CN1329990C - 半导体集成电路器件 - Google Patents

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Abstract

传统的半导体集成电路器件中，用于防止回流电流的装置具有高导通状态电阻，这使得在正常操作中不可能减少电压损失。本发明半导体集成电路器件具有第一MOS晶体管、设置于第一MOS晶体管与电源端子之间的第二MOS晶体管，以及在正常操作中将第二MOS晶体管的栅极保持在预定电位(最好是地电位)以及当很可能出现回流电流时使第二MOS晶体管截止的装置。在正常操作中，这有助于防止回流电流，同时减少电压损失。

Description

半导体集成电路器件
本申请基于2003年4月4日提交的日本专利申请No.2003-101366，本文将其内容合并参考。
技术领域
本发明涉及一种具有MOS晶体管的半导体集成电路器件。更具体地，本发明涉及一种配备有用于阻止MOS晶体管中电流回流装置的半导体集成电路器件。
背景技术
如图4所示，一些半导体集成电路器件包含P沟道MOS晶体管Q5，该晶体管具有被加于其源极和背栅(backgate)的电源电压VDD。在这种MOS晶体管Q5中，从漏极到背栅形成了寄生二极管D5。
结果，当反向偏置MOS晶体管Q5并将高于寄生二极管正向电压的电压加给到源极和漏极之间时，该寄生二极管D5导通，并且回流电流流经寄生二极管D5。
传统上提出的多种半导体集成电路器件均配备有用于防止这种回流电流的装置。例如，在图5所示的调节器中，在传导端子t1和用作输出晶体管的P沟道MOS晶体管Q1的背栅的一端与加有电源电压VDD之电源端子1的另一端之间，设置用作电源切断开关功能的P沟道MOS晶体管Q2。MOS晶体管Q2的传导端子t4与电源端子1相连，且将传导端子t3及MOS晶体管Q2的背栅和栅极与传导端子t1及MOS晶体管Q1的背栅相连。将MOS晶体管Q1的传导端子t2与输出端子2相连。在图5所示的调节器中，当从外部向输出端子2加给高于电源电压VDD的电压时，MOS晶体管Q2截止，这就防止了回流电流。
另一方面，在日本专利申请待审公开特开平10-341141中，在传导端子及P沟道MOS输出晶体管的背栅一端与加给外部电源电压之电源端子的另一端之间，设置电源切断开关，从而当监视电路的电源电压认识到该电源电压下降时，断开电源切断开关，这就防止了回流电流。
但是，在图5所示的调节器中，由于MOS晶体管Q2的栅极和传导端子t3相连，在正常操作(当电源电压VDD高于输出端子2的电压VOUT时执行的操作)中，不可能使MOS晶体管Q2的栅极和传导端子t4之间的电压足够地高，因此在正常操作中，MOS晶体管Q2的传导端子t3和t4之间的电压很高。这意味着在正常操作中MOS晶体管Q2的导通状态电阻很高。这使其在正常操作中不可能减少电压的损失。
另一方面，在日本专利申请待审公开特开平10-341141提出的输出级电路中，根本没有给出对电源切断开关的导通状态电阻的考虑。这使得在电源切断开关的连通状态电阻很高的情况下，在正常操作(当外部电源电压高于预定电平时执行的操作)中不可能减少电压的损失。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种半导体集成电路器件，能够防止回流电流，并且在正常操作中以低电压损失操作。
为了实现上述目的，根据本发明，一种半导体集成电路配备有：第一MOS晶体管，具有第一栅极、第一背栅、第一传导区及第二传导区，并使它的第一背栅和第一传导区电连接；第二MOS晶体管，具有第二栅极、第二背栅、第三传导区及第四传导区，且使它的第二背栅和第三传导区与所述第一背栅和第一传导区电连接，并在它的第四传导区接收第一直流电压；比较器，将所述第一直流电压与从所述第二传导区输出的第二直流电压比较；以及开关，用于根据比较器的输出进行操作，以便当所述第一直流电压高于所述第二直流电压时，将第二栅极与预定电位相连，并且当所述第一直流电压低于所述第二直流电压时，将第二栅极与所述第三传导区或第二传导区相连。
在这种结构中，在反向偏置状态，即在第一直流电压低于第二直流电压时，第二MOS晶体管截止，这防止了在第一MOS晶体管中的回流电流。另一方面，在正常操作中，即在第一直流电压高于第二直流电压时，将第二MOS晶体管的栅极与预定电位相连，这使得可以减少第二MOS晶体管导通状态的电阻。因此，可以在正常操作中减少电压损失。这里，当它的栅极与地相连时，第二MOS晶体管的导通状态电阻处于其最大值，因此，在正常操作中，即当第一直流电压高于第二直流电压时，最好将第二MOS晶体管的栅极与地相连。
通过使用与第一和第二MOS晶体管的导电率相同的MOS晶体管，利用在第二MOS晶体管内形成的寄生二极管，可以防止由在第一MOS晶体管内形成的寄生二极管引起的回流电流。由于可以形成比N沟道MOS晶体管更小尺寸的P沟道MOS晶体管，最好使用P沟道MOS晶体管作为全部第一和第二MOS晶体管。
附图说明
以下参考附图结合对优选实施例的说明，将使本发明的这些及其它目的和优点变得清楚，其中：
图1是表示实现本发明调节器结构的一种示例的示意图；
图2是表示实现本发明调节器结构的另一种示例的示意图；
图3是表示图2所示调节器电路结构一种实际示例的示意图；
图4是表示半导体集成电路中所用的P沟道MOS晶体管的示意图；以及
图5是表示传统的半导体集成电路器件结构示例的示意图。
具体实施方式
作为实现本发明半导体集成电路器件的示例，下面将描述一种调节器。图1示出了实现本发明的调节器结构示例的示意图。应当注意，在图1中，利用相同的参考号标识这些也能够在图5中发现的电路元件，并且不再重复它们的详细说明。
图1所示的调节器配备有电源端子1、输出端子2、基准电压源3、误差放大器4、开关5、比较器6、P沟道MOS晶体管Q1和Q2，以及电阻器R1和R2。
在电源端子1与输出端子2之间，MOS晶体管Q1和Q2串联。具体地说，电源端子1与MOS晶体管Q2的传导端子t4相连；MOS晶体管Q2的背栅及传导端子t3与MOS晶体管Q1的传导端子t1及背栅相连，并且MOS晶体管Q1的传导端子t2与输出端子2相连。这里应当注意，在MOS晶体管Q1中，沿着图中所示方向，即从传导端子t2到背栅形成寄生二极管D1，而且，在MOS晶体管Q2中，沿着图中所示方向，即从传导端子t4到背栅形成寄生二极管D2。
电阻器R1与R2串联，从而形成了输出电压检测电路，该电路的一端与MOS晶体管Q1将与输出端子2相连的节点相连，另一端接地。将电阻器R1和R2相连的节点与误差放大器4的同相输入端相连。基准电压源3将基准电压VREF提供给误差放大器4的反相输入端子。将误差放大器4的输出信号提供给MOS晶体管Q1的栅极。
将比较器6的同相输入端子与电源端子1和MOS晶体管Q2相连的节点相连，并且将比较器6的反相输入端子与输出端子2、MOS晶体管Q1及电阻器R1相连的节点相连。将比较器6的输出信号提供给开关5。
开关5具有触点5a、5b和5c，根据比较器6的输出，确定如何对这些触点5a到5c的连接进行切换。开关5的触点5a与MOS晶体管Q2的栅极相连；开关5的触点5b接地，且开关5的触点5c与MOS晶体管Q1和Q2相连的节点相连。
现在，对具有如上结构的调节器的操作进行说明。首先，将给出其正常操作(当电源电压VDD高于输出端子2处的电压VOUT时执行的操作)。比较器6使电源电压VDD与输出端子2处的电压VOUT进行比较，并且，如果电源电压VDD高于输出端子2处的电压VOUT，则比较器6控制开关5，以使其触点5a和5b相连。当开关5的触点5a和5b相连时，MOS晶体管Q2的栅极接地，因此MOS晶体管Q2的栅极和传导端子t3之间的电压几乎等于电源电压VDD。这导致MOS晶体管Q2的导通状态电阻达到其最大值，并因此有助于减少电压损失。
通过从提供给MOS晶体管Q2的传导端子t3的电压中减去等于MOS晶体管Q1的传导端子t1和t2之间电压降的电压，MOS晶体管Q1产生了电压VOUT，然后将该电压VOUT提供给输出端子2。
由电阻器R1和R2组成的输出电压检测电路分割了电压VOUT，且误差放大器4将与分压结果和基准电压VREF之间的差相对应的控制信号提供给MOS晶体管Q1。通过这种反馈控制，电压VOUT被保持在预定电平。
接下来，将给出对当电源电压VDD变得低于输出端子2处的电压VOUT时调节器所执行操作的说明，例如当电源电压VDD对地短路时，或者当从外部将高电压加给到输出端子2上时。比较器6对电源电压VDD和输出端子2处的电压VOUT进行比较，并且如果电源电压VDD低于输出端子2处的电压VOUT，则比较器6控制开关5，以使其触点5a和5c相连。当开关5的触点5a和5c相连时，由于传导端子t3处的电位高于传导端子t4处的电位，MOS晶体管Q2的栅极和传导端子t3被短路。这使得MOS晶体管Q2截止，因此没有回流电流从输出端子2流向电源端子1。
在图1所示的调节器中，通过比较器6直接检测到其中很可能存在回流电流的状态(即电源电压VDD低于输出端子2处的电压VOUT的状态)，并且根据此检测结果，MOS晶体管Q2截止。这使得可以安全地防止回流电流。
此外，将相同导电率类型(P沟道)的晶体管用作MOS晶体管Q1和Q2，从而通过在MOS晶体管Q2内形成的寄生二极管D2的作用，防止了由在MOS晶体管Q1内形成之寄生二极管D1引起的回流电流。通过按照与用作功率晶体管的MOS晶体管Q1近似相同的晶体管尺寸形成用作电源切断开关的MOS晶体管Q2，可以进一步减小在正常操作中MOS晶体管Q2的导通状态电阻。
在由车用蓄电池提供电源电压VDD的情况下，由于实际中使用车用蓄电池的方式，因此电源电压VDD会在瞬间下降，或者甚至对地短路。即使在这种情况下，为了防止与调节器的输出端子2相连的负载(如微型计算机)的故障，将一个高电容的输出电容器与输出端子2相连，以便稳定输出端子2处的电压VOUT。
当使用具有如上所述由车用蓄电池提供的电源电压VDD及与输出端子2相连的负载和高电容输出电容器的图1所示调节器时，在电源电压VDD急剧下降的情况下，使调节器处于很可能出现回流电流的状态(电源电压VDD低于输出端子2处的电压VOUT的状态)。由于对图1所示的调节器1进行配置，以便即使在很可能出现回流电流的状态下，也安全地防止了回流电流，因此该调节器适合被用作诸如汽车立体声系统及汽车导航系统之类的车载设施的电源装置。
如图2所示，当开关5的触点5c并不与MOS晶体管Q1和Q2相连的节点相连，而与MOS晶体管Q1、电阻器R1、比较器6及输出端子2相连的节点相连时，也可以实现有如图1所示调节器相同的优点。
图3示出图2所示调节器电路结构的一种实际示例。应予说明的是，图3种那些在图1中也能发现的电路元件用相同的参考号标识，并且不再重复它们的详细说明。
MOS晶体管Q2的栅极与MOS晶体管Q4的传导端子t8相连，MOS晶体管Q4的背栅及传导端子t7与MOS晶体管Q3的传导端子t5及背栅相连，并且，MOS晶体管Q3的传导端子t6通过电阻器R4与输出端子2相连。这里，应当注意，在MOS晶体管Q3中，沿着图中所示方向，即从传导端子t6到背栅的方向形成寄生二极管D3，并且，在MOS晶体管Q4中，沿着图中所示方向，即从传导端子t8到背栅的方向形成寄生二极管D4。电阻器R3的一端与输入端子1相连，而电阻器R1的另一端与MOS晶体管Q3的栅极及MOS晶体管Q4的栅极相连。输入端子1通过电阻器5及齐纳二极管ZD1与MOS晶体管Q2的栅极相连，且MOS晶体管Q2的栅极通过电阻器R6接地。
这里，提到MOS晶体管Q3的栅极和传导区端子t6之间的电压，为的是对电源电压VDD和输出端子2处的电压VOUT进行比较。这有助于实现更宽的动态范围。
在上述结构中，在正常操作时，MOS晶体管Q3保持截止。所以，寄生二极管D3保持导通，因此，除非未能由于MOS晶体管Q4内的寄生二极管D4的作用而防止通过寄生二极管D3的电流，MOS晶体管Q2的栅极电位不会下降到地电平，而是保持等于电压VOUT减去MOS晶体管Q3的VF。由于设置MOS晶体管Q4使这一点得以被防止。
在正常操作中，MOS晶体管Q3和Q4保持截止，而且，没有额外的电流流过寄生二极管D3和D4。因此，由电源电压减去齐纳二极管ZD1的齐纳电压，确定了MOS晶体管Q2的栅极电位，并因此能够将该电位设定等于地电位。另一方面，当电源电压VDD低于输出端子2处的电压VOUT时，MOS晶体管Q3和Q4保持导通，且MOS晶体管Q2保持截止。因此，没有回流电流从输出端子2流向电源端子1。
上述说明只涉及其中把用于检测输出端子2处的电压VOUT的电压检测电路构造为电阻分压电路的示例。但是，还可以使用以任意其它方式构造的替代的电压检测电路。上述说明只涉及其中将开关5的触点5b接地的示例。但是，还可以将开关5的触点5b与除地之外的电位相连，只要该电位能够使MOS晶体管Q2导通即可。

Claims (10)

1.一种半导体集成电路器件，包括：
第一MOS晶体管，具有第一栅极、第一背栅、第一传导区以及第二传导区，所述第一MOS晶体管的第一背栅和第一传导区电连接；
第二MOS晶体管，具有第二栅极、第二背栅、第三传导区以及第四传导区，所述第二MOS晶体管的第二背栅及第三传导区与所述第一背栅及第一传导区电连接，所述第二MOS晶体管在其第四传导区接收第一直流电压；
比较器，使所述第一直流电压与从所述第二传导区输出的第二直流电压进行比较；以及
开关，用于根据所述比较器的输出进行操作，以便在所述第一直流电压高于所述第二直流电压时，将第二栅极与预定电位相连，并在所述第一直流电压低于所述第二直流电压时，将第二栅极与所述第三传导区或第二传导区相连；
所述第一和第二MOS晶体管的导电类型相同。
2.根据权利要求1所述的半导体集成电路器件，其特征在于，还包括：
误差放大器，用于将控制信号输出到第一栅极，所述控制信号与对应于第二直流电压的电压和预定基准电压之间的差相对应。
3.根据权利要求1所述的半导体集成电路器件，其特征在于，
所述预定电位是地电位，以及
所述半导体集成电路器件还包括：
误差放大器，用于将控制信号输出到第一栅极，所述控制信号与对应于第二直流电压的电压和预定基准电压之间的差相对应。
4.根据权利要求1所述的半导体集成电路器件，其特征在于，
所述比较器是第三MOS晶体管，它具有第三栅极、第三背栅、第五传导区以及第六传导区，所述第三MOS晶体管的第三背栅和第五传导区电连接，所述第三MOS晶体管在其第六传导区接收基于第二直流电压的电压，所述第三MOS晶体管在其第三栅极接收基于第一直流电压的电压。
5.根据权利要求1所述的半导体集成电路器件，其特征在于，
所述第一和第二MOS晶体管是P沟道类型的。
6.根据权利要求5所述的半导体集成电路器件，其特征在于，所述预定电位是地电位。
7.根据权利要求5所述的半导体集成电路器件，其特征在于，还包括：
误差放大器，用于将控制信号输出到第一栅极，所述控制信号与对应于第二直流电压的电压和预定基准电压之间的差相对应。
8.根据权利要求5所述的半导体集成电路器件，其特征在于，
所述比较器是第三MOS晶体管，具有第三栅极、第三背栅、第五传导区以及第六传导区，所述第三MOS晶体管的第三背栅和第五传导区电连接，所述第三MOS晶体管在其第六传导区接收基于第二直流电压的电压，所述第三MOS晶体管在其第三栅极接收基于第一直流电压的电压。
9.一种输出电路，包括：
第一MOS晶体管，具有第一栅极、第一背栅、第一传导区以及第二传导区，所述第一MOS晶体管的第一背栅和第一传导区电连接；
第二MOS晶体管，具有第二栅极、第二背栅、第三传导区以及第四传导区，所述第二MOS晶体管的第二背栅及第三传导区与所述第一背栅及第一传导区电连接，所述第二MOS晶体管在其第四传导区接收第一直流电压；
比较器，使所述第一直流电压与从所述第二传导区输出的第二直流电压进行比较；以及
开关，用于根据所述比较器的输出进行操作，以便在所述第一直流电压高于所述第二直流电压时，将第二栅极与预定电位相连，并在所述第一直流电压低于所述第二直流电压时，将第二栅极与所述第三传导区或第二传导区相连；
所述第一和第二MOS晶体管的导电类型相同。
10.一种包含电源的车载电子设施，其特征在于，
所述电源包括半导体集成电路器件或输出电路，所述半导体集成电路设备或输出电路包括：
第一MOS晶体管，具有第一栅极、第一背栅、第一传导区以及第二传导区，所述第一MOS晶体管的第一背栅和第一传导区电连接；
第二MOS晶体管，具有第二栅极、第二背栅、第三传导区以及第四传导区，所述第二MOS晶体管的第二背栅及第三传导区与所述第一背栅及第一传导区电连接，所述第二MOS晶体管在其第四传导区接收第一直流电压；
比较器，使所述第一直流电压与从所述第二传导区输出的第二直流电压进行比较；以及
开关，用于根据所述比较器的输出进行操作，以便在所述第一直流电压高于所述第二直流电压时，将第二栅极与预定电位相连，并在所述第一直流电压低于所述第二直流电压时，将第二栅极与所述第三传导区或第二传导区相连；
所述第一和第二MOS晶体管的导电类型相同。
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