JP2007295209A - Analog switch circuit - Google Patents

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Yutaka Hayashi
豊 林
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an analog switch circuit in which size reduction and low loss are attained. <P>SOLUTION: A first MOSFET and a second MOSFET, of which the voltage resistance between a gate and a source is smaller than voltage resistance between the gate and a back gate are connected in series between a first terminal and a second terminal. The gates of the first and second MOSFETs are connected to a third terminal, in common. The back gates of the first and second MOSFETs are connected to a fourth terminal which is a mutual connecting point of the first and second MOSFETs. An impedance means is connected between the third terminal and the fourth terminal. A control circuit controls a current allowed to flow between the third terminal, and the fourth terminal and voltage generated in the impedance means is set to a voltage which is larger or smaller than the threshold voltage of the first and second MOSFETs, to open/close a current path between the first terminal and the second terminal. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、アナログスイッチ回路に関し、特にMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)で構成された高電圧のアナログスイッチ回路に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to an analog switch circuit, and more particularly to a technique effective when applied to a high-voltage analog switch circuit composed of a MOSFET (insulated gate field effect transistor).

MOSFETを用いたアナログスイッチでは、MOSFETをオフ状態にしたときでも寄生ダイオード(ボディーダイオード)によって電流経路が形成されてしまう。そこで、2つのMOSFETのソース−ドレイン経路を直列形態に接続し、バックゲートを相互接続点に接続し、上記寄生ダイオードが互いに逆方向に電流を流すようにして用いる。このようなMOSFETを用いたアナログスイッチが記載されている例として、特開2003−243613公報がある。
特開2003−243613公報
In an analog switch using a MOSFET, a current path is formed by a parasitic diode (body diode) even when the MOSFET is turned off. Therefore, the source-drain paths of the two MOSFETs are connected in series, the back gate is connected to the interconnection point, and the parasitic diodes are used so that currents flow in opposite directions. As an example in which an analog switch using such a MOSFET is described, there is JP-A-2003-243613.
JP 2003-243613 A

図5には、この発明に先立って検討されたアナログスイッチ回路の回路図が示されている。このアナログスイッチ回路は、使用電圧範囲が高電圧の領域(0V〜20V程度)である。アナログスイッチ(5)として動作するNチャネル型のMOSFETDMN51とDMN52は、前記のようにソース−ドレイン経路が直列形態に接続される。上記MOSFETMDN51とMDN52のゲートは、共通接続されてスイッチ制御信号が供給される。このスイッチ制御信号は、入力電圧(Va)を伝えるために入力電圧(Va)以上の高電圧(VS)とされて、上記MOSFETMDN51とMDN52をオン/オフ制御する。高ゲート耐圧のPチャネルMOSFETDMP1とDMP2は、電流ミラー回路(2)を構成し、上記高電圧VSにソースが供給されて上記アナログスイッチ(5)として動作するNチャネル型のMOSFETDMN51とDMN52のゲートに供給されるスイッチ制御信号を形成する。   FIG. 5 shows a circuit diagram of an analog switch circuit studied prior to the present invention. This analog switch circuit has a high voltage range (about 0V to 20V). The N-channel MOSFETs DMN51 and DMN52 operating as the analog switch (5) have the source-drain paths connected in series as described above. The gates of the MOSFETs MDN51 and MDN52 are connected in common and supplied with a switch control signal. This switch control signal is set to a high voltage (VS) that is equal to or higher than the input voltage (Va) to transmit the input voltage (Va), and controls the MOSFETs MDN51 and MDN52 on / off. The high-gate breakdown voltage P-channel MOSFETs DMP1 and DMP2 constitute a current mirror circuit (2), and the source of the high-voltage VS is supplied to the gates of the N-channel MOSFETs DMN51 and DMN52 that operate as the analog switch (5). The supplied switch control signal is formed.

5V程度の低い電源電圧VDDで動作するPチャネルMOSFETMP1とNチャネルMOSFETMN1からなるCMOSインバータ回路の入力端子INに制御信号が供給され、このCMOSインバータ回路の出力信号により高ゲート耐圧のNチャネルMOSFETMDN1をスイッチ制御する。上記電源電圧VDDで動作する電流源により電流I1を形成し、それをNチャネルMOSFETMN4とMN3からなる電流ミラー回路(3)の入力電流とする。この電流ミラー回路(3)の出力電流は、ゲートに定常的に電源電圧VDDが供給されてオン状態にされている高ゲート耐圧のMOSFETDMN2を通して、上記電流ミラー回路(2)の入力側に供給する。上記MOSFETDMN1のドレインを上記電流ミラー回路(2)の出力側に接続する。上記入力端子INに供給された入力信号のハイレベルにより上記MOSFETDMN1がオフ状態にされるときには、上記電流I1が電流ミラー回路(3)及び(2)を通してアナログスイッチ(5)を構成するNチャネル型のMOSFETDMN51とDMN52のゲート電圧をチャージアップするので、MOSFETDMN51とDMN52のゲート電圧は高電圧VSまで上昇してオン状態となる。上記入力端子INに供給された入力信号のロウレベルにより上記MOSFETDMN1がオン状態にされるときには、上記電流ミラー回路(2)から流れる電流I1を流してアナログスイッチ(5)を構成するNチャネル型のMOSFETDMN51とDMN52のゲート電圧をディスチャージするので、MOSFETDMN51とDMN52のゲート電圧は0Vまで低下してオフ状態となる。   A control signal is supplied to an input terminal IN of a CMOS inverter circuit composed of a P-channel MOSFET MP1 and an N-channel MOSFET MN1 that operates at a power supply voltage VDD as low as about 5 V, and a high gate breakdown voltage N-channel MOSFET MDN1 is switched by the output signal of the CMOS inverter circuit. Control. A current I1 is formed by a current source that operates at the power supply voltage VDD, and is used as an input current of a current mirror circuit (3) including N-channel MOSFETs MN4 and MN3. The output current of the current mirror circuit (3) is supplied to the input side of the current mirror circuit (2) through the MOSFET DMN2 having a high gate breakdown voltage which is constantly turned on by the supply voltage VDD being supplied to the gate. . The drain of the MOSFET DMN1 is connected to the output side of the current mirror circuit (2). When the MOSFET DMN1 is turned off by the high level of the input signal supplied to the input terminal IN, the current I1 forms an analog switch (5) through the current mirror circuits (3) and (2). Since the gate voltages of the MOSFETs DMN51 and DMN52 are charged up, the gate voltages of the MOSFETs DMN51 and DMN52 rise to the high voltage VS and are turned on. When the MOSFET DMN1 is turned on by the low level of the input signal supplied to the input terminal IN, the current I1 flowing from the current mirror circuit (2) flows to form an analog switch (5). And the gate voltage of the DMN 52 are discharged, so that the gate voltages of the MOSFETs DMN51 and DMN52 are reduced to 0V and turned off.

上記のようにアナログスイッチ(5)を構成するNチャネル型のMOSFETDMN51とDMN52は、ゲート−ソース間耐圧及びゲート−バックゲート間耐圧(ゲート耐圧とする)が共に高電圧であるVS電圧以上を必要とする。この時のスイッチのオン抵抗(RDSON)は、下記式(1)で近似できる。
RDSON=1/〔μ×Cox×(W/L)×(VGS−VTH0)〕 ………(1) ここで、μ;移動度 Cox;単位面積当たりのゲート容量、VGS;ゲート−ソース間電圧、VTH0 ;しきい値電圧、L;ゲート実効長 W;ゲート実効幅である。上式のCoxは、ゲート耐圧の電圧に反比例して小さくなり、高電圧の領域で使用するアナログスイッチのオン抵抗RDSONは、ゲート耐圧が高い分大きくなってしまう。
As described above, the N-channel MOSFETs DMN51 and DMN52 constituting the analog switch (5) need to have a gate-source breakdown voltage and a gate-back gate breakdown voltage (referred to as gate breakdown voltage) higher than the VS voltage which is a high voltage. And The on-resistance (RDSON) of the switch at this time can be approximated by the following formula (1).
RDSON = 1 / [μ × Cox × (W / L) × (VGS−VTH0)] (1) where μ: mobility Cox: gate capacitance per unit area, VGS: gate-source voltage , VTH0; threshold voltage, L; gate effective length W; gate effective width. Cox in the above equation decreases in inverse proportion to the voltage of the gate breakdown voltage, and the on-resistance RDSON of the analog switch used in the high voltage region increases as the gate breakdown voltage increases.

図6には図5の入出力特性図が示されている。電圧Va はスイッチの片方の電極の入力電圧、Vb はスイッチのもう一方の電極の出力電圧である。アナログスイッチ(5)がオン状態のときに流れる電流が0のときを点線で示し、電流Iswが流れるときを実線で示している。スイッチの入力電圧Va を0Vから上げていくと出力電圧Vb もリニアに上昇し、スイッチの入力許容範囲を超えると一定になる特性を持つ。その最大入力電圧をVINmax とし、上記MOSFETDMN51,DMN52のしきい値電圧をVTH0(HG) 、実効電圧(アナログスイッチでの電圧損失分)をVeff(HG) とすると、VINmax =VS−(VTH0(HG) +Veff(HG))となり、VGS=VS−Va となる。アナログスイッチ(5)に電流が流れない場合(Isw=電流オフ)のとき、Vb ≒Va となり、アナログスイッチ(5)に電流が流れる場合(Isw=電流オン)のとき、Vb ≒Va −2×(Isw×RDSON)=Va −Veff(HG) となる。   FIG. 6 shows the input / output characteristic diagram of FIG. Voltage Va is the input voltage of one electrode of the switch, and Vb is the output voltage of the other electrode of the switch. A dotted line indicates when the current flowing when the analog switch (5) is on is 0, and a solid line indicates when the current Isw flows. When the input voltage Va of the switch is increased from 0V, the output voltage Vb also increases linearly and becomes constant when it exceeds the allowable input range of the switch. When the maximum input voltage is VINmax, the threshold voltage of the MOSFETs DMN51 and DMN52 is VTH0 (HG), and the effective voltage (voltage loss at the analog switch) is Veff (HG), VINmax = VS− (VTH0 (HG ) + Veff (HG)) and VGS = VS-Va. When current does not flow through the analog switch (5) (Isw = current off), Vb≈Va, and when current flows through the analog switch (5) (Isw = current on), Vb≈Va −2 × (Isw × RDSON) = Va−Veff (HG)

アナログスイッチ(5)を構成するMOSFETDMN51,DMN52は、ゲート−ソース間耐圧及びゲート−バックゲート間耐圧(ゲート耐圧とする)が使用範囲以上の高電圧に耐えられる構造にする必要があり、具体的には、ゲート酸化膜を厚くし、上記のような耐圧を上げる必要がある。このようにしてゲート耐圧を上げると、上記Coxが小さくなりMOSFETDMN51,DMN52のオン抵抗(RDSON) が大きくなるため、低いオン抵抗を要求されるアナログスイッチでは、上記MOSFETDMN51,DMN52のサイズ(ゲート実効幅)を大きくしなければならないという問題があった。   The MOSFETs DMN51 and DMN52 constituting the analog switch (5) need to have a structure that can withstand a high voltage that has a gate-source breakdown voltage and a gate-back gate breakdown voltage (referred to as a gate breakdown voltage) that exceed the usage range. Therefore, it is necessary to increase the breakdown voltage as described above by increasing the thickness of the gate oxide film. When the gate breakdown voltage is increased in this way, the above-mentioned Cox is reduced and the on-resistances (RDSON) of the MOSFETs DMN51 and DMN52 are increased. Therefore, in an analog switch that requires a low on-resistance, the size of the MOSFETs DMN51 and DMN52 (the effective gate width) ) Had to be increased.

この発明の目的は、小型化と低損失を実現したアナログスイッチ回路を提供することにある。この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   An object of the present invention is to provide an analog switch circuit that achieves miniaturization and low loss. The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。第1端子と第2端子の間にゲート,ソース間耐圧がゲート,バックゲート間耐圧よりも小さい第1MOSFET及び第2MOSFETを直列形態に接続する。上記第1及び第2MOSFETのゲートを第3端子に共通接続する。上記第1及び第2MOSFETのバックゲートを、上記第1及び第2MOSFETの相互接続点である第4端子に接続する。インピーダンス手段を上記第3端子と第4端子との間に接続する。制御回路により上記第3端子と第4端子の間に流す電流を制御して、上記インピーダンス手段に発生する電圧が上記第1及び第2MOSFETのしきい値電圧よりも大きな電圧又は小さな電圧として、上記第1端子と第2端子との間の電流経路を開閉させる。   The outline of a typical invention among the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows. Between the first terminal and the second terminal, a first MOSFET and a second MOSFET whose breakdown voltage between the gate and the source is smaller than the breakdown voltage between the gate and the back gate are connected in series. The gates of the first and second MOSFETs are commonly connected to a third terminal. The back gates of the first and second MOSFETs are connected to a fourth terminal that is an interconnection point of the first and second MOSFETs. Impedance means is connected between the third terminal and the fourth terminal. The current flowing between the third terminal and the fourth terminal is controlled by the control circuit so that the voltage generated in the impedance means is larger or smaller than the threshold voltage of the first and second MOSFETs. Open and close the current path between the first terminal and the second terminal.

ソース,ゲート間耐圧が小さなMOSFETを用いてアナログスイッチが構成でき、小型化と低損失を実現できる。   An analog switch can be configured using a MOSFET having a small source-gate breakdown voltage, and downsizing and low loss can be realized.

図1には、この発明に係るアナログスイッチ回路の一実施例の回路図が示されている。このアナログスイッチ回路は、前記同様に使用電圧範囲が高電圧の領域(0V〜20V程度)に向けられている。アナログスイッチ(1)として動作するNチャネル型のMOSFETDMN11とDMN12は、前記同様にソース−ドレイン経路が直列形態に接続される。そして、MOSFETDMN11とDMN12のバックゲートは、それらの相互接続点と接続されて、図示しないボディーダイオードが互いに逆方向に電流を流すようにされる。上記MOSFETDMN11とDMN12のゲートは、共通接続されて第1スイッチ制御端子とされる。また、上記相互接続点は第2スイッチ制御端子とされて、これらの間に抵抗R1が接続される。上記第1スイッチ制御端子と第2スイッチ制御端子には、次に説明する制御回路からの電流IaとIbが流れるようにされる。   FIG. 1 shows a circuit diagram of an embodiment of an analog switch circuit according to the present invention. In this analog switch circuit, the operating voltage range is directed to a high voltage region (about 0V to 20V) as described above. The N-channel MOSFETs DMN11 and DMN12 operating as the analog switch (1) have source-drain paths connected in series as described above. The back gates of the MOSFETs DMN11 and DMN12 are connected to their interconnection points so that body diodes (not shown) flow currents in opposite directions. The gates of the MOSFETs DMN11 and DMN12 are commonly connected to serve as a first switch control terminal. The interconnection point is a second switch control terminal, and a resistor R1 is connected between them. Currents Ia and Ib from a control circuit described below flow through the first switch control terminal and the second switch control terminal.

前記同様に5V程度の低い電源電圧VDDで動作するPチャネルMOSFETMP1とNチャネルMOSFETMN1からなるCMOSインバータ回路の入力端子INに制御信号が供給され、このCMOSインバータ回路の出力信号により高ゲート耐圧のNチャネルMOSFETDMN1をスイッチ制御する。上記電源電圧VDDで動作する電流源により電流I1を形成し、それをNチャネルMOSFETMN4とMN3及びMN2からなる電流ミラー回路(3)の入力電流とする。この電流ミラー回路(3)は、MOSFETMN4のゲートとドレインとが共通接続されて入力側MOSFETとされ、上記MOSFETMN3及びMN2が上記MOSFETMN4とゲート及びソースがそれぞれ共通接続されて、MOSFETMN3及びMN2のドレインからそれぞれ上記電流I1に対応した電流を出力するようにされる。これらのMOSFETMP1、MN1〜MN4は、例えば5V系電源電圧VDDで動作するような低耐圧MOSFETで構成される。   Similarly to the above, a control signal is supplied to the input terminal IN of a CMOS inverter circuit composed of a P-channel MOSFET MP1 and an N-channel MOSFET MN1 operating at a low power supply voltage VDD of about 5V, and an N-channel having a high gate breakdown voltage is output by the output signal of this CMOS inverter circuit. The MOSFET DMN1 is switch-controlled. A current I1 is formed by a current source that operates at the power supply voltage VDD, and is used as an input current of a current mirror circuit (3) including N-channel MOSFETs MN4, MN3, and MN2. In this current mirror circuit (3), the gate and drain of the MOSFET MN4 are connected in common to form an input-side MOSFET, the MOSFET MN3 and MN2 are connected in common to the MOSFET MN4 and the gate and source, and the drains of the MOSFETs MN3 and MN2 are connected. A current corresponding to the current I1 is output. These MOSFETs MP1, MN1 to MN4 are constituted by low breakdown voltage MOSFETs that operate at, for example, a 5V power supply voltage VDD.

入力電圧(Va)をアナログスイッチ(1)を通して伝えるようにするために、入力電圧(Va)以上の高電圧(VS)を動作電圧とする高ゲート耐圧のPチャネルMOSFETDMP1とDMP2により電流ミラー回路(2)が設けられる。上記CMOSインバータ回路の出力信号がゲートに供給されてオン/オフ制御される高ゲート耐圧のMOSFETDMN1を通して、上記電流ミラー回路(3)のMOSFETMN2の出力電流が上記電流ミラー回路(2)を介して上記電流Iaとして第1スイッチ制御端子に供給される。電源電圧VDDが定常的にゲートに供給されて定常的にオン状態にされる高ゲート耐圧のMOSFETDMN2を通して、上記電流ミラー回路(3)のMOSFETMN3の出力電流が上記電流Ibとして第2スイッチ制御端子に供給される。   In order to transmit the input voltage (Va) through the analog switch (1), a current mirror circuit (DMP1 and DMP2) having a high gate breakdown voltage and a high voltage (VS) higher than the input voltage (Va) is used as an operating voltage. 2) is provided. The output current of the MOSFET MN2 of the current mirror circuit (3) passes through the current mirror circuit (2) through the high gate breakdown voltage MOSFET DMN1 which is supplied to the gate to control the output signal of the CMOS inverter circuit. The current Ia is supplied to the first switch control terminal. The output current of the MOSFET MN3 of the current mirror circuit (3) is supplied to the second switch control terminal as the current Ib through the high gate breakdown voltage MOSFET DMN2 which is constantly supplied with the power supply voltage VDD to the gate and constantly turned on. Supplied.

上記入力端子INに供給された入力信号のハイレベルにより上記MOSFETDMN1がオフ状態にされるときには、上記電流Iaが第1スイッチ制御端子に供給されない。したがって、アナログスイッチ(1)を構成するMOSFETDMN11,DMN12のゲートが0Vになるまで電流Ibが流れる。そして、アナログスイッチ(1)を構成するMOSFETDMN11,DMN12のゲート−ソース間電圧VGSが0Vになり、オフ状態にされる。このように、上記第1スイッチ制御端子と第2スイッチ制御端子との間に設けられた抵抗R1は、MOSFETDMN11とDMN12のゲートとソースを短絡して同電位としてこれらを共にオフ状態にする。   When the MOSFET DMN1 is turned off by the high level of the input signal supplied to the input terminal IN, the current Ia is not supplied to the first switch control terminal. Therefore, the current Ib flows until the gates of the MOSFETs DMN11 and DMN12 constituting the analog switch (1) become 0V. Then, the gate-source voltage VGS of the MOSFETs DMN11 and DMN12 constituting the analog switch (1) becomes 0V and is turned off. Thus, the resistor R1 provided between the first switch control terminal and the second switch control terminal short-circuits the gates and sources of the MOSFETs DMN11 and DMN12 so that they have the same potential and turn them off.

上記入力端子INに供給された入力信号のロウレベルにより上記MOSFETDMN1がオン状態にされるときには、上記電流Iaが第1スイッチ制御端子に供給される。したがって、上記第1スイッチ制御端子と第2スイッチ制御端子との間に設けられた抵抗R1には電流Iaが流れて、そこで発生する電圧降下がMOSFETDMN11とDMN12のゲートとソース間に印加されることになる。この電圧Ia×R1を上記MOSFETDMN11とDMN12のしきい値電圧以上に設定することにより、これらのMOSFETDMN11とDMN12をオン状態にする。例えばIb>Iaのときには、同図のようにMOSFETDMN11に流れる電流がIsw+(Ib−Ia)がMOSFETDMN11に流れる。逆に、Ib<Iaのときには、MOSFETDMN12に流れる電流がIsw+(Ia−Ib)となる。したがって、Ia=Ibにすると、MOSFETDMN11とDMN12に電流Iswが流れことになる。   When the MOSFET DMN1 is turned on by the low level of the input signal supplied to the input terminal IN, the current Ia is supplied to the first switch control terminal. Therefore, the current Ia flows through the resistor R1 provided between the first switch control terminal and the second switch control terminal, and a voltage drop generated there is applied between the gates and sources of the MOSFETs DMN11 and DMN12. become. By setting the voltage Ia × R1 to be equal to or higher than the threshold voltage of the MOSFETs DMN11 and DMN12, the MOSFETs DMN11 and DMN12 are turned on. For example, when Ib> Ia, current Isw + (Ib−Ia) flows through MOSFET DMN11 as shown in FIG. Conversely, when Ib <Ia, the current flowing through MOSFET DMN 12 is Isw + (Ia−Ib). Therefore, when Ia = Ib, the current Isw flows through the MOSFETs DMN11 and DMN12.

上記アナログスイッチ(1)を構成するMOSFETDMN11とDMN12のゲートとソース間に、そのしきい値電圧以上にされた上記抵抗R1×Iaで設定された電圧しか印加されない。これにより、ゲート−ソース間耐圧を上記しきい値電圧に対応した低耐圧のMOSFETとすることができる。このようなゲート−ソース間を低耐圧とするMOSFETは、そのゲート絶縁膜も上記図5に示したようなゲート−ソース間電圧を高耐圧にするMOSFETDMN51、DMN52に比べて薄く形成することができる。これにより、前記式(1)で示したように、ゲート,ソース間電圧VGS、ゲート容量Cox及びしきい値電圧VTH0 を小さくすることができる。図1の回路構成にすることで、アナログスイッチ(1)を構成するMOSFETDMN11,DMN12のゲート−ソース間電圧VGSが、低耐圧のゲート耐圧を越えないように制御することができ、オン抵抗(RDSON )の低いゲート低耐圧のデバイスを使用することが可能になる。その結果、図1のアナログスイッチ(1)は、前記図5のアナログスイッチ(5)より小さいデバイスで同等の性能を持つようにすることができる。   Only the voltage set by the resistor R1 × Ia, which is set to the threshold voltage or higher, is applied between the gates and sources of the MOSFETs DMN11 and DMN12 constituting the analog switch (1). Thereby, a low breakdown voltage MOSFET having a gate-source breakdown voltage corresponding to the threshold voltage can be obtained. Such a MOSFET having a low breakdown voltage between the gate and the source can be formed thinner than the MOSFETs DMN51 and DMN52 whose gate insulating film has a high breakdown voltage as shown in FIG. . As a result, the gate-source voltage VGS, the gate capacitance Cox, and the threshold voltage VTH0 can be reduced as shown in the equation (1). With the circuit configuration shown in FIG. 1, the gate-source voltage VGS of the MOSFETs DMN11 and DMN12 constituting the analog switch (1) can be controlled so as not to exceed a low breakdown voltage gate breakdown voltage. ) Having a low gate breakdown voltage can be used. As a result, the analog switch (1) of FIG. 1 can have the same performance with a device smaller than the analog switch (5) of FIG.

図2には、図1の入出力特性図が示されている。前記図6と同様に電圧Va はスイッチの片方の電極の入力電圧、Vb はスイッチのもう一方の電極の出力電圧である。アナログスイッチ(1)がオン状態のときに流れる電流が0のときを点線で示し、電流Iswが流れるときを実線で示している。アナログスイッチ(1)の入力電圧Vaを0Vから上げていくと出力電圧Vbもリニアに上昇し、スイッチの入力許容範囲VINMIN を超えると一定になる特性を持つ。アナログスイッチ(1)を構成するMOSFETDMN11,DMN12のゲート−ソース間電圧VGSは、高耐圧カレントミラー(2)の出力電流Ia と抵抗R1によりVGS=Ia ×R1になる。この入出力特性では、上記抵抗R1の他方の電極に接続されNチャネルMOSFETDMN2に流れ込む電流Ib を上記電流Ia と同じ電流値にすることで、アナログスイッチ(1)のMOSFETDMN11とDMN12のソースへ流れ込む電流を無くしている。上記MOSFETDMN11とDMN12やMOSFETDMP1,DMP2及びDMN1,DMN2のドレインには高電圧が加わるため、ゲート,ドレイン及びゲート−バックゲート間が高耐圧MOSFETを使用している。例えば、ゲート−ソース間耐圧は5V程度の低耐圧であるが、ゲート−バックゲート間、ゲート,ドレイン間は、50〜100Vのような高耐圧とされる。   FIG. 2 shows the input / output characteristic diagram of FIG. As in FIG. 6, the voltage Va is the input voltage of one electrode of the switch, and Vb is the output voltage of the other electrode of the switch. A dotted line indicates when the current flowing when the analog switch (1) is on is 0, and a solid line indicates when the current Isw flows. When the input voltage Va of the analog switch (1) is increased from 0V, the output voltage Vb also increases linearly and becomes constant when the input allowable range VINMIN of the switch is exceeded. The gate-source voltage VGS of the MOSFETs DMN11 and DMN12 constituting the analog switch (1) becomes VGS = Ia.times.R1 due to the output current Ia of the high breakdown voltage current mirror (2) and the resistor R1. In this input / output characteristic, the current Ib that is connected to the other electrode of the resistor R1 and flows into the N-channel MOSFET DMN2 has the same current value as the current Ia, so that the current that flows into the sources of the MOSFETs DMN11 and DMN12 of the analog switch (1). Is lost. Since a high voltage is applied to the drains of the MOSFETs DMN11 and DMN12 and MOSFETs DMP1, DMP2 and DMN1, DMN2, a high voltage MOSFET is used between the gate, drain and gate-back gate. For example, the gate-source breakdown voltage is a low breakdown voltage of about 5V, but the gate-back gate and the gate and drain are set to a high breakdown voltage of 50 to 100V.

入力許容範囲内で入出力電圧がリニアリティ特性を持っているときのアナログスイッチ(1)のMOSFETDMN11,DMN12は飽和領域で動作している。スイッチの入力許容範囲を越え、入出力電圧がリニアリティを失う領域では、VGS≧Veff(LG) となり、MOSFETDMN12が比飽和領域で動作する。そのため、MOSFETDMN12 はドレイン−ソース間電圧が大きくなっても定電流となりアナログスイッチ(1)の出力電圧Vb は一定の電圧になる。この実施例の最大入力電圧をVINmax とし、実施例で使用するゲート高耐圧デバイスのしきい値電圧をVTH0(LG) 、実効電圧(アナログスイッチでの電圧損失分又はドライブ電圧)をVeff(LG) とすると、VINmax =VS−(VTH0(LG) +Veff(LG))となり、VGS=Ia ×R1となる。アナログスイッチ(1)に電流が流れない場合(Isw=電流オフ)のとき、Vb ≒Va となり、電流ミラー回路(3)(2)によりIa ≒Ib にすることにより、アナログスイッチ(1)に電流が流れる場合(Isw=電流オン)のとき、Vb ≒Va −2×(Isw×RDSON)となる。   The MOSFETs DMN11 and DMN12 of the analog switch (1) when the input / output voltage has linearity characteristics within the input allowable range operate in the saturation region. In a region where the input allowable range of the switch is exceeded and the input / output voltage loses linearity, VGS ≧ Veff (LG), and the MOSFET DMN 12 operates in the specific saturation region. Therefore, the MOSFET DMN12 has a constant current even when the drain-source voltage increases, and the output voltage Vb of the analog switch (1) becomes a constant voltage. In this embodiment, the maximum input voltage is VINmax, the threshold voltage of the gate high voltage device used in the embodiment is VTH0 (LG), and the effective voltage (voltage loss or drive voltage in the analog switch) is Veff (LG). Then, VINmax = VS− (VTH0 (LG) + Veff (LG)), and VGS = Ia × R1. When current does not flow through the analog switch (1) (Isw = current off), Vb≈Va, and current mirror circuit (3) (2) sets Ia≈Ib, so that current flows through the analog switch (1). Is flowing (Isw = current on), Vb≈Va−2 × (Isw × RDSON).

上記ゲート低耐圧のMOSFETDMN11,DMN12のゲート容量Coxは、図5に示したゲート高耐圧のMOSFETDMN51,DMN52より大きくなるため、同一のゲート実効幅Wの場合、点線で示した特性Isw=電流オフと実線で示した特性Isw=電流オンの差分に対応した(Veff(LG))のようにを小さくできる。言い換えると、この差を同じにした場合(Veff(HG) =Veff(LG))、ゲート低耐圧のMOSFETDMN11,DMN12のゲート実効幅Wを小さくすることができる。更に、ゲート低耐圧MOSFETDMN11,DMN12は、ゲート酸化膜を薄くすることなどで、しきい値電圧電圧VTH0 を低くすることができるため、同じ電圧VSのもとにおいては、(VTH0(LG))による電圧差分だけ入力許容範囲VINmax も広くできる。   Since the gate capacitance Cox of the gate low breakdown voltage MOSFETs DMN11 and DMN12 is larger than that of the gate high breakdown voltage MOSFETs DMN51 and DMN52 shown in FIG. 5, in the case of the same gate effective width W, the characteristic Isw = current off shown by the dotted line The characteristic Isw shown by the solid line = (Veff (LG)) corresponding to the difference of current on can be reduced. In other words, when this difference is made the same (Veff (HG) = Veff (LG)), the gate effective width W of the MOSFETs DMN11 and DMN12 having low gate breakdown voltage can be reduced. Furthermore, since the gate low breakdown voltage MOSFETs DMN11 and DMN12 can reduce the threshold voltage VTH0 by thinning the gate oxide film, etc., under the same voltage VS, it is based on (VTH0 (LG)). The input allowable range VINmax can be widened by the voltage difference.

上記電流ミラー回路(2)を構成するMOSFETDMP1,DMP2や、Nチャネル型のMOSFETDMN1、DMN2は、ゲート,ソース間電圧は小さく、ドレインとバックゲートには高電圧が印加されるので、上記アナログスイッチ(1)を構成するMOSFETDMN11,DMN12と同様な耐圧構造のものを用いることができる。アナログスイッチ回路を1つの半導体基板上に形成する場合、図5のようなアナログスイッチ回路を用いる場合に比べて、前記ゲート−ソース間及びゲート−バックゲート間が共に高耐圧とされたMOSFETDMN51,DMN52のように厚いゲート絶縁膜のMOSFETを形成する必要がなく製造プロセスも簡素化できる。   The MOSFETs DMP1 and DMP2 and the N-channel MOSFETs DMN1 and DMN2 constituting the current mirror circuit (2) have a small gate-source voltage, and a high voltage is applied to the drain and back gate. The one having a breakdown voltage structure similar to the MOSFETs DMN11 and DMN12 constituting 1) can be used. When the analog switch circuit is formed on one semiconductor substrate, MOSFETs DMN51 and DMN52 in which both the gate-source and the gate-back gate have a high breakdown voltage compared to the case where the analog switch circuit as shown in FIG. 5 is used. Thus, it is not necessary to form a MOSFET having a thick gate insulating film, and the manufacturing process can be simplified.

図3には、この発明に係るアナログスイッチ回路の他の一実施例の回路図が示されている。この実施例では、電流ミラー回路(2)及び(3)がカスケード接続回路で構成される。つまり、電流ミラー回路(3)においては、電流ミラー形態のMOSFETMN2〜MN4に、同様な電流ミラー形態のMOSFETMN5〜MN7がカスケード接続される。同様に、電流ミラー回路(2)においても、電流ミラー形態のMOSFETDMP1,DMP2に、電流ミラー形態のMOSFETDMP3とDMP4がカスケード接続される。このようなカスケード接続されたMOSFETを追加することにより、電流Ia と電流Ib のチャネル長変調効果による電源電圧VDD,及びVSの電圧依存性誤差を低減することができる。特に、アナログスイッチ(1)を通して流れる信号電流Iswが微小なときの影響を減少させることができる。   FIG. 3 is a circuit diagram showing another embodiment of the analog switch circuit according to the present invention. In this embodiment, the current mirror circuits (2) and (3) are constituted by cascade connection circuits. That is, in the current mirror circuit (3), similar current mirror type MOSFETs MN5 to MN7 are cascade-connected to the current mirror type MOSFETs MN2 to MN4. Similarly, in the current mirror circuit (2), the current mirror type MOSFETs DMP3 and DMP4 are cascade-connected to the current mirror type MOSFETs DMP1 and DMP2. By adding such cascaded MOSFETs, it is possible to reduce voltage dependency errors of the power supply voltages VDD and VS due to the channel length modulation effect of the currents Ia and Ib. In particular, the influence when the signal current Isw flowing through the analog switch (1) is very small can be reduced.

図4には、この発明に係るアナログスイッチ回路の更に他の一実施例の回路図が示されている。この実施例では、抵抗R1に代えてツェナーダイオードZD1が用いられる。この実施例では、アナログスイッチ(1)を構成するMOSFETDMN11,DMN12のゲート−ソース間電圧VGSを安定させるために、ツェナーダイオードZD1のツェナー電圧を利用することで、スイッチングの切り替え時に発生するノイズ電流に対し、電圧をクランプすることができる。上記ツェナーダイオードZD1に抵抗R1を並列接続しても良い。更に、図3の実施例のように電流ミラー回路(2)及び(3)がカスケード接続回路で構成されてもよい。   FIG. 4 is a circuit diagram showing still another embodiment of the analog switch circuit according to the present invention. In this embodiment, a Zener diode ZD1 is used instead of the resistor R1. In this embodiment, in order to stabilize the gate-source voltage VGS of the MOSFETs DMN11 and DMN12 constituting the analog switch (1), the Zener voltage of the Zener diode ZD1 is used to reduce the noise current generated when switching is switched. On the other hand, the voltage can be clamped. A resistor R1 may be connected in parallel to the Zener diode ZD1. Further, as in the embodiment of FIG. 3, the current mirror circuits (2) and (3) may be formed of a cascade connection circuit.

この実施例のアナログスイッチ回路は、エアバッグ用スクイブ診断回路に用いることができる。エアバッグ展開層は、複数のスクイブを順次的に大電流用ドライバースイッチにより選択して、各スクイブにそれぞれ点火用電圧を供給してエアバッグの展開処理を行う。自動車のエンジン起動時には、上記アナログスイッチを介してスクイブの抵抗値をそれぞれ検出し、スクイブが正常状態であるか否かの診断を行う。この診断時において、上記アナログスイッチはスクイブに微小電流を供給するものである。   The analog switch circuit of this embodiment can be used for an airbag squib diagnostic circuit. The airbag deployment layer sequentially selects a plurality of squibs using a high-current driver switch, supplies an ignition voltage to each squib, and performs airbag deployment processing. When an automobile engine is started, the resistance value of the squib is detected via the analog switch, and a diagnosis is made as to whether or not the squib is in a normal state. At the time of diagnosis, the analog switch supplies a small current to the squib.

以上本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、抵抗R1は、拡散層を用いたもの、あるいはポリシリコン層を用いたもの等種々の実施形態を採ることができる。入力信号に対応して、上記アナログスイッチ(1)に設けられた上記抵抗R1やツェナーダイオードに電流Ia,Ibを流す制御回路の構成は、種々の実施形態を採ることができる。この発明は、高電圧のアナログ信号を伝達するアナログスイッチ回路に広く利用することができる。   Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, the resistor R1 can take various embodiments such as one using a diffusion layer or one using a polysilicon layer. In response to the input signal, the configuration of the control circuit for causing the currents Ia and Ib to flow through the resistor R1 and the Zener diode provided in the analog switch (1) can take various embodiments. The present invention can be widely used in analog switch circuits that transmit high-voltage analog signals.

この発明に係るアナログスイッチ回路の一実施例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing an embodiment of an analog switch circuit according to the present invention. 図1の入出力特性図である。FIG. 2 is an input / output characteristic diagram of FIG. 1. この発明に係るアナログスイッチ回路の他の一実施例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows another Example of the analog switch circuit based on this invention. この発明に係るアナログスイッチ回路の更に他の一実施例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows another Example of the analog switch circuit based on this invention. この発明に先立って検討されたアナログスイッチ回路の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of an analog switch circuit studied prior to the present invention. 図5の入出力特性図である。FIG. 6 is an input / output characteristic diagram of FIG. 5.

符号の説明Explanation of symbols

(1),(5)…アナログスイッチ、(2),(3)…電流ミラー回路、MP1,MN1〜MN7…低耐圧MOSFET、DMN1〜DMN12…ゲート,ソース低耐圧MOSFET、DMP1〜DMP4…ゲート,ソース低耐圧MOSFET、R1…抵抗、ZD1…ツェナーダイオード、DMN51,DMN52…ゲート,ソース間高耐圧MOSFET。   (1), (5) ... Analog switch, (2), (3) ... Current mirror circuit, MP1, MN1-MN7 ... Low voltage MOSFET, DMN1-DMN12 ... Gate, Source low voltage MOSFET, DMP1-DMP4 ... Gate, Source low breakdown voltage MOSFET, R1... Resistor, ZD1... Zener diode, DMN51, DMN52.

Claims (6)

ゲート,ソース間耐圧がゲート,バックゲート間耐圧よりも小さい第1MOSFET及び第2MOSFETと、
第1端子と第2端子と、
インピーダンス手段と、
制御回路とを備え、
上記第1MOSFETと第2MOSFETのソース−ドレイン経路は、上記第1端子と第2端子との間に直列形態に接続され、
上記第1MOSFETのゲートと第2MOSFETのゲートは共通接続されて第3端子とされ、
上記第1MOSFET及び第2MOSFETのバックゲートは、上記第1MOSFETと第2MOSFETとの相互接続点である第4端子に接続され、
上記インピーダンス手段は、上記第3端子と第4端子との間に接続され、
上記制御回路は、上記第3端子と第4端子の間に流す電流を制御して、上記インピーダンス手段に発生する電圧が上記第1MOSFET及び第2MOSFETのしきい値電圧よりも大きな電圧又は小さな電圧として、上記第1端子と第2端子との間の電流経路を開閉させるアナログスイッチ回路。
A first MOSFET and a second MOSFET having a gate-source breakdown voltage smaller than the gate-back gate breakdown voltage;
A first terminal and a second terminal;
Impedance means;
A control circuit,
The source-drain paths of the first MOSFET and the second MOSFET are connected in series between the first terminal and the second terminal,
The gate of the first MOSFET and the gate of the second MOSFET are commonly connected to form a third terminal,
The back gates of the first MOSFET and the second MOSFET are connected to a fourth terminal which is an interconnection point between the first MOSFET and the second MOSFET,
The impedance means is connected between the third terminal and the fourth terminal;
The control circuit controls a current flowing between the third terminal and the fourth terminal so that a voltage generated in the impedance means is larger or smaller than a threshold voltage of the first MOSFET and the second MOSFET. An analog switch circuit for opening and closing a current path between the first terminal and the second terminal.
請求項1において、
上記第1端子は、上記ゲート,ソース間耐圧よりも大きく、上記ゲート,バックゲート間耐圧よりも小さな第1電圧が最大供給電圧とされ、
上記制御回路は、
上記第1電圧に対して上記しきい値電圧以上に大きくされた第2電圧を動作電圧とし、上記第2電圧以上のゲート−バックゲート間耐圧を有する第3MOSFET及び第4MOSFETからなる第1電流ミラー回路と、
上記第1及び第2電圧よりも小さな動作電圧で動作し、スイッチ制御信号に応答して第1電流を選択的に形成する第1回路と、定常的に上記第1電流と同等の第2電流を形成する第2回路とを有し、
上記第1電流を上記第1電流ミラー回路を介して上記第3端子又は第4端子に供給し、上記第2電流を上記第4又は第3端子に供給して、上記インピーダンス手段に発生する電圧が上記第1MOSFET及び第2MOSFETのしきい値電圧よりも大きな電圧又は小さな電圧とするアナログスイッチ回路。
In claim 1,
The first terminal has a first supply voltage that is larger than the breakdown voltage between the gate and the source and smaller than the breakdown voltage between the gate and the back gate.
The control circuit is
A first current mirror comprising a third MOSFET and a fourth MOSFET having a second voltage that is greater than the threshold voltage with respect to the first voltage as an operating voltage and having a gate-back gate breakdown voltage greater than or equal to the second voltage. Circuit,
A first circuit that operates at an operating voltage smaller than the first and second voltages and selectively forms a first current in response to a switch control signal; and a second current that is constantly equivalent to the first current A second circuit forming
A voltage generated in the impedance means by supplying the first current to the third terminal or the fourth terminal through the first current mirror circuit and supplying the second current to the fourth or third terminal. Is an analog switch circuit in which the voltage is higher or lower than the threshold voltage of the first MOSFET and the second MOSFET.
請求項2において、
上記制御回路は、上記第1電流に対応した基準電流を形成する基準電流源を備え、
上記第1回路は、
上記基準電流が入力される第2電流ミラー回路と、
上記スイッチ制御信号により制御されるスイッチMOSFETとを有し、
上記スイッチMOSFETは、上記第2電流ミラー回路の出力電流を上記スイッチ制御信号に従って選択的に上記第1電流ミラー回路の入力端子に伝えるものであり、
上記第2回路は、
上記基準電流が入力される第3電流ミラー回路を有し、
上記第3電流ミラー回路の出力電流が上記第2電流とされるアナログスイッチ回路。
In claim 2,
The control circuit includes a reference current source that forms a reference current corresponding to the first current,
The first circuit includes:
A second current mirror circuit to which the reference current is input;
A switch MOSFET controlled by the switch control signal,
The switch MOSFET selectively transmits the output current of the second current mirror circuit to the input terminal of the first current mirror circuit according to the switch control signal.
The second circuit is
A third current mirror circuit to which the reference current is input;
An analog switch circuit in which the output current of the third current mirror circuit is the second current.
請求項3において、
上記第1ないし第3電流ミラー回路は、それぞれにカスケード接続された電流ミラー形態のMOSFETが設けられるアナログスイッチ回路。
In claim 3,
The first to third current mirror circuits are analog switch circuits each provided with a current mirror type MOSFET cascaded.
請求項4において、
上記インピーダンス手段は、抵抗素子であり、上記抵抗素子に上記第1電流が流れることにより発生する電圧が上記第1MOSFET及び第2MOSFETのしきい値電圧よりも大きな電圧とされるアナログスイッチ回路。
In claim 4,
The impedance means is a resistance element, and an analog switch circuit in which a voltage generated when the first current flows through the resistance element is larger than a threshold voltage of the first MOSFET and the second MOSFET.
請求項4において、
上記インピーダンス手段は、ツェナーダイオードであり、そのツェナー電圧が上記第1MOSFET及び第2MOSFETのしきい値電圧よりも大きな電圧とされるアナログスイッチ回路。
In claim 4,
The impedance means is a Zener diode, and the Zener voltage is an analog switch circuit whose voltage is larger than the threshold voltage of the first MOSFET and the second MOSFET.
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