DE112019002236T5 - Halbleitergerät und sensorsystem - Google Patents

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Tatsuo Nakagawa
Akeo Satoh
Akira Kotabe
Masahiro Matsumoto
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Hitachi Automotive Systems Ltd
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Abstract

Vorgesehen sind ein Halbleitergerät und ein Sensorsystem, die es gestatten, eine Verbesserung der Rausch-Unempfindlichkeit zu erzielen. Dabei umfasst eine Ausgangsstufe 106a in dem Halbleitergerät: Eingangsklemmen 207n und 207p und eine Ausgangsklemme 208; einen Ausgangsverstärker 201, der die Eingangsklemmen 207n und 207p mit der Ausgangsklemme 208 verbindet; ein Rückkopplungselement 203, das die Ausgangsklemme 208 auf die Eingangsklemme 207n zurückführt; einen Schalttransistor 204; und ein Widerstandselement 206. Eine Drainelektrode des Schalttransistors 204 ist mit der Eingangsklemme 207n verbunden. Das Widerstandselement 206 liegt zwischen einem hinteren Gate des Schalttransistors 204 und einer Energiequelle Vdd und hat eine Impedanz mindestens vorgegebener Größe, um an der Eingangsklemme 207n auftretendes Rauschen einer vorgegebenen Frequenz zu unterdrücken.

Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitergerät und ein Sensorsystem, beispielsweise ein fahrzeugmontiertes Halbleitergerät und Sensorsystem.
  • Stand der Technik
  • Das Patentdokument 1 offenbart eine Konfiguration, bei der ein MOSFET zwischen einem Eingangsanschluss eines Funktionsverstärkers und einem Erdanschluss vorgesehen ist. Durch Anlegen einer Vorspannung an ein Gate und ein hinteres Gate hält der MOSFET einen abgeschalteten Zustand aufrecht und klemmt unter Verwendung einer parasitären Diode zwischen Drain und hinterem Gate ein Drainpotential an die Vorspannung. Das Patentdokument 2 offenbart ferner eine Schaltung zum sanften Ändern einer Spannung durch Messen eines Laststroms und Steuern des Laststroms derart, dass er eine trapezförmige Wellenform erhält, um Spitzengeräusche beim An- und Abschalten der Last zu unterdrücken.
  • Dokumente zu verwandter Technik
  • Patentdokumente
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme
  • Weit verbreitet ist ein Halbleitergerät mit einer Ausgangsstufe, die eine analoge Spannung ausgibt. Zum Beispiel kann in einem fahrzeugmontierten Halbleitergerät eine Ausgangsstufe eine analoge Spannung an eine Motorsteuereinheit (ECU) oder dergleichen über eine verhältnismäßig lange Ausgangsverdrahtung übertragen. Induziertes Rauschen kann jedoch an dieser Ausgangsstufe von einem anderen Gerät, einer anderen Verdrahtung oder dergleichen anliegen. Daher besteht die Gefahr, dass die Ausgangsstufe fehlerhaft arbeitet.
  • Angesichts der obigen Umstände ist die vorliegende Erfindung entstanden, wobei eines ihrer Ziele darin besteht, ein Halbleitergerät und ein Sensorsystem zu schaffen, die in der Lage sind, den Rauschwidertand zu verbessern.
  • Die vorstehenden Ziele der Erfindung, weitere Gegenstände und neuartige Eigenschaften werden aus der vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlich.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Das Folgende ist eine Kurzbeschreibung eines repräsentativen Beispiels von in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Beispielen.
  • Ein Halbleitergerät gemäß dem repräsentativen Beispiel der Erfindung umfasst eine Eingangsklemme, eine Ausgangsklemme, eine die Eingangsklemmen mit der Ausgangsklemme verbindende erste Schaltung, einen Rückkopplungspfad, der die Ausgangsklemme auf der Eingangsklemme zurückführt, einen Transistor und eine zweite Schaltung. Der Transistor hat ein Gate, ein hinteres Gate, eine Source und ein mit der Eingangsklemme verbundenes Drain. Die zweite Schaltung ist zwischen dem hinteren Gate und einer Energiequelle vorgesehen und hat eine Impedanz mindestens vorgegebener Größe, um an der Eingangsklemme erzeugtes Rauschen einer vorgegebenen Frequenz zu unterdrücken.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Um Wirkungen kurz zu beschreiben, die mit dem repräsentativen Beispiel der in der vorliegenden Beschreibung offenbaten Erfindungen erzielt werden, ist es möglich die Rausch-Unempfindlichkeit zu verbessern.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Konfigurationsbeispiels eines Sensorsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 2 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem erfindungsgemäßen Halbleitergerät.
    • 3 ist ein Querschnitt zur Veranschaulichung eines schematischen Beispiels für den Aufbau um einen Schalttransistor in der Ausgangsstufe in 2 herum.
    • 4 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Aufbaus eines Hauptteils einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 5 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 6 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 7 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines detaillierten Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 8 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines detaillierten Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 9 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 10 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 11 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem Vergleichsbeispiel der Erfindung.
    • 12 ist ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für den Spannungszustand der einzelnen Einheiten in dem Fall, dass an der Ausgangsstufe nach 11 induziertes Rauschen liegt.
  • Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
  • In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung in mehrere Abschnitte oder Ausgestaltungen unterteilt und beschrieben, soweit dies aus Gründen der Zweckmäßigkeit erforderlich ist. Diese Abschnitte oder Ausgestaltungen sind jedoch nicht ohne Beziehung zueinander; vielmehr ist, soweit nicht anders spezifiziert, eines auf einige oder alle anderen Abwandlungsbeispiele, Einzelheiten, ergänzende Beschreibungen oder dergleichen bezogen. Weiterhin ist, wenn in den folgenden Ausführungsbeispielen auf die Anzahl von Elementen (einschließlich Stückzahl, numerischer Wert, Menge, Bereich und dergleichen) Bezug genommen wird, die Anzahl der Elemente nicht auf eine spezielle Anzahl beschränkt und kann gleich, größer oder kleiner als die spezifizierte Anzahl sein, außer in dem Fall, dass die Anzahl der Elemente eigens spezifiziert ist, dass die Anzahl von Elementen offenbar grundsätzlich auf die spezielle Anzahl begrenzt ist, oder dergleichen.
  • Ferner sind in den folgenden Ausführungsbeispielen selbstverständlich die Bestandteile (einschließlich der Grundschritte usw.) nicht unbedingt wesentlich, außer in dem Fall, dass die Bestandteile explizit angegeben oder grundsätzlich als wesentlich anzusehen sind. Wird ferner in den folgenden Ausführungsbeispielen für die Bestandteile auf Formen, Positionsbeziehungen und dergleichen Bezug genommen, so sind auch im Wesentlichen angenäherte oder ähnliche Formen oder dergleichen eingeschlossen, außer wenn die Formen oder dergleichen explizit spezifiziert und nicht offenbar grundsätzlich die genannten sind. Das Gleiche gilt für den oben genannten numerischen Wert und Bereich.
  • Weiterhin ist ein den Funktionsblock des jeweiligen Ausführungsbeispiels bildendes Schaltungselement nicht besonders beschränkt, sondern auf einem Halbleitersubstrat, etwa monokristallinem Silizium, mittels bekannter integrierter Schaltungstechnik, etwa als CMOS- (komplementärer MOS-)Transistor, ausgebildet. Im Folgenden werden die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei werden in sämtlichen Zeichnungen zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele gleiche Teile grundsätzlich mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei wiederholende Beschreibungen weggelassen sind.
  • (Erstes Ausführungsbeispiel)
  • «Kurzfassung des Sensorsystems»
  • 1 ist ein ist ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Konfigurationsbeispiels eines Sensorsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das in 1 dargestellte Sensorsystem ist beispielsweise ein fahrzeugmontiertes Sensorsystem mit einem Sensorelement 101, einem Halbleitergerät 102, und einem ECU 107. Bei dem Sensorelement 101 handelt es sich um ein Element, dessen elektrische Eigenschaften sich gemäß einer physikalischen Größe ändern und das ein elektrisches Signal entsprechend einer Änderung in einem Erfassungsobjekt ausgibt. Das Sensorelement 101 ist beispielsweise ein Luftströmungssensor, d.h. ein Element zum Messen einer von einem Motor angesaugten Luftmenge, ist aber darauf nicht speziell beschränkt. Mit anderen Worten wandelt das Sensorelement 101 physikalische Größen wie etwa Luftströmungsmenge, Temperatur, Feuchtigkeit und Druck in elektrische Signale um und gibt diese aus.
  • Das Halbleitergerät 102 umfasst eine Energiequellenstufe 103, eine analoge Schaltung 104, einen Prozessor 105 und eine Ausgangsstufe 106 und ist beispielsweise als Halbleiterchip ausgebildet. Das Halbleitergerät 102 verarbeitet hauptsächlich das elektrische Signal des Sensorelements 101 und gibt das Verarbeitungsergebnis mit einem analogen Signal oder dergleichen über die Ausgangsstufe 106 aus. Die analoge Schaltung 104 führt an dem elektrischen Signal des Sensorelements 101 Verarbeitungen, etwa Verstärkung, Filterung, Analog/Digital-Umwandlung und Digital/Analog-Umwandlung, aus. Der Prozessor 105 verarbeitet digitale Daten und steuert periphere Schaltungen. Die Energiequellenstufe 103 erzeugt aus einer externen Energieversorgung eine interne Energieversorgung und verteilt die Energieversorgung auf die einzelnen Schaltungen. Die Ausgangsstufe 106 empfängt ein Verarbeitungsergebnis von der analogen Schaltung 104 und gibt über eine Ausgangsklemme 208 und eine Ausgangsleitung 108 ein Ausgangssignal (beispielsweise ein Analogsignal) Vout an die ECU 107 ab.
  • Ein derartiges fahrzeugmontiertes Halbleitergerät 102 kann starkem Rauschen ausgesetzt sein. Insbesondere liegt induziertes Rauschen von einem anderen Gerät, einer anderen Verschaltung oder dergleichen an der Ausgangsleitung 108 an. Die Ausgangsleitung 108 hat beispielsweise eine Verdrahtungslänge von einigen Metern bis zu höchstens etwa 10 Metern. Eine parallel zu der Ausgangsleitung 108 verlaufende weitere Leitung kann beispielsweise ein elektrisches Signal aussenden, das auf einer Frequenz von mehreren hundert kHz bis zu mehreren zehn MHz mit einer Amplitude von mehreren 100 V oder mehr oszilliert. Aufgrund induktiver Kopplung zwischen den Leitungen liegt daher an der Ausgangsleitung 108 induziertes Rauschen mit der Gefahr von Fehlfunktion der Ausgangsstufe 106.
  • <Konfiguration und Probleme der Ausgangsstufe (Vergleichsbeispiel)>
  • Vor der Beschreibung des Halbleitergerätes (insbesondere der Ausgangsstufe) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Ausgangsstufe als Vergleichsbeispiel beschrieben. 11 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem Vergleichsbeispiel der Erfindung. Die in 11 gezeigte Ausgangsstufe 106' entspricht der Ausgangsstufe 106 in 1 und enthält Eingangsklemmen 207n und 207p, eine Steuereingangsklemme 209, eine Ausgangsklemme 208, einen Ausgangsverstärker 1101, einen Ausgangstransistor 1102, ein kapazitives Element 1103 und einen Schalttransistor 1104.
  • Im vorliegenden Beispiel ist der Ausgangstransistor 1102 ein n-Kanal-MOS-Transistor (nMOS-Transistor) und der Schalttransistor 1104 ein p-Kanal-MOS-Transistor (pMOS-Transistor). Die Eingangsklemmen 207n und 207p bilden ein Differenzpaar. Der Ausgangsverstärker 1101 und der Ausgangstransistor 1102 dienen als Schaltung (erste Schaltung), die unter Benutzung des Ausgangsverstärkers 1101 als Verstärker der vorderen Schaltung und des Ausgangsverstärkers 1102 als Verstärker der hinteren Schaltung die Eingangsklemmen 207n und 207p mit der Ausgangsklemme 208 verbindet.
  • Der Ausgangsverstärker 1101 ist ein Differenz-Funktionsverstärker, der mit einer Energiequelle Vdd (von beispielsweise 3,3 V) an der Hochpotentialseite auf der Basis einer Energiequelle Vss (von beispielsweise 0 V) an der Niederpotentialseite arbeitet. Der Ausgangsverstärker 1101 steuert ein Gate des Ausgangstransistors 1102 entsprechend (Differenz-)Eingangssignalen Vinn und Vinp an den Eingangsklemmen 207n und 207p. Der Ausgangstransistor 1102 gibt entsprechend der Steuerung das Ausgangsverstärkers 1101 ein Ausgangssignal Vout an ein mit der Ausgangsklemme 208 verbundenes Drain aus. Das kapazitive Element 1103 liegt in einem Rückkopplungspfad, der die Ausgangsklemme 208 auf die Eingangsklemme 207n zurückführt (negative Rückkopplung).
  • Eine Sourceelektrode und eine Drainelektrode des Schalttransistors 1104 sind mit der Energiequelle Vdd bzw. der Eingangsklemme 207n verbunden. Ein Steuersignal Vct1 von der Steuereingangsklemme 209 liegt an einem Gate des Schalttransistors 1104. Das Steuersignal Vct1 wird auf einen Pegel gesteuert, der von den Pegeln des Betriebszustands und des Standby-Zustands des Ausgangsverstärkers 1101 verschieden ist. Obwohl nicht dargestellt, ist der Schalttransistor 1104 in Wirklichkeit auch an der Eingangsklemme 207p vorgesehen.
  • Der Prozessor 105 in 1 steuert den Schalttransistor 1104 so, dass er durch Steuern des Steuersignals Vct1 auf einen Spannungspegel der Energiequelle Vdd auf der Hochpotentialseite abschaltet, wenn der Ausgangsverstärker 1101 arbeitet. Im Ergebnis führt der Ausgangsverstärker 1101 eine Ausgabefunktion durch, bei der die Eingangsklemmen 207n und 207p (Eingangssignale Vinn und Vinp) auf dem gleichen Potential gehalten werden. Dabei steuert der Prozessor 105 den Schalttransistor 1104 so, dass er durch Steuern des Steuersignals Vct1 auf einen Spannungspegel der Energiequelle Vss der Niederpotentialseite einschaltet, wenn der Ausgangsverstärker 1101 in den Standby-Zustand übergeht. Im Ergebnis sind beide Eingangssignale Vinn und Vinp auf dem Spannungspegel der Energiequelle Vdd fixiert, und der Ausgangsverstärker 1101 befindet sich im Standby-Zustand (im inaktiven Zustand).
  • Im Einzelnen umfasst der Schalttransistor 1104 eine parasitäre Diode 1105 bei der die Drainseite als Anode und die Seite des hinteren Gates als Kathode zwischen Drain und hinterem Gate dienen. Wie in 11 gezeigt, ist das hintere Gate des Schalttransistors 1104 normalerweise mit der Sourceelektrode (d.h. der Energiequelle Vdd) verbunden.
  • 12 ist ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Spannungszustände der einzelnen Einheiten in dem Fall, dass an der Ausgangsstufe nach 11 induziertes Rauschen liegt. Wie in 1 dargelegt, kann das induzierte Rauschen an der mit der Ausgangsklemme 208 verbundenen Ausgangsleitung 108 liegen. In diesem in 12 veranschaulichten Fall ist das Ausgangssignal Vout von pulsierendem induziertem Rauschen überlagert.
  • Die Überlagerung des induzierten Rauschens selbst stellt kein besonderes Problem dar. Das kommt daher, dass das induzierte Rauschen zwar dem Original-Spannungspegel 1201 des Ausgangssignals Vout überlagert ist, der Original-Spannungspegel 1201 selbst sich aber nicht ändert. Anders ausgedrückt kommt das daher, dass der Spannungspegel 1201 nach Entfernen des induzierten Rauschens oder der Spannungspegel nach dem Anhalten des induzierten Rauschens gewöhnlich gleich dem Spannungspegel vor der Überlagerung des induzierten Rauschens ist. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass gegenüber dem Original-Spannungspegel 1201 als Bezugsgröße aufgrund des in 12 mit der Bezugsziffer 1202 bezeichneten induzierten Rauschens über eine ziemlich lange Zeitspanne tatsächlich ein Fehler in dem Spannungspegel des Ausgangssignals Vout verursacht werden kann.
  • Der Fehler im Spannungspegel des Ausgangssignals Vout wird in folgender Weise verursacht. Zunächst wird das dem Ausgangssignal Vout überlagerte Rauschen über das kapazitive Element 1103 auf die Eingangsklemme 207n (das Eingangssignal Vinn) des Ausgangsverstärkers 1101 gekoppelt. Die parasitäre Diode 1105 existiert zwischen der Eingangsklemme 207n und dem hinteren Gate des Schalttransistors 104. Wird das Potential der Eingangsklemme Vinn durch die Durchlassspannung Vf der parasitären Diode 1105 höher als das Potential der Energiequelle Vdd, so schaltet die parasitäre Diode 1105 ein, und es fließt ein Durchlassstrom.
  • Oszilliert das Potential des Eingangssignals Vinn mit hoher Frequenz infolge der Ausbreitung des induzierten Rauschens und überschreitet es den Wert „Vdd + Vf“, so fließt ein Strom von der Eingangsklemme 207n zu der Energiequelle Vdd. Mit anderen Worten wird das Potential des Eingangssignals Vinn durch das Potential „Vdd + Vf“ abgeschnitten. Wenn dieser Strom fließt (wenn ein Abschneiden erfolgt), werden elektrische Ladungen effektiv von der Energiequelle Vdd in die Eingangsklemme 207n injiziert, und das Eingangssignal Vinn wird auf einem Pfad erzeugt, der von dem der Eingangsklemme 207n (einem Pfad der Energiequelle Vdd) verschieden ist.
  • Werden die elektrischen Ladungen der Eingangsklemme 207n zugeführt, so wird im Spannungspegel des Eingangssignals Vinn ein Fehler gegenüber dem Original-Spannungspegel verursacht, so dass der Fehler gegenüber dem Original-Spannungspegel 201 als Bezugsgröße auch im Spannungspegel des Ausgangssignals Vout bewirkt wird. Um den Spannungspegel des Ausgangssignals Vout auf den Original-Spannungspegel 1201 zurückzuführen, ist es erforderlich, die von der Energiequelle Vdd in die Eingangsklemme 207n injizierten elektrischen Ladungen zu reduzieren. Hat jedoch die Eingangsklemme 207n eine hohe Impedanz, so können die elektrischen Ladungen nur schwer abfließen, und es dauert ziemlich lange, die elektrischen Ladungen zu reduzieren.
  • Auf diese Weise ist festgestellt worden, dass der Fehler im Ausgangssignal Vout aufgrund der Tatsache entsteht, dass das an der Ausgangsklemme 208 anliegende induzierte Rauschen über das kapazitive Element 1103 auf die Eingangsklemme 207n übertragen wird und daher die elektrischen Ladungen über die parasitäre Diode 1105 in die Eingangsklemme 207n injiziert werden. Ein Zustand, bei dem der Fehler im Ausgangssignal Vout verursacht wird, lässt sich näherungsweise durch den Ausdruck (1) wiedergeben. In dem Ausdruck (1) ist „Vin_cm“ ein Potential der Eingangsklemme 207n (des Eingangssignals Vinn), wenn das induzierte Rauschen nicht anliegt. „G“ ist die Verstärkung des induzierten Rauschens von der Ausgangklemme 208 zur Eingangsklemme 207n. „Vnp0“ ist die Amplitude des an der Ausgangsklemme 208 anliegenden induzierten Rauschens auf der Seite der positiven Elektrode gegenüber dem Potential „Vout_cm“ der Ausgangsklemme 208 (des Ausgangssignals Vout) als Bezugsgröße, wenn das induzierte Rauschen nicht anliegt.
  • G × Vnp0 + Vin_cm > EVdd + Vf
    Figure DE112019002236T5_0001
  • Wie in dem Ausdruck (1) ausgedrückt, tritt der Fehler im Ausgangssignal Vout dann auf, wenn der Höchstwert des auf die Eingangsklemme 207 gekoppelten induzierten Rauschens den Wert von „Vdd + Vf“ überschreitet. Das Auftreten des Fehlers im Ausgangssignal Vout ist äquivalent der Fehlfunktion der Ausgangsstufe 106'. Speziell hat das in 1 gezeigte fahrzeugmontierte Halbleitergerät 102 wichtige Funktionen, etwa in der Überwachung und Steuerung eines Fahrzeugzustands, wobei eine Rausch-Unempfindlichkeit (in anderen Worten eine Zuverlässigkeit) benötigt wird, die höher ist als bei Verbrauchsgütern, so dass keine durch Rausch verursachten Fehlfunktionen auftreten. Es ist daher zweckmäßig, die Ausgangsstufe gemäß dem unten beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel zu verwenden.
  • «Konfiguration der Ausgangsstufe (erstes Ausführungsbeispiel)»
  • 2 zeigt ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 2 dargestellte Ausgangsstufe 106a entspricht der Ausgangsstufe 106 in 1 und umfasst Eingangsklemmen 207n und 207p, eine Steuereingangsklemme 209, eine Ausgangsklemme 208, einen Ausgangsverstärker 201, ein Rückkopplungselement 203, einen Schalttransistor 204 und ein Widerstandselement 206. In diesem Beispiel ist der Schalttransistor 204 ein pMOS-transistor.
  • Der Ausgangsverstärker 201 bildet eine die Eingangsklemmen 207n und 207p mit der Ausgangsklemme 208 verbindende Schaltung (erste Schaltung) und ist beispielsweise ein Differenz-Funktionsverstärker, der mit der Energiequelle Vdd (beispielsweise 3,3 V) an der Hochpotentialseite auf der Basis der Energiequelle Vss (beispielsweise 0 V) an der Niederpotentialseite arbeitet. In dem vorliegenden Beispiel gibt, anders als im Fall der 11, der Ausgangsverstärker 201 das Ausgangssignal Vout ohne Durchlaufen des Ausgangstransistors an die Ausgangsklemme 208 ab. Wie bei 11 ist jedoch auch eine Gestaltung mit Durchlaufen des Ausgangstransistors möglich.
  • Das Rückkopplungselement 203 ist in einem Rückkopplungspfad vorgesehen, der die Ausgangsklemme 208 auf die Eingangsklemme 207n zurückführt (negative Rückkopplung). Typischerweise ist das Rückkopplungselement 203 eine kapazitives Element 1103, wie in 11 dargestellt; es ist nicht darauf beschränkt und kann ein Widerstandselement, eine parasitäre Kapazität oder dergleichen sein. Das heißt, dass nur irgendeine Art von Rückkopplungspfad vorhanden sein muss. Obwohl der Rückkopplungspfad, etwa das Widerstandelement oder die parasitäre Kapazität, vorhanden ist, kann eine Kopplung des induzierten Rauschens von der Ausgangsklemme 208 auf die Eingangsklemme 207n, wie anhand von 12 beschrieben, stattfinden, so dass das gleiche Problem wie im Falle der 12 auftreten kann. Die Kopplung von induziertem Rauschen kann jedoch häufiger dann auftreten, wenn das Rückkopplungselement 203 insbesondere ein kapazitives Element ist, so dass das in 12 beschriebene Problem im vorliegenden Fall erheblicher ist.
  • Ähnlich wie im Fall der 11 hat der Schalttransistor 201 eine Source- und eine Drainelektrode, die mit der Energiequelle Vdd bzw. der Eingangsklemme 209 verbunden sind. Ferner liegt wie im Fall der 11 eine parasitäre Diode 205 zwischen der Drainelektrode (Eingangsklemme 207n) des Schalttransistors 204 und einem hinteren Gate. Anders als im Fall der 11 ist hier jedoch das Widerstandselement 206 zwischen der Energiequelle Vdd und dem hinteren Gate des Schalttransistors 204 vorhanden. Das Widerstandselement 206 ist ein Beispiel einer Schaltung (zweiten Schaltung), deren Impedanz mindestens einen vorgegebenen Wert hat, um an der Eingangsklemme 207n erzeugtes Rauschen vorgegebener Frequenz zu unterdrücken.
  • Das Verbindungsziel für das Widerstandselement 206 ist nicht notwendigerweise die Energiequelle Vdd des Ausgangsverstärkers 201, sondern kann jede Energiequelle sein, über die der Schalttransistor 204 normal arbeiten kann. Ferner muss die Sourceelektrode des Schalttransistors 204 nicht unbedingt mit der Energiequelle Vdd des Ausgangsverstärkers 201 verbunden sein, sondern es kann jede beliebige Energiequelle sein, über die der Ausgangsverstärker 201 in den Standby-Zustand gesetzt und die EIN- und AUS-Steuerung mit dem Steuersignal Vct1 normalerweise durchgeführt werden kann.
  • Bei derartiger Konfiguration wird das an der Ausgangsklemme 208 liegende induzierte Rauschen über das Rückkopplungselement 203 auf die Eingangsklemme 207n (Eingangssignal Vinn) gekoppelt, was eine Oszillation des Eingangssignals Vinn verursacht. Im Falle der 11 wird mit der Oszillation des Eingangssignals Vinn die parasitäre Diode eingeschaltet, und die elektrischen Ladungen werden von der Energiequelle Vdd in die Eingangsklemme 207 injiziert. Dabei ist im Falle der 2 das Widerstandselement 206 mit ausreichend hoher Impedanz vorgesehen.
  • Selbst wenn das Potential des Eingangssignals Vinn wegen der Oszillation den Wert „Vdd + Vf“ überschreitet, lässt sich die Injektion der elektrischen Ladungen von der Energiequelle Vdd in die Eingangsklemme 207n nur schwer bewirken. Insbesondere dann, wenn des Potential der Eingangsklemme 207n steigt, erhöht sich auch das Potential des hinteren Gates des Schalttransistors 204 entsprechend, so dass die parasitäre Diode 205 nur schwer einzuschalten ist. Da die elektrischen Ladungen an der Eingangsklemme 207n auf einem konstanten Wert gehalten werden, wird im Ergebnis der Fehler im Ausgangssignal Vout auf der Basis des Original-Spannungspegels unterdrückt.
  • Auf diese Weise lässt sich in dem Konfigurationsbeispiel der 2 eine Situation vermeiden, in der die elektrischen Ladungen über die parasitäre Diode 205 injiziert werden, selbst wenn das induzierte Rauschen durch Erhöhen der Impedanz des hinteren Gates des Schalttransistors 204 auf die Eingangsklemme 207n gekoppelt wird. Dadurch wird es möglich, den durch das induzierte Rauschen verursachten Fehler im Ausgangssignal Vout zu unterdrücken. Im Ergebnis lässt sich die durch das induzierte Rauschen verursachte Fehlfunktion der Ausgangsstufe 106a vermeiden und eine Verbesserung der Rausch-Unempfindlichkeit in dem Sensorsystem und Halbleitergerät 102 nach 1 erreichen.
  • Zu beachten ist, dass in dem Konfigurationsbeispiel der 2 die zwischen der Energiequelle Vdd und dem hinteren Gate des Schalttransistors 201 vorgesehene Schaltung (zweite Schaltung) das Widerstandselement 206 ist; die Schaltung ist aber nicht darauf beschränkt, sondern kann eine Schaltung sein, deren Impedanz eine vorgegebene Mindestgröße hat, durch die sich das induzierte Rauschen unterdrücken (abschalten) lässt. Als spezielles Beispiel kann eine Schaltung, die die Impedanz des hinteren Gates durch Kombinieren einer Induktivität und einer Kapazität erhöht, oder ein Tiefpassfilter verwendet werden. Als weitere Ausführung kann in dem Konfigurationsbeispiel der 2 zwischen der Drainelektrode und dem hinteren Gate des Schalttransistors 204 ein kapazitives Element vorgesehen sein, um beide Enden der parasitären Diode 205 auf dem gleichen Potential zu halten.
  • Wird die zweite Schaltung von einem Tiefpassfilter gebildet, so schaltet dieses ein Signal ab, dessen Frequenz einen vorgegebenen Wert überschreitet, etwa das induzierte Rauschen. Im Ergebnis bewegen sich das hintere Gate und die Drainelektrode des Schalttransistors in Phase, so dass die parasitäre Diode 205 nicht einschaltet. Dabei lässt das Tiefpassfilter ein Signal durch, dessen Frequenz unter der vorgegebenen Frequenz liegt. Im Ergebnis wird, da das hintere Gate des Schalttransistors 204 mit der Energiequelle Vdd äquivalent kurzgeschlossen wird, der Schalttransistor 204 so gesteuert, dass er in normaler Weise von dem Steuersignal Vct1 ein- und ausgeschaltet wird,
  • Wird, wie in dem Konfigurationsbeispiel nach 2, die zweite Schaltung von dem Widerstandselement 206 gebildet, so beträgt die Größe (Widerstandsgröße) ihrer Impedanz beispielsweise 100 2 oder mehr und ist vorzugsweise auf 10 kΩ oder mehr eingestellt. Wie in 11 dargestellt, ist das hintere Gate des Schalttransistors 204 gewöhnlich über verschiedene parasitäre Widerstände mit der Energiequelle Vdd verbunden. Der parasitäre Widerstand ist vorzugsweise möglichst klein und liegt etwa bei einigen zehn Ω oder weniger. In einem Verfahren des ersten Ausführungsbeispiels ist dagegen ein Widerstandselement 106 mit einem Widerstand von beispielsweise 10 kΩ oder mehr vorgesehen. In diesem Fall lässt sich das induzierte Rauschen mit mehreren hundert kHz bis zu mehreren 10 MHz durch eine aus dem Widerstandselement 206 und der Kapazität der Energiequelle Vdd gebildete RC-Schaltung ausreichend unterdrücken (ausschalten).
  • Falls es nur darum geht, den durch das induzierte Rauschen im Ausgangssignal Vout verursachten Fehler zu unterdrücken, kann dieses Ziel auch dadurch erreicht werden, das kein einfach Schalttransistor 204 vorgesehen wird. Vor allem deswegen weil das in 1 dargestellte fahrzeugmontierte Halbleitergerät 102 mit einer Batterie-Energiequelle arbeitet, kommt es drauf an, Energie zu sparen. Daher hat das erste Ausführungsbeispiel vorzugsweise einen Aufbau, in dem durch Vorsehen des Schalttransistors 204 an der Eingangsklemme 207n (tatsächlich auch an der Eingangsklemme 207p) beide Eingangsklemmen 207n und 207p auf die Spannung der Energiequelle festgelegt sind und der Ausgangsverstärker 201 in den Standby-Zustand versetzt werden kann.
  • «Struktur um den Schalttransistor»
  • 3 ist ein Querschnitt zur Veranschaulichung eines schematischen Beispiels für den Aufbau um den Schalttransistor in der Ausgangsstufe nach 2 herum. In 3 ist beispielsweise auf der Hauptoberflächenseite eines Halbleitersubstrats SB des p-Typs (Siliziumsubstrats) eine Wanne NW des n-Typs ausgebildet. In der Wanne NW des n-Typs sind eine Diffusionsschicht DFs des p+-Typs, die als Sourceelektrode des Schalttransistors 204 dient, und eine Diffusionsschicht DFd des p+-Typs, die als Drainelektrode des Schalttransistors 204 dient, ausgebildet. Über einem Bereich zwischen beiden Diffusionsschichten DFs und DFd ist eine Gateelektrode GE aus beispielsweise einem Material wie Polysilizium oder Silizid mit einer dazwischen liegenden Gate-Isolierschicht ausgebildet. Dabei wird die parasitäre Diode 205 nach 2 durch einen pn-Übergang zwischen der Diffusionsschicht DFd des p+-Typs und der Wanne NW des n-Typs erzeugt.
  • Die Diffusionsschicht DFs ist über eine Kontaktschicht CT mit einer Metall-Verdrahtungsschicht ML verbunden, die an der Energiequelle Vdd liegt. Ferner ist in der Wanne NW des n-Typs eine Diffusionsschicht DFb des n+-Typs ausgebildet, die als hinteres Gate des Schalttransistors 204 dient. Die Diffusionsschicht DFb ist über die Kontaktschicht CT mit einem Ende einer Widerstandsschicht RL verbunden. Das andere Ende der Widerstandsschicht RL ist über die Kontaktschicht CT mit der Metall-Verdrahtungsschicht ML verbunden, die an der Energiequelle Vdd liegt. Die Widerstandsschicht RL entspricht dem Widerstandselement 206 nach 2 und besteht beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Gateelektrode GE (beispielsweise Polysilizium oder Silizid). Somit besteht das Widerstandselement 206 aus dem gleichen Material wie die Gateelektrode GE, was es ermöglicht, das Widerstandselement 206 mit einem ziemlich hohen Widerstandswert auszubilden.
  • « Hauptwirkungen des ersten Ausführungsbeispiels»
  • Wie oben beschrieben, ist es durch die Benutzung des Halbleitergerätes und des Sensorsystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel typischerweise möglich, die Rausch-Unempfindlichkeit zu verbessern. Insbesondere dann, wenn das induzierte Rauschen dem Ausgangssignal Vout der Ausgangsstufe 106 in dem Halbleitergerät 102 überlagert ist, lässt sich der Fehler im Ausgangssignal Vout unterdrücken. Mit anderen Worten lässt sich die Fehlfunktion der Ausgangsstufe 106 vermeiden. Im Ergebnis lässt sich insbesondere die Zuverlässigkeit in dem fahrzeugmontierten Halbleitergerät 102 und dem Sensorsystem, in dem sich das induzierte Rauschen leicht überlagert, verbessern.
  • Der Schalttransistor 204 ist als Beispiel für die Stelle beschrieben worden, wo die Fehlfunktion auftritt; dies ist aber nicht die einzige Stelle. Beispielsweise kann selbst dann, wenn der MOS-Transistor der Ausgangsstufe in einer vorhergehenden Schaltung (beispielsweise der analogen Schaltung 104 nach 1) an die Ausgangsklemme 207n angeschlossen ist, aufgrund der parasitären Diode des MOS-Transistors der Ausgangsstufe das gleiche Problem auftreten. Dabei lässt sich die gleiche Wirkung auch für den MOS-Transistor der Ausgangsstufe erzielen, indem die Impedanz des hinteren Gates ähnlich erhöht wird.
  • (Zweites Ausführungsbeispiel)
  • «Konfiguration der Ausgangsstufe (zweites Ausführungsbeispiel)»
  • 4 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 4 dargestellte Ausgangsstufe 106b umfasst Eingangsklemmen 207n und 207p, eine Steuereingangsklemme 209, eine Ausgangsklemme 208, einen Ausgangsverstärker 401, ein Rückkopplungselement 403, einen Schalttransistor 404 und ein Widerstandselement 406. Im vorliegenden Beispiel ist der Schalttransistor 404 ein nMOS-Transistor.
  • In der in 4 gezeigten Ausgangsstufe 106 ist der Schalttransistor 404 gegenüber der Ausgangsstufe 106a der 2 von dem pMOS-Transistor in einen nMOS-Transistor geändert. Ferner hat der Ausgangsverstärker 401, wenn auch nicht darstellt, eine andere interne Konfiguration. Insbesondere ist beispielsweise der pMOS-Transistor als Differenz-Eingangspaar an die Eingangsklemmen 207n und 207p in dem Ausgangsverstärker 201 der 2 angeschlossen, während der nMOS-Transistor, ebenfalls als Differenz-Eingangspaar an die Eingangsklemmen 207n und 207p des Ausgangsverstärkers 401 der 4 angeschlossen ist.
  • Der Schalttransistor 404 umfasst eine Source- und eine Drainelektrode, die an die Energiequelle Vss bzw. an die Eingangsklemme 207n angeschlossen sind, und eine mit der Steuereingangsklemme 209 verbundene Gateelektrode. Der Schalttransistor 404 ist in Wirklichkeit auch mit der Eingangsklemme 207p verbunden. Wird der Schalttransistor 404 so gesteuert, dass er einschaltet, so wird die Eingangsklemme 207n (und die Eingangsklemme 207p) auf den Pegel der Energiequelle Vss gesteuert, während der Ausgangsverstärker 401 sich im Standby-Zustand befindet.
  • Ferner besteht eine parasitäre Diode 405 zwischen der Drainelektrode (Eingangsklemme 207n) und dem hinteren Gate des Schalttransistors 404. Demzufolge ist wie im Falle der 2 das Widerstandselement 406 zwischen der Energiequelle Vss und dem hinteren Gate des Schalttransistors 404 vorgesehen. Wie in 2 ist das Widerstandselement 406 ein Beispiel für eine Schaltung (zweite Schaltung) mit einer Impedanz, die gleich oder größer ist als ein vorgegebener Wert, um an der Eingangsklemme 207n auftretendes Rauschen vorgegebener Frequenz zu unterdrücken.
  • In diesem Konfigurationsbeispiel wird das dem Ausgangssignal Vout überlagerte induzierte Rauschen über das Rückkopplungselement 403 auf die Eingangsklemme 207n gekoppelt. Ist die Impedanz des hinteren Gates des Schalttransistors 404 niedrig und das Potential der Drainelektrode des Schalttransistors 404 infolge des Induzierten Rauschens niedriger als „Vss - Vf“, so schaltet die parasitäre Diode 405 ein. Im Ergebnis werden die elektrischen Ladungen von der Energiequelle Vss in die Eingangsklemme 207n injiziert.
  • In dem Konfigurationsbeispiel der 4 ist, da die Impedanz des hinteren Gates des Schalttransistors 404 wegen des Widerstandselements 406 hoch ist, die parasitäre Diode 405 nur schwer einzuschalten. Dadurch wird es möglich, eine Situation zu vermeiden, in der elektrische Ladungen durch die parasitäre Diode 405 injiziert werden, und den durch das induzierte Rauschen verursachten Fehler im Ausgangssignal Vout selbst dann zu unterdrücken, wenn das induzierte Rauschen auf die Eingangsklemme 207n gekoppelt wird. Im Ergebnis lässt sich die durch das induzierte Rauschen verursachte Fehlfunktion der Ausgangsstufe 106b verhindern und in dem Sensorsystem und dem Halbleitergerät 102 nach 1 eine Verbesserung der Rausch-Unempfindlichkeit erreichen.
  • « Hauptwirkungen des zweiten Ausführungsbeispiels»
  • Wie oben beschrieben, lassen sich die gleichen Wirkungen wie die in dem ersten Ausführungsbeispiel auch bei Verwendung des Halbleitergeräts und des Sensorsystems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel erreichen.
  • (Drittes Ausführungsbeispiel)
  • << Konfiguration der Ausgangsstufe (drittes Ausführungsbeispiel>>
  • 5 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gegenüber dem Konfigurationsbeispiel der 2 ist bei der zweiten Schaltung (beispielsweise dem Widerstandselement 206) eine in 5 gezeigte Ausgangsstufe 106c nicht vorgesehen. Stattdessen ist das hintere Gate des Schalttransistors 204 auf der Hochpotentialseite des Ausgangsverstärkers (erste Schaltung) 201 mit einer Energiequelle (zweite Energiequelle) Vdc1 verbunden, die ein höheres Potential hat als die Energiequelle (erste Energiequelle) Vdd.
  • Bei Verwendung dieses Konfigurationsbeispiels kann die parasitäre Diode 205 nur schwer einschalten. Das kommt daher, dass trotz der Tatsache, dass das induzierte Rauschen auf die Eingangsklemme 207n gekoppelt wird, das Potential des hinteren Gates des Schalttransistors 204 hoch ist. Dadurch wird es möglich, eine Situation zu vermeiden, in der die elektrischen Ladungen über die parasitäre Diode 205 injiziert werden, und den durch das induzierte Rauschen verursachen Fehler im Ausgangssignal Vout zu verhindern. Im Ergebnis lässt sich die durch das induzierte Rauschen verursachte Fehlfunktion der Ausgangsstufe 106c verhindern und eine Verbesserung der Rausch-Unempfindlichkeit in dem Sensorsystem und dem Halbleitergerät 102 der 1 verwirklichen.
  • Eine Bedingung dafür, dass elektrische Ladungen nicht über die parasitäre Diode 205 injiziert werden, ist durch den Ausdruck (2) wiedergegeben. In dem Ausdruck (2) sind die jeweiligen Parameter („Vin_cm“, „G“ und „Vnp0“) die gleichen wie im Ausdruck (1). Sie sind in 12 dargestellt. Der Spannungspegel der Energiequelle Vdc1 ist auf einen Wert gesetzt, der den Ausdruck (2) erfüllt.
  • ( Vin_cm + G + Vnp0 ) − Vdc1<Vf
    Figure DE112019002236T5_0002
  • In einem speziellen Beispiel beträgt die Energiequelle Vdd 3,3 V oder dergleichen und die Energiequelle Vdc1 5,0 V oder dergleichen. Wenn die Energiequellenstufe 103 in 1 eine externe Energiequelle von 5,0 V erhält und eine interne Energiequelle von 3,3 V erzeugt, erübrigt sich eine neue Schaltung zum Erzeugen der Energiequelle Vdc1. Die externe Energiequelle mit 5,0 V wird beispielsweise von einem separat vorgesehenen Energiequellenregler erzeugt, der die Batterieleistung absenkt. Ferner geht das Steuersignal Vct1 vorzugsweise von dem Spannungspegel der Energiequelle Vdc1 auf den Spannungspegel der der Energiequelle Vss über. Infolgedessen kann zwischen dem Prozessor 105 und der Ausgangsstufe 106 der 1 beispielsweise eine Pegelverschiebungsstufe vorgesehen sein, die den Spannungspegel der Energiequelle Vdd auf den Spannungspegel der Energiequelle Vdc1 verschiebt.
  • « Hauptwirkungen des dritten Ausführungsbeispiels»
  • Wie oben beschrieben, lassen sich die gleichen Wirkungen, wie sie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, auch bei Einsatz des Halbleitergeräts und des Sensorsystems des dritten Ausführungsbeispiels erzielen. Ferner erübrigt sich die zweite Schaltung (Widerstandselement 206) wie im Falle der 2, so dass der Platzbedarf der Schaltung verringert werden kann, soweit er nicht erforderlich ist, um die Energiequelle Vdc1 neu auszubilden. Mit zunehmender Amplitude des auf die Eingangsklemme 207n gekoppelten induzierten Rauschens muss jedoch das Potential der Energiequelle Vdc1 hoch gesetzt werden, so dass die Gefahr besteht, dass die Zunahme des Potentials die vorgesehene Durchbruchsspannung oder dergleichen beeinflusst. Daher wird, wenn beispielsweise die Amplitude des induzierten Rauschens hoch ist, das Konfigurationsbeispiel der 2 bevorzugt.
  • (Viertes Ausführungsbeispiel)
  • <<Konfiguration der Ausgangsstufe (viertes Ausführungsbeispiel)>>
  • 6 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie im Falle der 5 ist gegenüber dem Konfigurationsbeispiel der 4 die in 6 gezeigte Ausgangsstufe 106d nicht mit der zweiten Schaltung (beispielsweise dem Widerstandselement 406) versehen. Stattdessen ist das hintere Gate des Schalttransistors 404 mit einer Energiequelle (der zweiten Energiequelle) Vdc2 verbunden, die ein niedrigeres Potential hat als die Energiequelle (die erste Energiequelle) Vss auf der Niederpotentialseite des Ausgangsverstärkers (der ersten Schaltung) 401.
  • Wie in 5 gezeigt, wird bei Verwendung eines derartigen Konfigurationsbeispiels das Einschalten der parasitären Diode 405 schwierig. Das kommt daher, dass trotz der Einkopplung des induzierten Rauschens auf die Eingangsklemme 207n das Potential des hinteren Gates des Schalttransistors 404 niedrig ist. Dadurch wird es möglich, eine Situation zu vermeiden, bei der die elektrischen Ladungen über die parasitäre Diode 405 injiziert werden, und den durch das injizierte Rauschen verursachten Fehler im Ausgangssignal Vout zu unterdrücken. Im Ergebnis lässt sich die durch das injizierte Rauschen verursachte Fehlfunktion der Ausgangsstufe 106d verhindern und in dem Sensorsystem und dem Halbleitergerät 102 der 1 wird eine Verbesserung der Rausch-Unempfindlichkeit erreicht.
  • Der Ausdruck (3) gibt eine Bedingung dafür an, dass die elektrischen Ladungen nicht über die parasitäre Diode 405 injiziert werden. In dem Ausdruck (3) sind die jeweiligen Parameter („Vin_cm“, „G“) die gleichen wie im Ausdruck (1), wobei „Vnn0“ eine Amplitude auf der Seite der negativen Elektrode des induzierten Rauschens ist, das aufgrund eines Potentials „Vout_cm) der Ausgangsklemme 208 (Ausgangssignal Vout) an der Ausgangsklemme 208 anliegt, wenn das induzierte Rauschen nicht anliegt. Diese Parameter sind in 12 dargestellt. Der Spannungspegel der Energiequelle Vdc2 ist auf einen Wert eingestellt, der den Ausdruck (3) erfüllt. Vdc2 − ( Vin_cm − G × Vnn0 ) < Vf
    Figure DE112019002236T5_0003
  • « Hauptwirkungen des vierten Ausführungsbeispiels»
  • Wie oben beschrieben, lassen sich die gleichen Wirkungen, wie sie im dritten Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, auch bei Verwendung des Halbleitergeräts und des Sensorsystems des vierten Ausführungsbeispiels erzielen.
  • (Fünftes Ausführungsbeispiel)
  • <<Einzelheiten der Konfiguration der Ausgangsstufe (fünftes Ausführungsbeispiel)>>
  • 7 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines detaillierten Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 7 zeigt ein detailliertes Konfigurationsbeispiel entsprechend der Ausgangsstufe 106a der 2. Die in 7 gezeigte Ausgangsstufe umfasst eine dem Ausgangsverstärker 201 der 2 entsprechende Differenzverstärkerstufe, einen in einer nachfolgenden Schaltung vorgesehenen Ausgangstransistor 704, Schalttransistoren 707a und 707b, kapazitive Elemente 705 und 706 und ein Widerstandelement 709. Der Ausgangstransistor 704 wird von einem nMOS-Transistor gebildet und gibt ein Ausgangssignal Vout aus.
  • Die Differenzverstärkerstufe umfasst Eingangstransistoren 701a und 701b, die ein Differenz-Eingangspaar von pMOS-Transistoren bilden, einen von einem pMOS-Transistor gebildeten hinteren Transistor 703 und von nMOS-Transistoren gebildete Lasttransistoren 702a und 702b. Die Eingangstransistoren 701a und 701b empfangen Eingangssignale (Differenz-Eingangssignale) Vinn und Vinp und führen Verstärkungsfunktionen unter Verwendung der Lasttransistoren 702a und 702b als Last aus. Der hintere Transistor 703 arbeitet als hintere Stromquelle und versorgt die Differenzverstärkerstufe mit einem konstanten Strom.
  • Der Schalttransistor 707a ist entsprechend der Eingangsklemme 207n vorgesehen und entspricht dem Schalttransistor 204 der 2. Ähnlich ist der Schalttransistor 707b entsprechend der Eingangsklemme 207p vorgesehen, bildet mit der Eingangsklemme 207n ein Differenzpaar und entspricht dem Schalttransistor 204 der 2. Die Schalttransistoren 707a und 707b haben jeweils parasitäre Dioden 708a und 708b. Dementsprechend ist das als zweite Schaltung dienende Widerstandselement 709 vorgesehen. Vorliegend ist das Widerstandselement 709 den hinteren Gates der Schalttransistoren 707a und 707b gemeinsam vorgesehen. Das kapazitive Element 705 bildet eine Phasenkompensationskapazität, die die Gate- und Drainelektroden des Ausgangstransistors 704 verbindet. Das kapazitive Element 706 entspricht dem Rückkopplungselement 203 der 2.
  • Da in dem vorliegenden Beispiel die Differenzverstärkerstufen das Differenz-Eingangspaar der nMOS-Transistoren umfasst, muss der Strom so gesteuert werden, dass er nicht durch Anschluss der beiden Eingangsklemmen 207n und 207p an die Energiequelle Vdd im Standby-Zustand fließt. Dementsprechend werden die Schalttransistoren 707a und 707b von pMOS-Transistoren gebildet und so gesteuert, dass sie im Standby-Zustand der Differenzverstärkerstufe einschalten.
  • Da die Eingangsklemme 207p (Eingangssignal Vinp) keinen expliziten Rückkopplungspfad von der Ausgangsklemme 208 (Ausgangssignal Vout) hat, kann keine durch das induzierte Rauschen verursachte Oszillation auftreten. Demgemäß ist das hintere Gate des Schalttransistors 707b nicht unbedingt mit der Energiequelle Vdd hoher Impedanz verbunden. Die Symmetrie der Differenzverstärkerstufe lässt sich jedoch dadurch verbessern (erhöhen), dass das Widerstandelement 709 auch am hinteren Gate des Schalttransistors 707b vorgesehen wird. Ferner wird es dadurch, dass das Widerstandselement 709 für die Schalttransistoren 707a und 707b gemeinsam vorgesehen ist, möglich, den Flächenbedarf der Schaltung zu verringern und die Symmetrie der Differenzverstärkerstufe gegenüber einem Fall, in dem die Widerstandselemente einzeln vorgesehen sind, zu erhöhen.
  • Die Verwendung eines derartige Halbleitergerätes ermöglicht es, die gleichen Wirkungen zu erzielen, wie sie in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurden. Vorliegend dient die Ausgangsstufe 106a der 2 als Beispiel, jedoch kann auch die Ausgangsstufe 106b der 4 die gleiche Konfiguration haben wie die nach 7. In diesem Fall kann die Differenzverstärkerstufe von einem Differenz-Eingangspaar von nMOS-Transistoren und der Ausgangstransistor von einem pMOS-Transistor gebildet werden,
  • (Sechstes Ausführungsbeispiel)
  • <<Einzelheiten der Konfiguration der Ausgangsstufe (sechstes Ausführungsbeispiel)>>
  • 8 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines detaillierten Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 8 zeigt ein der Ausgangsstufe 106c der 5 entsprechendes detailliertes Konfigurationsbeispiel. Die in 8 gezeigte Ausgangsstufe unterscheidet sich von dem Konfigurationsbeispiel der 7 darin, dass das Widerstandselement 709 nicht vorgesehen ist und beide hinteren Gates der Schalttransistoren 707a und 707b an die Energiequelle Vdc1 angeschlossen sind.
  • Der Einsatz eines derartigen Halbleitergerätes macht es möglich, die gleichen Wirkungen zu erzielen, wie sie in dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben wurden.
  • (Siebtes Ausführungsbeispiel)
  • <<Konfiguration der Ausgangsstufe (siebtes Ausführungsbeispiel)>>
  • 9 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 9 gezeigte Ausgangsstufe umfasst einen Funktionsverstärker 901, einen Ausgangstransistor 902, Widerstandselemente 903, 904, 909 und 912, kapazitive Elemente 905, 906 und 907, Schalter 908, 913 und 915, Schalttransistoren 911a und 911b und eine Konstantspannungsquelle 916. Die Schalttransistoren 911a und 911b haben parasitäre Dioden 910a bzw. 910b. Das Widerstandselement 909 bildet eine zweite Schaltung und ist für die hinteren Gates der Schalttransistoren 911a und 911b gemeinsam vorgesehen.
  • Die Ausgangsstufe der 9 stellt eine geschaltete Kapazitätsstufe dar, die durch Schalten zwischen den Schaltern 908, 913 und 915 einen integralen Betrieb ausführt. Allgemein macht es der Einsatz der geschalteten Kapazitätsstufe möglich, eine Schaltung mit hoher Impedanz auf relativ kleiner Fläche zu erzeugen. Wird das Verfahren nach jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele (im vorliegenden Beispiel das Verfahren des ersten Ausführungsbeispiels) bei einer derartigen geschatteten Kapazitätsstufe angewandt, so ergibt sich eine günstige Wirkung. Da er integrale Betrieb durch Ansammeln der elektrischen Ladungen erfolgt, bedeutet dies in der geschalteten Kapazitätsstufe, dass das integrale Ergebnis sehr verschieden sein kann, wenn die elektrischen Ladungen durch Einschalten der parasitären Diode 910b aufgrund der induzierten Rauschens injiziert werden. Eine solche Situation lässt sich durch Anwenden eines Verfahrens nach einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele unterdrücken.
  • Wird das Verfahren nach einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele angewandt, so ist es von Vorteil, wenn ein Diffusionswiderstand (ein von der Diffusionsschicht auf dem Halbleitersubstrat gebildeter Widerstand) nicht mit der Eingangsklemme 207n verbunden ist. Wie im Falle der Diffusionsschicht DFd der 3 kann der Diffusionswiderstand eine parasitäre Diode aufweisen. Die Einkopplung des induzierten Rauschens auf die Eingangsklemme 207n kann mit der Gefahr verbunden sein, dass die elektrischen Ladungen durch die parasitäre Diode injiziert werden. In 9 ist es daher beispielsweise von Vorteil, dass das mit der Eingangsklemme 207n verbundene Widerstandelement 912 aus Polysilizium oder dergleichen besteht.
  • (Achtes Ausführungsbeispiel)
  • <<Konfiguration der Ausgangsstufe (achtes Ausführungsbeispiel)>>
  • 10 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines schematischen Konfigurationsbeispiels für einen Hauptteil einer Ausgangsstufe in einem Halbleitergerät gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 10 gezeigte Ausgangsstufe 106e unterscheidet sich von dem Konfigurationsbeispiel der 2 darin, dass die zweite Schaltung von einer Diode 1001 anstelle des Widerstandselements 206 gebildet wird. Die Diode 1001 liegt mit ihrer Anode an der Seite der Energiequelle Vdd und mit ihrer Kathode am hinteren Gate des Schalttransistors 204. Insbesondere ist die Diffusionsschicht DFb in 3 beispielsweise vom p-Typ und so ausgebildet, dass sie über die Kontaktschicht CT mit der metallischen Verdrahtungsschicht ML verbunden ist.
  • Bei Verwendung dieses Konfigurationsbeispiels erhält die Diode 1001 eine Sperrspannung, wenn das Potential der Eingangsklemme 207n (Eingangssignal Vinn) aufgrund des induzierten Rauschens steigt, so dass, da die Impedanz zwischen dem hinteren Gate und der Energiequelle Vdd hoch wird, die elektrischen Ladungen nicht durch die parasitäre Diode 205 injiziert werden. Dadurch wird es möglich, den durch das induzierte Rauschen verursachten Fehler im Ausgangssignal zu unterdrücken. Im Ergebnis lässt sich die das induzierte Rauschen verursachte Fehlfunktion der Ausgangsstufe 106e verhindern, und in dem Sensorsystem und dem Halbleitergerät 102 nach 1 ist eine Verbessrung der Rausch-Unempfindlichkeit zu erzielen.
  • Wie oben beschrieben, wurde die von den Erfindern gemachte Erfindung zwar speziell anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben; sie ist aber auf diese Ausführungsbeispiele nicht beschränkt; Vielmehr sind verschiedene Abwandlungen möglich, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielseise wurden die obigen Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben, um die Erfindung leicht verständlich zu machen; sie sind aber nicht in der Weise beschränkt, dass sie unbedingt alle beschriebenen Komponenten umfassen. Einige der Komponenten eines bestimmten Ausführungsbeispiels können durch die Komponenten eines anderen Ausführungsbeispiels ersetzt werden, und zu der Komponente eines bestimmten Ausführungsbeispiels können die Komponenten eines anderen Ausführungsbeispiels hinzugefügt werden. Ferner können die Komponenten eines weiteren Ausführungsbeispiels hinzugefügt, entfernt und durch einige der Komponente der obigen Ausführungsbeispiele ersetzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 101
    Sensorelement
    102
    Halbleitergerät
    106, 106a-106e
    Ausgangsstufe
    201
    Ausgangsverstärker
    203,
    403 Rückkopplungselement
    204, 404, 707a, 707b, 911a, 911b
    Schalttransistor
    205, 405, 708a, 708b, 910a, 910b
    Parasitäre Diode
    206, 406, 709, 909
    Widerstandselement
    207n, 207p
    Eingangsklemme
    208
    Ausgangsklemme
    706
    Kapazitives Element
    1001
    Diode
    DF
    Diffusionsschicht
    GE
    Gatelektrode
    RL
    Widerstandsschicht
    Vct1
    Steuersignal
    Vdd, Vss, Vdc1, Vdc2
    Energiequelle
    Vinn, Vinp
    Eingangssignal
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2005204297 A [0002]
    • US 6184663 [0002]

Claims (15)

  1. Halbleitergerät mit einer Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme, einer ersten Schaltung, die die Eingangsklemmen mit der Ausgangsklemme verbindet, einem Rückkopplungspfad, der die Ausgangsklemme auf die Eingangsklemme zurückführt, einem Transistor mit einem Gate, einem hinteren Gate, einer Sourceelektrode und einer mit der Eingangsklemme verbundenen Drainelektrode und einer zweiten Schaltung, die zwischen dem hinteren Gate und einer Energiequelle vorgesehen ist und eine Impedanz mindestens vorgegebener Größe zum Unterdrücken von an der Eingangsklemme auftretendem Rauschen vorgegebener Frequenz hat.
  2. Halbleitergerät nach Anspruch 1, wobei die zweite Schaltung ein Widerstandselement ist.
  3. Halbleitergerät nach Anspruch 2, wobei der Widerstandswert des Widerstandselements 10 kΩ oder mehr beträgt.
  4. Halbleitergerät nach Anspruch 2, wobei das Widerstandselement aus dem gleichen Material besteht wie eine Gateelektrode des Transistors.
  5. Halbleitergerät nach Anspruch 1, wobei der Transistor ein MOS-Transistor mit p-Kanal ist und das hintere Gate des Transistors über die zweite Schaltung mit einer Energiequelle an der Hochpotentialseite der ersten Schaltung verbunden ist.
  6. Halbleitergerät nach Anspruch 1, wobei der Transistor ein MOS-Transistor mit n-Kanal ist und das hintere Gate des Transistors über die zweite Schaltung mit einer Energiequelle an der Niederpotentialseite der ersten Schaltung verbunden ist.
  7. Halbleitergerät nach Anspruch 1, wobei an der Gateelektrode des Transistors Steuersignale mit eingegeben werden, die zwischen einem Betriebszustand und einem Standby-Zustand unterschiedliche Pegel haben.
  8. Halbleitergerät nach Anspruch 1, wobei in dem Rückkopplungspfad ein kapazitives Element liegt.
  9. Halbleitergerät nach Anspruch 1 mit ferner einer ersten Eingangsklemme, die aus der Eingangsklemme besteht, einer zweiten Eingangsklemme, die als weitere aus der Eingangsklemme besteht und mit der ersten Eingangsklemme ein Differenzpaar bildet, einem ersten Transistor, der aus dem Transistor besteht und der ersten Eingangsklemme entspricht, und einem zweiten Transistor, der als weiterer aus dem Transistor besteht und der zweiten Eingangsklemme entspricht, wobei die zweite Schaltung an den hinteren Gates des ersten und des zweiten Transistors gemeinsam vorgesehen ist.
  10. Halbleitergerät mit einer Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme, einer ersten Schaltung, die die Eingangsklemme mit der Ausgangsklemm verbindet, einem Rückkopplungspfad, der die Ausgangsklemme auf die Eingangsklemme zurückführt, und einem Transistor mit einer Sourceelektrode, einer Drainelektrode, einer Gateelektrode und einem hinteren Gate, wobei die Drainelektrode an die Eingangsklemme angeschlossen ist, wobei die erste Schaltung an eine erste Energiequelle angeschlossen ist und das hintere Gate an eine zweite Energiequelle angeschlossen ist, die ein höheres Potential hat als die Hochpotentialseite der ersten Energiequelle oder ein Potential, das niedriger ist als die Niederpotentialseite der ersten Energiequelle.
  11. Halbleitergerät nach Anspruch 10, wobei der Transistor eine MOS-Transistor mit p-Kanal ist und die zweite Energiequelle ein höheres Potential hat als die Hochpotentialseite der ersten Energiequelle.
  12. Halbleitergerät nach Anspruch 11, wobei die Sourceelektrode des Transistors an die Hochpotentialseite der ersten Energiequelleangeschlossen ist und die Gateelektrode des Transistors von der Hochpotentialseite der zweiten Energiequelle und der Niederpotentialseite der ersten Energiequelle gesteuert ist.
  13. Halbleitergerät nach Anspruch 10, wobei der Transistor ein MOS-Transistor mit n-Kanal ist und die zweite Energiequelle ein Potential hat, das niedriger ist als die Niederpotentialseite der ersten Energiequelle.
  14. Sensorsystem mit einem Sensorelement, das ein einer Änderung in einem Erfassungsobjekt entsprechendes elektrisches Signal ausgibt, und einem Halbleitergerät, das das elektrische Signal verarbeitet und das Verarbeitungsergebnis über eine Ausgangsstufe als Analogsignal ausgibt, wobei die Ausgangsstufe umfasst: eine Eingangsklemme, eine Ausgangsklemme, an der das Analogsignal ausgegeben wird, eine erste Schaltung, die die Eingangsklemmen mit der Ausgangsklemme verbindet, einen Rückkopplungspfad, der die Ausgangsklemme auf die Eingangsklemme zurückführt, einen Transistor mit einem Gate, einem hinteren Gate, einer Sourceelektrode und einer mit der Eingangsklemme verbundenen Drainelektrode und eine zweiten Schaltung, die zwischen dem hinteren Gate und einer Energiequelle vorgesehen ist und eine Impedanz mindestens vorgegebener Größe zum Unterdrücken von an der Eingangsklemme auftretendem Rauschen vorgegebener Frequenz hat.
  15. Sensorsystem nach Anspruch 14, wobei die zweite Schaltung ein Widerstandselement ist.
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