半導體開關電路、信號處理裝置以及超聲波診斷裝置製造方法
2023-04-24 20:58:16 2
半導體開關電路、信號處理裝置以及超聲波診斷裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供一種半導體開關電路、信號處理裝置以及超聲波診斷裝置。在半導體開關電路中，能夠處理正負兩極性的高電壓信號，並且能夠由低壓電源進行控制。半導體開關電路具備：由連接柵極彼此和源極彼此的2個MOSFET、以及在柵極、源極間逆向連接的齊納二極體(ZD1)構成的第1開關對(81)；與第1開關對(81)同樣地構成的第2開關對(82)；以及由連接柵極彼此和源極彼此的2個MOSFET構成的第3開關對(83)。第1開關對(81)和第2開關對(82)在2個輸入輸出端子(101、102)間，經由連接節點(84)而串聯連接。第3開關對(83)被連接在第1開關對(81)與第2開關對(82)之間的連接節點(84)和接地之間。
【專利說明】半導體開關電路、信號處理裝置以及超聲波診斷裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及具備高耐壓的雙向模擬開關的半導體開關電路、以及使用了該半導體開關電路的信號處理裝置和超聲波診斷裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，伴隨著超聲波診斷裝置的普及，需求更進一步的小型化、低價化。超聲波診斷裝置具備:用於收發超聲波的壓電探頭、以及用於收發該壓電探頭的驅動信號和超聲波信號的雙向模擬開關，另外還具備用於驅動該雙向模擬開關的多個電源。目前的超聲波診斷裝置存在安裝多個電源成為障礙，從而無法實現廣泛的小型化這樣的問題。
[0003]在專利文獻1的課題中，記載有「提供一種具有良好的線性，並且電力損耗較少的雙向模擬開關的半導體裝置。此外，提供一種檢測精度高的超聲波診斷裝置。」，作為其解決方法，記載有「在內置了在雙向上能夠接通或斷開的開關電路、和所述開關電路的驅動電路的雙向模擬開關的半導體裝置中，所述驅動電路與第一以及第二電源連接，所述第一電源電壓在施加給所述開關電路的輸入輸出端子的信號的最大電壓值以上，所述第二電源電壓在施加給所述開關電路的輸入輸出端子的信號的最小電壓值以下，另外所述驅動電路在所述第一電源與所述開關電路之間，具備串聯連接的齊納二極體和？型。此外，在超聲波診斷裝置中，具備所述半導體裝置。」。
[0004]圖5表示比較例中的超聲波診斷裝置2八的主要部分結構。
[0005]如圖5所示，比較例的超聲波診斷裝置2八具備:基於觸發信號而生成發送信號的發送驅動部7、將該發送信號提供給探頭4的電子開關9八、由多個壓電元件(未圖示)構成的探頭4、提供可變電壓的驅動用電源5、以及提供固定電壓的偏置用電源3。超聲波診斷裝置2八通過進行電子開關9八內部的多個雙向模擬開關的開關動作，向探頭4的規定的壓電元件提供發送信號，來進行超聲波掃描。
[0006]電子開關9八，與設置在探頭4中的多個壓電元件相對應地設置有作為多個雙向模擬開關的半導體開關電路。半導體開關電路與機械式繼電器相比，具有高可靠性、小型、高速開關、低消耗電力、低噪音、長壽命等多種優點。
[0007]驅動用電源5接受交流電力(圖中記載為…輸入)的提供，基於電壓控制信號生成正負驅動電壓，並將生成的正負驅動電壓提供給發送驅動部7。
[0008]偏置用電源3接受交流電力的提供，生成固定的正負偏置電壓，並將這些正負偏置電壓提供給電子開關9八。該正負偏置電壓相比於驅動用電源5提供的正負驅動電壓為高電壓。
[0009]這樣，超聲波診斷裝置2八中，分別設置有單獨生成發送驅動部7的動作所需的驅動電壓的驅動用電源5、和單獨生成電子開關9的控制所需的偏置電壓的偏置用電源3。由此，超聲波診斷裝置2八的零件個數增加，成為阻礙小型化的主要原因。
[0010]圖6表示比較例中的高耐壓模擬開關集成電路90八的框圖。
[0011〕 構成比較例中的電子開關9八的高耐壓模擬開關集成電路90八(半導體開關電路的一例)具備:進行多個開關的動作切換的移位寄存器91、保持開關的動作狀態的鎖存電路92、輸出開關8八、以及驅動該輸出開關8八的電平移位控制電路1八。
[0012]移位寄存器91將輸入信號01^ —邊與輸入信號00(同步地移位,一邊作為信號0輸出至鎖存電路92的各段。輸出信號00爪將輸出至鎖存電路92的最後段的信號輸出。
[0013]鎖存電路92由多段構成，通過輸入信號…來鎖存信號0和信號1。鎖存電路92將被鎖存的各信號分別向電平移位控制電路1八的各段輸出。
[0014]電平移位控制電路1八由多段構成，其基於鎖存電路92鎖存的各信號，將輸出開關8八的各段接通斷開。
[0015]輸出開關8八由多段構成。輸出開關8八的第1段切換是否向輸入輸出端子101-1與輸入輸出端子102-1之間傳遞切換模擬電壓信號。以後以相同的方式，輸出開關8八的第II段切換是否向輸入輸出端子101-11與輸入輸出端子102-11之間傳遞模擬電壓信號。
[0016]移位寄存器91和鎖存電路92是將低壓電源700作為驅動電源的低壓電路。輸出開關8八和電平移位控制電路1八是將正高壓電源V？？和負高壓電源價咖作為驅動電源的高壓電路。正高壓電源V？？被設定為比施加給輸入輸出端子101、102的信號電壓高。負高壓電源被設定為比施加給輸入輸出端子101、102的信號電壓低。
[0017]圖7表不比較例中的聞耐壓|旲擬開關集成電路90八的一部分的電路圖。圖7僅表示成為比較例的高耐壓模擬開關集成電路90八的主要部分的輸出開關8八、作為其驅動電路的電平移位控制電路1八的1段。
[0018]如圖7所示，輸出開關8八具備
0^1(16-8611110011(11101:01- ^161(1-2^^601: 181:01~:金屬氧化物半導體場效應電晶體)851、852構成的開關對85、和由103？21861構成的開關部86。
[0019]108？21851的漏極與輸入輸出端子101連接。103？21852的漏極與輸入輸出端子102連接。103？21861的源極與負高壓電源V剛連接，並且漏極與103？21851、852的源極彼此的連接節點連接。
[0020]被提供正高壓電源V？？和負高壓電源價咖作為驅動電源的電平移位控制電路1八基於開關控制信號3(^1匕來控制該輸出開關8八。
[0021]開關對85是在輸入輸出端子101與輸入輸出端子102之間進行高電壓信號的傳遞和切斷的模擬開關。開關部86作為用於提高斷開模擬開關時的信號切斷性能即斷開隔離特性的分流器而發揮作用。
[0022]在向輸入輸出端子101、102施加高電壓信號的情況下，向開關對85的柵極、源極間施加高電壓。因此，構成開關對85的103？21851、852的柵極的構造必須為高耐壓。由於這種高耐壓柵極的103？21851、852的導通電壓較高，所以對驅動它們的電平移位控制電路1八也必須提供高壓電源。
[0023]現有技術文獻
[0024]專利文獻
[0025]【專利文獻1】日本特開2012-95168號
[0026]對高耐壓模擬開關集成電路而言，需求低插入損耗、可承受正負兩極性的高電壓信號的高耐壓性能、針對高頻信號的斷開隔離性能(斷開狀態的阻抗因此，比較例的高耐壓模擬開關集成電路需要提供正高壓電源V？？和負高壓電源價咖的偏置用電源3(參照圖5),成為阻礙小型化、低消耗電力的主要原因。
[0027]在比較例的圖7中，研究將提供給作為模擬開關的驅動電路的電平移位控制電路1八的正高壓電源V？？低壓化的情況。對於開關對85具備的103？21851、852，由於插入損耗而未被給予充分的導通電壓，在最壞的情況下可能導致喪失作為開關的功能。
[0028]此外，若將負高壓電源V剛設定成低壓或者接地電位，則在將比其低的電位的信號施加給輸入輸出端子101的情況下，通過開關對85的103？21851的寄生二極體，使輸入輸出端子101、102間的線路的阻抗降低。同樣地，在將比負高壓電源V爾^低的電位的信號施加給輸入輸出端子102的情況下，通過開關對85的103？21852的寄生二極體，使輸入輸出端子101、102間的線路的阻抗降低。在哪種情況下，也無法維持開關對85的斷開隔離性倉泛。
【發明內容】
[0029]因此，本發明的課題在於，提供能夠由低壓電源控制的高耐壓的半導體開關電路。
[0030]為了解決所述的課題，本發明中的半導體開關電路的發明具備:第1開關對，其由連接柵極彼此與源極彼此的2個和在柵極、源極間逆向連接的齊納二極體構成；第2開關對，其由連接柵極彼此與源極彼此的2個和在柵極、源極間逆向連接的齊納二極體構成；以及第3開關對，其由連接柵極彼此與源極彼此的2個構成。所述第1開關對和所述第2開關對在2個輸入輸出端子間，經由連接節點串聯連接。該第3開關對被連接到所述第1開關對與所述第2開關對之間的所述連接節點。
[0031]通過這種方式，半導體開關電路無需曾經維持自身的驅動和斷開隔離性能所必須的正或負的高壓電源，能夠僅通過低壓電源來控制正負兩極性的高電壓信號。
[0032]在信號處理裝置的發明中，具備技術方案1所記載的半導體開關電路。
[0033]通過這種方式，信號處理裝置無需曾經驅動半導體開關電路和維持斷開隔離性能所必須的正或負高壓電源，所以能夠使裝置小型化、低價化。此外，通過減少電子開關的控制曾經必須的高電壓的電路，而使伴隨於此的基板設計變得容易，通過減少零件個數，使故障概率減少，從而提高信號處理裝置的可靠性。
[0034]在超聲波診斷裝置的發明中，具備技術方案1所記載的半導體開關電路、和與所述半導體開關電路連接的壓電探頭。
[0035]通過這種方式，超聲波診斷裝置無需曾經驅動半導體開關電路和維持斷開隔離性能所必須的正或負高壓電源，所以能夠使裝置小型化、低價化。此外，通過減少電子開關的控制曾經必須的高電壓的電路，而使伴隨於此的基板設計變得容易，通過減少零件個數，是故障概率減少，從而提高超聲波診斷裝置的可靠性。
[0036]關於其他的方式，在用於實施發明的方式中進行說明。
[0037]根據本發明，能夠提供可由低壓電源控制的高耐壓的半導體開關電路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1是表示本實施方式中的超聲波診斷裝置的主要部分結構的框圖。
[0039]圖2是表示本實施方式中的高耐壓模擬開關集成電路的整體的框圖。
[0040]圖3是表示本實施方式中的高耐壓模擬開關集成電路的一部分的圖。
[0041]圖4是表示本實施方式中的浮柵控制電路和輸出開關的電路圖。
[0042]圖5是表示比較例中的超聲波診斷裝置的主要部分結構的框圖。
[0043]圖6是表示比較例中的高耐壓模擬開關集成電路的整體的框圖。
[0044]圖7是表示比較例中的高耐壓模擬開關集成電路的一部分的圖。
[0045]符號說明
[0046]1 浮柵控制電路
[0047]111、121、131 103冊1 (高耐壓？溝道)
[0048]112、122、132 103冊1 (高耐壓 X 溝道)
[0049]11驅動電路
[0050]12驅動電路
[0051]13驅動電路
[0052]01、02、03、04、05 高耐壓二極體
[0053]電平移位控制電路
[0054]2、2八超聲波診斷裝置(信號處理裝置)
[0055]3 偏置用電源(固定)
[0056]5 驅動用電源(可變)
[0057]7 發送驅動部
[0058]8、8八輸出開關
[0059]81第1開關對
[0060]811,812,821,822,831,832 103冊1 (高耐壓 X 溝道)
[0061]201、202 齊納二極體
[0062]82第2開關對
[0063]83第3開關對
[0064]84連接節點
[0065]9、94 電子開關
[0066]90、90八高耐壓模擬開關集成電路
[0067]91移位寄存器
[0068]92鎖存電路
[0069]101、102輸入輸出端子
[0070]I附1 逆變器
[0071]80X1開關控制信號
[0072]乂00 低壓電源
[0073]低壓電源
[0074]V？？ 正高壓電源
[0075]乂剛負高壓電源
[0076]01^ 輸入信號
[0077]011( 輸入信號
[0078]12輸入信號
[0079]01輸入信號
【具體實施方式】
[0080]以下，參照各圖，對用於實施本發明的方式詳細地進行說明。
[0081](第1實施方式)
[0082]圖1是表示本實施方式中的超聲波診斷裝置2的主要部分的結構圖。
[0083]如圖1所示，本實施方式的超聲波診斷裝置2具備:基於觸發信號而生成發送信號的發送驅動部7、將發送信號提供給探頭4的電子開關9、設置有多個壓電元件(未圖示)的探頭4、以及提供可變電壓的驅動用電源5。
[0084]電子開關9由半導體開關電路構成。在本實施方式的電子開關9中，無需比較例中所必須的偏置用電源3 (參照圖5)。因此，通過將本實施方式的高耐壓模擬開關集成電路90應用於電子開關9，從而不需要比較例的超聲波診斷裝置2八所必須的偏置用電源3。因此，本實施方式的超聲波診斷裝置2能夠相比於比較例的超聲波診斷裝置2八，結構簡單，並且小型化、低價化。另外，通過減少電路的高電壓部分，使基板設計變得容易。通過減少零件個數，使故障率減少，從而提高超聲波診斷裝置2的可靠性。
[0085]另外，本實施方式的半導體開關電路並不局限於應用到超聲波診斷裝置2，也可以應用到處理模擬信號的任意的信號處理裝置。
[0086]圖2是表示本實施方式中的高耐壓模擬開關集成電路90的整體的框圖。
[0087]如圖2所示，構成本實施方式的電子開關9的高耐壓模擬開關集成電路90(半導體開關電路的一例)相對於比較例的高耐壓模擬開關集成電路90奴參照圖6)，電平移位控制電路1八被置換為浮柵控制電路1，輸出開關8八被置換為輸出開關8，另外未提供比較例中提供的正高壓電源V？？和負高壓電源V爾^而提供低壓電源700。這裡，也可以將低壓電壓70(:的電壓設定得比施加給輸入輸出端子101、102的信號電壓的最大值低。
[0088]本實施方式的高耐壓模擬開關集成電路90匯集排入有多段構成的輸出開關8。由此，高耐壓模擬開關集成電路90能夠與壓電探頭4的各壓電元件陣列連接。
[0089]本實施方式的高耐壓模擬開關集成電路90能夠由與比較例的高耐壓模擬開關集成電路90六相同的輸入信號01隊輸入信號0^、輸入信號…、輸入信號IX控制，因此，能夠與比較例相同的接口連接而使用。即，超聲波診斷裝置2即使使用本實施方式的高耐壓模擬開關集成電路90，也能夠連接與比較例的高耐壓模擬開關集成電路90八相同的輸入輸出信號接口，並進行與比較例相同的控制。因此，本實施方式的高耐壓模擬開關集成電路90能夠容易地置換比較例的高耐壓模擬開關集成電路90八。
[0090]圖3是表示本實施方式中的高耐壓模擬開關集成電路90的一部分的圖。
[0091]如圖3所示，高耐壓模擬開關集成電路90包括浮柵控制電路1和輸出開關8而構成。在圖3中，浮柵控制電路1和輸出開關8僅示出1段。
[0092]輸出開關8具備第1開關對81、第2開關對82、以及第3開關對83，並與輸入輸出端子101,102連接。
[0093]第1開關對81由連接柵極彼此和源極彼此的2個103？21811、812、以及在柵極、源極間逆向連接的齊納二極體201構成。
[0094]第2開關對82同樣地由連接柵極彼此和源極彼此的2個103？21821、822、以及在柵極、源極間逆向連接的齊納二極體202構成。第1開關對81和第2開關對82在2個輸入輸出端子101、102間串聯連接。第1開關對81和第2開關對82由連接節點84連接。第1開關對81的103？21811的漏極與輸入輸出端子101連接。第2開關對82的103？21822的漏極與輸入輸出端子102連接。
[0095]第3開關對83由連接柵極彼此和源極彼此的2個103？21831、832構成。103？21831的漏極與第1開關對81和第2開關對82的連接節點84連接。103？21832的漏極與接地連接。
[0096]浮柵控制電路1控制輸出開關8包括的第1開關對81、第2開關對82以及第3開關對83。對浮柵控制電路1提供低壓電源70(:,並從鎖存電路92(參照圖2)的各段被輸入開關控制信號開關控制信號是切換輸出開關8的信號的傳遞和切斷的信號。當開關控制信號為電平時，輸出開關8在輸入輸出端子101、102間傳遞信號。當開關控制信號為I電平時，輸出開關8將輸入輸出端子101、102間切斷。
[0097]構成輸出開關8的第1開關對81、第2開關對82以及第3開關對83的各103冊1811、812、821、822、831、832是高耐壓X溝道的103冊1，具有輸入輸出端子101、102的信號電壓以上的元件耐壓。此外，本實施方式的輸出開關8所使用的不是比較例的輸出開關8八(參照圖7)所使用的那種高耐壓柵極的使用柵極耐壓比較低，因而導通電壓較低的元件。
[0098]103冊1811、103冊1812、103冊1821、103冊1822的溝道寬度等與設備電流性能相關的構造相等。由此，能夠確保輸出開關8在接通狀態下的輸入輸出端子101、102間的信號傳遞的對稱性。以下對得出該效果的理由進行說明。
[0099]對用於超聲波診斷裝置2的電子開關9的高耐壓模擬開關集成電路90施加正負兩極性的高電壓信號。當模擬開關為接通狀態時，在兩極性下維持對稱性的同時，傳遞正負兩極性的高電壓信號是非常重要的。
[0100]模擬開關的性能由輸入輸出端子間的阻抗而決定。模擬開關的輸入輸出端子間的阻抗是將存在於輸入輸出端子間的各的接通電阻和各的寄生二極體的阻抗合成而得到的。
[0101]在輸出開關8中的從輸入輸出端子101到輸入輸出端子102的路徑中，存在103冊1811、812和103冊1821、822。從輸入輸出端子101到輸入輸出端子102的阻抗是將103？21811的接通電阻、108？21812的寄生二極體的阻抗、108？21821的接通電阻、108？21822的寄生二極體的阻抗合成而得到的。
[0102]從輸入輸出端子102到輸入輸出端子101的阻抗是將103？21822的接通電阻、108？21821的寄生二極體的阻抗、108？21812的接通電阻、108？21811的寄生二極體的阻抗合成而得到的。由此，根據輸入輸出端子101、102的信號的方向和極性,輸入輸出端子101、102間的傳遞路徑的阻抗不同。
[0103]在本實施方式中，第1開關對81具備的103？21811、812和第2開關對82具備的108？21821,822的電流性能全部相等。這裡，所謂的電流性能，是指例如接通電阻和寄生二極體的阻抗。由此，高耐壓模擬開關集成電路90能夠在正和負的兩極性下使合成阻抗相同，所以在輸出開關8為接通狀態時，能夠在兩極性下維持對稱性的同時，將正負兩極性的高電壓信號傳遞到輸入輸出端子101、102間。
[0104]接著，對本實施方式的高耐壓模擬開關集成電路90的開關動作進行說明。在高耐壓模擬開關集成電路90中，第1開關對81、第2開關對82以及第3開關對83通過對自身的柵極、源極間電容進行充放電，使漏極端子間的阻抗變化，從而作為雙向模擬開關動作。即，通過對構成第1開關對81的103？21811、812的柵極、源極間電容進行充電，各103？21811、812接通。由此，第1開關對81接通。通過103？21811、812的柵極、源極間電容放電，各103？價811、812斷開，開關元件也成為斷開狀態。第2開關對82和第3開關對83也與第1開關對81同樣地進行動作。
[0105]在高耐壓模擬開關集成電路90中，在輸入輸出端子101、102間串聯連接的第1開關對81和第2開關對82的組合作為進行施加給輸入輸出端子101、102的信號的傳遞或切斷的雙向模擬開關而發揮作用。第3開關對83作為用於提高斷開隔離性能的分流器開關而發揮作用。所謂斷開隔離性能，是指斷開模擬開關時的2個輸入輸出端子101、102間的信號切斷性能，由斷開時的阻抗來表示。
[0106]第1開關對81和第2開關對82雙方同時接通，或者雙方同時斷開。相對於此，與第1開關對81以及第2開關對82相反地來將第3開關對83接通斷開。即，在接通第1開關對81和第2開關對82時，斷開第3開關對83。在斷開第1開關對81和第2開關對82時，接通第3開關對83。
[0107]第1開關對81、第2開關對82、以及第3開關對83由浮柵控制電路1基於開關控制信號而控制。浮柵控制電路對構成各開關對的各的柵極、源極間電容進行電荷的充電或者放電。浮柵控制電路1基於輸入到自身的開關控制信號3^11，來控制第1開關對81、第2開關對82以及第3開關對83的接通斷開。
[0108]例如，在開關控制信號為電平時，浮柵控制電路1將第1開關對81和第2開關對82接通，並將第3開關對83斷開。
[0109]在開關控制信號為I電平時，浮柵控制電路1將第1開關對81和第2開關對82斷開，並將第3開關對83接通。
[0110]若將開關控制信號設定成電平，則通過浮柵控制電路1，由低壓電源70(]對第1開關對81和第2開關對82的柵極、源極間電容進行充電，第1開關對81和第2開關對82成為接通狀態，輸入輸出端子101、102間成為低阻抗，從而傳遞信號。此時，由於與第1開關對81和第2開關對82進行相反邏輯動作的第3開關對83的柵極、源極間電容進行向接地的放電，所以第3開關對83斷開。
[0111]與此相反，若將開關控制信號設定成I電平，則通過浮柵控制電路1，將積存於第1開關對81和第2開關對82的柵極、源極間電容的電荷向接地放電，第1開關對81和第2開關對82成為斷開狀態，輸入輸出端子101、102間成為高阻抗，從而切斷信號。此時，與第1開關對81和第2開關對82進行相反邏輯動作的第3開關對83的柵極、源極間電容被由低壓電源70(:充電，第3開關對83接通。
[0112]在對輸入輸出端子101或輸入輸出端子102施加了正高電壓信號的情況下，由於各開關對在接通狀態下，各自的共同源極為浮動狀態，所以源極的電位成為保持高電壓信號的電位。因此，若將各開關對的柵極的電位設為固定電位，則在各開關對的柵極、源極間施加高電壓，維持在這種狀態下導致引起柵極破壞。為了避免這種情況，本實施方式的浮柵控制電路1控制各開關對的柵極電壓。
[0113]浮柵控制電路1在對各開關對進行接通斷開控制時，以保持柵極、源極間電容所積存的規定電荷，並且保持規定的柵極、源極間電壓的方式進行控制。此時，浮柵控制電路1使各開關對的柵極電壓追隨源極的電位。
[0114]浮柵控制電路1以在接通各開關對時，該開關對的柵極、源極間電壓保持由低壓電源70(:給予的電壓的方式進行控制。浮柵控制電路1以在斷開各開關對時，該開關對的柵極、源極間電壓維持構成開關對的的閾值以下的電壓的方式進行控制。
[0115]另一方面，在對輸入輸出端子101或輸入輸出端子102施加了負高電壓信號的情況下，通過構成第1開關對81的103？21811或103？21812的寄生二極體中流動的電流，有可能使連接103？21811、812的源極的節點成為負高電壓信號的電位。為了避免這種情況，齊納二極體201被逆向連接在103？21811、812的柵極、源極間。本實施方式的齊納二極體201使用齊納電壓在低壓電源70(:的電壓以上且103？21811、812的柵極耐壓以下的齊納二極體。
[0116]此時，針對處於與第1開關對81相同的接通斷開設定的第2開關對82也相同，通過構成第2開關對82的103？21821或103？21822的寄生二極體中流動的電流，有可能使連接103？21821、822的源極的節點成為負高電壓信號的電位。為了避免這種情況，齊納二極體202被逆向連接在103？21821、822的柵極、源極間。本實施方式的齊納二極體202使用齊納電壓在低壓電源70(:的電壓以上且103？21821、822的柵極耐壓以下的齊納二極體。
[0117]在模擬開關為接通狀態且負高電壓信號被施加給輸入輸出端子101或輸入輸出端子102的情況下，在第1開關對81中，電流從低壓電源70(:經由浮柵控制電路1、齊納二極體201而流動，103？21811、812的柵極、源極間保持齊納二極體201的齊納電位。
[0118]相同地，在處於接通狀態的第2開關對82中，電流從低壓電源70(]經由浮柵控制電路1、齊納二極體202而流動，103？21821、822的柵極、源極間保持齊納二極體202的齊納電位。
[0119]通過這種方式，實現可僅以低壓電源70(:控制的高耐壓模擬開關集成電路90，與基於比較例的那種高壓電源的控制相比，能夠進行基於低消耗電力的驅動。
[0120]在比較例的高耐壓模擬開關集成電路90八(參照圖7)中，特徵在於，由高耐壓柵極構造的構成，且這些的導通電壓比較高。比較例的開關對85是所謂的源極跟隨電路，所以施加給輸入輸出端子101、102的信號電壓增高，若比較例的開關對85的柵極、源極間電壓低於開關元件的導通電壓，則無法充分地接通各使輸入輸出端子101,102間的阻抗增大，因此作為模擬開關的信號傳遞性能顯著地降低。
[0121〕 相對於此，對本實施方式的高耐壓模擬開關集成電路90 (參照圖3)僅提供低壓電源來進行驅動。構成輸出開關8的各不是比較例的那種高耐壓柵極構造，能夠使用耐壓比較低的一般的柵極構造的元件，能夠降低各開關的導通電壓。即，本實施方式的高耐壓模擬開關集成電路90是從信號電壓較低的區域到較高的區域，減衰少且線性優良的模擬開關。
[0122](斷開隔離性能)
[0123]作為模擬開關的另一個重要特性，是斷開開關時的輸入輸出信號的切斷性，即斷開隔離性能(斷開時的阻抗)。在模擬開關為斷開的情況下，構成該模擬開關的10--丁的漏極、源極間的阻抗非常高，從而輸入輸出端子間被切斷。但是，若施加給輸入輸出端子的信號的頻率增高，則構成開關元件的的寄生電容的影響變得無法忽視，使斷開隔離性能劣化。此時，模擬開關無法將輸入輸出端子間充分地切斷。
[0124]用於解決該問題的有效方法是將模擬開關變成I開關結構的方法。比較例的輸出開關8八(參照圖7)是利用分流器用的103？21861來將103？21851和103？21852的連接節點接地的所謂的I開關結構。I開關結構對於模擬開關的斷開隔離性能的改善而言是有效的，但是在比較例的輸出開關8八中，若沒有將分流器用的103？21861接地到比信號電壓低的電位，則完全沒有發揮效果。
[0125]在比較例的輸出開關8八中，負高壓電源乂剛與分流器用103？21861的源極連接，只要未將相比負高壓電源^為低電位的負高電壓信號施加給輸入輸出端子101、102，則能夠維持較高的斷開隔離性能。但是，在比較例的輸出開關8八中，若將相比負高壓電源價咖的電位為低電位的負高電壓信號施加給輸入輸出端子101，則電流從負高壓電源乂爾^經由108？21861的寄生二極體和103？21851的寄生二極體，向輸入輸出端子101流動。將相比負高壓電源的電位為低電位的負高電壓信號施加給輸入輸出端子102的情況也相同，電流從負高壓電源^剛向輸入輸出端子102流動。因此，由於分流器用的103？21861，反而導致輸出開關8八的斷開隔離性能劣化。
[0126]本實施方式的輸出開關8(參照圖3)也是利用分流器用的第3開關對83將第1開關對81和第2開關對82的連接節點84接地的I開關結構。分流器用的第3開關對83與接地連接，輸出開關8能夠維持斷開隔離性能。
[0127]本實施方式的輸出開關8未直接利用分流器用的元件將高電壓信號接地。輸出開關8利用分流器用的第3開關對83來隔離經由斷開時的第1開關對81或第2開關對82的阻抗而漏出的信號。在向輸入輸出端子101、102的任意一個施加了負高電壓信號時，輸出開關8還利用斷開狀態的103？價來切斷基於103？價的寄生二極體的從接地到信號源的返流。
[0128]例如，輸出開關8在斷開時若向輸入輸出端子101施加了正高電壓信號，貝1]108？21811切斷該信號。若向輸入輸出端子102施加了負高電壓信號，則103？21821切斷該信號。
[0129]輸出開關8在斷開自身時，斷開第1開關對81和第2開關對82，並且接通第3開關對83。此時，第3開關對83將連接節點84與接地短路，通過經由斷開的第1開關對81和第2開關對82，使輸入輸出端子101、102間的阻抗上升。由此，輸出開關8使輸入輸出端子101與輸入輸出端子102之間的信號的洩漏降低。通過這種方式，輸出開關8能夠從正負兩極性的微小信號到高電壓信號的寬廣的信號電壓區域中發揮較高的斷開隔離性能。
[0130]無論從2個輸入輸出端子101、102的哪一個方向觀察本實施方式的開關電路，電路也對稱地構成，無論將2個輸入輸出端子101、102中的哪個選擇為輸入端子，也能夠得到相同的輸出特性。這種特性也可以說是斷開隔離性能。
[0131]超聲波診斷裝置2對施加給模擬開關的輸入端子的發送信號和從壓電元件返回的接收信號進行處理。通過將本實施方式的高耐壓模擬開關集成電路90用於超聲波診斷裝置2的電子開關9，能夠對稱地隔離發送和接收雙方的信號。
[0132]圖4是表示本實施方式中的浮柵控制電路1和輸出開關8的電路圖。圖4表示針對本實施方式的浮柵控制電路1的內部結構，為獲得其功能而考慮的電路結構的例子。
[0133]如圖4所示，浮柵控制電路1包括第1開關對81的驅動電路11、第2開關對82的驅動電路12、第3開關對83的驅動電路13、將開關控制信號反轉輸出的逆變器I附1而構成。
[0134]驅動電路11包括用於從低壓電源70(:向第1開關對81的柵極充電的高耐壓？溝道的103？21111、用於從第1開關對81的柵極向接地放電的高耐壓~溝道的103？21112、以及高耐壓二極體01、03而構成。在連接的柵極和103？21112的柵極的節點，連接有逆變器I附1的輸出側。防止返流用的高耐壓二極體01、03在的漏極與108？21112的漏極之間，以串聯的方式順向連接。高耐壓二極體01的陰極和高耐壓二極體03的陽極的連接節點與第1開關對81的柵極連接。
[0135]驅動電路12與驅動電路11相同，包括用於從低壓電源70(]向第2開關對82的柵極充電的高耐壓？溝道的103？21121、用於從第2開關對82的柵極向接地放電的高耐壓?溝道的103？21122、以及高耐壓二極體02、04而構成。在連接103？21121的柵極和108？21122的柵極的節點，連接有逆變器I附1的輸出側。防上返流用的高耐壓二極體02、04在103？21121的漏極與103？21122的漏極之間，以串聯的方式順向連接。高耐壓二極體02的陰極和高耐壓二極體04的陽極的連接節點與第2開關對82的柵極連接。
[0136]驅動電路13包括用於從低壓電源70(:向第3開關對83的柵極充電的高耐壓？溝道的103？21131、用於從第3開關對83的柵極向接地放電的~溝道的103？21132、以及高耐壓二極體05而構成。在連接103？21131的柵極和103？21132的柵極的節點，輸出有開關控制信號匕防止返流用的高耐壓二極體05在103？21131的漏極與103？21132的漏極之間順向地連接。103？21131的漏極和高耐壓二極體05的陽極的連接節點與第3開關對83的柵極連接。
[0137]接著，以構成浮柵控制電路1的元件為單位，對到向各開關元件的柵極、源極間電容進行電荷的充電或放電為止的結構進行說明。
[0138]首先說明開關控制信號XII為電平的情況。此時，對開關控制信號施加與低壓電源大致相等的電壓。逆變器I附1的輸出成為I電平，成為與接地大致相等的電壓。
[0139]在驅動電路13的？溝道的103？21131的柵極、源極間，由於未施加電壓而成為斷開狀態，在~溝道的103？21132的柵極、源極間，由於施加有電壓而成為接通狀態。第3開關對83從自身的柵極、源極間電容向接地放電而成為斷開狀態。
[0140]在驅動電路11、12的？溝道的103？21111、121的柵極、源極間，由於施加有電壓而成為接通狀態，在~溝道的103？21112、122的柵極、源極間，由於未施加電壓而成為斷開狀態。第1開關對81和第2開關對82通過低壓電源70(:來對自身的柵極、源極間電容充電，而成為接通狀態。
[0141]接著，考慮開關控制信號為I電平的情況。此時，開關控制信號成為與接地大致相等的電壓。逆變器I附1的輸出成為II電平，成為與低壓電源70(:大致相等的電壓。
[0142]在驅動電路13的？溝道的103？21131的柵極、源極間，由於施加有電壓而成為接通狀態，在~溝道的103？21132的柵極、源極間，由於未施加電壓而成為開狀態。第3開關對83由低壓電源70(:對自身的柵極、源極間電容充電，而成為接通狀態。
[0143]在驅動電路11、12的？溝道的103？21111、121的柵極、源極間，由於未施加電壓而成為斷開狀態，在~溝道的103？21112、122的柵極、源極間，由於施加有電壓而成為接通狀態。第1開關對81和第2開關對82從自身的柵極、源極間電容向接地放電，而成為斷開狀態。
[0144]本實施方式的浮柵控制電路1的特徵在於，即使在向輸入輸出端子101或輸入輸出端子102施加高電壓信號的情況下，各開關元件的柵極、源極間電容也持續維持電荷的狀態。以下，分別對在接通輸出開關8時和斷開輸出開關8時，向輸入輸出端子101施加了正高電壓信號和負高電壓信號的情況進行說明。
[0145]⑷在接通輸出開關8時，向輸入輸出端子101施加正高電壓信號。
[0146]若將開關控制信號XII設定成!I電平，則輸出開關8成為接通狀態。此時，對向輸入輸出端子101施加了正高電壓信號的情況下的浮柵控制電路1的內部電位狀態進行研究。
[0147]在接通輸出開關8時，由於第1開關對81和第2開關對82為接通狀態，所以各柵極電位和各源極電位追隨於施加的高電壓信號。
[0148]具體而言，第1開關對81和第2開關對82的柵極電位通過逆偏置狀態的高耐壓二極體01、02的元件耐壓和斷開狀態的高耐壓~溝道的103？21112、122的元件耐壓而成為浮動狀態。由於第1開關對81和第2開關對82的柵極、源極間電容已經為從低壓電源進行了電荷的充電的狀態，所以第1開關對81和第2開關對82的柵極的電壓成為將施加給輸入輸出端子101的高電壓信號的電壓加上低壓電源70(:的電壓而得到的電壓。即，第1開關對81和第2開關對82的柵極、源極間電壓保持與低壓電源70(:大致相等的固定的電壓。由此，即使向輸入輸出端子101施加正高電壓信號，第1開關對81和第2開關對82也能夠維持接通狀態。
[0149]此時，由於第3開關對83為斷開狀態，所以通過?溝道的103？21831的元件耐壓，而切斷正高電壓信號。
[0150](8)在接通輸出開關8時，向輸入輸出端子101施加負高電壓信號。
[0151]若將開關控制信號設定成!I電平，則輸出開關8成為接通狀態。此時，對向輸入輸出端子101施加了負高電壓信號的情況下的浮柵控制電路1的內部電位狀態進行研究。
[0152]在接通輸出開關8時，由於第1開關對81和第2開關對82成為接通狀態，所以各柵極電位和各源極電位追隨施加的高電壓信號。
[0153]具體而言，第1開關對81和第2開關對82的柵極電位通過逆偏置狀態的高耐壓二極體03、04的元件耐壓，而阻止來自接地的返流，使電流從低壓電源70(:經由？溝道的103？21111、高耐壓二極體01以及齊納二極體201而流動。同樣地，使電流從低壓電源經由？溝道的103？21121、高耐壓二極體02以及齊納二極體202而流動。即，第1開關對81和第2開關對82的柵極、源極間電壓保持與齊納二極體201、202具有的齊納電壓大致相等的規定電壓，即使施加負高電壓信號，也能夠維持接通狀態。
[0154]此時，第3開關對83為斷開狀態，但是通過~溝道的103？21831的寄生二極體，第3開關對83的柵極電位和源極電位追從負高電壓信號。由於在第3開關對83的柵極與接地之間，順向連接有高耐壓二極體05，所以阻止了從接地向連接節點84的返流。由於在第3開關對83的源極與接地之間，連接有103？21832，所以同樣地阻止了從接地向連接節點84的返流。
[0155](0在斷開輸出開關8時，向輸入輸出端子101施加正高電壓信號。
[0156]若將開關控制信號XII設定成[電平，則輸出開關8成為斷開狀態。此時，對向輸入輸出端子101施加了正高電壓信號的情況下的浮柵控制電路1的內部電位狀態進行研究。
[0157]在斷開輸出開關8時，由於第1開關對81為斷開狀態，所以通過~溝道的108？21811的元件耐壓，而切斷正高電壓信號，第1開關對81和第2開關對82的各柵極電位和各源極電位不會成為高電壓。
[0158](0)在斷開輸出開關8時，向輸入輸出端子101施加負高電壓信號。
[0159]若將開關控制信號XII設定成[電平，則輸出開關8成為斷開狀態。此時，對向輸入輸出端子101施加了負高電壓信號的情況下的浮柵控制電路1的內部電位狀態進行研究。
[0160]在斷開輸出開關8時，第1開關對81為斷開狀態，但是通過高耐壓~溝道的108？21811的寄生二極體，柵極電壓和源極電位追隨於負高電壓信號。但是，從該接地向第1開關對81的柵極的返流被高耐壓二極體03阻止。
[0161]在輸出開關8的內部中，施加給輸入輸出端子101的負高電壓信號被第1開關對81切斷。因此，第2開關對82和第3開關對83的各柵極電位和各源極電位不會成為高電壓。
[0162]上述的(八)?(0)的說明是向輸入輸出端子101施加了正負高電壓信號的情況下的說明。但是，由於本實施方式的高耐壓模擬開關集成電路90是對稱地構成輸入輸出端子101和輸入輸出端子102的雙向模擬開關，所以即使在向輸入輸出端子102施加了正負高電壓信號的情況下，也同樣地動作。
[0163](變形例)
[0164]本發明並不局限於上述的實施方式，其包括各種變形例。例如上述的實施方式是為了將本發明說明得容易理解而詳細地說明的方式，不一定局限於具備所說明的全部的結構。能夠將某一實施方式的結構的一部分置換成其他實施方式的結構，也能夠對某一實施方式的結構增加其他實施方式的結構。此外，也能夠針對各實施方式的結構的一部分，進行其他結構的追加、刪除、置換。
[0165]在各實施方式中，在說明的角度，控制線和信息線表示必須考慮的內容，從產品的角度不一定示出全部的控制線和信息線。實際上，也可以考慮幾乎全部的結構相互連接。
【權利要求】
1.一種半導體開關電路，其特徵在於，具備: 第I開關對，其由連接柵極彼此和源極彼此的2個MOSFET、以及在柵極、源極間逆向連接的齊納二極體構成； 第2開關對，其由連接柵極彼此和源極彼此的2個MOSFET、以及在柵極、源極間逆向連接的齊納二極體構成；以及 第3開關對，其由連接柵極彼此和源極彼此的2個MOSFET構成， 所述第I開關對和所述第2開關對在2個輸入輸出端子間經由連接節點而串聯連接， 該第3開關對連接於所述第I開關對與所述第2開關對之間的所述連接節點。
2.根據權利要求1所述的半導體開關電路，其特徵在於， 集成有多個所述第I開關對、所述第2開關對以及所述第3開關對的組合。
3.根據權利要求1所述的半導體開關電路，其特徵在於， 該半導體開關電路是將所述輸入輸出端子的一方的電壓向另一方傳遞，或者將所述輸入輸出端子的另一方的電壓向一方傳遞的雙向模擬開關。
4.根據權利要求1所述的半導體開關電路，其特徵在於， 構成所述第I開關對的MOSFET和構成所述第2開關對的MOSFET的電流性能全部相等。
5.根據權利要求1所述的半導體開關電路，其特徵在於， 還具備驅動所述第I開關對、所述第2開關對以及所述第3開關對的浮柵控制電路。
6.根據權利要求5所述的半導體開關電路，其特徵在於， 所述浮柵控制電路被提供比施加給所述輸入輸出端子的最大電壓低的低壓電源。
7.根據權利要求6所述的半導體開關電路，其特徵在於， 在所述第I開關對和所述第2開關對中， 各齊納二極體的齊納電壓在所述低壓電源的電壓以上且各MOSFET的柵極耐壓以下。
8.根據權利要求5所述的半導體開關電路，其特徵在於， 所述浮柵控制電路基於被輸入的開關控制信號，來切換所述第I開關對、所述第2開關對以及所述第3開關對的接通斷開。
9.一種信號處理裝置，其特徵在於， 具備權利要求1所述的半導體開關電路。
10.一種超聲波診斷裝置，其特徵在於，具備: 權利要求1所述的半導體開關電路；和 連接所述半導體開關電路的壓電探頭。
【文檔編號】H03K17/08GK104467770SQ201410379935
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年8月4日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】本多啟伸, 山下史哲, 相澤淳一 申請人:株式會社日立功率半導體