JP2011518479A - 高電圧耐性の入出力インターフェイス回路 - Google Patents

高電圧耐性の入出力インターフェイス回路 Download PDF

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Abstract

高電圧耐性の用途で用いるIOインターフェイス回路が提供される。このIOインターフェイス回路は、信号パッド、ならびにインターフェイス回路の電圧帰路に接続するように適合されたエミッタ、第1の制御信号を受け取るように適合されたベース、およびオープンコレクタ構成で信号パッドに直接接続されたコレクタを有する少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタを含む。このインターフェイス回路は、寄生バイポーラ・トランジスタに結合されて第1の制御信号を発生する働きをするMOS制御回路をさらに含む。このIOインターフェイス回路は、インターフェイス回路の電圧源と信号パッドとの間に接続されたアクティブ・プルアップ回路をさらに含んでよい。

Description

本発明は、一般に電気技術および電子技術に関し、より詳細には入出力(IO)インターフェイス回路に関する。
例えばIOバッファなどのIOインターフェイス回路の使用は周知である。高度な相補型金属酸化膜半導体(CMOS)集積回路(IC)プロセス技術では、低電圧IOバッファに向けた取組みが行われている。40ナノメートル(nm)のIC製造プロセスでは、例えば1.8ボルトのトランジスタが容易に採用されている。しかし、低電圧トランジスタを利用する取組みにもかかわらず、高電圧(例えば5ボルト)とのインターフェイスを必要とする特定のIO用途において高電圧耐性の必要性が依然として存在している。そのような用途の1つに、発光ダイオード(LED)駆動回路がある。
従来型の高電圧耐性IOインターフェイス回路は、一般に積層型金属酸化物半導体(MOS)デバイスを用いる。この構成の一実施例が、Clarkらの米国特許第6,388,475号に説明されている。この回路構成は、2つ以上のデバイスにわたって電圧を分配することにより、個々のデバイスに対する過電圧ストレスを緩和する助けとなり得るが、高電圧耐性のフェールセーフ仕様のなかには、回路への電力が遮断されたときさえ、回路が所定電圧に耐えることを必要とするものがある。これによって、積層型MOSデバイス手法に対する問題が生じる。さらに、積層型MOSデバイスを利用すると、非積層型デバイスの機構と比較してICのより大きな面積が必要となり、したがって望ましくない。
高電圧耐性の出力段を形成する別の既知の手法に、厚い酸化物MOSデバイスを用いるものがある。しかし、この手法の欠点の1つに、追加のIC製造ステップが必要であり総原価が増加するということがある。
したがって、従来型IOインターフェイス回路に関連した1つまたは複数の前述の問題がない、高電圧耐性のIOインターフェイス回路に対する必要性が存在する。
米国特許第6,388,475号
本発明の例示的実施形態は、高電圧信号に対する耐性を改善したIOインターフェイス回路を提供することにより、上記の必要性を満たす。本発明の技法は、MOSデバイスと比較してより高い電圧耐性を有する1つまたは複数の寄生バイポーラ・トランジスタを利用することにより、積層型MOSデバイスに対する必要性を有利に解消する。さらに、本発明の技法は、そのような改善された高電圧耐性を用いる標準CMOS加工技術を提供し、したがって、従来型IOインターフェイス回路と比較して、いかなる顕著なコストも追加しない。
本発明の一態様によれば、高電圧耐性の用途で用いるIOインターフェイス回路が提供される。このIOインターフェイス回路は、信号パッド、ならびにインターフェイス回路の電圧帰路に接続するエミッタ、第1の制御信号を受け取るように適合されたベース、およびオープンコレクタ構成で信号パッドに直接接続されたコレクタを有する少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタを含む。このインターフェイス回路は、寄生バイポーラ・トランジスタに結合されて第1の制御信号を発生する働きをするMOS制御回路をさらに含む。
本発明の別の態様によれば、高電圧耐性の用途で用いるIOインターフェイス回路は、信号パッド、ならびに第1の電圧源に接続するエミッタ、第1の制御信号を受け取るように適合されたベース、および信号パッドに直接接続されたコレクタを含む少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタを含む。このインターフェイス回路は、第2の電圧源と信号パッドとの間に接続されたアクティブ・プルアップ回路をさらに含む。アクティブ・プルアップ回路は、第1の制御信号の論理的補数である第2の制御信号を受け取るように適合される。MOS制御回路は、第1の寄生バイポーラ・トランジスタに結合されて第1および第2の制御信号を発生する働きをする。
本発明の、これらおよび他の特徴、態様および利点が、添付図面に関連して解釈されることになる例示的実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
高電圧耐性の用途で用いる従来型出力段の少なくとも一部分を示す概略図である。 本発明の一実施形態による、高電圧耐性の用途で用いる例示的IOインターフェイス回路の少なくとも一部分を示す概略図である。 本発明の別の実施形態による、高電圧耐性の用途で用いる例示的IOインターフェイス回路の少なくとも一部分を示す概略図である。 本発明の一実施形態による、高電圧耐性の用途で用いる例示的アクティブ・プルアップIOインターフェイス回路の少なくとも一部分を示す概略図である。 本発明の別の実施形態による、高電圧耐性の用途で用いる例示的アクティブ・プルアップIOインターフェイス回路の少なくとも一部分を示す概略図である。
本発明は、本明細書で、例示的IOインターフェイス回路との関連で説明されることになる。しかし、本発明は、本明細書に示されて説明される回路に限定されないことを理解されたい。むしろ、本発明の実施形態は、高電圧に対して向上した耐性を有するインターフェイス回路から利益を得ることができる任意の用途で実施されてよい。本発明の好ましい実施形態は、シリコン・ウェハで製作されてよいが、本発明の実施形態は、代わりに、ガリウム砒素(GaAs)、リン化インジウム(InP)などを含むがこれらには限定されない他の材料を含むウェハで製作され得る。
図1は、高電圧耐性の用途で用いる従来型IOインターフェイス回路100の少なくとも一部分を示す概略図である。インターフェイス回路100は、IOパッド102およびIOパッドに接続されたオープンコレクタ出力段を含み、出力段は、1対の積層型nチャネルMOS(NMOS)トランジスタ・デバイスを備える。具体的には、第1のNMOSデバイス104および第2のNMOSデバイス106は、NMOSデバイス104のドレイン(D)がIOパッド102に接続され、NMOSデバイス104のソース(S)がNMOSデバイス106のドレインに接続され、NMOSデバイス106のソースがアースに接続され、また、NMOSデバイス104および106のゲート(G)がCMOS制御回路108に接続されるように構成される。制御回路108は、制御回路に供給された入力信号Vinの関数としてNMOSデバイス104および106を選択的に作動させるための制御信号を発生する働きをする。図示のように、制御回路108は、標準的なやり方で構成されたインバータを含んでよい。
インターフェイス回路100によって利用される積層型MOSデバイス手法が、IOパッドに印加された電圧をNMOSデバイス104および106にわたって分配することにより、IOパッド102に接続された個々のNMOSデバイス104および106に対する過電圧ストレスを緩和する助けとなり得るが、高電圧耐性のフェールセーフ仕様のなかには、回路への電力が遮断されたときさえ、回路が所定の電圧に耐えることを必要とするものがある。これによって、積層型MOSデバイス手法に対する問題が生じる。さらに、積層型MOSデバイスを利用すると、非積層型デバイスの機構と比較してICのより大きな面積が必要となり、したがって望ましくない。
図2は、本発明の一実施形態による、高電圧耐性の用途で用いる例示的IOインターフェイス回路200の少なくとも一部分を示す概略図である。IOインターフェイス回路200は、IOパッド202または代替信号パッド、ならびにインターフェイス回路の電圧帰路(例えばアースまたはVSS)であり得るインターフェイス回路の第1の電圧源に接続するエミッタ(E)、第1の制御信号Vcを受け取るように適合されたベース(B)、およびオープンコレクタ構成でIOパッドに直接接続されたコレクタ(C)を有する少なくとも1つの第1のバイポーラ・トランジスタ204を含む。用語「オープンコレクタ」は、一般にトランジスタの出力機構を指し、トランジスタのコレクタまたは他の出力端子(例えばドレイン)が、プラス電圧源に接続されずにICのIOパッドでオープン状態のままにされるものである。この機構の利点は、例えばプルアップ抵抗または代替のプルアップ回路(例えば能動デバイス)を用いて、オープンコレクタ出力が広範囲の電圧(例えば出力トランジスタ・デバイスの飽和電圧より高い電圧)に接続され得ることである。このように、オープンコレクタ出力は、様々な電圧レベルとインターフェイスすることができ、それらの電圧のいくつかは、VDDであり得るインターフェイス回路200の第2の供給電圧源よりさらに高くてもよい。
図から明らかなように、バイポーラ・トランジスタ204は、好ましくは寄生NPNトランジスタ(例えば横型NPNまたは縦型NPN)である。比較的低速度(例えば約100メガヘルツ(MHz)未満)が許容できるとき、寄生バイポーラ・デバイスは、MOSデバイスの酸化膜絶縁破壊現象特性の心配のない、はるかに高い電圧耐性を示す。さらに、寄生バイポーラ・デバイスは、追加コストなし、またはほとんどなしで、標準的CMOSプロセスにおいて利用可能である。CMOS製造プロセスを用いてバイポーラ・デバイスを実施するための技法は、当業者に知られている。
インターフェイス回路200は、寄生NPNトランジスタ204に結合されて第1の制御信号Vcを発生する働きをするMOS制御回路206をさらに備える。制御回路206は、例えばpチャネルMOS(PMOS)トランジスタ・デバイスMP、およびインバータとして接続されるNMOSトランジスタ・デバイスMNを含んでよい。より詳細には、PMOSデバイスMPのソース(S)は、インターフェイス回路200の、VDDであり得る供給電圧に接続し、デバイスMPのドレイン(D)は、ノードN1でNMOSデバイスMNのドレインに接続され、デバイスMNのソースは、インターフェイス回路の第1の供給電圧源(例えばアース)に接続し、また、デバイスMPおよびMNのゲート(G)は、インターフェイス回路に供給される入力信号Vinを受け取るためのノードN2でともに接続されて制御回路の入力端を形成する。したがって、制御信号Vcは、入力信号Vinの関数として発生されることになる。制御回路206に対する様々な代替形態の構成が同様に企図され、それらが本発明の範囲内に入ることを理解されたい。制御回路206への1つまたは複数の電圧源接続すなわちVDDおよび/またはアースは、寄生バイポーラ・デバイスへの電圧源接続と同一である必要性はないことを理解されたい。このように、寄生バイポーラ・トランジスタ204は、結合されたMOS制御回路206から電気的に絶縁され得る。
図3に示される代替実施形態では、例示的IOインターフェイス回路300は、IOパッド202と第1の供給電圧源(例えば接地)との間に接続されるのではなく、第2の供給電圧源(例えばVDD)とIOパッドとの間に直接接続されるバイポーラ・トランジスタ302を用いてよい。諸図を通じて、同じ参照数字は同じ要素を示すのに用いられる。この構成では、バイポーラ・トランジスタ302は、VDDに接続されたエミッタ、IOパッド202に直接接続されたコレクタ、および制御信号Vcを受け取るように適合されたベースを有する寄生PNPトランジスタ(例えば横型PNPまたは縦型PNP)を備えてよい。このオープンコレクタの出力段構成は、例えばプルアップ用途で利用されてよい。この例では、寄生バイポーラ・トランジスタ302がオフになるときに、インターフェイス回路300の出力を論理の低レベルに設定するために、IOパッド202に外部抵抗(図示せず)が接続されてよい。
図4は、本発明の別の実施形態による、高電圧耐性の用途で用いる例示的IOインターフェイス回路400の少なくとも一部分を示す概略図である。繰り返しになるが、諸図を通じて、同じ参照数字は同じ要素を示すのに用いられる。図2に示される例示的IOインターフェイス回路200では、IOインターフェイス回路400は、積層型MOSデバイス機構の代わりにIOパッド202に直接接続された少なくとも1つの第1のバイポーラ・トランジスタ204を有利に利用する(例えば図1を参照されたい)。より詳細には、第1のバイポーラ・トランジスタ204は、インターフェイス回路400のアースであり得る第1の供給電圧源に接続するエミッタ、第1の制御信号Vcを受け取るように適合されたベース、およびIOパッド202に直接接続されたコレクタを含んでよい。しかし、図2および図3に示されたように、IOインターフェイス回路400は、オープンコレクタ機構に構成されるのではなく、第2の供給電圧源VDDとIOパッド202との間に接続されたアクティブ・プルアップ回路402を含む。制御信号Vcは、第1のバイポーラ・トランジスタ204に結合された制御回路206によって発生されてよい。
プルアップ回路402を過電圧ストレスから保護するために、プルアップ回路は、少なくとも1つの第2のバイポーラ・トランジスタ404を含む。図から明らかなように、バイポーラ・トランジスタ404は、好ましくは寄生NPNトランジスタとして実施され、寄生NPNトランジスタは、前述のように実質的にMOSデバイスの酸化膜絶縁破壊特性の心配のない高電圧耐性を示す。具体的には、バイポーラ・トランジスタ404のコレクタは第2の供給電圧源VDDに接続し、バイポーラ・トランジスタ404のエミッタはIOパッド202に直接接続され、バイポーラ・トランジスタ404のベースは第2の制御信号Vcbを受け取るように適合される。制御回路206によって発生され得る第2の制御信号Vcbは、好ましくは第1の制御信号Vcの論理的補数である。
一実施例が図5に示されている他の実施形態では、例示的IOインターフェイス回路500は、第2の供給電圧源VDDに接続するエミッタ、IOパッド202に直接接続されたコレクタ、および第1の制御信号Vcの論理的補数である第2の制御信号Vcbを受け取るように適合されたベースを有する寄生PNPトランジスタ504を備えたアクティブ・プルアップ回路502を含んでよい。本発明の教示によるIOインターフェイス回路用に、様々な代替構成が企図されることを理解されたい。
本発明の技法の少なくとも一部分が、1つまたは複数の集積回路で実施されてよい。集積回路を形成する際に、ダイは、半導体ウェハの表面上の繰り返しパターンで通常製作される。ダイのそれぞれが、本明細書に説明されたデバイスを含み、他の構造または回路を含んでよい。個々のダイは、ウェハから切り取られ、あるいはダイシングされ、次いで集積回路としてパッケージングされる。当業者なら、ウェハをダイシングし、ダイをパッケージングして集積回路を作製する方法を知っているはずである。このように製造された集積回路は、本発明の一部と見なされる。
本発明による集積回路は、IOインターフェイス回路を利用するあらゆる用途および/または電子システムで用いられ得る。本発明を実施するのに適当なシステムは、パーソナル・コンピュータ、通信網、電子機器(例えば自動試験装置(ATE))、インターフェイス・ネットワーク、ディスプレイ・システムなどを含み得るが、これらには限定されない。そのような集積回路を組み込むシステムは、本発明の一部と見なされる。本明細書で提供された本発明の教示が与えられると、当業者なら、本発明の技法の他の実装形態および用途を企図することができるはずである。
本発明の例示的実施形態が、本明細書で添付図面を参照しながら説明されてきたが、本発明がそれらの実施形態に限定されないこと、また、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、当業者によって様々な他の変更および修正が本発明に加えられ得ることを理解されたい。

Claims (19)

  1. 入出力(IO)インターフェイス回路であって、
    信号パッド、
    第1の電圧源に接続するように適合されたエミッタと、第1の制御信号を受け取るように適合されたベースと、オープンコレクタ構成で前記信号パッドに直接接続されたコレクタとを有する少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタ、及び、
    前記少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタに結合され、第1の制御信号を発生するよう動作する金属酸化膜半導体(MOS)制御回路を備える、インターフェイス回路。
  2. 前記少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタが寄生NPNトランジスタおよび寄生PNPトランジスタのうち少なくとも1つを備える、請求項1に記載のインターフェイス回路。
  3. 前記第1の電圧源が前記インターフェイス回路の電圧帰路であり、前記少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタが寄生NPNトランジスタを備える、請求項1に記載のインターフェイス回路。
  4. 前記第1の電圧源がインターフェイス回路の電圧源であり、前記少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタが寄生PNPトランジスタを備える、請求項1に記載のインターフェイス回路。
  5. 前記少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタが横型バイポーラ・トランジスタ及び縦型バイポーラ・トランジスタのうち少なくとも1つを備える、請求項1に記載のインターフェイス回路。
  6. 前記制御回路が、pチャネル金属酸化膜半導体(PMOS)デバイスとnチャネル金属酸化膜半導体(NMOS)デバイスとを含む少なくとも1つのインバータを備え、前記PMOSデバイスの第1のソース/ドレインが前記インターフェイス回路の電圧源に接続し、前記PMOSデバイスの第2のソース/ドレインが、前記NMOSデバイスの第1のソース/ドレインに接続され、前記第1の制御信号を発生する前記制御回路の出力端を形成し、前記NMOSデバイスの第2のソース/ドレインが前記第1の電圧源に接続し、前記PMOSデバイスのゲートと前記NMOSデバイスのゲートとが、互いに接続され、前記制御回路への入力信号を受け取るように適合される、請求項1に記載のインターフェイス回路。
  7. IOインターフェイス回路であって、
    信号パッド、
    第1の電圧源に接続するように適合されたエミッタと、第1の制御信号を受け取るように適合されたベースと、前記信号パッドに直接接続されたコレクタとを有する少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタ、
    第2の電圧源と前記信号パッドとの間に接続され、前記第1の制御信号の論理的補数である前記第2の制御信号を受け取るように適合されるアクティブ・プルアップ回路、及び、
    前記第1の寄生バイポーラ・トランジスタに結合され、前記第1の制御信号と前記第2の制御信号とを発生するよう動作するMOS制御回路を備える、インターフェイス回路。
  8. 前記アクティブ・プルアップ回路が、前記信号パッドに接続されたエミッタと、前記第2の電圧源へ接続するように適合されたコレクタと、前記第2の制御信号を受け取るように適合されたベースとを含む少なくとも1つの第2の寄生バイポーラ・トランジスタを備える、請求項7に記載のインターフェイス回路。
  9. 前記少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタと前記少なくとも1つの第2の寄生バイポーラ・トランジスタとのそれぞれが寄生NPNトランジスタを備える、請求項8に記載のインターフェイス回路。
  10. 前記制御回路が、pチャネル金属酸化膜半導体(PMOS)デバイスとnチャネル金属酸化膜半導体(NMOS)デバイスとを含む少なくとも1つのインバータを備え、前記PMOSデバイスの第1のソース/ドレインが前記第2の電圧源に接続し、前記PMOSデバイスの第2のソース/ドレインが、前記NMOSデバイスの第1のソース/ドレインに接続され、前記第1の制御信号を発生する前記制御回路の出力端を形成し、前記NMOSデバイスの第2のソース/ドレインが前記第1の電圧源に接続し、前記PMOSデバイスのゲートと前記NMOSデバイスのゲートとが、互いに接続され、前記制御回路への入力信号を受け取るように適合される、請求項7に記載のインターフェイス回路。
  11. 前記第1および第2の電圧源のうち少なくとも1つが前記MOS制御回路への電圧源接続から電気的に絶縁される、請求項7に記載のインターフェイス回路。
  12. 請求項7に記載のIOインターフェイス回路を少なくとも1つ備える集積回路。
  13. 少なくとも1つの入出力(IO)インターフェイス回路を含む集積回路であって、前記少なくとも1つの入出力(IO)インターフェイス回路は、
    信号パッド、
    第1の電圧源に接続するように適合されたエミッタと、第1の制御信号を受け取るように適合されたベースと、オープンコレクタ構成で前記信号パッドに直接接続されたコレクタを有する少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタ、及び、
    前記少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタに結合され、第1の制御信号を発生するよう動作する金属酸化膜半導体(MOS)制御回路を備える、集積回路。
  14. 前記第1の寄生バイポーラ・トランジスタが寄生NPNトランジスタおよび寄生PNPトランジスタのうち少なくとも1つを備える、請求項13に記載の集積回路。
  15. 前記第1の電圧源が前記少なくとも1つのインターフェイス回路の電圧帰路であり、前記少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタが寄生NPNトランジスタを備える、請求項13に記載の集積回路。
  16. 前記第1の電圧源が前記少なくとも1つのインターフェイス回路の電圧源であり、前記少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタが寄生PNPトランジスタを備える、請求項13に記載の集積回路。
  17. 前記少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタが横型バイポーラ・トランジスタおよび縦型バイポーラ・トランジスタのうち少なくとも1つを備える、請求項13に記載の集積回路。
  18. 前記制御回路が、pチャネル金属酸化膜半導体(PMOS)デバイスおよびnチャネル金属酸化膜半導体(NMOS)デバイスを含む少なくとも1つのインバータを含み、前記PMOSデバイスの第1のソース/ドレインが前記インターフェイス回路の電圧源に接続し、前記PMOSデバイスの第2のソース/ドレインが、前記NMOSデバイスの第1のソース/ドレインに接続され、前記第1の制御信号を発生する前記制御回路の出力端を形成し、前記NMOSデバイスの第2のソース/ドレインが前記第1の電圧源に接続し、前記PMOSデバイスのゲートと前記NMOSデバイスのゲートとが、互いに接続され、前記制御回路への入力信号を受け取るように適合される、請求項13に記載の集積回路。
  19. IOインターフェイス回路の電圧耐性を向上する方法であって、
    第1の電圧源へ接続するように適合されたエミッタと、第1の制御信号を受け取るように適合されたベースと、オープンコレクタ構成でIOインターフェイス回路の信号パッドに直接接続されたコレクタとを有する少なくとも1つの第1の寄生バイポーラ・トランジスタを設けるステップと、
    前記IOインターフェイス回路に与えられた入力信号の関数として、前記第1の制御信号を発生するステップとを含む、方法。
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