JP2004215230A - 高電圧下で操作可能な回路装置 - Google Patents

高電圧下で操作可能な回路装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 高電圧下で操作可能な回路装置の提供。
【解決手段】 本発明は一種の回路装置を提供し、それは高電源電圧に接続され、並びにトランジスタ及びインタフェースユニットを具えている。トランジスタは前述の高電源電圧より低い低作業電圧を有する。インタフェースユニットは該トランジスタに直列に接続され、前述のトランジスタに正常な運転を行なわせる。
【選択図】 図1

Description

本発明は一種の回路装置に係り、特に低電圧手段を高電圧下で操作可能とした回路装置に関する。
半導体工程の進歩に伴いチップ上のトランジスタ密度がますます高くなり、使用する操作電圧もますます低くなっている。もし耐圧1.2Vの0.2μmCMOS工程のチップを3.3ボルトの電圧下で操作すると、数秒でチップが焼損する。これは3.3ボルトが0.13μm工程のチップのブレークダウン電圧を超過するためである。しかし、基板上には通常複数のチップがあり、これらのチップ相互間でデータをやりとりする場合は、ある共同の規定の出力振幅サイズを達成しなければならない。デジタル信号に関しては、よく見られる出力振幅サイズは3.3ボルトである。信号の出力振幅サイズに3.3ボルトを達成させるため、メーカーは同一工程中で耐圧3.3ボルト素子を提供して入出力の回路の使用に供している。耐圧3.3ボルト素子のゲート絶縁層の厚さは0.35μmのCMOS工程で製造する素子のゲート絶縁層の厚さとあまり変わらない。
アナログ通信方面では、アナログ通信規定のほとんどは長距離の信号伝送と受信に用いられている。例えば2台のコンピュータの間の情報交換はアナログ通信規定を使用している。アナログ通信規定は長距離の信号伝送と受信に用いられ、ゆえに電線の影響を受けることによる信号が減衰を考慮しなければならない。ゆえにこのような通信規格には比較的大きな出力振幅、例えば2ボルトが要求される。もし現在先進の工程(例えば0.13μm工程)を用いてこのような通信用のアナログ回路を設計するならば、耐圧3.3ボルト素子を用いて設計することが必要である。且つこのような素子は3.3ボルトの電圧下で操作される。耐圧3.3ボルト素子のゲート絶縁層の厚さは0.35μmのCMOS工程で製造された素子のゲート絶縁層の厚さとあまり変わらない。ゆえに耐圧1.2ボルト素子と比較すると操作速度が遅くなる。
このため、チップ中には、二種類の異なる電圧に耐えられる素子を存在させることが必要で、そのうちの一種類は耐低電圧で、操作速度が速く、もう一種類は耐高電圧で、操作速度が遅い。耐高電圧で操作速度が速い回路装置を設計することは困難であった。
本発明の目的は、低電圧素子を高電圧下で操作可能とする回路装置を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、高電圧下で高速操作可能な回路装置を提供することにある。
上述の目的を達成するため、本発明は一種の回路装置を提供する、それは高電源電圧に接続され、並びにトランジスタとインタフェースユニットを具えている。トランジスタは前述の高電源電圧より低い低作業電圧を有する。インタフェースユニットは該トランジスタに直列に接続され、前述のトランジスタに正常な運転を行なわせる。
上述の回路装置のインタフェースユニットは抵抗、及び該抵抗と直列に接続されたコンデンサを具えている。
上述の回路装置のインタフェースユニットは、耐高電圧のNMOSトランジスタを具え、それは前述の低作業電圧より大きい高作業電圧を具え、並びに第1制御信号を受け取るゲートを具え、該第1制御信号は前述の回路装置の節電モード時にあって低電位信号とされる。
上述の回路装置のインタフェースユニットは耐高電圧のPMOSトランジスタを具え、それは前述の低作業電圧より大きい高作業電圧を具え、並びに第2制御信号を受け取るゲートを具え、該第2制御信号は前述の回路装置の節電モード時にあって高電位信号とされる。
上述の回路装置のインタフェースユニットは、耐高電圧のNMOSトランジスタと、耐高電圧のPMOSトランジスタとを具え、該NMOSトランジスタは前述の低作業電圧より大きい高作業電圧を具え、並びに第1制御信号を受け取るゲートを具え、該第1制御信号は前述の回路装置の節電モード時にあって低電位信号とされ、該PMOSトランジスタは前述の耐高電圧のNMOSトランジスタと並列に接続され、並びに前述の低作業電圧より大きい高作業電圧を具え、並びに第2制御信号を受け取るゲートを具え、該第2制御信号は前述の回路装置の節電モード時にあって高電位信号とされる。
以上の構造により、低電圧素子が高電源電圧下で快速運転し、現在の回路設計の要求に符合する。
請求項1の発明は、回路装置において、該回路装置はある操作電圧下で操作され、第1トランジスタとインタフェースユニットを具え、
該第1トランジスタは第1作業電圧下で作業し、そのブレークダウン電圧が第1ブレークダウン電圧とされ、
該インタフェースユニットは第1トランジスタに接続されて該第1作業電圧を第1ブレークダウン電圧より低くし、
該操作電圧は該第1ブレークダウン電圧より高いことを特徴とする、回路装置としている。
請求項2の発明は、請求項1記載の回路装置において、該回路装置が更に第2トランジスタを具え、該第2トランジスタは第2作業電圧下で操作され、第2トランジスタのブレークダウン電圧が第2ブレークダウン電圧とされ、該第2トランジスタがインタフェースユニットに接続され、該インタフェースユニットが該第2作業電圧を該第2ブレークダウン電圧より低くすることを特徴とする、回路装置としている。
請求項3の発明は、請求項1記載の回路装置において、インタフェースユニットが、
抵抗と、
該抵抗に並列に接続されたコンデンサとを具えたことを特徴とする、回路装置としている。
請求項4の発明は、請求項1記載の回路装置において、インタフェースユニットが第3トランジスタとされたことを特徴とする、回路装置としている。
請求項5の発明は、請求項4記載の回路装置において、第3トランジスタがゲートを具え、該ゲートが第1制御信号を受け取って、該回路装置を節電モードとなすのに供されることを特徴とする、回路装置としている。
請求項6の発明は、請求項4記載の回路装置において、第3トランジスタがトリオード領域或いは飽和領域下で操作されることを特徴とする、回路装置としている。
請求項7の発明は、回路装置において、該回路装置はある操作電圧下で操作され、第1トランジスタと第2トランジスタ、及び、インタフェースユニットを具え、
該第1トランジスタは第1ブレークダウン電圧を具え、該第1トランジスタは第1作業電圧下で操作され、
該第2トランジスタは第2ブレークダウン電圧を具え、該第2トランジスタは第2作業電圧下で操作され、
該インタフェースユニットは第1トランジスタと第2トランジスタに直列に接続され、 該操作電圧が該第1作業電圧より高く、該インタフェースユニットにより該第1トランジスタ及び該第2トランジスタがそれぞれ第1作業電圧及び第2作業電圧下で操作されることを特徴とする、回路装置としている。
請求項8の発明は、請求項7記載の回路装置において、インタフェースユニットが、
抵抗と、
該抵抗に並列に接続されたコンデンサとを具えたことを特徴とする、回路装置としている。
請求項9の発明は、請求項7記載の回路装置において、インタフェースユニットが第3トランジスタとされたことを特徴とする、回路装置としている。
請求項10の発明は、請求項7記載の回路装置において、第3トランジスタがトリオード領域或いは飽和領域下で操作されることを特徴とする、回路装置としている。
本発明は、低電圧素子を高電圧下で操作可能とする回路装置を提供している。
本発明はまた、高電圧下で高速操作可能な回路装置を提供している。
図1は本発明の回路装置の表示図である。図1に示されるように、この回路装置はPMOSトランジスタ10及びインタフェースユニット30を具えるか、或いはNMOSトランジスタ20及びインタフェースユニット30を具えるか、或いはPMOSトランジスタ10、NMOSトランジスタ20、及びインタフェースユニット30を具えたものとされる。ここでは、PMOSトランジスタ10、NMOSトランジスタ20及びインタフェースユニット30を具えた回路装置について説明を行なう。PMOSトランジスタ10とNMOSトランジスタ20は高電源電圧(操作電圧)VDDより低い低作業電圧を具え、且つ両者は特定の目的を完成するための機能を具えている。例えば、PMOSトランジスタ10は第1ブレークダウン電圧を具え、且つ第1作業電圧下で操作可能で、NMOSトランジスタ20は第2ブレークダウン電圧を具え、且つ第2作業電圧下で操作できる。PMOSトランジスタ10或いはNMOSトランジスタ20が直接高電源電圧下で操作されると、アバランシェブレークダウン(avalanche breakdown)を発生しうる。インタフェースユニット30はPMOSトランジスタ10とNMOSトランジスタ20の間に介在する。具体的には、PMOSトランジスタ10のソースSが高電源電圧VDDに接続され、ドレインDがインタフェースユニット30の一端に接続されている。NMOSトランジスタ20のソースSは接地電圧VGNDに接続され、ドレインDはインタフェースユニット30の別端に接続されている。これにより、PMOSトランジスタ10、インタフェースユニット30、NMOSトランジスタ20は直列に接続される。PMOSトランジスタ10及びNMOSトランジスタ20中、もし前述の高電源電圧VDDが個別に印加されると、前述の高電源電圧VDDがPMOSトランジスタ10及びNMOSトランジスタ20のブレークダウン電圧を超過するため、PMOSトランジスタ10及びNMOSトランジスタ20が急速に焼損するか、或いはPMOSトランジスタ10のドレインDが直接NMOSトランジスタ20のドレインDに接続される状況では、PMOSトランジスタ10とNMOSトランジスタ20もまた焼損しうる。適当に設計されたインタフェースユニット30により、PMOSトランジスタ10とNMOSトランジスタ20に印加される電圧が、上述のトランジスタを正常に運転させる。以下にインタフェースユニット30の構造について説明を行なう。
図2は本発明の第1実施例表示図である。図2に示されるように、本実施例の回路装置は、PMOSトランジスタ10、NMOSトランジスタ20、及びインタフェースユニット30を具えている。該インタフェースユニット30は並列に接続された抵抗32とコンデンサ34を具えている。抵抗32は電圧差(VDD−VGND)の一部分を分担し、低電圧素子に属するPMOSトランジスタ10とNMOSトランジスタ20にかかる電圧差を低電圧素子の耐えられる範囲内とする(即ちPMOSトランジスタ10及びNMOSトランジスタ20にかかる電圧差はいずれもPMOSトランジスタ10とNMOSトランジスタ20のブレークダウン電圧より低い)。これにより、PMOSトランジスタ10とNMOSトランジスタ20が焼損しない。正常作業の回路装置にあって、回路装置の電流値の多くは設計時にすでに確定されている。もし回路装置の電流値がIで、分担を希望する電圧差がVであるなら、この抵抗値はR=V/Iと設定される。
しかし、抵抗と回路装置中の寄生コンデンサが極点(Pole)を形成して信号の遅延を形成して、回路装置の操作速度を遅くする恐れがある。ゆえに、本発明では低電圧素子に並列に接続されたコンデンサ34を加えることで、零点(Zero)を形成して上述の極点と相互に打ち消させ、即ち回路装置の操作速度が外部抵抗の影響を受けないようにしている。
図3は本発明の第2実施例表示図である。図3に示されるように、本実施例のインタフェースユニット30は耐高電圧NMOSトランジスタ36を具え、それは前述の低作業電圧より大きい高作業電圧を具え、並びに通常は第1ブレークダウン電圧より高い第3ブレークダウン電圧を具え(但し設計上の考慮から、第1ブレークダウン電圧以下の値の第3ブレークダウン電圧を具えたものともされうる)、且つそのゲートGは節電モードの第1制御信号VPS1 に接続され、この第1制御信号VPS1 は回路装置の節電モード下で低電位信号とされる。
この耐高電圧NMOSトランジスタ36はトリオード領域(Triode Region)及び飽和領域(Saturation Region)下で運転可能である。
トリオード領域の運転状況下にあって、耐高電圧NMOSトランジスタ36は一つの抵抗と見なされ、その抵抗値Rは以下の方程式(1)で表示される。
Figure 2004215230
そのうち、μ0 はMOSトランジスタの正孔移動率(Mobility)、COXはゲート酸化膜キャパシタンス(Gate Oxide Capacitance)、VT はスレショルド電圧(Threshold Voltage)である。
正常な運転の状況下では、この抵抗は電圧差を発生可能で、電圧差(VDD−VGND)の一部分を分担し、PMOSトランジスタ10とNMOSトランジスタ20に跨がる電圧をそれらが耐え得る電圧に符合させる。抵抗値の設計方式は第1実施例に述べた原理と同じである。
飽和領域の運転状況下にあって、耐高電圧NMOSトランジスタ36のソースSに接続された抵電圧NMOSトランジスタ20は小信号分析時に、電流源と見なされ、その電流の大きさはゲート電圧により制御される。この状況下で、耐高電圧NMOSトランジスタ36とNMOSトランジスタ20はカスコード(Cascode)電流源を形成する。カスコード電流源の出力抵抗は単一NMOSトランジスタに較べて高い。もし原NMOSトランジスタ20の出力抵抗がro1とされ、飽和領域運転の耐高電圧NMOSトランジスタ36に加えられた後、形成されるカスコード電流源の出力抵抗はro1* (gm2* ro2)となる。そのうち、gm2は耐高電圧NMOSトランジスタ36の小信号伝導係数で、ro2は耐高電圧NMOSトランジスタ36の出力抵抗である。
節電モード下で、耐高電圧NMOSトランジスタ36は回路切断のスイッチとされる。回路切断後、耐高電圧NMOSトランジスタ36のソースSに接続された低電圧NMOSトランジスタ20の全ての端点はいずれも接地電位VGNDとなり、耐高電圧NMOSトランジスタ36のドレインDに接続された低電圧PMOSトランジスタ10の全ての端点はいずれも高電源電圧VDDとなる。これにより、PMOSトランジスタ10とNMOSトランジスタ20は節電モード下で高電圧の問題に遭遇することがない。注意すべきことは、CMOSトランジスタを耐高電圧NMOSトランジスタ36の代わりに使用できることである。
図4は本発明の第3実施例表示図である。図4に示されるように、本実施例のインタフェースユニット30は耐高電圧PMOSトランジスタ38を具え、そのゲートは節電モードの第2制御信号VPS2 に接続され、この第2制御信号VPS2 は回路装置の節電モード下にあって高電位信号とされる。
この耐高電圧PMOSトランジスタ38はトリオード領域及び飽和領域下で運転可能である。
トリオード領域の運転状況下にあって、耐高電圧PMOSトランジスタ38は一つの抵抗と見なされ、その抵抗値Rは耐高電圧NMOSトランジスタ36と同じ方程式(1)で表示される。
正常な運転の状況下で、その原理は第2実施例と同じである。抵抗値の作用は、第1実施例で述べた原理と同じである。
飽和領域の運転状況下にあって、耐高電圧PMOSトランジスタ38のソースSに接続された抵電圧PMOSトランジスタ10は小信号分析時に、電流源と見なされ、その電流の大きさはゲート電圧により制御される。この状況下で、耐高電圧PMOSトランジスタ38とPMOSトランジスタ10はカスコード(Cascode)電流源を形成する。カスコード電流源の出力抵抗は単一PMOSトランジスタに較べて高い。もし原PMOSトランジスタ10の出力抵抗がro1とされ、飽和領域運転の耐高電圧PMOSトランジスタ38に加えられた後、形成されるカスコード電流源の出力抵抗はro1* (gm2* ro2)となる。そのうち、gm2は耐高電圧PMOSトランジスタ38の小信号伝導係数で、ro2は耐高電圧PMOSトランジスタ38の出力抵抗である。
節電モード下で、耐高電圧PMOSトランジスタ38は回路切断のスイッチとされる。回路切断後、耐高電圧PMOSトランジスタ38のドレインDに接続された低電圧NMOSトランジスタ20の全ての端点はいずれも接地電位VGNDとなり、耐高電圧PMOSトランジスタ38のソースSに接続されたPMOSトランジスタ10の全ての端点はいずれも高電源電圧VDDとなる。これにより、PMOSトランジスタ10とNMOSトランジスタ20は節電モード下で高電圧の問題に遭遇することがない。注意すべきことは、CMOSトランジスタを耐高電圧PMOSトランジスタ38の代わりに使用できることである。
図5は本発明の第4実施例表示図である。図5に示されるように、本実施例のインタフェースユニット30は、耐高電圧NMOSトランジスタ36、該耐高電圧NMOSトランジスタ36に並列に接続された耐高電圧PMOSトランジスタ38を具えている。該耐高電圧NMOSトランジスタ36はそのゲートGが節電モードの第1制御信号VPS1 に接続され、この第1制御信号VPS1 は回路装置の節電モード下で低電位信号とされ、該耐高電圧PMOSトランジスタ38はそのゲートGが節電モードの第2制御信号VPS2 に接続され、この第2制御信号VPS2 は回路装置の節電モード下で高電位信号とされる。
この耐高電圧NMOSトランジスタ36と耐高電圧PMOSトランジスタ38はトリオード領域及び飽和領域下で運転可能である。
トリオード領域の運転状況下にあって、耐高電圧NMOSトランジスタ36及び耐高電圧PMOSトランジスタ38は一つの抵抗と見なされ、その抵抗値Rは以下の方程式(2)で表示される。
Figure 2004215230
そのうち、μ0NはNMOSトランジスタの正孔移動率、COXN はそのゲート酸化膜キャパシタンス、VTNはスレショルド電圧、μ0PはPMOSトランジスタの正孔移動率、COXP はそのゲート酸化膜キャパシタンス、VTPはスレショルド電圧とされる。
正常運転の状況下にあっては、この抵抗の運転原理は第1実施例で述べた原理と同じであるため、重複した説明は行なわない。
節電モード下にあっては、耐高電圧NMOSトランジスタ36及び耐高電圧PMOSトランジスタ38は一つの回路切断のスイッチとされる。回路切断後、低電圧NMOSトランジスタ20の術点の端点はいずれも接地電位VGNDとなり、低電圧PMOSトランジスタ10の全ての端点は、いずれも高電源電圧VDDとなる。これにより、PMOSトランジスタ10とNMOSトランジスタ20は節電モード下で高電圧の問題に遭遇することがない。
例えば、本発明のインタフェースユニットは差動増幅器に応用されて、差動増幅器を高速運転させることができ、また低電圧素子の耐圧問題を受けることがない。図6は本発明の第5実施例の表示図である。図6に示されるように、本発明のインタフェースユニットを応用した差動増幅器は図示される方式で配置された5個のMOSトランジスタ41−45及び二つのインタフェースユニット30を具えている。Vip及びVinは入力電圧、Vop及びVonは出力電圧である。VbnとVbpは電流の制御電圧であり、この回路が設計された電流下で操作可能とされている。インタフェースユニット30の作用により低電圧素子が高電圧を受けることが防止される。これにより、上述の差動増幅器中、低電圧のMOSトランジスタを使用して、快速運転の目的を達成することができる。
図7は本発明の第6実施例の表示図であり。本発明のインタフェースユニットを応用した差動増幅器の別の実施例を示す。図7に示されるように、この差動増幅器は、図示される方式で配置された5個のMOSトランジスタ51−55及び二つのインタフェースユニット30を具えている。Vip及びVinは入力電圧、Vop及びVonは出力電圧である。VbnとVbpは電流の制御電圧であり、この回路が設計された電流下で操作可能とされている。インタフェースユニット30の作用により低電圧素子が高電圧を受けることが防止される。これにより、上述の差動増幅器中、低電圧のMOSトランジスタを使用して、快速運転の目的を達成することができる。
以上の実施例はPMOSトランジスタとNMOSトランジスタを以て説明しているが、上述の特性に符合するトランジスタであればいずれも本発明の適用される範囲に属する。
以上の実施例は本発明を説明するためのもので、本発明の実施範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
本発明の回路装置の表示図である。 本発明の第1実施例の表示図である。 本発明の第2実施例の表示図である。 本発明の第3実施例の表示図である。 本発明の第4実施例の表示図である。 本発明の第5実施例の表示図である。 本発明の第6実施例の表示図である。
符号の説明
10 PMOSトランジスタ
20 NMOSトランジスタ
30 インタフェースユニット
32 抵抗
34 コンデンサ
36 耐高電圧NMOSトランジスタ
38 耐高電圧PMOSトランジスタ

Claims (10)

  1. 回路装置において、該回路装置はある操作電圧下で操作され、第1トランジスタとインタフェースユニットを具え、
    該第1トランジスタは第1作業電圧下で作業し、そのブレークダウン電圧が第1ブレークダウン電圧とされ、
    該インタフェースユニットは第1トランジスタに接続されて該第1作業電圧を第1ブレークダウン電圧より低くし、
    該操作電圧は該第1ブレークダウン電圧より高いことを特徴とする、回路装置。
  2. 請求項1記載の回路装置において、該回路装置が更に第2トランジスタを具え、該第2トランジスタは第2作業電圧下で操作され、第2トランジスタのブレークダウン電圧が第2ブレークダウン電圧とされ、該第2トランジスタがインタフェースユニットに接続され、該インタフェースユニットが該第2作業電圧を該第2ブレークダウン電圧より低くすることを特徴とする、回路装置。
  3. 請求項1記載の回路装置において、インタフェースユニットが、
    抵抗と、
    該抵抗に並列に接続されたコンデンサとを具えたことを特徴とする、回路装置。
  4. 請求項1記載の回路装置において、インタフェースユニットが第3トランジスタとされたことを特徴とする、回路装置。
  5. 請求項4記載の回路装置において、第3トランジスタがゲートを具え、該ゲートが第1制御信号を受け取って、該回路装置を節電モードとなすのに供されることを特徴とする、回路装置。
  6. 請求項4記載の回路装置において、第3トランジスタがトリオード領域或いは飽和領域下で操作されることを特徴とする、回路装置。
  7. 回路装置において、該回路装置はある操作電圧下で操作され、第1トランジスタと第2トランジスタ、及び、インタフェースユニットを具え、
    該第1トランジスタは第1ブレークダウン電圧を具え、該第1トランジスタは第1作業電圧下で操作され、
    該第2トランジスタは第2ブレークダウン電圧を具え、該第2トランジスタは第2作業電圧下で操作され、
    該インタフェースユニットは第1トランジスタと第2トランジスタに直列に接続され、 該操作電圧が該第1作業電圧より高く、該インタフェースユニットにより該第1トランジスタ及び該第2トランジスタがそれぞれ第1作業電圧及び第2作業電圧下で操作されることを特徴とする、回路装置。
  8. 請求項7記載の回路装置において、インタフェースユニットが、
    抵抗と、
    該抵抗に並列に接続されたコンデンサとを具えたことを特徴とする、回路装置。
  9. 請求項7記載の回路装置において、インタフェースユニットが第3トランジスタとされたことを特徴とする、回路装置。
  10. 請求項9記載の回路装置において、第3トランジスタがトリオード領域或いは飽和領域下で操作されることを特徴とする、回路装置。
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