きい抵抗、すなわち、Ｒb ＞１０ ／ ωＣの抵抗を有する。
【００５３】
バイアス抵抗の代わりにバイアス誘導子が使用される場合、広い範囲の値が使用されてよい。ある用途においては、特定の周波数ω0で前記バラクタと共振する誘導子を選択するのが望ましい。他の用途においては、前記バイアス誘導子が主にチョークとして機能してよく、その場合、前記誘導子のリアクタンスは前記バラクタのリアクタンスよりかなり大きいのが好ましい。例えば、抵抗について記載された親指のｘ10およびｘ50の法則が誘導子に適用されてもよい。
【００５４】
以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、他の実施の形態も提供可能であることが、当業者に理解されよう。例えば、他の実施の形態にあっては、前記遮断キャパシタンスおよび／または分路抵抗が省略されていてよい。図9Aにおいて、前記交流ノード110Bが直流アース電位の無線周波数回路に接続されている場合、分路抵抗520Cおよび遮断キャパシタ410Bを省略できる。故に、本発明の範囲は、ここに含まれる好ましい実施の形態の記載に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係るキャパシタンス要素の機能図。
【図２Ａ】図1のキャパシタンス要素の交流に対する作用および直流に対する作用を示す回路図。
【図２Ｂ】図1のキャパシタンス要素の交流に対する作用および直流に対する作用を示す回路図。
【図３】図1および図2に示したキャパシタンス要素を実現するための1つの一般的な手法を示す回路図。
【図４】4つのバラクタを有し、交流遮断回路要素として抵抗を使用したキャパシタンス要素の回路図。
【図５】4つのバラクタを有し、交流遮断回路要素として抵抗を使用したキャパシタンス要素の他の例を示す回路図。
【図６】分路構造に使用されたキャパシタンス要素の回路図。
【図７】キャパシタンス要素における任意個数のバラクタの使用を示すキャパシタンス要素の回路図。
【図８】交流遮断回路要素としての誘導子の使用を示すキャパシタンス要素の回路図。
【図９Ａ】他のキャパシタンス要素を示す回路図。
【図９Ｂ】図9Aのキャパシタンス要素を実現した薄膜集積回路の上面図。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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