JP2010045522A - Semiconductor device - Google Patents

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敦史 山田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of using a transistor operating at low voltage when executing level shift, and capable of easily improving an output change speed (operation speed) when the transistor carries out on/off operation with a small occupation area in a semiconductor chip. <P>SOLUTION: A level shift part 5 includes an MOS transistor N2, a resistor R2, and a resistor R1, which are connected in series to one another. A zener diode ZD1 is connected in parallel with the resistor R1. When the MOS transistor N2 is turned on from an off-state, the zener diode ZD1 clamps the output voltage LO of the level shift part 5 at a predetermined value. A zener diode ZD2 is connected in parallel between the drain and the source of the MOS transistor N2. When the MOS transistor N2 is in an off-state, the zener diode ZD2 clamps the voltage between the drain and the source of the MOS transistor N2 at a predetermined value. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、チャージポンプ方式のDC−DCコンバータ、あるいはモータドライバなどのブリッジ回路に適用されるレベルシフト回路を含む半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a level shift circuit applied to a bridge circuit such as a charge pump type DC-DC converter or a motor driver.

従来、ECLレベルの論理信号をTTL回路の論理信号に変換するレベル変換回路(レベルシフト回路)として、特許文献1に記載の回路が知られている。
特許文献1のレベルシフト回路は、差動トランジスタで構成されている。そして、使用されるMOSトランジスタは、ドレイン端子とソース端子間の印加電圧が高電圧仕様のトランジスタが要求される。
また、低電圧系から高電圧系に信号のレベルを変換するレベルシフト回路として、図4に示すような回路が知られている。図4のレベルシフト回路は、CMOSインバータ1、レベルシフト部2、およびCMOSインバータ3を備えている。
Conventionally, a circuit described in Patent Document 1 is known as a level conversion circuit (level shift circuit) that converts an ECL level logic signal into a logic signal of a TTL circuit.
The level shift circuit of Patent Document 1 is composed of a differential transistor. The MOS transistor to be used is required to be a transistor whose applied voltage between the drain terminal and the source terminal is a high voltage specification.
A circuit as shown in FIG. 4 is known as a level shift circuit that converts a signal level from a low voltage system to a high voltage system. The level shift circuit of FIG. 4 includes a CMOS inverter 1, a level shift unit 2, and a CMOS inverter 3.

CMOSインバータ1は、相補型のMOSトランジスタP1、N1からなり、電源電圧がVDD〔V〕(例えば+5V)により動作するようになっている。レベルシフト部2は、N型のMOSトランジスタN11、N12、およびP型のMOSトランジスタP11〜P14からなり、電源電圧がVDDH〔V〕(例えば+48V)で動作するようになっている。CMOSインバータ3は、相補型のMOSトランジスタP3、N3からなり、電源電圧がVDDH〔V〕で動作するようになっている。
このような構成からなるレベルシフト回路では、CMOSインバータ1は、入力信号INを反転する。レベルシフト部2は、CMOSインバータ1出力のVDDレベルをVDDHレベルにレベルシフトする。CMOSインバータ3は、レベルシフト部2の出力を反転し、これを出力信号OUTとして出力する。
このレベルシフト回路では、VSSレベルはレベルシフトされておらず共通である。
The CMOS inverter 1 includes complementary MOS transistors P1 and N1, and operates with a power supply voltage of VDD [V] (for example, +5 V). The level shift unit 2 includes N-type MOS transistors N11 and N12 and P-type MOS transistors P11 to P14, and operates at a power supply voltage of VDDH [V] (for example, +48 V). The CMOS inverter 3 is composed of complementary MOS transistors P3 and N3, and operates with a power supply voltage of VDDH [V].
In the level shift circuit having such a configuration, the CMOS inverter 1 inverts the input signal IN. The level shift unit 2 level-shifts the VDD level output from the CMOS inverter 1 to the VDDH level. The CMOS inverter 3 inverts the output of the level shift unit 2 and outputs it as an output signal OUT.
In this level shift circuit, the VSS level is not level-shifted and is common.

ここで、図4のレベルシフト回路では、CMOSインバータ1に使用されるMOSトランジスタP1、N1は、ドレイン端子とソース端子間の印加電圧が低電圧仕様のトランジスタが使用できる。しかし、レベルシフト部2およびCMOSインバータ3に使用されるMOSトランジスタは、その印加電圧が高電圧仕様のトランジスタが要求される。
このように、特許文献1または図4のレベルシフト回路では、使用されるMOSトランジスタとして高電圧の仕様のものが要求されるが、それに代えて低電圧仕様のトランジスタで実現することが望まれる場合もある。
一方、図4のレベルシフト回路では、レベルシフト部2に使用されるトランジスタが高電圧仕様であって、しかも合計で6個必要のために半導体チップ内の占有面積が大きくなる、という短所がある。
Here, in the level shift circuit of FIG. 4, as the MOS transistors P1 and N1 used in the CMOS inverter 1, a transistor with a low voltage specification applied voltage between the drain terminal and the source terminal can be used. However, the MOS transistors used in the level shift unit 2 and the CMOS inverter 3 are required to have a high voltage specification applied voltage.
As described above, in the level shift circuit of Patent Document 1 or FIG. 4, a high-voltage specification transistor is required as a MOS transistor to be used, but it is desired to implement it with a low-voltage specification transistor instead. There is also.
On the other hand, the level shift circuit of FIG. 4 has a disadvantage that the area used in the semiconductor chip is increased because the transistors used in the level shift unit 2 have a high voltage specification and a total of six transistors are required. .

そこで、上記の要望を満たすとともに、上記の短所を解消するレベルシフト回路として、図5の回路が考えられる。図5のレベルシフト回路は、CMOSインバータ1、レベルシフト部4、およびCMOSインバータ3を備えている。
CMOSインバータ1は、相補型のMOSトランジスタP1、N1からなり、電源電圧がVDD〔V〕(例えば+5V)により動作するようになっている。レベルシフト部4は、抵抗R1、抵抗R2、およびN型のMOSトランジスタN2が直列接続され、電源電圧がVDDH〔V〕(例えば+48V)で動作するようになっている。CMOSインバータ3は、相補型のMOSトランジスタP3、N3からなり、電源電圧がVSSH〔V〕とVDDH〔V〕の間(例えば+40Vと+48Vの間)で動作するようになっている。
Therefore, the circuit shown in FIG. 5 is conceivable as a level shift circuit that satisfies the above-mentioned demand and eliminates the above-mentioned disadvantages. The level shift circuit of FIG. 5 includes a CMOS inverter 1, a level shift unit 4, and a CMOS inverter 3.
The CMOS inverter 1 includes complementary MOS transistors P1 and N1, and operates with a power supply voltage of VDD [V] (for example, +5 V). The level shift unit 4 includes a resistor R1, a resistor R2, and an N-type MOS transistor N2, which are connected in series, and operate at a power supply voltage of VDDH [V] (for example, +48 V). The CMOS inverter 3 is composed of complementary MOS transistors P3 and N3, and operates when the power supply voltage is between VSSH [V] and VDDH [V] (for example, between + 40V and + 48V).

このような構成からなるレベルシフト回路では、CMOSインバータ1は、入力信号INを反転出力する。レベルシフト部4は、CMOSインバータ1の出力のレベルシフトを行う。CMOSインバータ3は、レベルシフト部4の出力を反転し、これを出力信号OUTとして出力する。
ここで、電源電圧VDDHとVSSH間の電圧も5V程度の低電圧であれば、CMOSインバータ1のMOSトランジスタP1、N1、およびCMOSインバータ3のMOSトランジスタP3、N3は、低電圧仕様のトランジスタが使用可能となる。
また、レベルシフト部4のMOSトランジスタN2は、オフ時にVDDH(例えば、48V)の電位がドレイン端子に印加されるので、ドレイン−ソース間は高電圧仕様であるが、ゲート−ソース間は低電圧仕様のトランジスタで使用可能となる。
In the level shift circuit having such a configuration, the CMOS inverter 1 inverts and outputs the input signal IN. The level shift unit 4 performs a level shift of the output of the CMOS inverter 1. The CMOS inverter 3 inverts the output of the level shift unit 4 and outputs it as an output signal OUT.
Here, if the voltage between the power supply voltages VDDH and VSSH is also a low voltage of about 5V, the MOS transistors P1 and N1 of the CMOS inverter 1 and the MOS transistors P3 and N3 of the CMOS inverter 3 are transistors of low voltage specifications. It becomes possible.
In addition, since the potential of VDDH (for example, 48V) is applied to the drain terminal when the MOS transistor N2 of the level shift unit 4 is turned off, the drain-source has a high voltage specification, but the gate-source has a low voltage. It can be used with the transistor of the specification.

次に、図5のレベルシフト回路の動作について、図5および図6を参照しながら説明する。
いま、レベルシフト部4のMOSトランジスタN2がオフからオンに切り換わる場合には、レベルシフト部4の出力電圧LOは、MOSトランジスタN2のオン抵抗値をR1の抵抗値に比べて小さくすると、次の(1)式で表すことができる。
LO=VDDH−(I×R1)・・・(1)
ここで、VDDHはレベルシフト部4に印加される電源電圧、Iは抵抗R1に流れる電流である。
(1)式によれば、出力電圧LOの変化を速くする場合には、抵抗R1に流れる電流Iを増加させて(I×R1)の値を大きくすれば良い。例えば、抵抗R1、R2の抵抗値を相対的に小さくして電流Iを大きくすれば良い。この場合の出力電圧LOの変化は、例えば図6の曲線aのようになる。
Next, the operation of the level shift circuit of FIG. 5 will be described with reference to FIGS.
Now, when the MOS transistor N2 of the level shift unit 4 is switched from OFF to ON, the output voltage LO of the level shift unit 4 is as follows when the ON resistance value of the MOS transistor N2 is made smaller than the resistance value of R1. (1).
LO = VDDH− (I × R1) (1)
Here, VDDH is a power supply voltage applied to the level shift unit 4, and I is a current flowing through the resistor R1.
According to equation (1), in order to increase the change in the output voltage LO, the current I flowing through the resistor R1 may be increased to increase the value of (I × R1). For example, the current I may be increased by relatively reducing the resistance values of the resistors R1 and R2. The change in the output voltage LO in this case is as shown by a curve a in FIG.

その一方、出力電圧LOの変化を遅くする場合には、抵抗R1に流れる電流Iを減少させて(I×R1)の値を小さくすれば良い。例えば、抵抗R1、R2の抵抗値を相対的に大きくして電流Iを小さくすれば良い。この場合の出力電圧LOの変化は、例えば図6の曲線bのようになる。
これらの場合には、出力電圧LOは、電源電圧VDDH〔V〕からその抵抗R1、R2の抵抗値に応じた所定値まで変化すると、その所定値に固定される。しかし、出力電圧LOの所定値までの変化速度およびその所定値は抵抗R1、R2の抵抗値に依存するので、出力電圧LOの切り替わりを速くすることと消費電流を削減することの2つを同時に満足させることは難しい。
On the other hand, in order to delay the change in the output voltage LO, the current I flowing through the resistor R1 may be decreased to reduce the value of (I × R1). For example, the current I may be reduced by relatively increasing the resistance values of the resistors R1 and R2. The change in the output voltage LO in this case is, for example, as shown by the curve b in FIG.
In these cases, when the output voltage LO changes from the power supply voltage VDDH [V] to a predetermined value corresponding to the resistance values of the resistors R1 and R2, the output voltage LO is fixed to the predetermined value. However, since the rate of change of the output voltage LO to the predetermined value and the predetermined value depend on the resistance values of the resistors R1 and R2, two of the quick switching of the output voltage LO and the reduction of the current consumption are simultaneously performed. It is difficult to satisfy.

次に、レベルシフト部4のMOSトランジスタN2がオンからオフに切り換わる場合について説明する。
この場合には、レベルシフト部4の出力電圧LOは、所定値から電源電圧VDDHのレベルに立ち上がろうとする。しかし、CMOSインバータ3の入力端には寄生容量があり、この寄生容量の充電電流によって電源電圧VDDHのレベルに立ち上がるまでに時間がかかるという不具合がある。
特開平5−276011号公報
Next, a case where the MOS transistor N2 of the level shift unit 4 is switched from on to off will be described.
In this case, the output voltage LO of the level shift unit 4 tends to rise from a predetermined value to the level of the power supply voltage VDDH. However, there is a problem in that there is a parasitic capacitance at the input terminal of the CMOS inverter 3, and it takes time to rise to the level of the power supply voltage VDDH by the charging current of this parasitic capacitance.
JP-A-5-276011

そこで、本発明の目的は、レベルシフト動作を行う場合に、低電圧仕様で動作するトランジスタが使用可能であり、そのトランジスタがオンオフ動作する際のレベルシフト回路出力の変化する速度の向上を半導体チップ内の少ない占有面積で容易に実現可能な半導体装置を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to use a transistor that operates at a low voltage specification when performing a level shift operation, and to improve the speed at which the level shift circuit output changes when the transistor is turned on and off. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can be easily realized with a small occupied area.

上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のような構成からなる。
第1の発明は、第1の高電位と第1の低電位の間で変化する入力信号を、第2の高電位と第2の低電位の間で変化する信号に電位レベルをシフトさせるレベルシフト回路のレベルシフト部を有する半導体装置において、前記レベルシフト部は、前記入力信号によりオンオフ駆動される第1トランジスタと、前記第1トランジスタのドレイン端子と第2の高電位間に直列接続される第1抵抗と、前記第1トランジスタのドレイン端子にカソード端子が、ソース端子にアノード端子が接続される第1ツェナーダイオードと、カソード端子が第2の高電位に接続され、アノード端子が前記第1抵抗の第2の高電位に接続されていない他端に接続される第2ツェナーダイオードと、を備える。
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, each invention has the following configuration.
The first invention is a level that shifts the potential level of an input signal that changes between the first high potential and the first low potential into a signal that changes between the second high potential and the second low potential. In a semiconductor device having a level shift unit of a shift circuit, the level shift unit is connected in series between a first transistor that is turned on and off by the input signal, a drain terminal of the first transistor, and a second high potential. A first resistor, a first Zener diode having a cathode terminal connected to the drain terminal of the first transistor, an anode terminal connected to the source terminal, a cathode terminal connected to a second high potential, and an anode terminal connected to the first transistor; A second Zener diode connected to the other end of the resistor not connected to the second high potential.

第2の発明は、第1の発明において、ソース端子が前記第1抵抗の一方の端と同じ第2の高電位に接続され、ゲート端子とドレイン端子が前記第1抵抗の第2の高電位に接続されていない他端にダイオード接続される第2トランジスタを、さらに備える。
第3の発明は、第1または第2の発明において、前記第1トランジスタと前記第1抵抗との間に、第2抵抗を介在するようにした。
第4の発明は、第1〜第3の発明において、前記第1抵抗の抵抗値は、前記第1トランジスタがオフからオンに切り換わるときに前記レベルシフト部の出力電圧が任意に変化するように設定され、前記第1ツェナーダイオードは、前記出力電圧が任意に変化するときに前記第1トランジスタのドレイン端子に印加される電圧を所定値にクランプするようになっている。
According to a second invention, in the first invention, the source terminal is connected to the same second high potential as one end of the first resistor, and the gate terminal and the drain terminal are the second high potential of the first resistor. And a second transistor that is diode-connected to the other end not connected to.
According to a third invention, in the first or second invention, a second resistor is interposed between the first transistor and the first resistor.
In a fourth aspect based on the first to third aspects, the resistance value of the first resistor is set so that the output voltage of the level shift unit arbitrarily changes when the first transistor is switched from OFF to ON. The first Zener diode clamps the voltage applied to the drain terminal of the first transistor to a predetermined value when the output voltage changes arbitrarily.

第5の発明は、第2〜第4の発明において、前記第2トランジスタは、前記第1トランジスタがオンからオフに切り換わるときに、前記レベルシフト部の後段の入力端における寄生容量の電荷を放電するようになっている。
このような構成の本発明によれば、レベルシフトを行う場合に、低電圧仕様のトランジスタが使用可能であり、そのトランジスタがオンオフ動作する際の出力変化の速度(スイッチング速度)の向上を半導体チップ内の少ない占有面積で容易に実現可能である。
According to a fifth invention, in the second to fourth inventions, when the first transistor is switched from on to off, the second transistor has a charge of parasitic capacitance at an input terminal at a rear stage of the level shift unit. It is designed to discharge.
According to the present invention having such a configuration, when performing level shift, a transistor with a low voltage specification can be used, and the output change speed (switching speed) when the transistor is turned on / off is improved. It can be easily realized with a small occupied area.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態の半導体装置は、図1に示すように、入力部としてのCMOSインバータ1、レベルシフト部5、および出力部としてのCMOSインバータ3を備えている。
CMOSインバータ1は、入力信号INを反転して出力する。このため、CMOSインバータ1は、相補型のMOSトランジスタP1、N1からなり、電源電圧がVDD〔V〕(例えば+5V)により動作するようになっている。
レベルシフト部5は、CMOSインバータ1の出力のレベルシフトを行う。このため、レベルシフト部5は、図1に示すように、CMOSインバータ1の出力によってオンオフ駆動するN型のMOSトランジスタN2と、抵抗R2と、抵抗R1とを備え、これらが直列接続されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention includes a CMOS inverter 1 as an input unit, a level shift unit 5, and a CMOS inverter 3 as an output unit.
The CMOS inverter 1 inverts and outputs the input signal IN. Therefore, the CMOS inverter 1 is composed of complementary MOS transistors P1 and N1, and operates with a power supply voltage of VDD [V] (for example, +5 V).
The level shift unit 5 performs a level shift of the output of the CMOS inverter 1. Therefore, as shown in FIG. 1, the level shift unit 5 includes an N-type MOS transistor N2 that is driven on and off by the output of the CMOS inverter 1, a resistor R2, and a resistor R1, and these are connected in series. .

抵抗R1には、ツェナーダイオードZD1が並列接続されている。ツェナーダイオードZD1は、MOSトランジスタN2がオフからオンに切り換わるときに、レベルシフト部5の出力電圧LOを所定値にクランプする。
また、MOSトランジスタN2の出力端子間(ドレイン端子とソース端子との間)には、ツェナーダイオードZD2が並列接続されている。ツェナーダイオードZD2は、MOSトランジスタN2がオフのときに、MOSトランジスタN2のドレイン端子とソース端子との間の電圧を所定値にクランプする。
さらに具体的には、MOSトランジスタN2のゲートには、CMOSインバータ1の出力電圧が入力されている。MOSトランジスタN2のドレイン端子にツェナーダイオードZD2のカソードが接続され、MOSトランジスタN2のソース端子にツェナーダイオードZD2のアノードが接続されている。
A Zener diode ZD1 is connected in parallel to the resistor R1. The Zener diode ZD1 clamps the output voltage LO of the level shift unit 5 to a predetermined value when the MOS transistor N2 switches from off to on.
A Zener diode ZD2 is connected in parallel between the output terminals of the MOS transistor N2 (between the drain terminal and the source terminal). The Zener diode ZD2 clamps the voltage between the drain terminal and the source terminal of the MOS transistor N2 to a predetermined value when the MOS transistor N2 is off.
More specifically, the output voltage of the CMOS inverter 1 is input to the gate of the MOS transistor N2. The cathode of the Zener diode ZD2 is connected to the drain terminal of the MOS transistor N2, and the anode of the Zener diode ZD2 is connected to the source terminal of the MOS transistor N2.

抵抗R2の一端側はMOSトランジスタN2のドレイン端子に接続され、抵抗R2の他端側は抵抗R1の一端側に接続されている。抵抗R1の他端側には、電源電圧VDDH(たとえば+48V)が印加されるようになっている。また、抵抗R1の両端には、ツェナーダイオードZD1が並列接続されている。抵抗R1と抵抗R2の共通接続部の電圧が、レベルシフト部5の出力電圧LOとして出力されるようになっている。
CMOSインバータ3は、レベルシフト部5の出力によってオンオフ動作し、これに応じた出力信号OUTを出力する。このため、CMOSインバータ3は、相補型のMOSトランジスタP3、N3からなり、電源電圧がVSSH〔V〕とVDDH〔V〕(例えば+40Vと+48V)の間で動作するようになっている。
One end of the resistor R2 is connected to the drain terminal of the MOS transistor N2, and the other end of the resistor R2 is connected to one end of the resistor R1. A power supply voltage VDDH (for example, + 48V) is applied to the other end of the resistor R1. A Zener diode ZD1 is connected in parallel across the resistor R1. The voltage at the common connection of the resistors R1 and R2 is output as the output voltage LO of the level shift unit 5.
The CMOS inverter 3 is turned on / off by the output of the level shift unit 5 and outputs an output signal OUT corresponding to the on / off operation. Therefore, the CMOS inverter 3 is composed of complementary MOS transistors P3 and N3, and operates between a power supply voltage of VSSH [V] and VDDH [V] (for example, + 40V and + 48V).

次に、このような構成の第1実施形態の動作例について、図1および図2を参照して説明する。
いま、レベルシフト部5のMOSトランジスタN2がオフからオンに切り換わる場合には、レベルシフト部5の出力電圧LOは上記の(1)式で表すことができる。(1)式によれば、出力電圧LOは、(I×R1)の値によって任意に設定できる。言い換えると、上記の出力電圧LOの変化(変化速度)は、抵抗R1、R2の何れか一方またはその双方の大きさ(抵抗値)を任意の値に設定することで、任意に設定できる。
そこで、抵抗R1、R2の何れか一方またはその双方の抵抗値は、レベルシフト部5のMOSトランジスタN2がオフからオンに切り換わる場合に、レベルシフト部5の出力電圧LOが急速に変化するように設定するようにした。この場合の出力電圧LOの変化は、例えば図2の曲線c1のようになる。
Next, an operation example of the first embodiment having such a configuration will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
When the MOS transistor N2 of the level shift unit 5 is switched from off to on, the output voltage LO of the level shift unit 5 can be expressed by the above equation (1). According to the equation (1), the output voltage LO can be arbitrarily set by the value of (I × R1). In other words, the change (rate of change) of the output voltage LO can be arbitrarily set by setting the magnitude (resistance value) of one or both of the resistors R1 and R2 to an arbitrary value.
Therefore, the resistance value of one or both of the resistors R1 and R2 is such that the output voltage LO of the level shift unit 5 changes rapidly when the MOS transistor N2 of the level shift unit 5 is switched from OFF to ON. Was set to. The change in the output voltage LO in this case is, for example, a curve c1 in FIG.

ここで、抵抗R1の両端に、ツェナーダイオードZD1が並列接続されていない場合を想定する。この場合には、出力電圧LOは、図2の曲線c1に続く破線のように変化することになる。
しかし、第1実施形態では、抵抗R1の両端に、ツェナーダイオードZD1が並列接続されている。このため、MOSトランジスタN2がオフからオンに切り換わるときに、ツェナーダイオードZD1により、レベルシフト部5の出力電圧LOは、図2の曲線c2のように所定値にクランプされる。この結果、レベルシフト部5の出力電圧LOが接続されるCMOSインバータ3のMOSトランジスタP3とN3のゲート端子に印加される電圧を所定値にクランプできる。
Here, it is assumed that the Zener diode ZD1 is not connected in parallel across the resistor R1. In this case, the output voltage LO changes as shown by a broken line following the curve c1 in FIG.
However, in the first embodiment, the Zener diode ZD1 is connected in parallel to both ends of the resistor R1. Therefore, when the MOS transistor N2 is switched from OFF to ON, the output voltage LO of the level shift unit 5 is clamped to a predetermined value by the Zener diode ZD1 as shown by the curve c2 in FIG. As a result, the voltage applied to the gate terminals of the MOS transistors P3 and N3 of the CMOS inverter 3 to which the output voltage LO of the level shift unit 5 is connected can be clamped to a predetermined value.

このため、レベルシフト部5の出力電圧LOは、電源電圧VDDHとその所定値の範囲で変化させることができるので、CMOSインバータ3のMOSトランジスタP3、N3は、低電圧仕様のトランジスタを使用できる。
なお、抵抗R1を流す電流を少なくしてレベルシフト部5の出力電圧LOの電圧降下を小さくすることはできるが、図6の曲線bに示すような電位傾斜となり出力電圧LOの変化が遅くなるので、レベルシフト動作で所望の動作速度が得られない。
また、第1実施形態では、MOSトランジスタN2のドレイン端子とソース端子との間に、ツェナーダイオードZD2が並列接続されている。このため、ツェナーダイオードZD2は、MOSトランジスタN2がオフのときに、MOSトランジスタN2のドレイン端子とソース端子との間の電圧を所定値にクランプする。したがって、レベルシフト部5のMOSトランジスタN2として低電圧仕様のトランジスタを使用できる。
For this reason, since the output voltage LO of the level shift unit 5 can be changed within the range of the power supply voltage VDDH and its predetermined value, the MOS transistors P3 and N3 of the CMOS inverter 3 can use low voltage specification transistors.
Although the voltage drop of the output voltage LO of the level shift unit 5 can be reduced by reducing the current flowing through the resistor R1, the potential gradient as shown by the curve b in FIG. 6 results in a slow change in the output voltage LO. Therefore, a desired operation speed cannot be obtained by the level shift operation.
In the first embodiment, the Zener diode ZD2 is connected in parallel between the drain terminal and the source terminal of the MOS transistor N2. Therefore, the Zener diode ZD2 clamps the voltage between the drain terminal and the source terminal of the MOS transistor N2 to a predetermined value when the MOS transistor N2 is off. Therefore, a low voltage specification transistor can be used as the MOS transistor N2 of the level shift unit 5.

以上のように、第1実施形態は、上記のように構成したので、VDDレベル(例えば、5V)とVSSレベル(例えば、0V)の低電圧系信号からVDDHレベル(例えば、48V)とVSSH(例えば、40V)高電圧系信号に信号のレベルをシフトする場合に、CMOSインバータ1、レベルシフト部5、および出力部を構成するトランジスタとして低電圧仕様のトランジスタを使用できる。
また、第1実施形態によれば、レベルシフト部5のMOSトランジスタN2がオフからオンに切り換わる場合に、レベルシフト部5の出力電圧LOの変化を任意に設定できる。さらに、そのレベルシフト部5の出力電圧LOの変化後のレベルを所定値に設定でき、その所定値に固定できる。このため、第1実施形態によれば、MOSトランジスタN2がオフからオンする際の出力変化の速度を、容易に設定することができる。
As described above, since the first embodiment is configured as described above, VDDH level (for example, 48 V) and VSSH (for example, 48 V) from a low voltage system signal of VDD level (for example, 5 V) and VSS level (for example, 0 V). For example, when the signal level is shifted to a high voltage system signal of 40V), a transistor having a low voltage specification can be used as the transistors constituting the CMOS inverter 1, the level shift unit 5, and the output unit.
Further, according to the first embodiment, when the MOS transistor N2 of the level shift unit 5 is switched from OFF to ON, a change in the output voltage LO of the level shift unit 5 can be arbitrarily set. Further, the level after the change of the output voltage LO of the level shift unit 5 can be set to a predetermined value and can be fixed to the predetermined value. For this reason, according to the first embodiment, the speed of the output change when the MOS transistor N2 is turned on can be easily set.

さらに、第1実施形態では、ツェナーダイオードZD1、DZ2を備えるようにしたので、MOSトランジスタN2、N3、P3に印加される電圧が低電圧の範囲内になって低電圧仕様のトランジスタが使用でき、その結果、半導体チップ内の少ない占有面積で実現できる。また、電源の急激な変動、電源サージなどからMOSトランジスタN2、N3、P3を保護することができる。
なお、第1実施形態では、MOSトランジスタN2と抵抗R1との間に抵抗R2を介在するようにした。しかし、図2における曲線c1、c2が所望のものが得られる場合には、抵抗R2は必ずしも必要ではなく、省略可能である。この場合には、抵抗R1の抵抗値によって図2の曲線c1が決まることになる。
Furthermore, in the first embodiment, since the Zener diodes ZD1 and DZ2 are provided, the voltage applied to the MOS transistors N2, N3, and P3 falls within the low voltage range, and a low-voltage specification transistor can be used. As a result, it can be realized with a small occupation area in the semiconductor chip. Further, the MOS transistors N2, N3, and P3 can be protected from sudden fluctuations in the power supply, power supply surges, and the like.
In the first embodiment, the resistor R2 is interposed between the MOS transistor N2 and the resistor R1. However, when the desired curves c1 and c2 in FIG. 2 are obtained, the resistor R2 is not necessarily required and can be omitted. In this case, the curve c1 in FIG. 2 is determined by the resistance value of the resistor R1.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態の半導体装置は、図3に示すように、入力部としてのCMOSインバータ1、レベルシフト部5A、および出力部としてのCMOSインバータ3を備えている。
この第2実施形態は、図1に示す第1実施形態の構成を基本にし、図1のレベルシフト部5を図3のレベルシフト部5Aに置き換えたものである。具体的には、レベルシフト部5Aは、図3に示すように、抵抗R1の両端にMOSトランジスタP2をダイオード接続したものであり、この部分を追加したものである。
すなわち、MOSトランジスタP2のゲート端子とドレイン端子とは共通接続され、この共通接続部が抵抗R1の一端側に接続されている。また、MOSトランジスタP2のソース端子は、抵抗R1の他端側に接続されている。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 3, the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention includes a CMOS inverter 1 as an input unit, a level shift unit 5A, and a CMOS inverter 3 as an output unit.
The second embodiment is based on the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, and the level shift unit 5 in FIG. 1 is replaced with a level shift unit 5A in FIG. Specifically, as shown in FIG. 3, the level shift unit 5A is formed by diode-connecting a MOS transistor P2 to both ends of a resistor R1, and this portion is added.
That is, the gate terminal and the drain terminal of the MOS transistor P2 are connected in common, and this common connection is connected to one end of the resistor R1. The source terminal of the MOS transistor P2 is connected to the other end of the resistor R1.

なお、第2実施形態は、その追加の部分を除き、図1の第1実施形態の構成と同じであるので、同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。
このような構成からなる第2実施形態では、レベルシフト部5AのMOSトランジスタN2がオンからオフに切り換わる場合に以下のように動作する。
この場合には、レベルシフト部5Aの出力電圧LOは、(1)式で表される電位から電源電圧VDDHのレベルに立ち上がろうとする。しかし、抵抗R1やCMOSインバータ3の入力端に存在する寄生容量の影響でその立ち上がりが遅くなる。
Since the second embodiment is the same as the configuration of the first embodiment of FIG. 1 except for the additional portions, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
In the second embodiment having such a configuration, the following operation is performed when the MOS transistor N2 of the level shift unit 5A is switched from on to off.
In this case, the output voltage LO of the level shift unit 5A tends to rise to the level of the power supply voltage VDDH from the potential represented by the equation (1). However, the rise of the resistor R1 and the parasitic capacitance present at the input terminal of the CMOS inverter 3 are delayed.

ところが、抵抗R1の両端にMOSトランジスタP2がダイオード接続(ゲート端子とドレイン端子が共通接続)されている。このため、MOSトランジスタP2が、導通状態にありCMOSインバータ3の入力容量及びCMOSインバータ3への入力信号線に存在する寄生容量の充電電荷を急速に放電させるので、出力電圧LOが電源電圧VDDHのレベルに立ち上がるまでの時間を短縮できる。
このように、第2実施形態によれば、上記の効果に加えて第1実施形態の効果を実現できる。なお、第2実施形態において、第1実施形態と同様に抵抗R2を省略することができる。
However, the MOS transistor P2 is diode-connected at both ends of the resistor R1 (the gate terminal and the drain terminal are commonly connected). For this reason, the MOS transistor P2 is in a conductive state, and the charge of the parasitic capacitance existing in the input capacitance of the CMOS inverter 3 and the input signal line to the CMOS inverter 3 is rapidly discharged, so that the output voltage LO is equal to the power supply voltage VDDH. Time to rise to level can be shortened.
Thus, according to the second embodiment, the effect of the first embodiment can be realized in addition to the above effect. In the second embodiment, the resistor R2 can be omitted as in the first embodiment.

本発明の半導体装置の第1実施形態の構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration of a first embodiment of a semiconductor device of the present invention. その第1実施形態の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement of the 1st Embodiment. 本発明の半導体装置の第2実施形態の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of 2nd Embodiment of the semiconductor device of this invention. 従来装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the conventional apparatus. 従来装置の他の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the other structure of the conventional apparatus. その従来装置の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining operation | movement of the conventional apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1、3・・・CMOSインバータ、5、5A・・・レベルシフト部、N2、P2・・・MOSトランジスタ、R1、R2・・・抵抗、ZD1、ZD2・・・ツェナーダイオード DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 3 ... CMOS inverter, 5, 5A ... Level shift part, N2, P2 ... MOS transistor, R1, R2 ... Resistance, ZD1, ZD2 ... Zener diode

Claims (5)

第1の高電位と第1の低電位の間で変化する入力信号を、第2の高電位と第2の低電位の間で変化する信号に電位レベルをシフトさせるレベルシフト回路のレベルシフト部を有する半導体装置において、
前記レベルシフト部は、
前記入力信号によりオンオフ駆動される第1トランジスタと、
前記第1トランジスタのドレイン端子と第2の高電位間に直列接続される第1抵抗と、
前記第1トランジスタのドレイン端子にカソード端子が、ソース端子にアノード端子が接続される第1ツェナーダイオードと、
カソード端子が第2の高電位に接続され、アノード端子が前記第1抵抗の第2の高電位に接続されていない他端に接続される第2ツェナーダイオードと、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A level shift unit of a level shift circuit that shifts the potential level of an input signal that changes between the first high potential and the first low potential to a signal that changes between the second high potential and the second low potential In a semiconductor device having
The level shift unit includes:
A first transistor that is turned on and off by the input signal;
A first resistor connected in series between the drain terminal of the first transistor and a second high potential;
A first Zener diode having a cathode terminal connected to a drain terminal and an anode terminal connected to a source terminal of the first transistor;
A second Zener diode having a cathode terminal connected to a second high potential and an anode terminal connected to the other end of the first resistor not connected to the second high potential;
A semiconductor device comprising:
ソース端子が前記第1抵抗の一方の端と同じ第2の高電位に接続され、ゲート端子とドレイン端子が前記第1抵抗の第2の高電位に接続されていない他端にダイオード接続される第2トランジスタを、さらに備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The source terminal is connected to the same second high potential as one end of the first resistor, and the gate terminal and the drain terminal are diode-connected to the other end not connected to the second high potential of the first resistor. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second transistor. 前記第1トランジスタと前記第1抵抗との間に、第2抵抗を介在するようにしたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a second resistor is interposed between the first transistor and the first resistor. 前記第1抵抗の抵抗値は、前記第1トランジスタがオフからオンに切り換わるときに前記レベルシフト部の出力電圧が任意に変化するように設定され、
前記第1ツェナーダイオードは、前記出力電圧が任意に変化するときに前記第1トランジスタのドレイン端子に印加される電圧を所定値にクランプするようになっていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちの何れかに記載の半導体装置。
The resistance value of the first resistor is set such that the output voltage of the level shift unit arbitrarily changes when the first transistor is switched from off to on,
The first Zener diode is configured to clamp a voltage applied to a drain terminal of the first transistor to a predetermined value when the output voltage changes arbitrarily. Item 4. The semiconductor device according to any one of Items 3.
前記第2トランジスタは、前記第1トランジスタがオンからオフに切り換わるときに、前記レベルシフト部の後段の入力端における寄生容量の電荷を放電するようになっていることを特徴とする請求項2乃至請求項4のうちの何れかに記載の半導体装置。   3. The second transistor is configured to discharge a parasitic capacitance charge at an input terminal at a subsequent stage of the level shift unit when the first transistor is switched from on to off. The semiconductor device according to claim 4.
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