CN1416100A - 内部电路稳定工作,消耗电流小的半导体装置 - Google Patents

内部电路稳定工作,消耗电流小的半导体装置 Download PDF

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Abstract

该非接触IC卡(1)中，根据内部电路(9)的工作电流(ICC)的增加/减少，仅就其增加/减少部分使ICC波动吸收电路(6)的吸收电流(I1)一度减少/增加，其后缓慢增加/减少吸收电流(I1)，在返回初始值的同时使调节器(5)的输出电流(I2)缓慢增加/减少。所以，可防止调节器(5)的输出电流(I2)急剧变化，实现内部电源电位(VDD2)的稳定化。

Description

内部电路稳定工作，消耗电流小的半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置，特别是涉及IC卡用的半导体装置。
现有技术
以往，在非接触状态下从读写器接受电力供给的同时进行数据收发的非接触IC卡为人们所熟知。该非接触IC卡将天线接收到的高频信号进行整流生成电源电压，用该电源电压来驱动内部电路。
但是，以往的非接触IC卡，由于内部电路的工作电流的增加/减少而使电源电压有波动，存在着内部电路的工作不稳定这样的问题。作为使电源电压稳定的方法，一般是设置被电源电压充电的电容器，但是在IC卡用的IC芯片中加装大容量的电容器是有困难的。
于是，在内部电路中并行连接可变电流源，响应内部电路的工作电流的增加/减少，使可变电流源的电流减少/增加，从而使电源电流保持一定的稳定电源电压的方法被提了出来。这样的电源电压稳定方法，如已经在特开平9-258836号公报公开。
但是，该方法中，电源电流须常时保持在内部电路的工作电流的最大值状态，由此IC卡的消耗电流增大就成了问题。
因此，本发明的主要目的是，提供使内部电路稳定地工作，消耗电流小的半导体装置。
发明内容
涉及本发明的半导体装置中，设有从电源节点接受驱动电流，进行规定工作的内部电路；用于向电源节点供给电流的可控制供给电流的电流供给电路；用于从电源节点吸收电流的可控制吸收电流的电流吸收电路；为使电源节点达到预定的电位而对电流供给电路的供给电流以及电流吸收电路的吸收电流分别进行控制的控制电路。在此，控制电路，根据内部电路的驱动电流增加/减少的情况，使吸收电流一度减少/增加后又增加/减少的同时使供给电流增加/减少。所以，可实现电源节点的电位稳定，从而实现内部电路的工作的稳定。此外，由于可以流动驱动电流的增加/减少部分，因此同需要常时流动与驱动电流的最大值相等的电流的以往相比，小的消耗电流即可。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1的非接触IC卡的结构电路框图。
图2是表示图1所示的调节器，ICC波动吸收电路以及ICC波动吸收控制电路的结构电路图。
图3A～3C是用于说明图1以及图2所示的非接触IC卡中第2电源电位的稳定方法的时间图。
图4是表示本发明实施方式2的非接触IC卡的关键部位的电路框图。
图5是表示本发明实施方式3的非接触IC卡的关键部位的电路框图。
图6是表示本发明实施方式4的组合卡结构的电路框图。
实施方式
〔实施方式1〕
图1是表示本发明实施方式1的非接触IC卡1结构的电路框图。图1中，该非接触IC卡1具备IC芯片2以及收发天线3，IC芯片2包括整流电路4，调节器5，ICC波动吸收电路6，ICC波动吸收控制电路7，基准电位发生电路8以及内部电路9。
收发天线3，与读写器(未图示)的收发天线以非接触状态电磁感应耦合。收发天线3，连接于IC芯片2的整流电路4上。整流电路4，把从读写器通过收发天线3所提供的高频信号进行整流生成第1电源电压VDD1(例如5V)，并将其第1电源电压VDD1提供给调节器5，ICC波动吸收电路6，ICC波动吸收控制电路7，基准电位发生电路8以及内部电路9。
调节器5，基于来自整流电路4的第1电源电压VDD1和来自ICC波动吸收控制电路7的控制电位VC生成第2电源电压VDD2(例如2.5V)，将其第2电源电压VDD2提供给ICC波动吸收电路6，ICC波动吸收控制电路7以及内部电路9。ICC波动吸收电路6，吸收内部电路9的工作电流ICC的波动部分以稳定调节器5的输出电压VDD2。ICC波动吸收控制电路7，为使调节器5的输出电压VDD2保持一定，控制调节器5以及ICC波动吸收电路6。基准电位发生电路8，根据来自整流电路4的第1电源电压VDD1，生成在IC芯片2内使用的各种基准电位VR1～VR4。
内部电路9包括调制电路10，解调电路11，UART(universalasynchronous receiver and transmitter)12，CPU(centralprocessing unit)13以及非易失性存储器14，由调节器5的输出电压VDD2进行驱动。
调制电路10，按照来自UART12的串行数字信号来改变整流电路4的阻抗。读写器通过天线检测整流电路4的阻抗变化，根据其检测结果复原从UART12输出的串行数字信号。解调电路11，解调用整流电路4整流过的高频信号，复元从读写器发送的串行数字信号，将其串行数字信号提供给UART12。
UART12，把来自解调电路11的串行数字信号转换为并行数字信号提供给CPU13，同时把来自CPU13的并行数字信号转换为串行数字信号提供给调制电路10。
CPU13，解读来自UART12的并行数字信号中包含的命令，根据其解读结果执行各种处理。非易失性存储器14，与CPU13相耦合，记忆数字信号。
例如，读写器做出ID码的输出指示时，CPU13即从非易失性存储器14中读出ID码送到UART12。并行数字信号ID码，由UART12转换成串行数字信号，通过调制电路10，整流电路4以及天线3传送到读写器。此外，读写器指示做信息写入时，CPU13就把发自读写器的通过天线3，整流电路4，解调电路11，UART12的并行数字信号(信息)写入非易失性存储器14。
以下，就构成该IC卡1的特征的第2电源电压VDD2的稳定方法做详细说明。ICC波动吸收控制电路7，如图2所示，包括P通道MOS晶体管21～23以及N通道MOS晶体管27～30。P通道MOS晶体管21，22，分别连接在第1电源电位VDD1的连线和节点N21，N22之间，这些栅共同与节点N22相连。P通道MOS晶体管21，22，构成电流镜电路。N通道MOS晶体管27，28分别连接到节点N21，N22和节点N29之间，这些栅分别接受第2电源电位VDD2以及基准电位VR2。
N通道MOS晶体管29，连接在节点N29和接地电位GND的连线之间，该栅接受基准电位VR1。N通道MOS晶体管29，构成恒电流源。MOS晶体管21，22，27～29，构成差动放大器。差动放大器的响应速度是按流在N通道MOS晶体管29的电流值，设定在规定速度。P通道MOS晶体管23，连接在第1电源电位VDD1的连线和输出节点N23之间，该栅接受节点N21的电位V21。N通道MOS晶体管30连接在节点N23和接地电位GND的连线之间，该栅接受基准电位VR3。N通道MOS晶体管30，构成恒电流源。节点N23的电位为，控制电位VC。
N通道MOS晶体管29中的电流，分流到MOS晶体管21，27和MOS晶体管22，28。N通道MOS晶体管28中，流着与基准电位VR2相应的值的电流。N通道MOS晶体管28和P通道MOS晶体管22为直列连接，P通道MOS晶体管22和21构成电流镜电路，所以MOS晶体管21，22，28中流着相同值的电流。N通道MOS晶体管27中，流着与第2电源电位VDD2相应的值的电流。第2电源电位VDD2和基准电位VR2处于相同电平时，流在MOS晶体管21，22，28的电流和流在N通道MOS晶体管27的电流相等，节点N21的电位V21和节点N22的电位相一致。此时，为使P通道MOS晶体管23流过规定电平的电流，ICC波动吸收控制电路7的输出电位VC成为基准电位VR4，而设定MOS晶体管23和30的大小。
如果第2电源电位VDD2比基准电位VR2高，则N通道MOS晶体管27的电流比MOS晶体管21，22，28中的电流还要大，节点N21的电位V21下降，P通道MOS晶体管23中电流增大，控制电位VC上升。如果第2电源电位VDD2比基准电位VR2低，则与MOS晶体管21，22，28的电流相比N通道MOS晶体管27的电流减小，节点N21的电位V21上升，P通道MOS晶体管23的电流减小，控制电位VC下降。
ICC波动吸收电路6，包括N通道MOS晶体管31。N通道MOS晶体管31，连接在第2电源电位VDD2的连线和接地电位GND的连线之间，该栅接受控制电位VC。N通道MOS晶体管31中，流着与控制电位VC相应电平的电流I1。控制电位VC等于基准电位VR4时，电流I1为预定值(例如2.5mA)。如果控制电位VC上升，则电流I1增大第2电源电位VDD2下降。如果控制电位VC下降，则电流I1减小第2电源电压VDD2上升。
调节器5包括，P通道MOS晶体管24～26以及N通道MOS晶体管32，33。P通道MOS晶体管24，25，分别连接在第1电源电位VDD1的连线和节点N24，N25之间，这些栅共同与节点N24相连接。P通道MOS晶体管24，25，构成电流镜电路。N通道MOS晶体管32，33，分别连接在节点N24，N25和接地电位GND的连线之间，这些栅分别接受控制电位VC以及基准电位VR4。MOS晶体管24，25，32，33构成差动放大器。P通道MOS晶体管26，连接在第1电源电位VDD1的连线和第2电源电位VDD2的连线之间，该栅接受节点N25的电位V25。
N通道MOS晶体管32和P通道MOS晶体管24为直列连接，P通道MOS晶体管24和25构成电流镜电路，所以MOS晶体管24，25，32中流着相同值的电流。N通道MOS晶体管33，流着与基准电位VR4相应的值的电流。控制电位VC和基准电位VR4同电平时，MOS晶体管24，25，32的电流和N通道MOS晶体管33的电流相等，节点N24的电位和节点N25的电位V25一致。
如果控制电位VC比基准电位VR4还要高，则与MOS晶体管24，25，32中的电流相比N通道MOS晶体管33中的电流减小，节点N25的电位V25上升，P通道MOS晶体管26中的电流I2减小，第2电源电位VDD2下降。如果控制电位VC比基准电位VR4还要低，则与MOS晶体管24，25，32中的电流相比N通道MOS晶体管33中的电流增大，节点N25的电位V25下降，P通道MOS晶体管26中的电流I2增大，第2电源电位VDD2上升。
内部电路9的等效电路包括，直列连接第2电源电位VDD2的连线和接地电位GND的连线之间的电流源9a以及开关9b。内部电路9非工作时开关9b为非导通状态工作电流ICC为0mA，内部电路9工作时开关9b导通，工作电流ICC会变为与内部电路9的工作状态相应的电流(例如2.5mA)。
图3A～3C为，图2所示的有关第2电源电位VDD2的稳定的部分工作时间图。图3A～3C，初始状态下，内部电路9没有工作，内部电路9的工作电流ICC为0mA。此时，调节器5的输出电流I2和ICC波动吸收电路6的吸收电流I1同为2.5mA。
某个时刻t0时，内部电路9的开关9b导通，则内部电路9的电流源9a的电阻值与N通道MOS晶体管31的电阻值相比足够低，所以调节器5的输出电流I2从ICC波动吸收电路6转流到内部电路9，ICC波动吸收电路6的吸收电流I1变0mA，同时内部电路9的工作电流ICC为2.5mA。
此外，此时第2电源电位VDD2的电平下降得比基准电位VR2还低，节点N21的电位V21缓慢上升控制电位VC下降，N通道MOS晶体管31，32的电阻值缓慢大。N通道MOS晶体管32的电阻值大，则N通道MOS晶体管24，25，32中的电流减少，节点N25的电位V25下降。节点N25的电位V25如果下降，则P通道MOS晶体管26的电流I2增加。电流I2的增加部分，为ICC波动吸收电路6的吸收电流I1的增加部分。
此外，电流I2增加则第2电源电位VDD2上升，从时刻t0开始经过规定时间T1后(时刻t1)第2电源电位VDD2变得与基准电位VR2相等，控制电位VC与基准电位VR4相等，ICC波动吸收电路6的吸收电力I1返回到初始值(2.5mA)。此时，调节器5的输出电流I2为，I1+ICC＝2.5+2.5＝5.0mA。还有，规定时间T1被设定为与时刻t0时吸收电流I1从2.5mA变为0mA的时间相比足够长的时间。
继而，在时刻t2，内部电路9的开关9b为非导通状态，流在内部电路9的电流ICC转流到ICC波动吸收电路6，内部电路9的工作电流变为ICC0mA的同时ICC波动吸收电路6的吸收电流I1变为5.0mA。
另外，此时第2电源电位VDD2的电平上升得比基准电位VR2还高，节点N21的电位V21缓慢下降，控制电位VC上升，N通道MOS晶体管31，32的电阻值缓慢减小。N通道MOS晶体管32的电阻值如果减小，则N通道MOS晶体管24，25，32中的电流就大，节点N25的电位就上升。节点N25的电位V25如果上升，则P通道MOS晶体管26的电流I2减小。电流I2的减少部分为ICC波动吸收电路6的吸收电流I1的减少部分。此外，如果电流I2减少则第2电源电位VDD2下降，从时刻t2到规定时间T1经过后(时刻t3)，第2电源电位VDD2与基准电位VR2相等，控制电位VC与基准电位VR4相等，ICC波动吸收电路6的吸收电流I1返回到初始值(2.5mA)。此时，调节器5的输出电流I2为I1+ICC＝2.5+0＝2.5mA。还有，规定时间T1设定为，与时刻t2中，吸收电流I1，从2.5mA变为5.0mA的时间相比足够长的时间。
并且，例如时刻t1中内部电路9的工作电流ICC从2.5mA增加到5.0mA的情况时，ICC波动吸收电路6的吸收电流I1再度置0mA同时调节器5的输出电流I2缓慢增加。调节器5的输出电流I2的变化速度，依照电流I2的变化，限定在不使电源电位VDD1，VDD2发生变化的程度的速度。
该实施方式1，根据内部电路9的工作电流增加/减少仅就其增加/减少部分使ICC波动吸收电路6的吸收电流I1减少/增加，其后使调节器5的输出电流I2缓慢增加/减少，将ICC波动吸收电路6的吸收电流I1返回到初始设定值，所以可防止调节器5的输出电流I2剧烈变化。所以，可以实现第2电源电位VDD2的稳定化，可实现内部电路9稳定地工作。
另外，由于ICC波动吸收电路6中的电流I1设定为必要的最小限度的一定值(2.5mA)，所以，与把调节器的输出电流固定为内部电路的消耗电流的最大值，仅就内部电路的消耗电流的增加/减少部分使ICC波动吸收电路的消耗电流减少/增加的以往技术相比，可实现IC卡的消耗电流的减少。
此外，消耗电流的变化不对整流后的电压VDD1带来影响，使用整流后的电压VDD1进行解调时不发生通信异常。
〔实施方式2〕
图4所示的是，按本发明的实施方式2的非接触IC卡的关键部位电路框图。图4中，该非接触IC卡与图1～图3所示的非接触IC卡1的不同点在于，ICC波动吸收电路6被更换为ICC波动吸收电路40，追加了电流电平设定寄存器43。
ICC波动吸收电路40包括，n个(但n为2以上的整数)开关41.1～41.n和n个的N通道MOS晶体管42.1～42.n。N通道MOS晶体管42.1～42.n，相互有着不同的大小。开关41.1～41.n的一侧端口，共同连接在第2电源电位VDD2的连线处。N通道MOS晶体管42.1～42.n，分别连接在开关41.1～41.n的另外端口和接地电位GND的连线之间，这些栅共同接受控制电位VC。开关41.1～41.n，通过电流电平设定寄存器43的输出信号来控制。
电流电平设定寄存器43，保持来自CPU13的选择信号，按其选择信号导通开关41.1～41.n的中的某一个开关。N通道MOS晶体管42.1～42.n有着相互不同的大小，通过导通哪个开关的办法即可改变ICC波动吸收电路40的吸收电流I1的初始值。例如，令开关42.1导通时I1＝2.5mA，令开关42.2导通的情况时I1＝5.0mA，令开关42.3导通的情况时I1＝7.5mA。其他的结构以及工作，与实施方式1的非接触IC卡1相同，所以，其说明不再重复。
该实施方式2中，因为可将ICC波动吸收电路40的吸收电流I1的初始值设定所希望的值，所以根据IC卡的用途等即使在内部电路9的工作电流ICC发生变化的情况时，也可应其用途将ICC波动吸收电路40的吸收电流I1的初始值设定为最佳值。
此外，该实施方式2中，只导通了n个开关41.1～41.n中的1个开关，其实同时导通2个以上开关也是可行的。在这种情况下，可按吸收电流I1的初始值做多阶段的改变。还可将N通道MOS晶体管42.1～42.n的大小设得相同，同时导通2以上开关。
〔实施方式3〕
图5，按本发明的实施方式3的非接触IC卡的关键部位示电路框图。图5，该非接触IC卡与图1～图3所示的非接触IC卡1不同点在于，ICC波动吸收控制电路7由ICC波动吸收控制电路50替换，追加了返回时间设定寄存器53。
ICC波动吸收控制电路50是将ICC波动吸收电路6的N通道MOS晶体管29用m个(但是，m2以上的整数)开关51.1～51.m以及m个的N通道MOS晶体管52.1～52.m来替换的。N通道MOS晶体管52.1～52.m，有着相互不同的大小。开关51.1～51.m的一侧端口，与共同节点N29相连接。N通道MOS晶体管52.1～52.m，分别连接到开关51.1～51.m的另外端口和接地电位GND的连线之间，这些栅接受共同基准电位VR1。开关51.1～51.m，由返回时间设定寄存器53的输出信号来控制。
返回时间设定寄存器53，保持了来自CPU13的选择信号，按其选择信号导通开关51.1～51.m中的某个开关。N通道MOS晶体管52.1～52.m有着相互不同的大小，可通过选择哪个开关的办法改变由MOS晶体管21，22，27，28构成的差动放大器的响应速度。差动放大器的响应速度一经改变，则也可改变V21，VC，I1，V25，I2的变化速度，可改变图3的返回时间T1。例如，返回时间T1，在开关51.1的导通时为最短，在开关51.m的导通时为最长。
该实施方式3中，可将I1，I2的返回时间T1设定为所希望的时间，所以电源电位VDD1，VDD2可将I1，I2的变化速度设定为不受I1，I2的增加/减少的影响的最高速度，可实现非接触IC卡的工作的稳定化以及可靠性的提高。
另外，该实施方式3中，只导通了m个的开关51.1～51.m中的1个开关，其实同时导通2个以上开关也是可行的。在这种情况下，可对I1，I2的返回时间T1做更多阶段的改变。还可将N通道MOS晶体管52.1～52.m的大小做相同设置，同时导通2个以上开关。
此外，将实施方式2，3组合起来，ICC波动吸收电路40的吸收电流I1的初始值可变更，同时I1，I2的返回时间T1当然也可变更。
〔实施方式4〕
图6所示的是，按本发明的实施方式4的组合卡55的结构电路框图。图6中，该组合卡55是，在图1的非接触IC卡1上追加了外部电源端口56。外部电源端口56，连接在第1电源电位VDD1的连线处。组合卡55，接触型读写器和非接触型读写器均可使用。对于非接触型读写器，组合卡55和非接触IC卡1同样工作。设定为接触型读写器的情况时，组合卡55的第1电源电位VDD1不是来自整流电路4而是从读写器通过外部电源端口56提供的。
这样的组合卡中，通过对流入外部电源端口56的微小电流的变化的解析，可分析出CPU13的暗号？复合工作(例如，读出他人的卡的密码)。但是，该组合卡中，CPU13的工作时I1，I2有波动，所以通过CPU13的工作解析电流变化比较困难，可提高抗短波性能。
本次展示的实施方式在所有的方面都是示例，应该认为不是限制性的。本发明的范围不在上述的说明，而是由权利要求的范围来表示，意味着包括与权利要求的范围均等的意思以及在范围内的所有变更。

Claims (11)

1.一种半导体装置，具备
从电源节点(VDD2)接受驱动电流(ICC)，进行规定的工作的内部电路(9)；
用于向上述电源节点(VDD2)供给电流的可控制供给电流(I2)的电流供给电路(5)；
用于从上述电源节点(VDD2)吸收电流的可控制吸收电流(I1)的电流吸收电路(6)；
为使上述电源节点(VDD2)达到预定电位(VR2)而分别控制上述电流供给电路(5)的供给电流(I2)以及上述电流吸收电路(6)的吸收电流(I1)的控制电路(7)，其中
上述控制电路(7)根据上述内部电路(9)的驱动电流(ICC)的增加/减少，使上述吸收电流(I1)一度减少/增加后增加/减少的同时，增加/减少上述供给电流(I2)。
2.权利要求1记载的半导体装置，其中
上述控制电路(7)根据上述内部电路(9)的驱动电流(ICC)的增加/减少，使上述吸收电流从预定值一度减少/增加后恢复到上述预定值的电流，
上述预定值可变更，
还具备用于将上述预定值设定为所希望的值的第1设定电路(43)。
3.权利要求1记载的半导体装置，其中
根据上述驱动电流(ICC)的增加/减少使上述供给电流(I2)以及上述吸收电流(I1)增加/减少的速度可变，
还具备用于根据上述驱动电流(ICC)的增加/减少使上述供给电流(I2)以及上述吸收电流(I1)增加/减少的速度设定为所希望的速度的第2设定电路(53)。
4.权利要求1记载的半导体装置，其中
上述控制电路(7)，根据上述内部电路(9)的驱动电流(ICC)的增加/减少，仅就上述驱动电流(ICC)的增加/减少部分增加/减少上述供给电流(I2)，同时一度将上述吸收电流(I1)的值由预定值改变到别的值之后恢复到上述预定值的电流。
5.权利要求4记载的半导体装置，其中
上述控制电路(7)，为使与上述吸收电流(I1)从上述预定值变化到上述别的值的时间相比，上述吸收电流(I1)从上述别的值恢复到上述预定值的时间更长，而控制上述供给电流(I2)以及上述吸收电流(I1)。
6.权利要求1记载的半导体装置，其中
上述控制电路(7)，对上述电源节点(VDD2)的电位和第1基准电位(VR2)进行比较，生成基于其比较结果的电平的控制电位(VC)，
上述电流吸收电路(6)，包含连接在上述电源节点(VDD2)和接地电位(GND)的节点之间，并流过基于上述控制电位(VC)的电平的电流的晶体管(31)，
上述电流供给电路(5)，依据上述控制电位(VC)调整上述供给电流(I2)的值。
7.权利要求6记载的半导体装置，其中
上述控制电路(7)，根据上述驱动电流(ICC)的增加/减少，一度使上述吸收电流(I1)从预定值减少/增加后再恢复到上述预定值的电流，
上述半导体装置，还包括可变更保持用于设定上述预定值的第1设定信号的保持信号的第1寄存器(43)，
上述电流吸收电路(6)，包含
多个晶体管(42.1～42.n)，其各自的输入电极共同接受上述控制电位(VC)；
第1切换电路(41.1～41.n)，其依照保持于上述第1寄存器(43)的第1设定信号从上述多个晶体管(42.1～42.n)中至少选择出一个晶体管，并将所选择的各晶体管连接在上述电源节点和上述接地电位节点之间。
8.权利要求6记载的半导体装置，
还具备可变更用于设定上述供给电流(I2)以及上述吸收电流(I1)的增加/减少速度的、保持第2设定信号的保持信号的第2寄存器(53)，
上述控制电路(7)，包含
差动晶体管对(27，28)，它们的输入电极分别接受上述电源节点(VDD2)的电位以及上述第1基准电位(VR2)，它们的另一侧电极共同连接；
多个电阻元件(52.1～52.m)；
第2切换电路(51.1～51.m)，依据保持于上述第2寄存器(53)中的第2设定信号选择出上述多个电阻元件(52.1～52.m)中的至少一个电阻元件，并将所选择的各电阻元件连接到上述差动晶体管对(27，28)的另一侧电极和第2基准电位(GND)的节点之间。
9.权利要求1记载的半导体装置，还具备
整流交流电流生成电源电流，把其电源电流提供给上述电流供给电路(5)的整流电路(4)。
10.权利要求9记载的半导体装置，其中
上述半导体装置，与天线(3)一同设在IC卡(1)中，
上述整流电路(4)，对上述天线(3)接收到的交流信号进行整流。
11.权利要求10记载的半导体装置，其中
上述IC卡(55)中，还设有用于从外部向上述电流供给电路(5)供给电源电流的外部电源端口(56)。
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