(57)【要約】【課題】ＰＩＮダイオードによる切替を高速化する。【解決手段】ＰＩＮダイオードを順バイアスから逆バイアスに切り替えるときは、切替の瞬間を含めて一時的に、順バイアスを減らし（Ａ）、逆に、逆バイアスから順バイアスに切り替えるときは、順バイアスを増やす（Ｃ）か逆バイアスを減らす（Ｄ）。ＰＩＮダイオードの遮断／導通切替に要する時間が短くなるため、切替に伴う信号欠落例えば放送データの一部欠落を防止でき、或いはかなりの程度低減できる。【選択図】　　　　図２
2004112009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれＰＩＮダイオードに対して順バイアス又は逆バイアスを供給するための第１及び第２の電源をＰＩＮダイオード側に選択的に接続するためのスイッチ素子群と、スイッチ素子群を制御することによりＰＩＮダイオードのバイアスを順バイアスから逆バイアスへと切り替えるバイアス制御部と、を備えるＰＩＮダイオードバイアス制御回路において、
バイアス制御部が、上記切替に際して一時的に、順バイアスを減らすことを特徴とするＰＩＮダイオードバイアス制御回路。
【請求項２】
それぞれＰＩＮダイオードに対して順バイアス又は逆バイアスを供給するための第１及び第２の電源をＰＩＮダイオード側に選択的に接続するためのスイッチ素子群と、スイッチ素子群を制御することによりＰＩＮダイオードのバイアスを逆バイアスから順バイアスへと切り替えるバイアス制御部と、を備えるＰＩＮダイオードバイアス制御回路において、
バイアス制御部が、上記切替に際して一時的に、順バイアスを増やし又は逆バイアスを減らすことを特徴とするＰＩＮダイオードバイアス制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波スイッチ回路等で使用されるＰＩＮダイオードのバイアスを制御する回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
送信機の台数が１台であると、その送信機が故障したら送信を継続し得なくなる。そのため、複数台の送信機を併設することによって冗長性を高め、送信機故障等に抗して送信を継続できるようにする技術が、従来から検討・採用されている。例えばテレビジョン放送では、送信の中断とは放送の中断即ち視聴者に対する基本的サービスの中断であることから、上掲の如く冗長化したシステム構成を採り、無停波を目指すことが多い。
【０００３】
本願出願人も、ディジタル地上波テレビジョン放送システム等に適する冗長化したシステム、特に（Ｎ＋１）台方式によるシステムや全数動作方式によるシステムについて、各種の改善を提案している。（Ｎ＋１）台方式とは、所定台数例えばＮ台（Ｎ：自然数）の現用送信機と所定台数例えば１台の予備送信機を設け、現用送信機に故障等が発生した場合に直ちに予備送信機に切り替えるという方式であり、最も簡素且つ基本的な構成としては、現用及び予備送信機を各１台設ける構成がある。全数動作方式は、複数台の送信機を並列的に設けるという点では（Ｎ＋１）台方式と同様であるが、原則としてそれら複数台の送信機を全て動作させ、故障等が生じたもののみを休止させるという点で、（Ｎ＋１）台方式とは相違している。また、（Ｎ＋１）台方式に関しては特願２００１−２８０４４８号及び特願２００１−３３２７２３号（特に明細書の段落００３５）に、全数動作方式に関しては特願２００１−３３２７２３号に、それぞれ記載があるので、参照されたい。これら、特願２００１−２８０４４８号及び特願２００１−３３２７２３号には、ディジタル地上波テレビジョン放送向けの（Ｎ＋１）台方式或いは全数動作方式に好適に使用できる切替器が、示されている。
【０００４】
図４に、特願２００１−２８０４４８号に示されている切替器の一例を示す。この図に示した切替器は「入力１」「入力２」「ＡＮＴ」「ＲＤ」の各ポートを有しており、第１の送信機は「入力１」に、第２の送信機は「入力２」に、送信アンテナは「ＡＮＴ」に、整合終端用のダミー抵抗は「ＲＤ」に、それぞれ接続される。「入力１」と「ＡＮＴ」の間、「入力２」と「ＡＮＴ」の間、「入力１」と「ＲＤ」の間、「入力２」と「ＲＤ」の間には、それぞれスイッチ（ＳＷ１〜ＳＷ４）が設けられており、これらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４は制御部１０により駆動・制御される。制御部１０は、スイッチＳＷ１及びＳＷ４をオンさせスイッチＳＷ２及びＳＷ３をオフさせることにより、第１の送信機を送信アンテナにまた第２の送信機をダミー抵抗に接続する。制御部１０は、逆に、スイッチＳＷ１及びＳＷ４をオフさせスイッチＳＷ２及びＳＷ３をオンさせることにより、第２の送信機を送信アンテナにまた第１の送信機をダミー抵抗に接続する。また、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、機械的接点でも実現できるけれども、ＰＩＮダイオードを用いて無接点方式とした方が、切替を迅速に行うことができアンテナ出力におけるデータビット欠落を好適に防止できるため、有利である。ＰＩＮダイオードを用いたスイッチとしては、ＰＩＮダイオードを線路導体上にシリーズに挿入するシリーズ回路方式と、線路・接地導体間に設けるシャント回路方式とがある。
【０００５】
図５に、シリーズ回路方式によるスイッチＳＷ１の実現例を示す。この図に示されている回路では、ＰＩＮダイオードＤ１がキャパシタＣ１及びＣ２を介して「入力１」及び「ＡＮＴ」に接続されており、またドライブ回路１２から供給されるバイアスがインダクタＬ２及びキャパシタＣ３を介してＰＩＮダイオードＤ１のアノードに印加されている。この図に示されている接続・極性では、ドライブ回路１２からの正電圧によりＰＩＮダイオードＤ１が順バイアスされ、負電圧により逆バイアスされる。充分な順バイアスが加わるとＰＩＮダイオードＤ１が導通して線路は導通状態となり、充分な逆バイアスが加わると逆に遮断状態となる。なお、停波防止技術として、シリーズ回路方式を利用したものが、後掲の特許文献１により開示されているので、参照されたい。
【０００６】
図６に、シャント回路方式によるスイッチＳＷ１の実現例を示す。この図に示した実現例は、ＰＩＮダイオードを冗長化し更にそれに対応して回路群も冗長化した例であり、図６（Ａ）に示すように、電気長＝ｎλ／２＋λ／４の線路を介して「入力１」に接続された点ａにスイッチＳＷ１１及びＳＷ１２を、また電気長＝ｎλ／２＋λ／４の線路を介して「ＡＮＴ」に接続された点ｂにスイッチＳＷ１３及びＳＷ１４を、それぞれ接続し、点ａと点ｂとの間を電気長＝λ／４の線路により接続した構成を有している（ｎ：自然数、λ：搬送波長）。点ａに接続されるスイッチＳＷ１１は、図６（Ｂ）に示すように、そのカソードが接地されたＰＩＮダイオードＤ１１、そのアノードと点ａとを接続するキャパシタＣ１１、同じくアノードとドライブ回路１２−１との間に設けられたインダクタＬ２１及び一端接地のキャパシタＣ３１により、構成されている。スイッチＳＷ１２も、同様の接続関係にあるＰＩＮダイオードＤ１２、キャパシタＣ１２、インダクタＬ２２及びキャパシタＣ３２により、構成されている。ドライブ回路１２−１及び１２−２はそれぞれ対応するＰＩＮダイオード（Ｄ１１又はＤ１２）にバイアスを供給する。この図に示されている接続・極性では、ドライブ回路１２−１又は１２−２からの正電圧によりＰＩＮダイオードＤ１１又はＤ１２が順バイアスされ、負電圧により逆バイアスされる。ＰＩＮダイオードＤ１１及びＤ１２双方に充分な順バイアスが加わるとそれらは導通して点ａが接地に短絡され、充分な逆バイアスが加わると逆にそれらは遮断して線路から切り離される。
【０００７】
なお、図５及び図６とは逆の極性でダイオードを設けこともでき、その場合はバイアスの正負と順逆の関係が入れ替わる（後述の本発明の実施形態でも同様である）。また、図６（Ａ）中の点ｂにも、図６（Ｂ）と同様の回路が設けられている。また、他のスイッチも同様の回路により実現できる。シリーズ回路方式とシャント回路方式とを適宜組み合わせることもできる（特願２００１−２８０４４８号図９等を参照）。
【０００８】
図７に、特願２００１−３３２７２３号に示されている切替器の一例を示す。この切替器は、各ＰＡユニット１６−１，１６−２，…１６−Ｎ内に設けられている電力増幅器（ＰＡ）２０の前後に、スイッチＳＷ５及びＳＷ６として組み込まれている。図７においては、図示しない装置から「入力」に印加された信号が分配器１４により各ＰＡユニット１６−１，１６−２，…１６−Ｎに分配され、各ＰＡユニット１６−１，１６−２，…１６−Ｎ内のＰＡ２０により増幅され、各ＰＡユニット１６−１，１６−２，…１６−Ｎの増幅出力が合成器１８により合成されて、「ＡＮＴ」から送信アンテナに供給される。各ＰＡユニット１６−１，１６−２，…１６−Ｎ内には、ＰＡユニット１６−１を例として示すように、ＰＡ２０、その前後に配置されたスイッチＳＷ５及びＳＷ６、並びに対応するＰＡ２０における故障を検知してスイッチＳＷ５及びＳＷ６を制御する機能等を備えた故障検知制御部２２が、設けられている。ここでは図示を省略しているが、故障検知制御部２２は、ＰＡユニット内所定箇所にて信号を検出・監視するための部材即ち故障検知のために必要な情報を集めるための部材を、有している。また、ＰＡ２０への入力振幅を制限するためのリミッタ等も設ける。
【０００９】
シリーズ回路方式によるスイッチＳＷ６の実現例を図８に、またシャント回路方式による実現例を図９に、それぞれ示す。これらの図中、「ＰＡ」はＰＡ２０側の端子であり、「合成」は合成器１８側の端子である。また、図８に示した回路は先に図５に示したものとほぼ同じ構成・機能を有しており、ＰＩＮダイオードＤ６、キャパシタＣ１及びＣ３、インダクタＬ１及びＬ２並びに電気長＝ｎλ／２の線路から構成されている。図９に示した回路は、図８に対して、ＰＩＮダイオードＤ６の接続箇所を線路・接地導体間に変更し、電気長＝ｎλ／２の線路に代えてキャパシタＣ２及び電気長＝ｎλ／２＋λ／４の線路を挿入した構成を有している。ドライブ回路２４は、ＰＩＮダイオードＤ６にバイアスを供給する。また、その順逆切替によって、ＰＩＮダイオードＤ６の状態を導通状態から遮断状態へ又はその逆へと切り替える。なお、スイッチＳＷ６の他の構成例については、特願２００１−３３２７２３号の図７等を参照されたい。スイッチＳＷ５の構成については、上の説明から自明であろう。
【特許文献１】
特開平６−２９２１５７号公報
【非特許文献１】
Ｐｉｎ　Ｄｉｏｄｅ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ（Ｍｉｃｒｏｓｅｍｉ社発行、初版：１９９６年６月１日、２００２年９月４日時点でｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｓｅｍｉ．ｃｏｍ／ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｒｆ／ｐｉｎｂｏｏｋ．ａｓｐからＰＤＦ形式でダウンロード可能）、特にＣｈａｐｔｅｒ　Ｏｎｅ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｓｅｍｉ．ｃｏｍ／ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｒｆ／ｃｈａｐｔｅｒ％２０１．ｐｄｆ）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ディジタル地上波テレビジョン放送における放送機切替の分野を含め、高速切替特に高周波信号の高速切替が要求される分野では、スイッチ素子としてＰＩＮダイオードを使用することによって、切替所要時間を短縮している。しかしながら、キャリアライフタイム等、切替所要時間短縮を妨げるＰＩＮダイオード固有の特性・性質もあり、特願２００１−２８０４４８号及び特願２００１−３３２７２３号に記載されている手法のみでは充分に要求を満たせない可能性が残っていた。特に、ディジタル地上波テレビジョン放送では、高度にデータ圧縮された放送信号が切替対象信号であるため、切替所要時間に関して更なる短縮が要請されている。本発明の目的の一つは、ＰＩＮダイオードをスイッチ素子として用いた切替器における切替所要時間を更に短縮することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、（１）それぞれＰＩＮダイオードに対して順バイアス又は逆バイアスを供給するための第１及び第２の電源をＰＩＮダイオード側に選択的に接続するためのスイッチ素子群と、（２）スイッチ素子群を制御することによりＰＩＮダイオードのバイアスを順バイアスから逆バイアスへと切り替えるバイアス制御部と、を備えるＰＩＮダイオードバイアス制御回路において、（３）バイアス制御部が、上記切替に際して一時的に、順バイアスを減らすことを特徴とする。或いは、（４）スイッチ素子群を制御することによりＰＩＮダイオードのバイアスを逆バイアスから順バイアスへと切り替えるバイアス制御部を備えるＰＩＮダイオードバイアス制御回路において、（５）バイアス制御部が、上記切替に際して一時的に、順バイアスを増やし又は逆バイアスを減らすことを特徴とする。なお、ここでいうスイッチ素子群は、第１及び第２の電源とＰＩＮダイオードとの間に介在するＦＥＴやバイポーラトランジスタ等のことであり、ＰＩＮダイオードのことではない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態に関し図面に基づき説明する。なお、本発明に係る制御回路は、図４〜図９に示した装置中のＰＩＮダイオードに限らず、各種のＰＩＮダイオードスイッチに適用できる。例えば、特願２００１−２８０４４８号及び特願２００１−３３２７２３号に開示されているいずれのＰＩＮダイオードも、本発明に係る制御回路の制御対象とすることができる。
【００１３】
図１に、本発明の一実施形態に係る制御回路の構成を示す。この図に示す制御回路は、バイアス供給先のＰＩＮダイオードにインダクタやキャパシタを介して接続される回路である。図５に示した例でいえば、インダクタＬ２及びキャパシタＣ３を介してＰＩＮダイオードＤ１に接続されるドライブ回路１２及びそれに付随する電源回路に、該当する（但し本実施形態はドライブ回路１２−１，１２−２，２４等としても使用できる）。また、図１に示した回路は、それぞれ正電源２８又は負電源３０に接続されたＦＥＴ等のスイッチ素子Ｓ１及びＳ２、これらスイッチ素子Ｓ１及びＳ２の接続点とＰＩＮダイオード側との間に接続された抵抗Ｒ、スイッチ素子Ｓ１及びＳ２の制御端子（図ではゲート）に設けられたバイアス回路３２及び３４、並びにバイアス回路３２及び３４を介しスイッチ素子Ｓ１及びＳ２にスイッチング制御信号を供給する一方それと同期して正電源２８又は負電源３０の電圧又は電流値を制御するバイアス制御部２６から、構成されている。また、ここでは、説明の明瞭化・具体化のため、正電源２８により順バイアスが、負電源３０により逆バイアスが供給されるような極性で、即ち図５や図６に示されているものと同様の極性で、ＰＩＮダイオードが接続されているものとする。
【００１４】
バイアス制御部２６は、図２及び図３に示されるように、ＰＩＮダイオードのバイアスを順バイアスから逆バイアスに切り替えるとき及び逆バイアスから順バイアスに切り替えるときに、一時的にバイアス電圧又は電流を増減制御する。即ち、順バイアスから逆バイアスに切り替えるときには（図３：１００）、図２（Ａ）中に矢印Ａで示すように順バイアスを減らし（１０２）、逆に、逆バイアスから順バイアスに切り替えるときには（１００）、図２（Ｂ）中に矢印Ｃで示すように順バイアスを増やすか矢印Ｄで示すように逆バイアスを減らす（１０４）。但し、ステップ１０４で、矢印Ｃの制御と矢印Ｄの制御を併用してもよい。ステップ１０２又は１０４実行後、バイアス制御部２６は、スイッチ素子Ｓ１及びＳ２に対して制御信号を与えてそれらの状態をターンオン又はターンオフさせる（図示せず）。例えば、スイッチ素子Ｓ１をターンオン、スイッチ素子Ｓ２をターンオフさせた場合は、正電源２８からＰＩＮダイオードに順バイアスが、逆に、スイッチ素子Ｓ１をターンオフ、スイッチ素子Ｓ２をターンオンさせた場合は、負電源３０からＰＩＮダイオードに逆バイアスが、それぞれ供給される。バイアス状態が安定したら又は安定したと見られる程度の時間が経過したら、バイアス制御部２６は、バイアス電圧又は電流を通常値に戻す（１０６）。
【００１５】
仮に、通常時に正電源２８によりＰＩＮダイオードに供給されている順バイアス電流が１アンペアであるとする。この場合、例えば、正電源２８による順バイアス電流を通常時における１アンペアから０．５アンペアに低減する制御がステップ１０２で、また順バイアス電流を２アンペアに増大する制御がステップ１０４で、そして順バイアス電流を通常時における１アンペアに戻す制御がステップ１０６で、バイアス制御部２６により実行される。この例におけるステップ１０２及び１０４の動作は、図２中の矢印Ａ及びＣに該当する。上にも述べたとおり、順バイアス電流を一時的に増減する手法だけでなく、逆バイアス電圧を一時的に増減する手法や、順バイアス電流及び逆バイアス電圧双方を一時的に増減する手法を、採ってもよい。通常時におけるバイアス電流又は電圧値は、ＰＩＮダイオードの特性、切替対象信号のピーク電圧値、要求されているダイナミックレンジ等に基づき、決定することができ、切替の瞬間を含め一時的に使用されるバイアス電流又は電圧値並びにバイアス電流又は電圧を一時的に変化させておく期間の長さは、ＰＩＮダイオードの発熱やダメージ、ダイナミックレンジひいては歪み等を考慮して、決定すればよい。
【００１６】
いずれにしても、本実施形態によれば、順方向のチャージが減少し（図２中のＡ）又は逆方向のチャージが減少する（同じくＤ）ため、切替所要時間が短縮される。なお、ＰＩＮダイオードのスイッチングスピードに関する常識水準に関しては、前掲の非特許文献１を参照されたい。従って、これを例えばディジタル地上波テレビジョン放送用の（Ｎ＋１）台方式切替器中のＰＩＮダイオード制御に適用した場合、切替に伴い発生するデータビット欠落が少なくなり或いは実質ゼロになる。スイッチとしてのＰＩＮダイオードにおける切替所要時間短縮は、（Ｎ＋１）台方式切替器に限らず、またディジタル地上波テレビジョン放送向けに限らず、有用な効果をもたらす。更に、切替の瞬間を含むごく一時期のみバイアスを変更することで高速切替を達成しているということは、言い換えれば、通常時におけるバイアスを、切替所要時間をさほど考慮せず、ＰＩＮダイオードやその周辺回路における発熱が小さくなるよう設計・設定できるということである。即ち、本実施形態によれば、電力消費を低減できる。更に、例えば順バイアス時には負電源３０を、逆バイアス時には正電源２８を休止させることも可能であり、それによって更に電力消費を低減できる。そして、本実施形態は、バイアス制御部２６（或いは更に正電源２８又は負電源３０）の細部変更によって実現できるため、実施所要コストが低く、従って安価に提供できる。
【００１７】
なお、図１では正電源２８が順バイアス、負電源３０が逆バイアス用の電源であるが、ＰＩＮダイオードの極性が逆であれば正電源２８が逆バイアス、負電源３０が順バイアス用の電源となる。また、図１では正電源を１系統（２８）、負電源を１系統（３０）設けているが、いずれか又は双方を複数系統としてもよい。例えば、特願２００１−３３２７２３号の図８（ｂ）や請求項５に記載されているように「中」バイアスと称すべきバイアス系統を設けた場合即ちその電圧値が異なる複数通りの逆バイアス電圧を印加できる回路構成とした場合に、当該「中」バイアスについても、ステップ１０２又は１０４における一時的増減制御と同様の制御を導入・適用できる。同様に、その電流値が例えば０．５アンペア、１アンペア、２アンペアというように異なる複数通りの順バイアス電流を供給できる回路構成（例えば複数個のスイッチによって電流値を多段切り替えできる回路構成）とした場合に、各順バイアス電流値について、一時的増減制御を導入・適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る制御回路の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態におけるバイアス制御の概念を示す図であり、特に（Ａ）は順バイアスから逆バイアスへの切替を、（Ｂ）は逆バイアスから順バイアスへの切替を、それぞれ示す図である。
【図３】本実施形態におけるバイアス制御部の動作の流れ、特に正電源又は負電源の電圧又は電流値に関する制御の流れを示すフローチャートである。
【図４】本願出願人の先提案に係る切替器の構成を示す回路図である。
【図５】図４におけるスイッチの一例構成を示す回路図である。
【図６】図４におけるスイッチの他の一例構成を示す回路図であり、特に（Ｂ）は（Ａ）の要部をより詳細に示した図である。
【図７】本願出願人の他の先提案に係る切替器の構成を示す回路図である。
【図８】図７におけるスイッチの一例構成を示す回路図である。
【図９】図７におけるスイッチの他の一例構成を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｄ１，Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ６　ＰＩＮダイオード、Ｓ１，Ｓ２　スイッチ素子、２６　バイアス制御部、２８　正電源、３０　負電源、３２，３４　バイアス回路。
【図１】
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【図２】
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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９】
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