JP2010263660A - 電流スイッチ回路及びそれを用いたd/aコンバータ、半導体集積回路及び通信機器 - Google Patents

電流スイッチ回路及びそれを用いたd/aコンバータ、半導体集積回路及び通信機器 Download PDF

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Abstract

【課題】電流加算型D/Aコンバータに用いられる電流スイッチ回路において、低電源電圧時にしきい値電圧の低いトランジスタを用いた際に課題となるダイナミックレンジの低下を改善し、出力電圧範囲を大きく取る。
【解決手段】電流スイッチ回路1は、差動スイッチ12を構成する第1及び第2のトランジスタTr121、Tr122を有する。しきい値電圧制御回路5は、その出力端子Vboutから前記差動スイッチ12を構成する2個のトランジスタTr121、Tr122のサブストレート端子に出力するサブストレート電圧を制御して、前記差動スイッチの2個のトランジスタのしきい値電圧を制御する。従って、電流スイッチ回路1の電源電圧を低減させても、特性劣化を生じることなく、差動スイッチ12内の2個のトランジスタのしきい値に依存する電流スイッチ回路1の出力電圧範囲を大きく取ることができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、電流スイッチ回路に関し、特に、通信用D/Aコンバータ(DAC)において、低電源電圧時に課題となるダイナミックレンジの低下を改善し、出力電圧範囲を大きく取ることを可能にする技術に関するものである。
近年、CMOSの安価というメリットを活かすため、ディジタル回路とアナログ回路とを1チップに混載したSOC(System On Chip)が盛んに製造されている。一方、近年、各種の情報機器が市場に投入され、同機器に使用する半導体集積回路装置、特にLSIが盛んに開発されている。このようなSOCは、大規模化が著しく、高性能・多機能化、小型化、低消費電力化などの要求が強い。そのため、製造プロセスは、微細化の一途を辿っている。
そのような中で、各種電子機器では、制御系、表示系、映像系、音声系、通信系などの用途にD/Aコンバータが幅広く用いられる。また、映像用途や通信用途等のLSIにおいては、高速動作が可能である電流駆動型のD/Aコンバータが必要不可欠であるが、電力削減のために電源電圧は下がっている。しかしながら、そのような場合でも、耐ノイズ性に対する配慮、及びシステムからの要求により、大きな出力電圧範囲を確保したいという要望が強い。
従来、このような分野の技術としては、例えば次のようなものがあった。図5及び図6は従来の電流スイッチ回路の構成図であり、従来技術を示す図5は公知の電流スイッチ回路の回路構成を示し、図6は前記図5の問題点を解決するための特許文献1に記載された従来の電流スイッチ回路の回路構成を示している。
図5に示された電流スイッチ回路2は、電流源21と差動スイッチ22とから構成され、低電源電圧で動作させるために、電流源21はゲート絶縁膜の膜厚の薄い低耐圧Pチャンネル型MOSトランジスタTr211、Tr212から構成され、トランジスタTr211のソース端子は第1の電源電位VDD(ここではVDD=1.8Vとする)に接続され、ドレイン端子はトランジスタTr212のソース端子と接続され、ゲート端子には安定化したバイアス電圧Vbias1が印加される。トランジスタTr212のドレイン端子はノードN10に接続され、そのゲート端子には安定化したバイアス電圧Vbias2が印加される。また、2個のトランジスタTr211、212のサブストレート端子は、第1の電源電位VDDと接続される。ここで、低耐圧トランジスタのしきい値電圧Vthは0.3V程度とする。
前記差動スイッチ22は、前記電流源21と同じ低耐圧Pチャンネル型MOSトランジスタTr221、Tr222から構成され、トランジスタTr221のソース端子はノードN10と接続され、そのドレイン端子は正転出力端子DAOUT10に接続され、ゲート端子には駆動部20より出力される正相のディジタル信号が印加される。一方、トランジスタTr222のソース端子はノードN10に接続され、そのドレイン端子は反転出力端子NDAOUT10に接続され、ゲート端子には駆動部20より出力される逆相のディジタル信号が印加される。また、これ等2個のトランジスタTr221、222のサブストレート端子は、第1の電源電位VDDと接続される。
出力負荷抵抗R10、R11は、電流源21の出力電流Ioutが流れることにより、出力負荷抵抗R10、R11の抵抗値と出力電流Ioutの電流値とで求まる正相の出力電圧を正転出力端子DAOUT10、又は逆相の出力電圧を反転出力端子NDAOUT10に発生させる。
D/Aコンバータに前記電流スイッチ回路2を複数個具備する場合、D/Aコンバータの出力信号の線形性を保つ、すなわち、SFDR(Spurious Free Dynamic Range)を劣化させないためには、差動スイッチ22の出力信号の線形性を保つ必要があり、この差動スイッチ22の出力信号の線形性を保つためには、差動スイッチ22を構成するトランジスタTr221、Tr222が飽和領域で動作している必要がある。
図5に示すトランジスタTr221、Tr222の飽和領域において、そのゲートーソース間電圧Vgsは、
|Vgs|=|Vth|+√(|Id|/(μCox/2・W/L)
・・・(1)
が成立する。ここで、Idはドレイン電流、μは正孔移動度、Coxは単位面積当たりのゲート容量、Wはゲート幅、Lはゲート長である。
また、トランジスタTr221、Tr222が飽和領域で動作するための条件は、ドレイン−ソース間電圧をVdsとすると、
|Vds| ≧|Vgs − Vth|
・・・(2)
である。
差動スイッチ22を構成するトランジスタTr221、Tr222がオンするためには、駆動部20からの出力信号がL(=VSS)の場合であり、前記(2)式から、D/Aコンバータの出力電圧範囲は、0〜Vthとなることが判る。
また、前述したように、低電源電圧を実現するために低耐圧トランジスタを用いる場合、そのしきい値電圧は0.3V程度の値であるため、出力電圧範囲は0〜0.3Vに制限されてしまう。
D/Aコンバータの最大出力振幅Vomaxは、システムの要求によって設定され、0.5V以上の値を要求されることが多い。
図6は前記特許文献1の技術を示す図であり、前記図5の駆動部20の内部にオフセット回路301を具備したという点が異なる。
図6に示された電流スイッチ回路2は、電流源21と差動スイッチ22から構成され、低電源電圧で動作させるために、電流源21は低耐圧Pチャンネル型MOSトランジスタTr211、Tr212から構成される。前記トランジスタTr211のソース端子は第1の電源電位VDDに接続され、そのドレイン端子はトランジスタTr212のソース端子と接続され、ゲート端子には安定化した電圧Vbias1が印加される。他方のトランジスタTr212のドレイン端子はノードN10に接続され、そのゲート端子には安定化した電圧Vbias2が印加される。また、2個のトランジスタTr211、Tr212のサブストレート端子は、第1の電源電位VDDと接続される。
図6において、差動スイッチ22は、低耐圧Pチャンネル型MOSトランジスタTr221、Tr222から構成され、一方のトランジスタTr221のソース端子はノードN10と接続され、ドレイン端子は正転出力端子DAOUT10に接続され、ゲート端子221には駆動部30より出力される正相のディジタル信号が印加される。他方のトランジスタTr222のソース端子はノードN10に接続され、ドレイン端子は反転出力端子NDAOUT10に接続され、ゲート端子には駆動部30より出力される逆相のディジタル信号が印加される。また、2個のトランジスタTr221、Tr222のサブストレート端子は、第1の電源電位VDDと接続される。
出力負荷抵抗R10、R11は、電流源回路の出力電流Ioutが流れることにより、出力負荷抵抗R10、R11の抵抗値と出力電流Ioutの電流値とで求まる正相の出力電圧を正転出力端子DAOUT10、又は逆相の出力電圧を反転出力端子NDAOUT10に発生させる。
駆動部30の初段で入力されるディジタル信号Dinに応じて、L(=VSS)又は、H(=VDD)の差動信号が生成され、駆動部30内に具備されたオフセット回路301により、オフセット電圧V1、V2が与えられた差動信号DATA、NDATA(L=VSS+V1、H=VDD−V2)を差動スイッチ22を構成するトランジスタTr221、Tr222のゲート端子へ出力する。
前述したように、電流スイッチ回路2を具備したD/Aコンバータの出力信号の線形性を保つためには、電流スイッチ回路2内の差動スイッチ22を構成するトランジスタTr221、Tr222を飽和領域で動作させる必要があり、前記(2)式を満たす必要がある。
|Vds| ≧|Vgs − Vth|
・・・(2)
駆動部30内のオフセット回路301により、差動スイッチ回路22を構成するトランジスタTr221、Tr222の動作時にゲート端子に印加される電圧がVSS+V1となるため、その結果、前記(2)式より出力電圧範囲は0〜Vth+V1となる。
以上より、出力電圧範囲は、0〜V1+Vthであり、図5の出力電圧範囲0〜Vthと比較して、オフセット電圧V1の分、大きくできる。このように、図6に記載したオフセット回路301を備えた特許文献1では、前記式(2)において、ゲート-ソース間電圧Vgsを小値に制御することによって、出力電圧範囲を大きくしている。
特開2005−72794号公報
しかしながら、従来の図6のオフセット回路301を具備した駆動部30を用いた電流スイッチ回路2では、差動スイッチ22を構成するトランジスタTr221、Tr222のゲート端子に印加する電圧を変化させる手段として、駆動部30内にオフセット回路301という付加回路を設けているが、この付加回路は複数の電流スイッチ回路2の各々に対して必要となるため、D/Aコンバータ回路中のゲート数が増加し、半導体集積回路におけるチップの面積が増大すると共に、消費電力も大きくなるという課題があった。
本発明の目的は、例えば通信用D/Aコンバータの出力電圧範囲を大きくとることができると共に、面積及び消費電力の増大を抑えた電流スイッチ回路、及びこれを用いたD/Aコンバータ等を提供すると共に、更には、プロセスばらつき等によるしきい値電圧ばらつきによらず、出力電圧範囲を一定に保つことが可能な電流スイッチ回路、及びこれを用いたD/Aコンバータ等を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明では、前記式(2)から判るように、電流スイッチ回路に具備される差動スイッチを構成するトランジスタのしきい値電圧を高い値に制御することにより、電流スイッチ回路の電源電圧を低減させても、特性劣化を生じることなく、出力電圧範囲を大きく取るようにする。
具体的に、請求項1記載の発明の電流スイッチ回路は、電流源、及び前記電流源の出力端に接続された差動スイッチを有する電流スイッチ回路であり、前記電流源は、流す電流値を設定するバイアス電圧がゲート端子に印加された少なくとも1つのトランジスタを有し、前記差動スイッチは、第1及び第2のトランジスタを有し、前記両トランジスタは、その各ソース端子が前記電流源の出力端に並列に接続され、その両ドレイン端子が第1及び第2の出力端子となり、その両ゲート端子に相補の信号が入力されており、更に、前記差動スイッチの前記第1及び第2のトランジスタは、それらのしきい値電圧の絶対値が、前記電流源を構成するトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも高く設定されている電流スイッチ回路において、前記電流源に備えるトランジスタは、そのゲート絶縁膜の厚さが所定厚さの低耐圧トランジスタで構成され、前記差動スイッチを構成する第1及び第2のトランジスタは、そのゲート絶縁膜の厚さが前記低耐圧トランジスタのゲート絶縁膜の所定厚さよりも厚い高耐圧トランジスタで構成されていて、前記差動スイッチを構成する前記第1及び第2のトランジスタのしきい値電圧が、前記電流源に備えるトランジスタのしきい値電圧よりも高く設定されていることを特徴とする。
請求項2記載の発明の電流スイッチ回路は、電流源、及び前記電流源の出力端に接続された差動スイッチを有する電流スイッチ回路であり、前記電流源は、流す電流値を設定するバイアス電圧がゲート端子に印加された少なくとも1つのトランジスタを有し、前記差動スイッチは、第1及び第2のトランジスタを有し、前記両トランジスタは、その各ソース端子が前記電流源の出力端に並列に接続され、その両ドレイン端子が第1及び第2の出力端子となり、その両ゲート端子に相補の信号が入力されており、更に、前記差動スイッチの前記第1及び第2のトランジスタは、それらのしきい値電圧の絶対値が、前記電流源を構成するトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも高く設定されている電流スイッチ回路において、前記差動スイッチを構成する第1及び第2のトランジスタは、その不純物の注入濃度が、前記電流源を構成するトランジスタの不純物の注入濃度とは異なる濃度に設定されて、前記差動スイッチを構成する前記第1及び第2のトランジスタのしきい値電圧が、前記電流源に備えるトランジスタのしきい値電圧よりも高く設定されていることを特徴とする。
請求項3記載の発明は、前記請求項1及び2の何れか1項に記載の電流スイッチ回路において、前記電流源を構成するトランジスタのサブストレート端子には、所定電圧が印加され、前記差動スイッチを構成する第1及び第2のトランジスタのサブストレート端子には、前記所定電圧よりも高い電圧が印加されていて、前記差動スイッチを構成する前記第1及び第2のトランジスタのしきい値電圧が、前記電流源に備えるトランジスタのしきい値電圧よりも高く設定されていることを特徴とする。
請求項4記載の発明のD/Aコンバータは、前記請求項1〜3の何れか1項に記載の電流スイッチ回路を備えたことを特徴とする。
請求項5記載の発明の半導体集積回路は、前記請求項4記載のD/Aコンバータを備えたことを特徴とする。
請求項6記載の発明の通信機器は、前記請求項5記載の半導体集積回路を備えたことを特徴とする。
以上により、本発明では、差動スイッチを構成する第1及び第2のトランジスタのしきい値電圧を高くすることができるので、電流スイッチ回路の特性劣化を生じることなく、出力電圧範囲を広く設定することができると共に、製造プロセスのばらつき等に起因するしきい値電圧のばらつきに拘わらず、出力電圧範囲を一定に保って、製造ばらつきに対して強くできる。
特に、本発明では、複数個の電流スイッチ回路を備えてD/Aコンバータを構成する場合には、1つのしきい値電圧制御回路をその複数個の電流スイッチ回路で共用できるので、このD/Aコンバータを備える半導体チップの面積増大を効果的に抑制できると共に、消費電力を低減できる。
また、本発明では、差動スイッチを構成する第1及び第2のトランジスタのしきい値電圧を、製造方法によって高く設定するので、回路規模増大を伴わずに、電流スイッチ回路の特性劣化を生じさせることなく、出力電圧範囲を広くすることが可能である。
以上説明したように、本発明によれば、差動スイッチを構成する第1及び第2のトランジスタのしきい値電圧を高くすることによって、電流スイッチ回路の特性劣化を生じることなく、出力電圧範囲を広く設定したので、半導体チップの面積の増大や消費電力の増大を抑制できると共に、製造プロセスのばらつきに拘わらず出力電圧範囲を所定範囲に一定に保持することができる。
本発明の実施形態1の電流スイッチ回路を備えたD/Aコンバータの全体概略構成を示す図である。 同D/Aコンバータに備える電流スイッチ回路の内部構成を示す回路図である。 本発明の実施形態2の電流スイッチ回路の内部要部構成を示す回路図である。 本発明の実施形態3の電流スイッチ回路の内部要部構成を示す回路図である。 従来の電流スイッチ回路、その駆動部及び出力負荷抵抗を示す回路図である。 従来の他の電流スイッチ回路、その駆動部及び出力負荷抵抗を示す回路図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、従来技術と同一の構成要素については、同一の番号を付して説明する。
(実施形態1)
図1は、本実施形態の電流スイッチ回路を備えたD/Aコンバータの全体概略構成を示す。
同図は、3bitのデジタル信号をアナログ信号に変換する電流駆動型D/Aコンバータ10を示している。本D/Aコンバータ10は、カスコード接続されたトランジスタからなる4つの電流源IS1〜IS4を有しており、その電流値は、バイアス回路103からゲート端子に印加されるバイアス電圧Vib、Vbcにより、決定される。
それら各々の電流源IS1〜4の出力端子は、差動スイッチSW1〜SW4に接続されて、電流スイッチ基本回路101、102a〜102cを構成する。電流スイッチ基本回路101はLSB電流を出力するLSB用電流スイッチ基本回路(下位電流スイッチ)、電流スイッチ基本回路102a〜102cはMSB電流を出力する3つのMSB用電流スイッチ基本回路(上位電流スイッチ)である。上位電流スイッチ基本回路102a〜102cは、3個の同じ大きさの電流を出力する温度計コード電流スイッチであり、下位電流スイッチ基本回路101は、温度計電流源の1/2に重み付けされたバイナリーコード電流スイッチである。
各々の差動スイッチSW1〜SW4は、それ等の一方の出力端子同士が接続されて正転出力端子DAOUTを形成し、他方の出力端子同士が接続されて反転出力端子NDAOUTを形成する。
一方、デジタル入力端子IN1〜IN3から入力されるデジタル入力信号は、先ず、デコーダー回路104でデジタル信号D1〜D4にデコードされ、それらデコードされた信号が、差動スイッチSW1〜SW4を制御することにより、各電流源IS1〜IS4の出力電流を正転出力端子DAOUTへ流すか、反転出力端子NDAOUTへ流すかを切り替えている。
以上のようにして、デジタル入力コードに応じて、正転出力端子DAOUT及び反転出力端子NDAOUTで、電流源IS1〜IS4からの電流が加算され、アナログ出力電流が得られる。
正転出力端子DAOUTと反転出力端子NDAOUTには、各々、グランド間に抵抗素子13、14が接続され、アナログ出力電流は電圧に変換され、デジタル入力コードに応じた差動のアナログ出力電圧が得られることになる。
図2は、前記D/Aコンバータ10に備える電流スイッチ基本回路101、102a〜102cの内部構成を示す。これ等の電流スイッチ基本回路は図2では、電流スイッチ基本回路1〜Nとして記載される。
図2において、電流スイッチ基本回路1〜Nは同一構成であるので、電流スイッチ基本回路1の内部構成のみを具体的に示している。電流スイッチ基本回路1は、電流源11及び差動スイッチ12を有する。5はしきい値電圧制御回路であって、前記電流スイッチ基本回路1としきい値電圧制御回路5とにより、本願発明の電流スイッチ回路Aを構成する。同様に、電流スイッチ基本回路2〜Nの各々と前記しきい値電圧制御回路5とにより、本願発明の電流スイッチ回路Aが構成される。従って、図2では、各電流スイッチ基本回路1〜Nがしきい値電圧制御回路5を共用して、各々、電流スイッチ回路Aを形成する構成となっている。
前記電流スイッチ基本回路1において、低電源電圧で動作させるため電流源11は、ゲート絶縁膜の膜厚の薄い低耐圧Pチャンネル型MOSトランジスタTr111、Tr112から構成され、一方のトランジスタTr111のソース端子は第1の電源電位VDDと接続され、そのドレイン端子はトランジスタTr112のソース端子に接続され、ゲート端子には安定化した電圧Vbias1が印加される。他方のトランジスタTr112のドレイン端子はノードN1に接続され、そのゲート端子には安定化した電圧Vbias2が印加される。また、それ等の2個のトランジスタTr111、Tr112のサブストレート端子は、第1の電源電位VDDと接続される。
前記差動スイッチ12は、前記電流源11と同じ低耐圧Pチャンネル型MOSトランジスタTr121、Tr122から構成され、一方のトランジスタTr121のソース端子はノードN1と接続され、そのドレイン端子は正転出力端子(第1の出力端子)DAOUT1に接続され、ゲート端子には駆動部2より出力される正相のディジタル信号が印加される。他方のトランジスタTr122のソース端子はノードN1に接続され、そのドレイン端子は反転出力端子(第2の出力端子)NDAOUT1に接続され、ゲート端子には駆動部2より出力される逆相のディジタル信号が印加される。また、前記2個のトランジスタTr121、Tr122のサブストレート端子は、しきい値電圧制御回路5の出力端子Vboutに接続される。
駆動部2は、ディジタル信号が入力される入力端子Dと、出力端子DATA、NDATAとを有しており、一方の出力端子DATAは、前記差動スイッチ12を構成するトランジスタTr121のゲート端子に接続され、他方の出力端子NDATAはトランジスタTr122のゲート端子に接続される。
出力負荷抵抗R1は、正転出力端子DAOUT1と第2の電源電位VSSとの間に接続され、出力負荷抵抗R2は、反転出力端子NDAOUT1と第2の電源電位VSSとの間に接続される。
前記しきい値電圧制御回路5は、基準電圧発生回路51と、しきい値電圧モニター回路521を具備するサブストレート電圧制御回路52とから構成される。前記基準電圧発生回路51は、抵抗R511、R512、Nチャンネル型MOSトランジスタTr511、オペアンプOP511とから構成され、抵抗R511はバイアス電圧VBとノードVaとの間に接続され、トランジスタTr511のドレイン端子はノードVaと、そのソース端子はノードN511と接続され、ゲート端子はオペアンプOP511の出力端子と接続される。オペアンプOP511の正入力端子は外部端子Vinと接続されており、その負入力端子はノードN511と接続されている。抵抗R512は、ノードN511と第2の電源電位VSSとの間に接続されている。
前記サブストレート電圧制御回路52は、オペアンプOP521と、しきい値電圧モニター回路521から構成される。しきい値電圧モニター回路521は、しきい値電圧モニター用のPチャンネル型MOSトランジスタTr521と、電流源I521とを備える。前記しきい値電圧モニター用のトランジスタTr521のソース端子はバイアス電圧VBと接続され、そのドレイン端子及びゲート端子は共にノードN521に接続され、このノードN521はオペアンプOP521の正入力端子に接続される。前記電流源I521は、ノードN521と第2の電源電位VSSとの間に接続されていて、数μA程度の微小電流を流す。オペアンプOP521の負入力端子は、基準電圧発生回路51のノードVaと接続され、その出力端子は前記しきい値電圧モニター用のトランジスタTr521のサブストレート端子と出力端子Vboutとに接続される。
バイアス電圧VBは、しきい値電圧を制御したいトランジスタのソース端子(本実施形態では、ノードN1)の電圧に等しく設定される。
以上のように構成された、電流スイッチ回路A、その駆動部2及び出力負荷抵抗R1、R2について、以下にその動作を説明する。
電流源11内のトランジスタTr111は定電流源として動作しており、バイアス電圧Vbias1は所望の電流値を満たすように設定される。電流源11内のトランジスタTr112は、トランジスタTr111にカスコード接続されており、電流源の出力抵抗を増加させて、ノードN1の電圧変動に対して電流を一定に保つ役割を担っている。差動スイッチ12は、電流源11から出力された定電流Ioutを、駆動部2より出力される相補的なディジタル信号に応じて定電流Ioutの流れる方向を切り換え、正転出力端子DAOUT1又は反転出力端子NDAOUT1に出力電流Ioutを流す。
駆動部2は入力されるディジタル信号Dinに応じて、差動スイッチ12へ出力する相補的なディジタル信号を生成する。
出力負荷抵抗R1、R2は、出力電流Ioutが流れることによりR1、R2の抵抗値と出力電流Ioutの電流値で求まる正相の出力電圧を正転出力端子DAOUT1、又は逆相の出力電圧を反転出力端子NDAOUT1に発生させる。
しきい値電圧制御回路5内の基準電圧発生回路51は、負帰還回路であり、外部からの入力電圧VinがオペアンプOP511の正入力端子に入力される。(入力電圧Vinには、電源電圧、温度に依存しないバンドギャップリファレンス(BGR)の出力電圧が望ましい。)そして、ノードN511の電圧は入力電圧Vinに等しくなるので、抵抗R511、Tr511、R512には、入力電圧Vinと抵抗R512の抵抗値とで決まる電流が流れ、その電流値は下記(3)式から求まる。
I51=Vin/R512…(3)
ノードVaの電位は、バイアス電圧VBから抵抗R511の電圧降下分を差し引いた電位となり、以下の式(4)で求まる
Va=VB−I51・R511
・・・(4)
サブストレート電圧制御回路52において、しきい値電圧モニター回路521を構成するしきい値電圧モニター用トランジスタTr521に流れる電流は、電流源I521によって決まり、電流源I521は微小電流しか流さないように設定する。その場合、下記(5)式より、しきい値電圧モニター用トランジスタTr521のゲート−ソース間電圧Vgsは、そのしきい値電圧Vthと同程度の値(しきい値電圧モニター用トランジスタTr521がオン、オフする境界付近。Vgs≒Vth)となる。
Id=κ(Vgs−Vth)
・・・(5)
尚、式(5)において、κはトランジスタサイズに依存した定数である。
また、基準電圧発生回路51の出力電圧VaがオペアンプOP521の負入力端子に入力されると、下記式(6)に従って、しきい値電圧モニター用トランジスタTr521のしきい値電圧が制御され、ノードN521の電圧がVaに等しくなり、しきい値電圧モニター用トランジスタTr521のゲート端子にかかる電圧もノードVaの電位となる。
Vth=Vt0+γ(√(2φf+Vsb)−√(2φf))
=Vt0+Vc
・・・(6)
ここで、Vt0はVsb=0V時のしきい値電圧、Vcはγ(√(2φf+Vsb)−√(2Φf))から求まる値、φfはフェルミレベル、γはトランジスタ固有のパラメータ、Vbsはサブストレート−ソース間電圧である。
すなわち、しきい値電圧モニター用トランジスタTr521のゲート端子には前記(4)式から求まる電圧Vaが印加され、しきい値電圧モニター用トランジスタTr521のソース端子はバイアス電圧VBが印加されるため、このしきい値電圧モニター用トランジスタTr521にかかるゲート−ソース間電圧Vgsは、|Vgs|=|VB−Va|となる。また、|Vth|≒|Vgs|の関係から下記(7)式が成り立つ。
|Vth|≒|Vgs|=|VB−Va|
=|VB−(VB−I51・R511)|
=|I51・R511|
=|(Vin/R512)・R511|
・・・(7)
つまり、前記(7)式から、外部入力電圧Vin、内部抵抗R511、R512により、しきい値電圧モニター用トランジスタTr521のしきい値電圧を制御できることが判る。
また、前述したように、しきい値電圧モニター用トランジスタTr521のゲート−ソース間電圧Vgsはほぼしきい値電圧Vthに等しいので、サブストレート電圧制御回路52は、しきい値電圧モニター用トランジスタTr521のしきい値電圧を|VB−Va|に等しくするような電圧を出力端子Vboutに出力することになる。
差動スイッチ12を構成する2個のトランジスタTr121、Tr122のサブストレート端子にも同様に、電圧Vboutを印加しているので、しきい値電圧モニター用トランジスタTr521と同等の特性を示すトランジスタを用いることにより、しきい値電圧モニター用トランジスタTr521と同等のしきい値電圧に設定することができることが判る。そのためには、差動スイッチ12を構成する2個のトランジスタTr121、Tr122のゲート長を前記しきい値電圧モニター用トランジスタTr521と同じゲート長Lにするのが望ましい。また、D/Aコンバータ10内で複数のサイズの差動スイッチを構成するトランジスタを用いる場合には、しきい値電圧モニター用トランジスタTr521のゲート幅Wは、図1に示したLSB用電流スイッチ基本回路101の差動スイッチに用いる最小サイズのトランジスタのゲート幅W以上に大きくする方が望ましい。
尚、本実施形態では、差動スイッチ12を構成するトランジスタTr121、Tr122に低耐圧トランジスタを用いたが、電流源11のトランジスタTr111の所定厚さのゲート絶縁膜よりもゲート絶縁膜の厚い高耐圧トランジスタを用いたり、ゲート絶縁膜は薄いが、製造プロセス工程における不純物注入工程において不純物濃度を低く設定することにより、差動スイッチ12を構成するPチャンネルトランジスタTr121、Tr122のしきい値電圧を、電流源11を構成するPチャンネルトランジスタTr111のしきい値電圧よりも大きくする構成を採用しても良い。
以上のように、この第1の実施形態の電流スイッチ回路Aは、しきい値電圧制御回路5を備えることにより、差動スイッチ12を構成するトランジスタTr121、Tr122のしきい値電圧をほぼ一定に制御することができる。
また、サブストレート電圧制御回路52が接続されることにより、出力電圧範囲(差動スイッチ12を構成するPチャンネル型MOSトランジスタTr121、Tr122が飽和領域で動作する領域)を、従来での技術では0〜0.3V程度の範囲に限定されていたものが、0〜(VDD−Va)Vまで広げることができるといった利点があり、同時に、しきい値電圧を制御できるので、製造プロセスばらつき、特に、しきい値電圧ばらつきによらず出力電圧範囲を一定に保つことができて、製造ばらつき、及び温度変化に強いといった利点もある。
(実施形態2)
図3は、本発明の第2の実施形態を示す電流スイッチ回路A内の電流スイッチ基本回路1、その駆動部2、及び出力負荷抵抗R1、R2の構成図である。実施形態1とは異なり、電流スイッチ回路A内には、しきい値電圧制御回路は存在しない。
電流スイッチ基本回路1は、電流源11と差動スイッチ12とから構成される。低電源電圧で動作させるため電流源11は、ゲート絶縁膜の膜厚の薄い低耐圧Pチャンネル型MOSトランジスタTr111、Tr112から構成され、一方のトランジスタTr111のソース端子は第1の電源電位VDDと接続され、そのドレイン端子はTr112のソース端子に接続され、ゲート端子には安定化した電圧Vbias1が印加される。他方のトランジスタTr112のドレイン端子はノードN1に接続され、そのゲート端子には安定化した電圧Vbias2が印加される。また、前記2個のトランジスタTr111、Tr112のサブストレート端子には、第1の電源電位VDDと接続される。
差動スイッチ12は、前記電流源11と同じ低耐圧Pチャンネル型MOSトランジスタTr121、Tr122から構成され、一方のトランジスタTr121のソース端子はノードN1と接続され、そのドレイン端子は正転出力端子DAOUT1に接続され、ゲート端子には駆動部2より出力される正相のディジタル信号が印加される。他方のトランジスタTr122のソース端子はノードN1に接続され、そのドレイン端子は反転出力端子NDAOUT1に接続され、ゲート端子には駆動部2より出力される逆相のディジタル信号が印加される。また、これ等2個のトランジスタTr121、Tr122のサブストレート端子には、第1の電源電位VDDよりも高い第3の電源電位VDD1が印加される。
駆動部2は、ディジタル信号が入力される入力端子Dと、相補の出力端子DATA、NDATAを有しており、出力端子DATAは前記差動スイッチ12を構成するトランジスタTr121のゲート端子に接続され、他方の出力端子NDATAは他方のトランジスタTr122のゲート端子に接続される。
出力負荷抵抗R1は、正転出力端子DAOUT1と第2の電源電位VSSとの間に接続され、出力負荷抵抗R2は、反転出力端子NDAOUT1と第2の電源電位VSSとの間に接続される。
以上のように構成された、電流スイッチ回路A内の電流スイッチ基本回路1、その駆動部2及び出力負荷抵抗R1、R2について、以下にその動作を説明する。
電流源11内のトランジスタTr111は定電流源として動作しており、バイアス電圧Vbias1は所望の電流値を満たすように設定される。電流源11内のトランジスタTr112は、トランジスタTr111にカスコード接続されていて、電流源11の出力抵抗を増加させて、ノードN1の電圧変動に対し電流を一定に保つ役割を担っている。差動スイッチ12は、電流源11から出力された定電流Ioutを駆動部2より出力される相補的なディジタル信号に応じて定電流Ioutの流れる方向を切り換え、正転出力端子DAOUT1又は反転出力端子NDAOUT1に出力電流Ioutを流す。
駆動部2は、入力されるディジタル信号Dinに応じて、差動スイッチ12へ出力する相補的なディジタル信号を生成する。
出力負荷抵抗R1、R2は、出力電流Ioutが流れることにより、抵抗R1、R2の抵抗値と出力電流Ioutの電流値とで求まる正相の出力電圧を正転出力端子DAOUT1に、逆相の出力電圧を反転出力端子NDAOUT1に発生させる。
また、前述したように、しきい値電圧Vtは前記(6)式で求まるので、しきい値電圧は、サブストレート端子に印加する電圧に正比例することが判る。この効果を利用し、差動スイッチ12を構成するトランジスタTr121、Tr122のサブストレート端子に第1の電源電圧VDDより高い第3の電源電圧VDD1を印加することにより、式(6)に示すように、しきい値電圧をVc(V)高くすることができる。
尚、本実施形態では、差動スイッチ12を構成するトランジスタTr121、Tr122に低耐圧トランジスタを用いているが、ゲート絶縁膜の厚い高耐圧トランジスタや、ゲート絶縁膜は薄いが、不純物の注入濃度の異なる高いしきい値電圧のトランジスタを用いて良いことは言うまでもない。
以上のように、この第2の実施形態の電流スイッチ回路A内の電流スイッチ基本回路1は、従来のように駆動部にオフセット回路301という付加回路を用いることなく、差動スイッチ12を構成するトランジスタTr121、Tr122のしきい値電圧を変化させることができるので、回路の素子数を増加させることなく、出力電圧範囲(差動スイッチ12を構成するPチャンネル型MOSトランジスタTr121、Tr122が飽和領域で動作する範囲)を、従来では0〜0.3V程度の範囲に限定されていたものが、0〜0.3+Vc(V)まで広げることができるといった利点がある。
(実施形態3)
図4は、本発明の第3の実施形態を示す電流スイッチ回路A内の電流スイッチ基本回路1、その駆動部2、及び出力負荷抵抗R1、R2の構成を示す。実施形態1とは異なり、電流スイッチ回路A内には、しきい値電圧制御回路は存在しない。
同図において、電流スイッチ基本回路1は、電流源11と差動スイッチ12とから構成される。低電源電圧で動作させるため電流源11は、ゲート絶縁膜の膜厚の薄い低耐圧Pチャンネル型MOSトランジスタTr111、Tr112から構成される。一方のトランジスタTr111のソース端子は第1の電源電位VDDと接続され、そのドレイン端子はTr112のソース端子に接続され、ゲート端子には安定化した電圧Vbias1が印加される。他方のトランジスタTr112のドレイン端子はノードN1に接続され、そのゲート端子には安定化した電圧Vbias2が印加される。また、これ等2個のトランジスタTr111、Tr112のサブストレート端子には第1の電源電位VDDと接続される。
差動スイッチ12は、ゲート絶縁膜の膜厚の厚い高耐圧Pチャンネル型MOSトランジスタTr123、Tr124から構成される。一方のトランジスタTr123のソース端子はノードN1と接続され、そのドレイン端子は正転出力端子DAOUT1に接続され、ゲート端子には駆動部2より出力される正相のディジタル信号が印加される。他方のトランジスタTr124のソース端子はノードN1に接続され、そのドレイン端子は反転出力端子NDAOUT1に接続され、ゲート端子には駆動部2より出力される逆相のディジタル信号が印加される。ここで、高耐圧トランジスタのしきい値電圧Vthの絶対値は、前記低耐圧トランジスタのしきい値電圧の絶対値(Vth≒0.3V)に比較して高く、例えば0.8V程度とする。
駆動部2は、ディジタル信号が入力される入力端子Dと、相補の出力端子DATA、NDATAを有しており、出力端子DATAは前記差動スイッチ12を構成するトランジスタTr123のゲート端子に接続され、出力端子NDATAはトランジスタTr124のゲート端子に接続される。
出力負荷抵抗R1は、正転出力端子DAOUT1と第2の電源電位VSSとの間に接続され、出力負荷抵抗R2は、反転出力端子NDAOUT1と第2の電源電位VSSとの間に接続される。
以上のように構成された電流スイッチ基本回路1、その駆動部2及び出力負荷抵抗R1、R2について、以下にその動作を説明する。
電流源11内のTr111は定電流源として動作しており、バイアス電圧Vbias1は所望の電流値を満たすように設定される。電流源11内のトランジスタTr112は、トランジスタTr111にカスコード接続されており、電流源11の出力抵抗を増加させて、ノードN1の電圧変動に対して電流を一定に保つ役割を担っている。差動スイッチ12は、電流源11から出力された定電流Ioutを、駆動部2より出力される相補的なディジタル信号に応じて定電流Ioutの流れる方向を切り換え、正転出力端子DAOUT1又は反転出力端子NDAOUT1に出力電流Ioutを流す。
駆動部2は、入力されるディジタル信号Dinに応じて、差動スイッチ12へ出力する相補的なディジタル信号を生成する。
出力負荷抵抗R1、R2は、出力電流Ioutが流れることにより、抵抗R1、R2の抵抗値と出力電流Ioutの電流値とで求まる正相の出力電圧を正転出力端子DAOUT1に、逆相の出力電圧を反転出力端子NDAOUT1に発生させる。
先に述べたように、最大出力電圧は差動スイッチ12を構成するトランジスタTr123、Tr124のしきい値電圧に等しく、前記差動スイッチ12を構成するトランジスタTr123、Tr124は高耐圧のトランジスタを用いているので、そのしきい値電圧は0.8V程度である。よって、前記差動スイッチ12を構成するトランジスタTr123、Tr124が低耐圧トランジスタ(Vth≒0.3V)の場合と比較して、出力電圧範囲を0.5V高くできる。
尚、本実施形態では、差動スイッチ12を構成するトランジスタにゲート絶縁膜の膜厚の厚い高耐圧トランジスタを用いたが、ゲート絶縁膜の膜厚が低耐圧トランジスタと同じで、不純物の注入濃度の異なる高いしきい値電圧のトランジスタを用いても良いことは言うまでもない。
以上のように、この第3の実施形態の電流スイッチ回路A内の電流スイッチ基本回路1は、従来のように駆動部にオフセット回路301という付加回路を用いることなく、差動スイッチ12を構成するトランジスタTr123、Tr124のしきい値電圧の絶対値を高くすることにより、D/Aコンバータ回路の素子数を増加させることなく、出力電圧範囲(差動スイッチ12を構成するPチャンネル型MOSトランジスタTr123、Tr124が飽和領域で動作する領域)を、従来での技術では0〜0.3V程度の範囲に限定されていたものが、0〜0.8Vまで広げることができる利点がある。
尚、以上の説明では、差動スイッチ12を構成する2個のトランジスタTr121、Tr122をPチャネル型の電界効果トランジスタで構成したが、Nチャネル型の電界効果トランジスタで構成しても良いのは勿論である(電流源をNチャネル型の電界効果トランジスタで構成した場合は、差動スイッチもNチャネル型であるのが一般的である)。このような電流スイッチ基本回路1は電流加算型D/Aコンバータ10に内蔵されることが好適であるが、他の回路にも使用できるのは勿論である。
また、以上で説明した電流加算型D/Aコンバータ10は、無線LAN用LSI、携帯電話又はケーブルモデム若しくはADSLモデム等の各アナログ信号送信用の送信部(半導体集積回路)や、それ等の送信部を備えた無線LAN装置等の通信機器に使用される。
更に、以上の説明では、電流スイッチ回路Aを例として記載したが、しきい値電圧制御回路5は、トランジスタのしきい値が変わることにより特性が変わる他の回路(例えば、ソースフォロア回路やオペアンプ回路等)に応用できることは勿論である。
以上説明したように、本発明は、例えば電流スイッチ回路に具備される差動スイッチを構成するトランジスタのしきい値電圧を制御して高く設定することにより、低電源電圧時に課題となる、ダイナミックレンジの低下を改善し、出力電圧範囲を大きく取ることができ、また、面積及び消費電力の増大も抑えることができ、更には、製造プロセスばらつき、特に、しきい値電圧ばらつきによらず出力電圧範囲を一定に保つことができ、製造ばらつきに強いという特徴も有するので、D/Aコンバータや、これを備えた半導体集積回路、及び前記半導体集積回路を備えた通信機器として有用である。
A 電流スイッチ回路
1 電流スイッチ基本回路
2 駆動部
5 しきい値電圧制御回路
10 D/Aコンバータ
11、21 電流源
12、22 差動スイッチ
13、14 抵抗素子
51 基準電圧発生回路
52 サブストレート電圧制御回路
521 しきい値電圧モニター回路
Vbias1 バイアス電圧1の印加端子
Vbias2 バイアス電圧2の印加端子
VB バイアス電圧3
DAOUT1、DAOUT10 正転出力端子(第1の出力端子)
NDAOUT1、NDAOUT10 反転出力端子(第2の出力端子)
Tr111 電流源に備えるトランジスタ
Tr521 しきい値電圧モニター用トランジスタ
101、102a〜102c 電流スイッチ基本回路
103 バイアス回路
104 デコーダー回路

Claims (6)

  1. 電流源、及び前記電流源の出力端に接続された差動スイッチを有する電流スイッチ回路であり、
    前記電流源は、流す電流値を設定するバイアス電圧がゲート端子に印加された少なくとも1つのトランジスタを有し、
    前記差動スイッチは、第1及び第2のトランジスタを有し、前記両トランジスタは、その各ソース端子が前記電流源の出力端に並列に接続され、その両ドレイン端子が第1及び第2の出力端子となり、その両ゲート端子に相補の信号が入力されており、
    更に、前記差動スイッチの前記第1及び第2のトランジスタは、それらのしきい値電圧の絶対値が、前記電流源を構成するトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも高く設定されている電流スイッチ回路において、
    前記電流源に備えるトランジスタは、そのゲート絶縁膜の厚さが所定厚さの低耐圧トランジスタで構成され、
    前記差動スイッチを構成する第1及び第2のトランジスタは、そのゲート絶縁膜の厚さが前記低耐圧トランジスタのゲート絶縁膜の所定厚さよりも厚い高耐圧トランジスタで構成されていて、
    前記差動スイッチを構成する前記第1及び第2のトランジスタのしきい値電圧が、前記電流源に備えるトランジスタのしきい値電圧よりも高く設定されている
    ことを特徴とする電流スイッチ回路。
  2. 電流源、及び前記電流源の出力端に接続された差動スイッチを有する電流スイッチ回路であり、
    前記電流源は、流す電流値を設定するバイアス電圧がゲート端子に印加された少なくとも1つのトランジスタを有し、
    前記差動スイッチは、第1及び第2のトランジスタを有し、前記両トランジスタは、その各ソース端子が前記電流源の出力端に並列に接続され、その両ドレイン端子が第1及び第2の出力端子となり、その両ゲート端子に相補の信号が入力されており、
    更に、前記差動スイッチの前記第1及び第2のトランジスタは、それらのしきい値電圧の絶対値が、前記電流源を構成するトランジスタのしきい値電圧の絶対値よりも高く設定されている電流スイッチ回路において、
    前記差動スイッチを構成する第1及び第2のトランジスタは、
    その不純物の注入濃度が、前記電流源を構成するトランジスタの不純物の注入濃度とは異なる濃度に設定されて、
    前記差動スイッチを構成する前記第1及び第2のトランジスタのしきい値電圧が、前記電流源に備えるトランジスタのしきい値電圧よりも高く設定されている
    ことを特徴とする電流スイッチ回路。
  3. 前記請求項1及び2の何れか1項に記載の電流スイッチ回路において、
    前記電流源を構成するトランジスタのサブストレート端子には、所定電圧が印加され、
    前記差動スイッチを構成する第1及び第2のトランジスタのサブストレート端子には、前記所定電圧よりも高い電圧が印加されていて、
    前記差動スイッチを構成する前記第1及び第2のトランジスタのしきい値電圧が、前記電流源に備えるトランジスタのしきい値電圧よりも高く設定されている
    ことを特徴とする電流スイッチ回路。
  4. 前記請求項1〜3の何れか1項に記載の電流スイッチ回路を備えた
    ことを特徴とするD/Aコンバータ。
  5. 前記請求項4記載のD/Aコンバータを備えた
    ことを特徴とする半導体集積回路。
  6. 前記請求項5記載の半導体集積回路を備えた
    ことを特徴とする通信機器。
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