JPH06510173A - 弾性表面波変換器およびバランス型ミキサを含む集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 弾性表面波変換器およびバランス型ミキサを含む集積回路 発明の分野 この発明は一般的には、送受信機の分野に関するものであるが、特に、バランス 型ミキサを用いたこれらの送受信機に関する。

発明の背景 １Ｆ信号を提供するためにバランス型ミキサ或いはイメージ除去ミキサを使用し た無線周波数（ＲＦ）受信機では、しばしばＲＦ大入力ＬＯ人力、或いはＩＦ出 力の位相関係の変換を提供することが必要とされる。バランス型ミキサ或いはイ メージ除去ミキサを使用することによって、ＬＯ及びＲＦ大入力偶数次の高調波 （ｈａＩｍｏｎｉｃｓ）の影響が実質的に低減される。従って、受信機の相互変 調（ＩＭ）歪だけでなく雑音特性においてもかなりの改善が実現される。

ミキサは一般的に、良く知られた集積回路技術を用いてＩＣ基板内に集積化され る。このＩＣ基板はＧ　ａ　Ａ　Ｓ　％シリコン或いはバランス型ミキサを配置 するのに適した同様の基板でよい。

単一の入力を差動化（すなわち１８０度移相）或いは直文化（すなわち９０変移 相）し、ミキサの入力をドライブできる出力に変換するためには、変換ネットワ ーク（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｎｅｌｏｗｏ＋ｋ）が必要である。また 、ミキサの出力を単一の出力に変換するための他の変換ネットワークも必要であ る。一般的に、このような変換ネットワークは双方向動作が可能（ｂｉｄｉ「ｅ ｃｔｉｏｎａｌ）であり、また両方の変換機能を実行するために同し構造が使用 できる。

受信機のサイズやコストを低減するための絶えざる推進力の観点では、変換ネッ トワークとミキサとを同一基板上に集積化することが望ましい。この方法では、 小さくかつ製造の容易な受信機が、バランス型ミキサ或いはイメージ除去ミキサ を使用することにより提供された仕様値の向上を劣化することな（得ることがで きる。

従来より、コイルによる変成器または変換器（ｔ「ａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ）が様 々な用途において変換ネットワークとして広く用いられており、単一終端ボート （ｓｉｄｌｅ−ｅｎｄｅｄ　ｐｏｌｌ）からバランス型ボート（ｂａｌａｎｃｅ ｄ　ｐｏ「ｔ）への広帯域変換、またその逆の変換を提供している。しかしなが ら、コイルによる変換器は高価でかさばり、さらに製造工程が複雑である。

最も重要なことには、それらはバランス型ミキサの基板と同−ＩＣ基板上に集積 化ができない。

変換ネットワークはまた伝送線路（Ｈａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　１ｉｎｅ）または 個別部品を用いても提供することができる。しかしながら、これらの部品は集積 化ができない。さらに加えて、低周波数の用途ではこれらの部品のサイズはかな り大きくなり、極めて小型の受信機においてはそれらの部品の使用はさらに制限 される。

単一の入力をバランスされた出力へ提供するための他の方法は、対の差動増幅器 を使用することを含む。この回路は集積化は可能であるが、大きな電流を要しく 従って電力を消費し）、歪みを発生し、さらに出力には固有の位相と振幅の誤差 を有する。

従って、小さなサイズの送受信機を製作するために、単一の基板上にバランス型 ミキサと共に集積化できる変換ネットワークを提供することが望まれる。

発明の概要 簡単に述べれば、本発明に係わる集積回路はＩＣ基板上に形成される。ＩＣ基板 内に少なくとも１対の入力と１対の出力を有するミキサが集積化される。少なく とも１つの５ＡＷ（ｓｕｒｆａｃｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｗａｖｅ；弾性表面波 ）変換器（ＨａｎＳｔａｒｍｅｒ）　が位相変換を提供するためにＩＣ基板上に 形成される。このＳＡＷ変換器は、上述の１対の入力及び１対の出力のうちの１ 対に結合される。ＳＡＷ変換器は、ＩＣ基板上に金属パターンを配置させ、次に その金属パターン上に圧電レイヤを配置することによって形成される。

他の実施例では、本発明の集積回路は、基板上に配置されたＩＣダイ（ｄｉｅ； 　Ｉ　Ｃチップ）を有する圧電基板を含む。

少なくとも１つのＳＡＷ変換器を形成するために該圧電基板上に金属レイヤが配 置される。ＩＣのダイはＳΔＷ変換器へ結合されるバランス型ミキサを有し、こ れにより集積可能な受信機のフロントエンド部が形成される。

図面の簡単な説明 図１は、本発明に係わる集積回路を利用した受信機のブロック図である。

図２は、本発明に係わる集積回路の１実施例の平面図である。

図３は、本発明に係わる集積回路の他の実施例の平面図である。

好ましい実施例の詳細な説明 図１を参照すると、本発明の集積回路を含む受信機１００のブロック図が示され ている。受信機１００は、良く知られた方法で動作するＦＭ受信機であり、小型 ページングユニットのような通信装置へ向けられる通信信号を受信する。或いは 、送信機（ここには示されていない）と組み合わせれば、受信機１００は携帯用 又は移動用の双方向無線のための送受信機ユニットを提供する。

本発明は、受信機１００の周波数ろ波及び位相分割（ｐｈａｓｅ　ｓｐｌｉｔｔ ｉｎｇ）機能を実行するために、弾性表面波（ＳＡＷ）技術を利用することを意 図している。ＳＡＷ部品は音速で伝搬する音響波（ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｗａｖｅ ｓ）を使用しており、音響波は光速で伝搬する電磁波よりも動作周波数において 実質的により短い波長を有するため、広きにわたり使用されている伝送線路部品 よりも好ましい。従って、与えられた動作周波数では、ＳＡＷ部品は伝送線路部 品に比べてより小さいサイズを提供する。ここに参照されるＳＡＷ変換器は、双 方向動作可能な３ポートＳＡＷネツトワークを含んでおり、１つの方向では単一 の入力を受信して互いに特定の位相関係、即ち１８０度或いは９０度の位相関係 、を持つ１対の出力を提供し、また他の方向では（前と同様に互いにある位相関 係を有する）１対の入力を受信して単一の出力を提供する。良く知られているよ うに、ＳＡＷ変換器は２つの方向のどちらかで、所望の位相分割或いは位相合成 （ｐｈａｓｅ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ）の機能を実行するよう空間的に構成さ れた要素を含んでいる。

受信機１００ては、通信メツセージを伝送する無線周波数（ＲＦ）信号１０２が アンテナ１０１を介して受信される。このＲＦ信号１０２はＳＡＷ帯域通過フィ ルタを含むフィルタ１０３へ供給され、受信機１００の初期選択度を提供する。

増幅器１０５はフィルタ１０３の出力を増幅し、それをＩＦ回路段１１０へ結合 する。ＩＦ回路段１１０は、ミキサ１１４だけでなくＳＡＷ変換器１１２．１１ ６及び１１８を含んでいる。ミキサ１１４は１対のＲＦ大入力１対のＬＯ大入力 び１対のＩＦ出力を有しており、それらの入力対及び出力対もまた互いにある位 相関係、即ち１８０度或いは９０度の位相関係を有している。この入力及び出力 の位相関係は、ＩＦ回路段１１０で使用されるミキサのタイプに依存する。ミキ サ１１４は、１８０度の位相関係、即ち差動型の位相関係を有する入力及び出力 を受信したり提供したりするバランス型ミキサで構成することができる。

或いは、ミキサ１１４は、９０度の即ち直交型の位相関係を有する人力及び出力 を受信したり提供したりするイメージ除去ミキサで構成することもできる。これ までの説明では、ミキサはダブルバランス型ミキサ（ＤＢＭ）で構成されること を意図している。さらに、ＳＡＷ変換器１１２゜１１６及び１１８は、位相変換 を提供することに加えて、ＩＦ回路段において周波数ろ波や選択度も提供するよ うに構成することも意図されている。ＳＡＷ変換器１１２，１１６及び１１８の 同時に有する位相変換及びろ波の機能によって、さらに受信機フロントエンドの サイズへの要求がより満たされ、またフィルタ１０３における初期選択度への要 求が簡略化される。

本発明によると、ＩＦ回路段１１０はＳＡＷ技術及び従来のＩＣ技術の両方を用 いて単一の基板上に集積化される。

ＳＡＷフィルタ１０３及び増幅器１０５もまたＩＦ回路段１１０を含む同一の基 板上に集積化できると理解される。

後に詳細に述べるが、ＩＦ回路段１１０は、バランス型ミキサの差動入力（単数 または複数）及び差動出力に結合された双方向ＳＡＷネットワークを含んでいる バランス型■Ｆ回路段である。ＳＡＷ変換器１１２は、その入力において増幅器 １０５の出力を受信し、互いに１８０度位相が隔たった２つの出力を提供する。

このＳＡＷ変換器１１２の出力は、良く知られたＤＢＭｌ、１４のＲＦ大入力供 給され、そのＤＢＭＩ、１４はまたそのＬＯ（局部発振器）入力においてＳＡＷ 変換器１１６の出力を受信している。ＳＡＷ変換器１１６は、受信機１００の局 部発振器の周波数を発生する良く知られた周波数シンセサイザ１１２から単一の 入力を受信する。ＤＢＭ１１４は差動ＩＦ出力を提供し、該出力はＳＡＷ変換器 １１８の差動入力へ供給される。ＳＡＷ変換器１１８は、差動入力を受信し単一 出力を提供する点て、ＳＡＷ変換器１１２及び１１６とは逆の態様で動作する。

受信機１００のＩＦ倍信号含むＳＡＷ変換器１１８の出力は、良く知られた復調 ／オーディオ回路１０７へ供給され、通信メツセージを復元する。第２段目のバ ランス型（或いは非バランス型）のＩＦ回路段が復調／オーディオ回路１０７の 前段に接続できることは、当業者によって理解できるであろう。通信されたメツ セージにオーディオメツセージが含まれている場合、それはスピーカ１０９を通 して聴取可能にされる。通信されたメツセージにデータメツセージが含まれてい る場合は、ディスプレイ装置１１１を介してそれを表示できる。

図２を参照すると、ＩＦ回路段１１０（図１に示されている）を構成する集積回 路２００の平面図が示されている。

本発明によると、集積回路２００はＩＣ基板２０２を含んでおり、そのＩＣ基板 ２０２はその中に集積化されたダブルバランス型ミキサ２０４（破線で示されて いる）を有している。ＩＣ基板２０２は、ＧａＡｓ基板またはシリコン基板また はＣＭＯ８，ＧａＡｓ、バイポーラ等のような良く知られたＩＣ技術を使用して ダブルバランス型ミキサ２０４の集積化を可能にするのに適したその他の基板て 構成することができる。Ｄ　８Ｍ２０４はＩＣ基板２０２内に集積化された４つ のデュアルゲートＦＥＴ２０６を含み、それらの端子は図に示すようにお互いに 結合され、２対の入力“ＲＦ”及び“ＬＯ”と１対の出力“ＩＦ″を提供する。

ギルバートセル（ＧｉｌｂｅτＩ　ｃｅｌｌ）のような良く知られた他のバラン ス型ミキサの構成（１＋＋ｐｏｌｏｇｉｅｓ）をＤＢＭ２０４を形成するために 使用できることは理解できる。さらに、このＤＢＭ２０４の代わりに、イメージ 除去ミキサをＩＣ基板２０２内に集積化することも考えられる。イメージ除去ミ キサの構成は技術上皇（知られており、従来技術を用いて集積化できる。また、 ＳＡＷ変換器２１０，２１４及び２１２（図中破線で示されている）もＩＣ基板 ２０２上に配置されているが、これらは上述したようにミキサ２０４の２対の人 力“ＲＦ”及び“ＬＯ”と１対の出力“！Ｆ”に適切に結合されている。

好ましい実施例では、ＳＡＷ変換器２１０．２１．２及び２１４の各々は、中央 のトランスジューサ（すだれ状電極）２２２（破線で示されている）と２つの外 側のトランスジューサ２２４（破線で示されている）を含み、それぞれ電気的励 起によって電気信号がそれらに供給されたとき、音響波による応答が生成される 。このトランスジューサはＩＣ基板２０２上に最初に金属レイヤ２３０　（ｍｅ ｌａｌｌｉｘａｆｉｏｎｌａｙｅ＋）を配置することによって形成される。次に 、その金属レイヤ２３０の上に圧電レイヤ２２８が配置される。

金属レイヤは圧電レイヤ２２８の主要な表面上（つまり図２゛においては圧電レ イヤの底面）に配置される。ここに言及される、圧電レイヤ２２８は、金属レイ ヤ上に適切に配置されうる多くの種類の圧電材料を含むことを意図している。例 えば、圧電レイヤ２２８は、ニオブ酸リチウム（ｌｉｔｈｉｕｍ　ｎ１ｏｂａｌ ｅ）　、水晶（ｑｕａＮｘｌ及びリチウムタンタレート（ｌｉｔｈｉｕｍ　ｔａ ｎＨｌａｌｅ）のような結晶圧電基板から構成することができ、それらは金属レ イヤの上に配置するのに適するようにカットされる。或いは、圧電フィルムを非 圧電基板上に配置して圧電レイヤ２２８を形成することもでき、該圧電レイヤ２ ８は金属レイヤとの適切な組み合わせによってＳＡＷ変換器を提供する。それほ ど望ましくはないが、金属レイヤ２３０を代わりに圧電レイヤ２２８の主要な上 面に配置し、位相変換及び周波数ろ波の両方の機能を提供することも可能である ことは理解できる。金属レイヤ２３０は、中央のトランスジューサ２２２及び外 側のトランスジューサ２２４のために、接地層と非接地層を形成するように分割 されている。接地層と非接地層は、交さ指（ｉｎｆｅ。

ｄｉｇｉｔａｌｅｄ　ｌｉｎｇｅｒｓ）或いは電極２２３を形成するのに適する ようにパターン化され、それらは相互間で入り込んで所望の応答、即ち位相変換 及び周波数ろ波を提供する。

１つの方向の動作では、中央のトランスジューサ２２２は、いずれかまたは両方 のＳＡＷ変換器２１０及び２１４の入力端子、即ち“ＲＦ　ＩＮ”或いは“ＬＯ ＩＮ”における電気信号を、等しい振幅及び位相を有する２つの音響波へ変換す る。この音響波は中央のトランスジューサ２２２の両端から出て、圧電レイヤ２ ２８を通って２つの外側のトランスジューサ２２４へ伝搬する。図２に示される 実施例では、トランスジューサ２２２及び２２４は左右対称で、即ち中心対中心 （ｃｅｎｔｅｒ−ｔｏ−ｃｅｎｔｅｒ）である。中央のトランスジューサ２２２ から２つの外側のトランスジューサ２２４までの距離は等しい。図に示すように 、両端における、２つの外側のトランスジューサ２２４の交さ指２２３は互いに 反転したパターンを有し、それによって互いの電気的出力は１８０度位相がシフ トされる。逆の方向においては、ミキサ２０４の差動出力、即ちＩＦ端子の２つ の出力が、ＳＡＷ変換器２１２の外側のトランスジューサ２２４へ供給され、そ れによって単一の“ＩＦ　ＯＵＴ”へ変換される。

ＳＡＷ変換器を用いた場合、広い範囲にわたる位相変換及び周波数ろ波が利用可 能となることは理解できる。２つの対称な外側のトランスジューサの組み合わせ によって、１８０度の位相変換が提供されることが示されているが、対称及び非 対称な外側のトランスジューサの組み合わせのような他の組み合わせを、イメー ジ除去ミキサのための９０度の位相変換を提供するために使用することができる 。

さらに、広く知られた音響カプラ、例えば、トランスジューサとの組み合わせに よる３ｄＢ音響カプラもまた、１８０度、９０度或いは任意の他の位相の変換を 提供するために使用できる。加えて、ＳＡＷトランスジューサに良く知られた技 術を用いて重み付けし、ＳＡＷ変換器に位相変換機能だけでなく周波数ろ波を組 み入れることができる。例えば、もし前記交さ指、即ち電極２２３の長さが、フ ーリエ変換の標本化バージョン（即ちインパルス応答）にほぼ対応するならば、 ＳＡＷ変換器はろ波機能を示す。他のトランスジューサの重み付けの方法は引き 込み型（ｖｉｔｈｄ＋ａｖａ１）重み付けを含み、そこではある交さ指または電 極２２３が接地され、そのため接地された電極の局所的な密度がほぼ所望のイン パルス応答に比例している。さらに他の方法は、位相の重み付けを含み、そこで は電極の位置が互いの周期的な配置に対して僅かに修正されており、そのため結 果的に生ずる位相誤差によってインパルス応答に重み付けされている。

以上に代わる構成は、外側のトランスジューサ２２４及び２２８に１方向動作の ＳＡＷ変換器を使用することであり、ＳＡＷ変換器２１０，２１２及び２１４の 挿入損失を最小化できまた音響反射によるスプリアスを除去できる。

図３を参照すると、本発明の他の実施例に係わる集積回路３００の平面図が示さ れている。この実施例では、その上に集積回路が形成されている基板は、ＩＣ基 板とは異なり圧電基板３０２て構成される。圧電基板３０２は、その上に配置さ れた金属レイヤ３３０を有し、該レイヤは変換ネットワーク３１０，３１４及び ３１２を形成するのに適するようにパターン化されている。これらの変換ネット ワーク３１０，３１．２及び３１４は、図２と共に述べた変換ネットワークと同 様の態様で動作する。ＩＣダイ３０４は、圧電基板３０２上に配置され、そのＩ Ｃダイの上にバランス型ミキサ３０８（或いはイメージ除去ミキサ）が集積化さ れている。バランス型ミキサ３０８は差動入力及び差動出力を有し、それらは変 換ネットワーク３１０，３１４及び３１２に適切に結合され、受信機１００（図 １に示されている）のフロントエンドの“ＲＦ　ＩＮ”、“ＬＯＩＮ”及び“Ｉ Ｆ　ＯＵＴ”の端子を提供する。

従って、本発明によれば、ＳＡＷ技術と従来のＩＣ技術を単一のＩＣチップ上で 組み合わせることによって、少なくとも受信機のフロントエンドの集積化が可能 となる。ＩＣチップは、ブリセレクタであるＳＡＷフィルタ（１０３）、前置増 幅器（１０５）及び、上記の記述にしたがって提供されるＳＡＷ変換器とミキサ を含む集積化されたバランス型ＩＦ回路段（１１０）を含むことができる。本発 明で教示された原理に従い、単一のＩＣ上にフロントエンドを集積化すると、バ ランス型或いは直交型のＩＦ回路段の使用によって得られた改善効果を保持しつ つ、受信機の大幅なサイズの低減が提供できる。

フロントページの続き （７２）発明者　シュアルツ・ジョーズ　アイアメリカ合衆国フロリダ州　３３ １４６、コーラル・ゲイブルズ、アンダーソン・ロード（７２）発明者　チョー ・フレデリック　ワイアメリカ合衆国アリシナ州　８５２５１、スコツツブイル 、イースト・モントレー・ウェイ８７３１

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．単一のＩＣ基板上に形成された集積回路であって、前記ＩＣ基板内に集積化 され、少なくとも１対の入力と１対の出力を有するミキサ、 前記ＩＣ基板上に配置され、位相変換を提供する少なくとも１つの弾性表面波変 換器であって、前記１対の入力または前記１対の出力のうちの１対に結合され、 前記位相変換だけでなく周波数ろ波をも提供する前記弾性表面波変換器、 を具備する前記集積回路。
2. ２．前記弾性表面波変換器は前記位相変換だけでなく周波数ろ波をも提供する請 求項１に記載の集積回路。
3. ３．単一の圧電基板上に形成された集積回路であって、前記圧電基板上に配置さ れたＩＣダイ上に集積化され、少なくとも１対の入力と１対の出力を有するミキ サ、前記圧電レイヤ上に形成された少なくとも１つの弾性表面波変換器であって 、前記１対の入力または前記１対の出力のうちの１対に結合された前記弾性表面 波変換器、を具備する前記集積回路。
4. ４．前記弾性表面波変換器は、前記圧電レイヤ上に配置された金属レイヤを含み 、前記金属レイヤは所望の位相変換を提供するようパターン化されている請求項 ３に記載の集積回路。
5. ５．ＩＣ基板、 前記ＩＣ基板内に集積化され、少なくとも１対の入力と１対の出力を有するミキ サ、 前記ＩＣ基板上に配置された金属レイヤ、そして前記金属パターンの上に配置さ れた圧電材料のレイヤであって、前記金属レイヤは、所望の位相変換を提供する ための弾性表面波変換器を提供するようパターン化され、前記弾性表面波変換器 は前記１対の入力または前記１対の出力のうちの１対に結合されている前記圧電 材料のレイヤ、を具備する集積回路構造。
6. ６．前記弾性表面波変換器は、前記位相変換だけでなく周波数ろ波をも提供する 請求項５に記載の集積回路構造。
7. ７．単一のＩＣ基板上に配置されたＩＦ回路段を有する無線受信機であって、前 記ＩＦ回路段は、前記ＩＣ基板上に集積化され、少なくとも１対の入力と１対の 出力を有するミキサ、 前記ＩＣ基板上に配置された少なくとも１つの弾性表面波変換器であって、前記 弾性表面波変換器は前記１対の入力または前記１対の出力のうちの１対に結合さ れ、また金属レイヤと圧電レイヤを含み、前記金属レイヤは前記圧電レイヤの少 なくとも１つの主要面上に所望の位相変換を提供するようパターン化されている 前記弾性表面波変換器、を具備する前記無線受信機。
8. ８．前記弾性表面波変換器は金属レイヤと圧電レイヤを含み、前記金属レイヤは 前記圧電レイヤの少なくとも１つの主要面上に所望の位相変換を提供するようパ ターン化されている請求項７に記載の無線受信機。
9. ９．前記金属レイヤは、前記位相変換だけでなく周波数ろ波をも提供するようパ ターン化されている請求項８に記載の無線受信機。
10. １０．前記金属レイヤは前記ＩＣ基板上に配置されている請求項８に記載の無線 受信機。