JP2024055404A - 半導体集積回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】外乱ノイズの影響を抑えることが可能となる半導体集積回路を提供する。【解決手段】半導体集積回路は、電圧が急峻に変化する信号が入力可能に構成される入力端子(Dt)と、2つの入力信号の差分を増幅するように構成される増幅回路(Op)と、前記増幅回路の第1入力端に接続される第1素子(Ca)と、前記増幅回路の第2入力端に接続される第2素子(Cb)と、を備え、平面視において、前記第1素子の配置領域に含まれる第1位置(Pc1)と前記入力端子に含まれる第3位置(Pc0)との間の距離(L1)と、前記第2素子の配置領域に含まれる第2位置(Pc2)と前記第3位置との間の距離(L2)と、は等しい。【選択図】図3

Description

本開示は、半導体集積回路に関する。
従来、様々な内部回路を備える半導体集積回路(半導体IC)が知られている。特に、半導体集積回路には、内部回路として増幅回路を備えるものがある(増幅回路については例えば特許文献1参照)。
特開2020-195075号公報
従来、半導体集積回路においては、内部回路に外乱ノイズが侵入する場合があった。ただし、多くの内部回路では、回路自体が発生するノイズが主体的であり、外乱ノイズの影響は小さい。
しかしながら、内部回路が増幅回路の場合、図10に示すように、回路自体のノイズNcは十分小さくなるように設計され、主信号Sおよび外乱ノイズNdが増幅されることで、主信号Sが外乱ノイズNdに埋もれてしまい、外乱ノイズNdの影響が大きくなる。
上記状況に鑑み、本開示は、外乱ノイズの影響を抑えることが可能となる半導体集積回路を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る半導体集積回路は、
電圧が急峻に変化する信号が入力可能に構成される入力端子と、
2つの入力信号の差分を増幅するように構成される増幅回路と、
前記増幅回路の第1入力端に接続される第1素子と、
前記増幅回路の第2入力端に接続される第2素子と、
を備え、
平面視において、前記第1素子の配置領域に含まれる第1位置と前記入力端子に含まれる第3位置との間の距離と、前記第2素子の配置領域に含まれる第2位置と前記第3位置との間の距離と、は等しい構成としている。
また、本開示の別の一態様に係る半導体集積回路は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上側に配置される下側電極と、前記下側電極の上側に配置される上側電極と、を有するキャパシタと、
を備え、
前記上側電極は、前記下側電極よりもローインピーダンスである構成としている。
本開示の一態様に係る半導体集積回路によれば、外乱ノイズの影響を抑えることが可能となる。
図1は、本開示の例示的な実施形態に係る差動増幅回路の構成を示す図である。 図2は、半導体集積回路に形成されたキャパシタの縦構造を示す概略図である。 図3は、キャパシタのレイアウトの一例を示す平面図である。 図4は、キャパシタのレイアウトの変形例を示す平面図である。 図5は、キャパシタの電極接続方法の第1例を示す図である。 図6は、キャパシタの電極接続方法の第2例を示す図である。 図7は、キャパシタの電極接続方法の第1例に対応する回路図である。 図8は、キャパシタの電極接続方法の第2例に対応する回路図である。 図9は、本開示の例示的な実施形態に係る全帰還回路の構成を示す図である。 図10は、主信号、回路自体のノイズ、および外乱ノイズを示す模式的な波形図である。
<1.差動増幅回路>
図1は、本開示の例示的な実施形態に係る差動増幅回路1の構成を示す図である。差動増幅回路1は、オペアンプOpと、入力抵抗R1,R2と、帰還抵抗Rfと、基準抵抗Rgと、キャパシタCa,Cbと、を備える。差動増幅回路1は、半導体集積回路において形成される。オペアンプOpは、2つの入力信号の差分を増幅する増幅回路の一例である。
入力抵抗R1の一端は、入力電圧Vinの印加端に接続される。入力抵抗R1の他端は、オペアンプOpの非反転入力端(+)に接続される。基準抵抗Rgの一端は、入力抵抗R1の他端に接続される。基準抵抗Rgの他端は、基準電圧Refの印加端に接続される。
入力抵抗R2の一端は、基準電圧Refの印加端に接続される。入力抵抗R2の他端は、オペアンプOpの反転入力端(-)に接続される。オペアンプOpの出力端は、帰還抵抗Rfの一端に接続される。帰還抵抗Rfの他端は、入力抵抗R2の他端に接続される。
抵抗値は、R1=R2およびRf=Rgである。R1,Rfで決まるゲインにより入力電圧Vinが増幅されて出力電圧VoutとしてオペアンプOpの出力端から出力される。
<2.キャパシタのレイアウト>
キャパシタCaは、基準抵抗Rgの両端間に接続される。キャパシタCbは、帰還抵抗Rfの両端間に接続される。R1とCa、R2とCbによりそれぞれLPF(ローパスフィルタ)が形成される。
キャパシタCa,Cbは、半導体集積回路に形成され、図2に示すような縦構造を有する。キャパシタCa,Cbは、上側電極E1と、下側電極E2と、を有する。下側電極E2は、半導体基板Sbの上側に形成される。上側電極E1は、下側電極E2の上側に形成される。上側電極E1と下側電極E2との間に主容量Cが形成される。上側電極E1および下側電極E2は、例えばポリシリコンにより形成される。
図3は、キャパシタCa,Cbを上側から視た平面図である。従って、図3では、キャパシタCa,Cbそれぞれの上側電極E1a,E1bが図示されている。なお、上側電極E1a,E1bにそれぞれ対向して下側電極E2a,E2bが設けられる。また、図3には、半導体集積回路に設けられるデジタル信号端子Dtが図示されている。デジタル信号端子Dtは、デジタル信号を入力可能とする端子(パッド)である。デジタル信号は、電圧が急峻に変化する信号の一例である。
図3に示すように、デジタル信号端子Dtと上側電極E1a,E1bは、それぞれ例えば半導体集積回路を封止するパッケージ樹脂などを介して容量結合する。これにより、デジタル信号端子Dtから外乱ノイズが上側電極E1a,E1bに入力される可能性がある。
そこで、本実施形態では、キャパシタCa,Cbのレイアウトを図3に示すようにしている。具体的には、上側から視た平面視で、上側電極E1aの中心位置Pc1とデジタル信号端子Dtの中心位置Pc0との間の距離L1と、上側電極E1bの中心位置Pc2とデジタル信号端子Dtの中心位置Pc0との間の距離L2と、を等しくしている。ただし、上側電極E1aと上側電極E1bとデジタル信号端子Dtの縦方向位置(半導体集積回路の厚み方向位置)は同じとしている。なお、上側電極E1aと上側電極E1bとの縦方向位置が同じで、当該縦方向位置とデジタル信号端子Dtの縦方向位置は異なってもよい。
このようなキャパシタCa,Cbのレイアウトにより、容量結合を介した外乱ノイズ(図1に示すノイズNs1,Ns2)は同相で上側電極E1a,E1bに入力されるため、オペアンプOpによりキャンセルされる。
より具体的には、図3に示すレイアウトでは、平面視において、デジタル信号端子Dtの中心軸CL(中心位置Pc0を通る線分)に対して上側電極E1a,E1bの中心位置Pc1,Pc2が線対称に配置される。しかしながら、これに限らず、例えば図4に示すように、平面視において、中心位置Pc0に対して中心位置Pc1,Pc2が点対称に配置されてもよい。これによっても、距離L1と距離L2とが等しくなる。
なお、距離L1と距離L2は、必ずしも等しくなくてもよく、最大10%のずれがあってもよい。この場合でも、外乱ノイズの影響を90%抑制する効果が得られる。
<3.キャパシタの電極の接続方法>
図1に示す差動増幅回路1の構成では、キャパシタCaの一端は、ハイインピーダンスノードであるオペアンプOpの入力端に接続され、キャパシタCaの他端は、ローインピーダンスノードである基準電圧Refの印加端に接続される。キャパシタCbの一端は、ハイインピーダンスノードであるオペアンプOpの入力端に接続され、キャパシタCbの他端は、ローインピーダンスノードであるオペアンプOpの出力端に接続される。
キャパシタの電極の接続方法には、以下のような2通りの方法がある。図5は、キャパシタの電極接続方法の第1例を示す。図5では、下側電極E2をグランド電位(ローインピーダンスノード)に接続し、上側電極E1をハイインピーダンスノードに接続している。この場合、図7の左方に示すように、上側電極E1を正極とした接続としている。
ここで、図2に示すように、下側電極E2と半導体基板Sbとの間には寄生容量Cpが形成される。寄生容量Cpは、主容量Cの0.数~数%程度の容量値となる。なお、上側電極E1と半導体基板Sbとの間の寄生容量(図2の破線)は、無視できるレベルである。上記のように上側電極E1を正極とした接続とすると、図7の右方に示すような接続形態となり、主容量Cの一端がグランド電位の印加端に接続されるため、キャパシタの全体容量C’はCとなる。これにより、寄生容量Cpの影響による特性変化を抑えることができる。
そこで、図1に示す構成では、キャパシタCa,Cbのそれぞれの上側電極E1を正極とする接続としており、寄生容量Cpの影響による特性変化を抑制している。
一方、図6は、キャパシタの電極接続方法の第2例を示す。図6では、上側電極E1をグランド電位(ローインピーダンスノード)に接続し、下側電極E2をハイインピーダンスノードに接続している。この場合、図8の左方に示すように、下側電極E2を正極とした接続としている。これにより、図8の右方に示すような接続形態となり、主容量Cと寄生容量Cpが並列接続されるため、キャパシタの全体容量C’はC+Cpとなる。
ここで、図5および図6に示すように、デジタル信号端子Dtとの容量結合を介したノイズ、またはEMI(Electro Magnetic Interference)によるノイズNeは、下側電極E2よりも上側電極E1に影響する。従って、図5に示すように下側電極E2をローインピーダンスノード(グランド電位の印加端)に接続するよりも、図6に示すように上側電極E1をローインピーダンスノードに接続するほうが、外乱ノイズの影響を抑えることができる。従って、図8に示すように、下側電極E2を正極とした接続であると、寄生容量Cpの影響による特性変化は生じるが、外乱ノイズの影響を抑えることができる点で有利である。なお、デジタル信号端子DtにボンディングワイヤBWが接続されている場合は、容量結合CcはボンディングワイヤBWとの容量結合分を含む。
従って、図1に示す構成において、キャパシタCa,Cbを下側電極E2を正極とした接続(図1と電極を反対とした接続)としてもよい。これにより、ノイズNs1,Ns2の影響をより抑えることができる。
なお、上記のようなキャパシタの電極の接続方法は、上記のようなレイアウト(図3等)としたキャパシタの組(Ca,Cb)を有する回路への適用には限らない。例えば、図9に示す全帰還回路(ボルテージフォロワ)10は、オペアンプOpと、LPF10Aと、を有し、半導体集積回路に形成される。
LPF10Aは、入力抵抗R10と、キャパシタC10と、を有する。入力抵抗R10の一端は、入力電圧Vinの印加端に接続される。入力抵抗R10の他端は、オペアンプOpの非反転入力端(+)に接続される。オペアンプOpの反転入力端(-)は、オペアンプOpの出力端に接続される。オペアンプOpの出力端に出力電圧Voutが生成される。
図9に示す構成では、キャパシタC10の上側電極をグランド電位の印加端(ローインピーダンスノード)に接続し、キャパシタC10の下側電極をオペアンプOpの非反転入力端(ハイインピーダンスノード)に接続している。すなわち、キャパシタC10の下側電極を正極としている。これにより、全帰還回路10において外乱ノイズの影響を抑えることができる。
<4.その他>
以上、例示的な実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内において、実施形態は種々に変形が可能である。
例えば、先述したキャパシタCa,Cb(図1)のレイアウトは、抵抗Rg,Rfの組に適用してもよい。また、上記レイアウトは、キャパシタCaと抵抗Rfの組、キャパシタCbと抵抗Rgの組に適用してもよい。すなわち、同じ種類の素子の組に限らず、異なる種類の素子の組に適用してもよい。ただし、キャパシタの電極は比較的領域が広くなりやすく、外乱ノイズの影響を受けやすいため、上記レイアウトは特にキャパシタの組に適している。
また、先述したレイアウトを適用した素子の組が接続される増幅回路は、オペアンプに限らなくてもよい。また、先述したような接続方法を適用したキャパシタの下側電極が接続されるハイインピーダンスノードは、増幅回路(オペアンプなど)の入力端に限らない。
<5.付記>
以上の通り、本開示の一態様に係る半導体集積回路は、
電圧が急峻に変化する信号が入力可能に構成される入力端子(Dt)と、
2つの入力信号の差分を増幅するように構成される増幅回路(Op)と、
前記増幅回路の第1入力端に接続される第1素子(Ca)と、
前記増幅回路の第2入力端に接続される第2素子(Cb)と、
を備え、
平面視において、前記第1素子の配置領域に含まれる第1位置(Pc1)と前記入力端子に含まれる第3位置(Pc0)との間の距離(L1)と、前記第2素子の配置領域に含まれる第2位置(Pc2)と前記第3位置との間の距離(L2)と、は等しい構成としている(第1の構成)。
また、上記第1の構成において、前記第1位置(Pc1)は、前記第1素子(Ca)の前記配置領域の中心位置であり、
前記第2位置(Pc2)は、前記第2素子(Cb)の前記配置領域の中心位置であり、
前記第3位置(Pc0)は、前記入力端子(Dt)の中心位置である構成としてもよい(第2の構成)。
また、上記第2の構成において、平面視において、前記入力端子(Dt)の前記第3位置(Pc0)を通る中心軸(CL)に対して前記第1位置(Pc1)と前記第2位置(Pc2)が線対称に配置される構成としてもよい(第3の構成)。
また、上記第1から第3のいずれかの構成において、前記第1素子(Ca)は、第1キャパシタであり、
前記第2素子(Cb)は、第2キャパシタであり、
前記第1キャパシタは、半導体基板(Sb)の上側に配置される第1下側電極(E2a)と、前記第1下側電極の上側に配置される第1上側電極(E1a)と、を有し、
前記第2キャパシタは、前記半導体基板の上側に配置される第2下側電極(E2b)と、前記第2下側電極の上側に配置される第2上側電極(E1b)と、を有し、
前記第1素子の前記配置領域は、前記第1上側電極の領域であり、
前記第2素子の前記配置領域は、前記第2上側電極の領域である構成としてもよい(第4の構成)。
また、上記第4の構成において、前記第1上側電極(E1a)は、第1ハイインピーダンスノードである前記第1入力端に接続され、
前記第1下側電極(E2a)は、第1ローインピーダンスノードに接続され、
前記第2上側電極(E1b)は、第2ハイインピーダンスノードである前記第2入力端に接続され、
前記第2下側電極(E2b)は、第2ローインピーダンスノードに接続される構成としてもよい(第5の構成)。
また、上記第4の構成において、前記第1下側電極(E2a)は、第1ハイインピーダンスノードである前記第1入力端に接続され、
前記第1上側電極(E1a)は、第1ローインピーダンスノードに接続され、
前記第2下側電極(E2b)は、第2ハイインピーダンスノードである前記第2入力端に接続され、
前記第2上側電極(E1b)は、第2ローインピーダンスノードに接続される構成としてもよい(第6の構成)。
また、上記第5または第6の構成において、オペアンプである前記増幅回路(Op)と、
前記第1入力端に接続される第1入力抵抗(R1)と、
前記第2入力端に接続される第2入力抵抗(R2)と、
前記第2入力抵抗と前記オペアンプの出力端との間に接続される帰還抵抗(Rf)と、
前記第1入力抵抗と基準電圧(Ref)の印加端との間に接続される基準抵抗(Rg)と、を有する差動増幅回路(1)を備え、
前記第1ローインピーダンスノードは、前記基準電位の印加端であり、
前記第2ローインピーダンスノードは、前記オペアンプの出力端である構成としてもよい(第7の構成)。
また、上記第1から第7のいずれかの構成において、前記入力端子(Dt)は、デジタル信号が入力可能に構成されるデジタル信号端子である構成としてもよい(第8の構成)。
また、本開示の一態様に係る半導体集積回路は、
半導体基板(Sb)と、
前記半導体基板の上側に配置される下側電極(E2)と、前記下側電極の上側に配置される上側電極(E1)と、を有するキャパシタと、
を備え、
前記上側電極は、前記下側電極よりもローインピーダンスである構成としている(第9の構成、図6)。
また、上記第9の構成において、前記上側電極(E1)は、ローインピーダンスノードに接続される構成としてもよい(第10の構成)。
また、上記第10の構成において、前記ローインピーダンスノードは、グランド電位の印加端である構成としてもよい(第11の構成)。
また、上記第9から第11のいずれかの構成において、前記キャパシタ(C10)と抵抗(R10)とを有するローパスフィルタ(10A)を備える構成としてもよい(第12の構成)。
また、上記第9から第12のいずれかの構成において、前記下側電極(E2)が接続される入力端を有するオペアンプ(Op)を備える構成としてもよい(第13の構成)。
また、上記第9から第13のいずれかの構成において、前記上側電極(E1)と容量結合され、電圧が急峻に変化する信号が入力可能に構成される入力端子(Dt)を備える構成としてもよい(第14の構成)。
また、上記第14の構成において、前記入力端子(Dt)は、デジタル信号が入力可能に構成されるデジタル信号端子である構成としてもよい(第15の構成)。
本開示は、例えば、増幅回路を形成した半導体集積回路に利用することが可能である。
1 差動増幅回路
10 全帰還回路
10A LPF(ローパスフィルタ)
BW ボンディングワイヤ
C 主容量
C10 キャパシタ
CL 中心軸
Ca,Cb キャパシタ
Cc 容量結合
Cp 寄生容量
Dt デジタル信号端子
E1 上側電極
E1a,E1b 上側電極
E2 下側電極
Ne ノイズ
Ns1,Ns2 ノイズ
Op オペアンプ
R1,R2 入力抵抗
R10 入力抵抗
Rf 帰還抵抗
Rg 基準抵抗
Sb 半導体基板

Claims (15)

  1. 電圧が急峻に変化する信号が入力可能に構成される入力端子と、
    2つの入力信号の差分を増幅するように構成される増幅回路と、
    前記増幅回路の第1入力端に接続される第1素子と、
    前記増幅回路の第2入力端に接続される第2素子と、
    を備え、
    平面視において、前記第1素子の配置領域に含まれる第1位置と前記入力端子に含まれる第3位置との間の距離と、前記第2素子の配置領域に含まれる第2位置と前記第3位置との間の距離と、は等しい、半導体集積回路。
  2. 前記第1位置は、前記第1素子の前記配置領域の中心位置であり、
    前記第2位置は、前記第2素子の前記配置領域の中心位置であり、
    前記第3位置は、前記入力端子の中心位置である、請求項1に記載の半導体集積回路。
  3. 平面視において、前記入力端子の前記第3位置を通る中心軸に対して前記第1位置と前記第2位置が線対称に配置される、請求項2に記載の半導体集積回路。
  4. 前記第1素子は、第1キャパシタであり、
    前記第2素子は、第2キャパシタであり、
    前記第1キャパシタは、半導体基板の上側に配置される第1下側電極と、前記第1下側電極の上側に配置される第1上側電極と、を有し、
    前記第2キャパシタは、前記半導体基板の上側に配置される第2下側電極と、前記第2下側電極の上側に配置される第2上側電極と、を有し、
    前記第1素子の前記配置領域は、前記第1上側電極の領域であり、
    前記第2素子の前記配置領域は、前記第2上側電極の領域である、請求項1に記載の半導体集積回路。
  5. 前記第1上側電極は、第1ハイインピーダンスノードである前記第1入力端に接続され、
    前記第1下側電極は、第1ローインピーダンスノードに接続され、
    前記第2上側電極は、第2ハイインピーダンスノードである前記第2入力端に接続され、
    前記第2下側電極は、第2ローインピーダンスノードに接続される、請求項4に記載の半導体集積回路。
  6. 前記第1下側電極は、第1ハイインピーダンスノードである前記第1入力端に接続され、
    前記第1上側電極は、第1ローインピーダンスノードに接続され、
    前記第2下側電極は、第2ハイインピーダンスノードである前記第2入力端に接続され、
    前記第2上側電極は、第2ローインピーダンスノードに接続される、請求項4に記載の半導体集積回路。
  7. オペアンプである前記増幅回路と、
    前記第1入力端に接続される第1入力抵抗と、
    前記第2入力端に接続される第2入力抵抗と、
    前記第2入力抵抗と前記オペアンプの出力端との間に接続される帰還抵抗と、
    前記第1入力抵抗と基準電圧の印加端との間に接続される基準抵抗と、
    を有する差動増幅回路を備え、
    前記第1ローインピーダンスノードは、前記基準電位の印加端であり、
    前記第2ローインピーダンスノードは、前記オペアンプの出力端である、請求項5または請求項6に記載の半導体集積回路。
  8. 前記入力端子は、デジタル信号が入力可能に構成されるデジタル信号端子である、請求項1に記載に半導体集積回路。
  9. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上側に配置される下側電極と、前記下側電極の上側に配置される上側電極と、を有するキャパシタと、
    を備え、
    前記上側電極は、前記下側電極よりもローインピーダンスである、半導体集積回路。
  10. 前記上側電極は、ローインピーダンスノードに接続される、請求項9に記載の半導体集積回路。
  11. 前記ローインピーダンスノードは、グランド電位の印加端である、請求項10に記載の半導体集積回路。
  12. 前記キャパシタと抵抗とを有するローパスフィルタを備える、請求項9に記載の半導体集積回路。
  13. 前記下側電極が接続される入力端を有するオペアンプを備える、請求項9に記載の半導体集積回路。
  14. 前記上側電極と容量結合され、電圧が急峻に変化する信号が入力可能に構成される入力端子を備える、請求項9に記載の半導体集積回路。
  15. 前記入力端子は、デジタル信号が入力可能に構成されるデジタル信号端子である、請求項14に記載に半導体集積回路。
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