CN1870431A - 半导体电路装置 - Google Patents

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Abstract

半导体电路装置包括：升压器，其连接到单个电源，并且输出所述电源的电源电压或与所述电源电压不同的电压；以及升压控制器，其控制是输出所述电源的所述电源电压还是与所述电源电压不同的所述电压。

Description

半导体电路装置
技术领域
本发明一般涉及具有用于转换电源电压的转换器的半导体电路装置，并且具体地涉及所述转换器的操作控制。
背景技术
近来的半导体领域已出现电源电压的减少以及集成化的增加。因此，已开发了以低电源电压的方式操作的装置。尽管如此，仍存在不少的以传统电源电压的方式操作的装置，并且常常是联合具有不同电源系统的装置以构造系统的情况。在这种情况下，可以使用升高电源电压的升压器。
图8显示了现有技术的升压器的构造(例如见日本待审专利申请公布号2001-111397)。当输入信号V被作为基准电压Vss而施加时，晶体管N4和N5导通，将电压Vdd施加到电容器Cb，从而充电电容器Cb。当输入信号V转变为电源电压Vdd时，晶体管P2变为导通，将开关终端信号电压Vin和电源电压Vdd的电压之和施加到开关(晶体管)N0和N1的栅极，以致晶体管N0和N1变为导通。
如上所述，现有技术的升压器总是升高电源电压。因此它与需要选择是否升高电源电压的情况不兼容。需要这样的选择的情况包括下述情况：在正常操作期间向电路供应电源电压，而当需要高速处理时，则向电路供应来自电源电压的升高电压。那些情况还包括下述情况：当电源(例如充电电池)的电压足够高时不升高电压，而当电压由于电源耗尽或类似情况而下降时则升高电压。
那些情况进一步包括下述情况：以多个不同的电源电压的方式使用单个半导体装置。如果在供应3.3V的电源电压的假定之下设计包括现有技术的升压器的半导体装置，则不能以5V的电源电压的方式使用所述半导体装置。这是因为信号的升高电压超过了操作电路的耐电压，造成操作电路损坏。上述例子仅是作为示例给出，并不解释为限制本
发明的范围。
发明内容
根据本发明的方面，提供了一种半导体电路装置，其包括：连接到单个电源的电压转换器，用于输出从所述电源的电源电压和从所述电源电压转换的转换电压中选择的一个；以及电压转换控制器，用于控制从所述电压转换器输出所述电源电压还是所述转换电压。
根据本发明的半导体电路装置既与具有高电源电压的电源兼容，又与具有低电源电压的电源兼容。从而允许大范围的电源电压可用。进一步，本发明的半导体电路装置使下述升压器的实现成为可能，所述升压器能够和少量器件一起在高电源电压下使用。从而允许切换操作以大范围的电源电压的方式执行，同时抑制面积增加。
附图说明
从结合附图的以下说明中，本发明的上述以及其他目的、优点和特征将更加明显，其中：
图1是显示根据本发明第一实施例的半导体电路装置的模式图；
图2是显示根据本发明第一实施例的半导体电路装置的构造的示图；
图3是升压模式和正常模式下的时间图；
图4是根据本发明第一实施例的半导体电路装置的例子；
图5是显示根据本发明第二实施例的半导体电路装置的构造的示图；
图6是显示从升压模式通过步降模式转移到正常模式的状况下的操作的时间图；
图7是显示根据本发明第三实施例的电压转换信号处理单元的方框图；以及
图8是显示现有技术的升压器的模式图。
具体实施方式
现在参考示意性实施例在此来说明本发明。本领域技术人员将会认识到，使用本发明的教导，能够完成许多可选择的实施例，并且本发明并不限于为了解释性的目的而示意的实施例。
第一实施例
在下文中参考附图详细地说明本发明的实施例。图1显示了根据本发明第一实施例的半导体电路装置的模式图。这个实施例的半导体电路装置具有升压器，其连接到单个电源，并且根据升压/非升压选择信号Vboostb，从电源的电源电压和高于电源电压的转换电压中选择一个，并且输出所述选择的电压。单个电源是指一对高压侧的电源Vdd和基准电压Vss。
使用根据这个实施例的电路使得能够控制转换电源电压的电压转换器的操作，并且能够从电源电压和转换电压中选择一个作为电压转换器的输出。从而能够生产下述半导体电路装置，其能够使用具有不同电源电压电平的电源，并因而能够使用大范围的电源电压。例如，可以提供这样的半导体电路，其能够以5V的高电压源的方式操作，而且还能够以1.8V的电池的方式操作。在此说明详细的电路构造。
图2显示了根据这个实施例的半导体电路装置1的构造。这个实施例的半导体电路装置1包括升压控制器11、信号变换器12、作为电压转换器例子的升压器13以及信号输出部分14。
升压控制器11控制升压器13，以根据升压/非升压选择信号Vboostb输出电源的电源电压或不同于电源电压的电压。信号变换器12转换输入信号Vin并输出转换信号。升压器13与单个电源连接，并且输出电源的电源电压或高于电源电压的转换电压。信号输出部分14从自升压器13输出的信号和基准电压Vss中选择一个并输出所述选择的电压。
根据这个实施例的半导体电路装置1中的升压控制器11，在通过Vout输出转换电压或基准电压Vss的升压模式下，或者在通过Vout输出电源电压Vdd或基准电压Vss的正常模式下，控制到Vout的输出。
升压控制器11由PMOS 111和NMOS 112组成。升压/非升压选择信号Vboostb被输入到升压控制器11中的PMOS 111的栅极和NMOS112的栅极。根据升压/非升压选择信号Vboostb执行上述控制。
升压控制器11中PMOS 111的源极连接到电源电压Vdd。升压控制器11中PMOS 111的漏极连接到信号变换器12中PMOS 121的源极。升压控制器11中NMOS 112的源极连接到基准电压Vss。升压控制器11中NMOS 112的漏极连接到节点N1。
根据这个实施例的半导体电路装置1，当升压/非升压选择信号Vboostb为基准电压Vss时处于升压模式，并且当升压/非升压选择信号Vboostb为电源电压Vdd时处于正常模式。
用于转换并输出输入信号Vin的信号变换器12由PMOS 121和NMOS 122组成。输入信号Vin被输入到信号变换器12中的PMOS 121的栅极和NMOS 122的栅极。
信号变换器12中PMOS 121的源极连接到升压控制器11。信号变换器12中NMOS 122的源极连接到基准电压Vss。信号变换器12中的PMOS 121的漏极和NMOS 122的漏极相互连接，并进一步连接到节点N1。
能够输出比电源电压高的电压的升压器13由PMOS 131和电容器132组成。由于升压器13具有PMOS 131和电容器132，所以根据这个实施例的半导体电路装置1能够防止由电容器引起的面积增加。
通过节点N1供应的信号被输入到升压器13中PMOS 131的栅极。升压器13中PMOS 131的源极连接到电源电压Vdd，并且漏极连接到升压器13中的电容器132和信号输出部分14中PMOS 141的源极。通过节点N1供应的信号同样被输入到升压器13中的电容器132。
信号输出部分14由PMOS 141和NMOS 142组成。输入信号Vin被输入到信号输出部分14中的PMOS 141的栅极和NMOS 142的栅极。信号输出部分14中PMOS 141的源极连接到升压器13中PMOS 131的漏极，并且同样连接到升压器13中的电容器132。信号输出部分14中NMOS 142的源极连接到基准电压Vss。
信号输出部分14中的PMOS 141的漏极和NMOS 142的漏极相互连接，并且信号通过它们的连接被输出到Vout。
在下文中说明根据本发明的半导体电路装置的操作。图3显示了升压模式和正常模式下的时间图。
在此说明升压器13执行升压操作的情况。在升压模式下，升压/非升压选择信号Vboostb的电压为Vss，并且在升压控制器11中，PMOS111接通，而NMOS 112则断开。如果输入信号Vin的电压为Vdd，则在信号变换器12中，PMOS 121断开，并且NMOS 122接通。节点N1处的电压从而为Vss。
因此，升压器13中的PMOS 131接通，将电压Vdd施加到电容器132的两端，从而充电电容器132。
由于输入电压Vin为Vdd，所以在信号输出部分14中，PMOS 141断开，并且NMOS 142接通，所以Vout为Vss。
当输入信号Vin的电压转变为Vss时，在信号变换器12中，PMOS121接通，并且NMOS 122断开。节点N1处的电压从而为Vdd。当输入信号Vin的电压从Vdd改变到Vss时节点N2处的电压为2Vdd-Vth，其为节点N1处的电压Vdd和电容器132处的电压差Vdd之和。施加到升压器13中PMOS 131的栅极的电压等于节点N1处的电压，其为Vdd。电压Vth是升压器13中PMOS 131的阈值电压。
这样一来，施加到升压器13中PMOS 131的漏极的电压为2Vdd-Vth，并且施加到PMOS 131的栅极的电压为Vdd，所以升压器13中的PMOS 131保持接通。电容器132从而被放电。在这之后，当施加到电容器132两端的电压到达Vth时，PMOS 131转变为断开，并且节点N2处的电压变为Vdd+Vth。用这种方式，由于对升压器13交替输入Vdd和Vss以及从电源相对侧对电容器132的终端交替输入Vdd和Vss，因此生成了升高电压。
进一步，由于输入信号Vin为Vss，所以在信号输出部分14中，PMOS 141接通，并且NMOS 142断开，从而节点N2处的电压等于Vout处的电压。这样一来，Vout处的电压就从2Vdd-Vth急剧地下降到Vdd+Vth，并且此后就停留在Vdd+Vth处。
在通过Vout输出转换电压或基准电压Vss的升压模式期间，这个实施例的半导体电路装置以上述方式操作。当升压/非升压选择信号Vboostb为Vss时发生这种模式。
另一方面，升压器13停止升压操作的正常模式如下。在正常模式下，升压/非升压选择信号Vboostb转变为Vdd。此时，在升压控制器11中，PMOS 111断开，并且NMOS 112接通。由于升压控制器11中的NMOS 112接通，所以节点N1处的电压被固定在Vss。
向节点N1提供固定电压允许升压器13中的电容器132停止升压操作。由于节点N1处的电压为Vss，所以升压器13中的PMOS 131接通，并且Vdd的电压差被施加到电容器132的两端。电容器132从而被充电，所以节点N2处的电压被固定在Vdd。
输入信号Vin仅仅用于开关信号输出部分14中的PMOS 141和NMOS 142。如果输入信号Vin为Vss，则在信号输出部分14中，PMOS
141接通，并且NMOS 142断开，从而Vout处的电压为Vdd。另一方面，如果输入信号Vin为Vdd，则在信号输出部分14中，PMOS 141断开，并且NMOS 142接通，从而Vout处的电压为Vss。
在通过Vout输出电源电压Vdd或基准电压Vss的正常模式期间，这个实施例的半导体电路装置以上述方式操作。当升压/非升压选择信号Vboostb为Vdd时发生这种模式。
图4显示了使用这个实施例的例子。这个例子通过使用这个实施例的半导体电路装置中Vout处的电压来驱动开关15。开关15由MOS晶体管组成。这个实施例的半导体电路装置的Vout连接到MOS晶体管的栅极。
在这个例子中，升压器13被设置为升压模式，所以即使电源电压Vdd低，也可以通过升高电压使用高电压。因此，即使当电源电压Vdd没有高到足以驱动开关15时，通过使用升压信号也能够驱动开关15。这样一来，这个例子就使得能够以低电源电压Vdd的方式使用开关。
具体地，由于升压器13中的电容器132在升压模式期间输出电源电压和升压器13中PMOS 131的阈值电压之和，所以可以使用从开关15中MOS晶体管的耐电压减去升压器13中PMOS 131的阈值电压的电源电压作为上限。同样可以使用从开关15中MOS晶体管的操作电压的下限电压减去升压器13中PMOS 131的阈值电压的电源电压作为下限。
在正常模式期间，可以使用开关15的MOS晶体管的耐电压作为上限，并且使用开关15的MOS晶体管的操作电压的下限电压作为下限。因此，在升压模式和正常模式之间切换的升压控制器11的使用，允许上限为开关15的MOS晶体管的耐电压，并且下限为从开关15的MOS晶体管的操作电压的下限电压减去升压器13中PMOS 131的阈值电压的电源电压。
这样一来，这个实施例就允许能够用在半导体电路装置中的电源电压的范围的下限低于不使用升压器的情况，并且还允许上限高于使用升压器的情况。
如上所述，通过使用在升压模式和正常模式之间切换的升压控制器11，可以生产这样的半导体电路装置，其中，与使用传统升压器的半导体电路装置相比，所述半导体电路装置与更大范围的电源电压兼容。进一步，由于升压器13由一个电容器和PMOS组成，所以可以生产与使用传统升压器的装置相比具有更小面积的半导体电路装置。
第二实施例
图5是显示根据本发明第二实施例的半导体电路装置2的构造的示图。这个实施例的半导体电路装置2包括升压控制器11、信号变换器12、升压器13、信号输出部分14以及步降控制器16。在此不详细说明与第一实施例中相同的元件和操作原理。
除了第一实施例的半导体电路装置1中的元件之外，这个实施例的半导体电路装置2进一步包括步降控制器16。步降控制器16由NMOS 161组成。减少/非减少选择信号Vreduce被输入到步降控制器16中NMOS 161的栅极。同样在步降控制器16中，NMOS 161的源极连接到基准电压Vss，并且NMOS 161的漏极连接到节点N2、升压器13中的PMOS 131的漏极以及电容器132。
在此说明这个实施例的半导体电路装置中的操作。图6是半导体电路装置在升压模式、然后在步降模式并且最终在正常模式下操作的时间图。在这个实施例中，当升压/非升压选择信号Vboostb为Vss，并且减少/非减少选择信号Vreduce也为Vss时，发生升压模式。当升压/非升压选择信号Vboostb为Vdd，并且减少/非减少选择信号Vreduce为Vss时，发生正常模式。当升压/非升压选择信号Vboostb为Vdd，并且减少/非减少选择信号Vreduce为Vdd时，发生步降模式。
升压模式和正常模式下的操作与第一实施例中相同，并因而不在此说明。在步降模式下，升压/非升压选择信号Vboostb为Vdd，并且减少/非减少选择信号Vreduce也为Vdd，从而节点N1处的电压为Vss。升压器13中的PMOS 131因而接通。
进一步，由于信号Vreduce在步降模式下为Vdd，所以步降控制器16中的NMOS 161接通，并因此升压器13中的PMOS 131和步降控制器16中的NMOS 161导通。电流因此从升压器13中的PMOS 131流向步降控制器16中的NMOS 161。
电流从连接到VDD的升压器13中PMOS 131的源极通过PMOS131的子基片流向节点N2。由于升压器13中PMOS 131的源极和子基片跨越PN结连接，所以电压下降对应于由于PN结而发生的电压Vth的量。这样一来，节点N2处的电压就为Vdd-Vth。
输入信号Vin仅仅用于开关信号输出部分14中的PMOS 141和NMOS 142。如果输入信号Vin为Vss，则在信号输出部分14中，PMOS141接通，并且NMOS 142断开，从而Vout处的电压为Vdd-Vth。另一方面，如果输入信号Vin为Vdd，则在信号输出部分14中，PMOS 141断开，并且NMOS 142接通，从而Vout处的电压为Vss。
如上所述，在正常模式、升压模式和步降模式之间切换的升压控制器11的使用，使在比第一实施例中更大范围的电源电压下的切换操作成为可能。
第三实施例
第三实施例将本发明应用于电压转换信号处理单元作为另一个方面。图7是显示根据这个实施例的电压转换信号处理单元的方框图。在此不详细说明与第一实施例中相同的元件和操作原理。
这个实施例使用第一实施例的半导体电路装置作为振幅转换器21。充当振幅转换器21的控制信号的升压/非升压选择信号Vboostb控制控制装置30中的CPU 24是否升压信号。设置电压转换装置20和控制装置30，以生成升压/非升压选择信号Vboostb作为振幅转换器21的控制信号。
电压转换装置20包括振幅转换器21、A/D转换器22以及A/D转换器控制器23。A/D转换器控制器23从A/D控制信号中生成信号Vboostb。控制装置30包括CPU 24和存储器25。电压转换信号处理单元40包括电压转换装置20、控制装置30以及多个终端。基准电压源50放置在电压转换信号处理单元40的里面或外面。
作为在CPU中生成升压/非升压选择信号Vboostb的第一方法，CPU24根据来自存储器25的信号确定是否升压信号。在这种方法中，在出货前存储关于是否通过振幅转换器21升压信号的信息。基于所述信息，CPU 24将A/D转换器控制信号供应给A/D转换器控制器23。然后，A/D转换器控制器23将升压/非升压控制信号Vboostb供应给振幅转换器21中的升压控制器11。
作为第二方法，在电压转换信号处理单元40的外面放置Vboostb控制终端41，并且用户控制Vboostb控制终端41，以便CPU从而确定是否升压信号。来自用户的控制信号被传输给CPU 24，并且基于所述控制信号，CPU 24将A/D转换器控制信号供应给A/D转换器控制器23。然后，A/D转换器控制器23将升压/非升压控制信号Vboostb供应给振幅转换器21中的升压控制器11。
作为第三方法，A/D转换器22转换从第一A/D转换模拟信号终端42、第二A/D转换模拟信号终端43、电源电压终端44、外部基准电压源输入终端45和内部基准输入终端46输出的信号以及从振幅转换器21输出的Vout。
转换结果被作为A/D转换结果通过A/D转换器控制器23供应给CPU 24。基于所述A/D转换结果，CPU 24比较基准电压源50的输出电压和电源电压，以确定是否通过振幅转换器21升压信号，并且生成A/D转换器控制信号。
在这之后，CPU 24将A/D转换器控制信号传输给A/D转换器控制器23，以便A/D转换器控制器23将升压/非升压控制信号Vboostb供应给振幅转换器21中的升压控制器11。
从而可以根据需要控制振幅转换器21是否升压信号。
明显的是，本发明并不限于上述实施例，在不背离本发明的范围和精神的情况下其可以被修改和改变。

Claims (18)

1.一种半导体电路装置，包括：
连接到单个电源的电压转换器，用于输出从所述电源的电源电压和从所述电源电压转换的转换电压中选择的一个；以及
电压转换控制器，用于控制从所述电压转换器输出所述电源电压还是所述转换电压。
2.根据权利要求1所述的半导体电路装置，其中，所述电压转换器包括电容器，其用于累积对应于所述电源电压和与所述电源电压不同的电压之间的差的电荷。
3.根据权利要求1所述的半导体电路装置，其中
通过使用交替输入的基准电压和所述电源电压，所述电压转换器生成所述转换电压，并且
通过向所述电压转换器供应固定电压，所述电压转换控制器控制所述电压转换器以输出所述电源电压。
4.根据权利要求1所述的半导体电路装置，进一步包括：
连接到所述电压转换器的信号输出部分，用于根据输入信号选择并输出从所述电压转换器输出的信号和基准电压，
其中，当输出所述转换电压时，所述电压转换器存储当所述信号输出部分输出所述基准电压时的电压，并且当所述信号输出部分输出所述转换电压时将所述转换电压供应给所述信号输出部分。
5.根据权利要求3所述的半导体电路装置，进一步包括：
连接到所述电压转换器的信号输出部分，用于根据输入信号选择并输出从所述电压转换器输出的信号和基准电压，
其中，当输出所述转换电压时，所述电压转换器存储当所述信号输出部分输出所述基准电压时的电压，并且当所述信号输出部分输出所述转换电压时将所述转换电压供应给所述信号输出部分。
6.根据权利要求4所述的半导体电路装置，进一步包括：
信号变换器，用于变换输入信号，并且向所述电压转换器交替输出所述基准电压和所述电源电压，
其中，通过使用交替输入的所述基准电压和所述电源电压，所述电压转换器生成所述转换电压。
7.根据权利要求5所述的半导体电路装置，进一步包括：
信号变换器，用于变换输入信号，并且向所述电压转换器交替输出所述基准电压和所述电源电压，
其中，通过使用交替输入的所述基准电压和所述电源电压，所述电压转换器生成所述转换电压。
8.根据权利要求3所述的半导体电路装置，进一步包括：
步降部分，用于逐步降低从所述电压转换器输出的电压，
其中，根据减少/非减少选择信号控制是否执行所述步降部分中的电压步降操作。
9.根据权利要求5所述的半导体电路装置，进一步包括：
步降部分，用于逐步降低从所述电压转换器输出的电压，
其中，根据减少/非减少选择信号控制是否执行所述步降部分中的电压步降操作。
10.根据权利要求7所述的半导体电路装置，进一步包括：
步降部分，用于逐步降低从所述电压转换器输出的电压，
其中，根据减少/非减少选择信号控制是否执行所述步降部分中的电压步降操作。
11.根据权利要求9所述的半导体电路装置，其中，所述步降部分根据所述减少/非减少选择信号执行所述电压步降操作。
12.根据权利要求1所述的半导体电路装置，其中，所述电压转换控制器根据通过外部终端输入的升压/非升压选择信号来控制所述电压转换器。
13.根据权利要求1所述的半导体电路装置，进一步包括：
存储介质，用于存储输入的升压/非升压选择信号，
其中，所述电压转换控制器根据所述升压/非升压选择信号来控制所述电压转换器。
14.根据权利要求5所述的半导体电路装置，进一步包括：
存储介质，用于存储输入的升压/非升压选择信号，
其中，所述电压转换控制器根据所述升压/非升压选择信号来控制所述电压转换器。
15.根据权利要求9所述的半导体电路装置，进一步包括：
存储介质，用于存储输入的升压/非升压选择信号，
其中，所述电压转换控制器根据所述升压/非升压选择信号来控制所述电压转换器。
16.根据权利要求1所述的半导体电路装置，进一步包括：
比较器，用于将输入电压与从所述电压转换器输出的信号或所述电源电压相比较，
其中，升压/非升压选择信号基于所述比较的结果而生成，并且被供应给所述电压转换控制器，并且
所述电压转换控制器根据所述升压/非升压选择信号来控制所述电压转换器。
17.根据权利要求5所述的半导体电路装置，进一步包括：
比较器，用于将输入电压与从所述电压转换器输出的信号或所述电源电压相比较，
其中，升压/非升压选择信号基于所述比较的结果而生成，并且被供应给所述电压转换控制器，并且
所述电压转换控制器根据所述升压/非升压选择信号来控制所述电压转换器。
18.根据权利要求9所述的半导体电路装置，进一步包括：
比较器，用于将输入电压和从所述电压转换器输出的信号或所述电源电压相比较，
其中，升压/非升压选择信号基于所述比较的结果而生成，并且被供应给所述电压转换控制器，并且
所述电压转换控制器根据所述升压/非升压选择信号来控制所述电压转换器。
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