JP3546979B2 - Semiconductor device and IC card device using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は発振回路を内蔵した半導体装置及びこれを用いたICカード装置に関し、詳しくは発振回路の回路構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、セラミック水晶等の振動子やインダクタンス素子等の部品が不要で回路構成が容易な半導体装置として集積化し易い発振回路としていわゆるCR発振回路やリング発振回路等があり、これらを半導体装置内に形成して使用することが多かった。図4に示すリング発振回路9はその一例で、CMOS構成で形成されたNAND回路やインバータ回路等からなる信号反転素子9m(m=1〜n:nは正の奇数)の各入出力をリング状に奇数個縦列接続するとともに、信号反転素子9mの出力に遅延用のコンデンサ3mをそれぞれ接続した構成になっている。また、インバータ9nからNAND91の一方の入力に接続された信号はインバータ6の入力にも接続され、その出力はクロック信号CPとして図示しない他の回路に接続されて半導体装置の基準クロックとして使用できるようになっているとともに、NAND91の他方の入力には制御信号Sが接続されて発振の開始と停止を制御できるようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のようなリング発振回路やCR発振回路等は、発振周波数に高精度を要求されないおもちゃ等の装置の場合には問題なく使用できたが、非接触型のICカードを用いる改札システム等の装置には次のような理由で使用し難かった。
【0004】
即ち、非接触型のICカードを用いた改札システムでは、ICカードと改札機の間でデータの送信及び受信のタイミングを合わせる必要があり比較的高精度の発振特性が求められるが、ICカードでは改札機等からの送信電波を受信及び整流してコンデンサに充電したものを電源とするだけなので、その発振回路に供給される電源電圧が改札機からの距離や受信状態によって変動し易く、電源電圧の変動によって各信号反転素子の駆動能力が変化して各コンデンサの充放電電流が変化することにより、各信号反転素子での遅延時間が変化して発振周波数が変動してしまっていた。また、同様に、各出力反転素子の駆動能力は温度変化や半導体装置の作り込み時の素子特性のばらつきによっても変化し易く、発振周波数は更に変動していた。
【0005】
このように様々な要因により発振周波数は変動するので、従来は、信号反転素子のトランジスタサイズや個数を変更したりコンデンササイズを変更して容量値を変更したりして中心となる発振周波数を合わせ込んでいたが、これらの変更は半導体装置の形成時に使用するマスク等を変更しなければならないので手間がかかり実用的ではなかった。
【0006】
また、従来の半導体装置に内蔵した発振回路の発振周波数の変動を抑える方法がなかったので、電源電圧や温度等の条件を限定する等しなければ必要な周波数精度を満足することができなかった。
尚、発振子等の外付け部品を用いるようにすれば周波数精度を容易に向上させられるようになるが、ICカード等では製品厚さに制限があるとともに、部品を外付けするための基板面積が大きくなったり、より多ピンのパッケージが必要になったり、外付け部品の費用や管理費が新たに必要になってコストアップしたりしてしまうので採用が難しかった。
【0007】
そこで本発明は、発振周波数の周波数精度が広い電源電圧範囲及び温度範囲で比較的良いとともに基準となる発振周波数の変更が容易な発振回路を半導体装置の内部に容易に形成できるようにして、外付け部品の少ない半導体装置を容易に提供できるようにすることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述の問題を解決するために、請求項1の記載に係わるICカード装置は、受信信号を整流して電源とする非接触型のICカードの発振回路として複数の信号反転素子をリング状に奇数個縦列接続したリング発振回路を内蔵する半導体装置を用いたICカード装置であって、
前記複数の信号反転素子を構成するトランジスタのうち電源電圧または基準電位に接続される電源側トランジスタの少なくとも一方と直列に、前記電源側トランジスタの電流能力よりも少ない電流値に設定された定電流回路を構成するトランジスタがそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【0009】
本発明のような回路構成の発振回路をICカード装置に用いることにより、電源電圧及び温度が変動した場合の発振回路の信号反転素子の遅延時間の変動を抑えることにより発振周波数変動の少なく消費電流の増加を防いだ発振器を外付け部品の数を抑えながら容易に形成できるようになる。
【0010】
【実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図1乃至図3を参照しながら詳細に説明する。尚、本明細書では全図面を通して同一または同様の回路要素には同一の符号を付して説明を簡略化するようにしている。
図1は本発明の発振回路1の実施の形態例を示し、複数の信号反転素子がリング状に縦列接続されたリング発振回路部2と、各信号反転素子に対応して接続されてその出力電流を制限するための定電流回路部5と、各信号反転素子に供給する電流値を規定するための基準となる定電圧を発生する定電圧回路4とから構成されている。
【0011】
リング発振回路部2及び定電流回路部5の構成について更に詳しく説明する。リング発振回路部2は、CMOS構成のインバータ回路やNAND回路等からなるn個(n=正の奇数)の信号反転素子2m(m=1〜n)の入出力間をリング状に縦列接続するとともに、各信号反転素子2mの出力には信号出力の伝達を遅延させるためのコンデンサ3mがそれぞれ接続された構成になっている。そして、各信号反転素子2mはその基準電位側トランジスタは従来の信号反転回路と同様に基準電位に直接接続され、電源側トランジスタは定電流回路5の各定電流源5mを介して電源電圧に接続された構成になっている。このような構成により、各信号反転素子2mの出力電流及びそれによる遅延時間はその駆動能力のばらつきに依存されないで略一定に保たれるようになっている。
【0012】
定電流回路部5は、抵抗5a及びダイオード接続されたNMOS型のトランジスタ5bを用いて定電圧回路4からの定電圧に基づいて定電流を発生するとともに、トランジスタ5bにカレントミラー接続されたトランジスタ5cとその負荷抵抗となるトランジスタ5dと、トランジスタ5dにカレントミラー接続された複数のPMOS型のトランジスタ5m(m=1〜n)と、定電流回路部5の動作を制御するためのトランジスタ5eとから構成されている。そして、トランジスタ5mは各信号反転素子2mの電源側トランジスタに直列にそれぞれ挿入接続されている。
【0013】
また、トランジスタ5e及びNAND回路21の一方の入力には制御線Sが接続されて発振の開始及び停止を制御できるようになっているとともに、NAND回路21に帰還されるインバータ回路2nの出力はインバータ回路6の入力にも接続され、その出力はクロック信号CPとして図示しない他の回路に接続され、半導体装置の動作タイミングを決定できるようになっている。
【0014】
尚、各コンデンサ3mは寄生の配線容量や拡散容量のみを用いるようにしても良いが、別途容量素子を形成して容量値を大きくすれば、更に低い発振周波数にも対応できるようになるとともに発振周波数の作り込み精度をより向上できるようになる。また、定電圧回路4は、ダイオードの順方向電圧やツェナダイオードのツェナ電圧等を用いた一般的な定電圧回路を使用すれば良いので、詳細な構成の説明は省略している。
【0015】
次に、回路の動作について説明する。制御線Sの電圧が低レベルのときには、NAND回路21の出力が高レベル側に固定されるとともに各信号反転素子への定電流供給が無くなるので、各信号反転素子は直前の出力状態を保つようになり発振動作は停止する。
一方、制御線Sの電圧が高レベルになると、まづNAND回路21の出力が低レベルに反転してコンデンサ31の充電電荷が急速に放電され、コンデンサ31の充電電圧がインバータ回路22の入力スレッショルド電圧を下回るとインバータ回路22の出力が反転されてコンデンサ32をトランジスタ52からの定電流で充電するようになる。充電が進んで、コンデンサ32の充電電圧がインバータ回路23の入力スレッショルド電圧を上回るとインバータ回路23の出力が反転されてコンデンサ33の電荷が放電されるようになる。このような充放電動作が各信号反転素子2mで繰り返されると、奇数個の信号反転素子がリング状に接続されているのでNAND回路22には以前と異なる電圧レベルの信号が帰還されることになり、発振動作が継続するようになる。
【0016】
このように、各コンデンサ3mの充電はトランジスタ5mからの定電流により行われるので、放電時間よりも充電時間の方が十分長くなるように定電流値を設定しておけば、電源電圧の変動に伴う信号反転素子の駆動能力の変動に係わらず各信号反転素子で略一定の遅延時間が得られることになり、発振周波数は略一定に保たれるようになる。
【0017】
尚、発振周波数の変更は、従来と同様に信号反転素子の素子数やコンデンサの容量値を変えることによっても可能だが、本実施の形態例の場合には定電流値を決定するための抵抗5aを外付けして抵抗値を変更できるようにするだけで各信号反転素子の出力電流及びその遅延時間を変更できるようになり、容易に発振周波数を変更することができるようになっている。
【0018】
図2は本発明に用いるCMOS構成の信号反転素子の他の実施の形態を示し、図2(a)はインバータ回路構成の信号反転素子2am(m=1〜n)の電源線側のトランジスタ素子は従来のインバータ回路と同様に電源電圧に直接接続されているとともに、基準電位線側のトランジスタ素子には定電流回路5am(m=1〜n)が直列に挿入接続された状態を示している。この信号反転素子を複数使用してリング状に縦列接続し、図1と同様な構成の定電流回路で定電流値を設定すれば発振回路が構成できることになる。また、図(b)は信号反転素子2bm(m=1〜n)内の電源線及び基準電位線につながる各トランジスタ素子と直列に定電流源5am及び5bm(m=1〜n)をそれぞれ挿入接続するようにした場合を示し、発振周波数の精度を更に向上できる構成となっている。
【0019】
図3は、本発明の発振回路1を内蔵した半導体装置10を用いてICカードを構成したICカード100を示し、電力及びデータ用の電波を送受信するためのアンテナ15と、受信した電波を整流及び平滑して一定の電力を得るための整流回路11及び平滑用のコンデンサ16と、得られた電力を用いて内部回路に電源電圧を供給するための電源回路12と、受信した電波のデータ成分を検波する検波回路13と、受信したデータを復調するとともに送信するデータを変調するための変復調回路14と、図1及び図2で説明した本発明の発振回路1とから構成されている。また、図示していない構成としては、受信したデータをデータ処理するためのマイクロコンピュータ等の制御回路やデータを記憶するためのFLASHメモリ等の記憶装置等がある。尚、電源回路12には、電源電圧が予め設定された電圧値よりも低くなって誤動作し易くなるとICカード100を動作停止または初期設定するための電源電圧検出回路が内蔵され、所定以上の電源電圧でしか動作しないようになっている。
【0020】
次に、このICカード100を改札システムに利用した場合の使用例及び動作について説明する。ICカード100が必要とする電力は、図示しない改札装置等の近傍を通過する時に、改札装置の送信アンテナから送られている数百kHz程度の周波数で数μWの微弱な電波をアンテナ15で受信し、整流回路11で整流してコンデンサ16に充電して電源電圧とするとともに、電源回路12で電圧を検出しながら内部回路に供給する。
【0021】
この電力供給を受けながら、同様にして、改札装置のアンテナから送られる使用回数確認要求データ等の電波をアンテナ15で受信し、検波回路13で検波して変復調回路14でデータを復調し、マイクロコンピュータ等の制御回路で記憶装置に記憶された料金や回数等のデータの書き換えを行い、その結果を変復調回路14で変調してアンテナ15から改札装置に送信する。改札装置でも同様にしてデータの受信処理を行ってICカード100のID番号や使用状況を確認することにより、利用可能な人や物のみを通過または停止させたり、所定の方向へ導くように誘導表示を行ったり、再度データの変更動作を行ったりする。
【0022】
このように使用されるので、改札装置等の送信装置から離れていて受信した信号レベルが低くて得られる電源電圧が低いような場合、従来の発振回路を用いたICカードでは発振周波数が大幅に遅くなって記憶装置へのデータの書き込みに時間を要していたのに対して、本発明の発振回路を用いたICカード100では電源電圧が低くても安定した発振周波数が得られるので略一定の時間でデータ処理が行えるようになっている。このように動作時間が略一定なので、発振回路での消費電流の増加を防ぐことができるとともに、残った電力を使用してより大電力で送信を行えるようになり通信距離を伸ばすことができるようにもなる。
【0023】
尚、本発明は図3の実施の形態に示す構成に限定されるものではなく、図3の全ての回路機能を1チップに集積するのは勿論のこと、回路機能毎に複数チップに集積化するようにしても良い。また、記憶装置は電源電圧がなくなっても記憶データが保持できるような不揮発メモリであれば良く、マイクロコンピュータ等に内蔵されているものでも構わない。ICカード100の構造や材質は従来技術のものと同様で構わないとともに、アンテナの個数や配置は任意で良い。更に、本発明の発振回路を、VTRやTV装置の基準クロック信号として使用することもできる。
【0024】
以上のように本発明によれば、請求項1の記載に係わるICカード装置は、電源電圧及び温度が変動した場合の発振回路の信号反転素子の遅延時間の変動を抑えて発振周波数変動の少ない発振器を外付け部品の数を抑えながら容易に形成できるようになるので、データの送受信をより確実に行うことができるICカード装置をより容易に提供できるようになるという効果がある。更に言えば、本願のICカード装置に用いる発振器は、信号反転回路とコンデンサからなる遅延回路の遅延時間を略一定に保つことができるようになり、広い電源電圧範囲及び温度範囲で発振周波数の変動を抑えることができるようになるという効果がある。また、信号反転素子の出力電流を規定する定電流値を変更するだけで発振周波数を変更できるので、初期の発振周波数の調整が容易になるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す回路図、
【図2】本発明に用いる他の信号反転素子の形態例の示す回路図、
【図3】本発明の半導体装置を用いたICカードの構成例を示す回路図、
【図4】従来の発振回路例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 :発振回路
2 :リング発振回路部
2n:信号反転素子(インバータ素子)
3 :コンデンサ素子
4 :定電圧回路
5 :定電流回路部
CP:クロック信号
S :制御信号[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a built-in oscillation circuit and an IC card device using the same, and more particularly to a circuit configuration of the oscillation circuit.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there is a so-called CR oscillation circuit or a ring oscillation circuit as an oscillation circuit which does not require components such as a vibrator such as a ceramic crystal or an inductance element and has a simple circuit configuration and is easily integrated, and these are formed in the semiconductor device. It was often used. The
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described ring oscillation circuit and CR oscillation circuit can be used without any problem in the case of a device such as a toy that does not require high precision in the oscillation frequency, but a ticket gate system using a non-contact type IC card. It was difficult to use this device for the following reasons.
[0004]
That is, in a ticket gate system using a non-contact type IC card, it is necessary to match the timing of data transmission and reception between the IC card and the ticket gate, and relatively high precision oscillation characteristics are required. Since only the power that receives and rectifies the transmitted radio waves from the ticket gate and charges the capacitor is used as the power source, the power supply voltage supplied to the oscillation circuit is likely to fluctuate depending on the distance from the ticket gate and the reception state, and the power supply voltage As a result, the driving capability of each signal inverting element changes and the charging / discharging current of each capacitor changes, so that the delay time of each signal inverting element changes and the oscillation frequency fluctuates. Similarly, the driving capability of each output inverting element is also likely to change due to a temperature change or a variation in element characteristics at the time of manufacturing a semiconductor device, and the oscillation frequency has further changed.
[0005]
As described above, the oscillation frequency fluctuates due to various factors.Conventionally, the center oscillation frequency is adjusted by changing the size and number of transistors of the signal inversion element or changing the capacitance value by changing the capacitor size. However, these changes are time-consuming and impractical because a mask or the like used in forming a semiconductor device must be changed.
[0006]
In addition, since there was no method for suppressing the fluctuation of the oscillation frequency of the oscillation circuit built in the conventional semiconductor device, the required frequency accuracy could not be satisfied unless the conditions such as the power supply voltage and the temperature were limited. .
The frequency accuracy can be easily improved by using an external component such as an oscillator. However, in the case of an IC card or the like, the product thickness is limited, and the board area for externally mounting the component is limited. However, adoption was difficult because of the increased size, the need for a package with more pins, and the need for additional external component costs and management costs, which increased costs.
[0007]
Therefore, the present invention provides an oscillation circuit in which the frequency accuracy of an oscillation frequency is relatively good in a wide power supply voltage range and a temperature range and in which a reference oscillation frequency can be easily changed inside a semiconductor device. It is an object to easily provide a semiconductor device having a small number of components.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, an IC card device according to
At least one of in series with the constant current circuit is set to less current value than the current capacity of the power supply side transistors of the power supply side transistor connected to the power supply voltage or reference potential of the transistors constituting the plurality of signal inversion element characterized by a transistor are respectively connected.
[0009]
By using the oscillation circuit of the circuit configuration of the present invention to an IC card system, power by Rukoto suppressing fluctuation of the delay time of the voltage and the signal inverting element of the oscillation circuit when the temperature is varied little in the oscillation frequency variation This makes it possible to easily form an oscillator that prevents an increase in current consumption while reducing the number of external components.
[0010]
Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In this specification, the same or similar circuit elements are denoted by the same reference numerals throughout the drawings to simplify the description.
FIG. 1 shows an embodiment of an
[0011]
The configurations of the ring
[0012]
The constant
[0013]
A control line S is connected to one input of the transistor 5e and one input of the
[0014]
Each capacitor 3m may use only parasitic wiring capacitance or diffusion capacitance. However, if a capacitance element is separately formed to increase the capacitance value, it is possible to cope with a lower oscillation frequency and to oscillate. The accuracy of frequency creation can be further improved. The
[0015]
Next, the operation of the circuit will be described. When the voltage of the control line S is at the low level, the output of the
On the other hand, when the voltage of the control line S goes high, the output of the
[0016]
As described above, the charging of each capacitor 3m is performed by the constant current from the transistor 5m. Therefore, if the constant current value is set so that the charging time is sufficiently longer than the discharging time, fluctuations in the power supply voltage may occur. Irrespective of the fluctuation of the driving capability of the signal inverting element, a substantially constant delay time is obtained in each signal inverting element, and the oscillation frequency is kept substantially constant.
[0017]
The oscillation frequency can be changed by changing the number of signal inverting elements and the capacitance value of the capacitor as in the conventional case. However, in the case of the present embodiment, the resistor 5a for determining the constant current value is used. The output current of each signal inverting element and its delay time can be changed only by externally changing the resistance value so that the oscillation frequency can be easily changed.
[0018]
FIG. 2 shows another embodiment of a CMOS signal inversion element used in the present invention. FIG. 2A shows a transistor element on the power supply line side of a signal inversion element 2am (m = 1 to n) of an inverter circuit configuration. Indicates a state in which a constant current circuit 5am (m = 1 to n) is inserted and connected in series to the transistor element on the reference potential line side as in the conventional inverter circuit, as well as being directly connected to the power supply voltage. . If a plurality of the signal inverting elements are connected in cascade in a ring shape and a constant current value is set by a constant current circuit having a configuration similar to that of FIG. 1, an oscillation circuit can be configured. In FIG. 2B, constant current sources 5am and 5bm (m = 1 to n) are respectively inserted in series with each transistor element connected to the power supply line and the reference potential line in the signal inversion element 2bm (m = 1 to n). In this case, the connection is made, and the accuracy of the oscillation frequency can be further improved.
[0019]
FIG. 3 shows an
[0020]
Next, a usage example and an operation when the
[0021]
While receiving this power supply, similarly, the radio wave such as the request number confirmation request data transmitted from the antenna of the ticket gate is received by the
[0022]
Since the IC card is used in this way, if the power supply voltage obtained is low due to a low received signal level due to being away from a transmission device such as a ticket gate device, the oscillation frequency of a conventional IC card using an oscillation circuit is significantly increased. Although it took time to write data to the storage device at a later time, the
[0023]
It should be noted that the present invention is not limited to the configuration shown in the embodiment of FIG. 3, and it is needless to say that all the circuit functions of FIG. You may do it. Further, the storage device may be a non-volatile memory capable of holding stored data even when the power supply voltage is lost, and may be a built-in microcomputer or the like. The structure and material of the
[0024]
As described above, according to the present invention, the IC card device according to the first aspect suppresses the fluctuation of the delay time of the signal inverting element of the oscillation circuit when the power supply voltage and the temperature fluctuate, thereby reducing the fluctuation of the oscillation frequency. Since the oscillator can be easily formed while suppressing the number of external components, there is an effect that an IC card device capable of transmitting and receiving data more reliably can be provided more easily . Furthermore, the oscillator used in the IC card device of the present invention can keep the delay time of the delay circuit including the signal inverting circuit and the capacitor substantially constant, and the oscillation frequency varies over a wide power supply voltage range and temperature range. There is an effect that it becomes possible to suppress. Further, since the oscillation frequency can be changed only by changing the constant current value that defines the output current of the signal inversion element, there is an effect that the initial oscillation frequency can be easily adjusted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a circuit diagram showing another embodiment of a signal inversion element used in the present invention;
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of an IC card using the semiconductor device of the present invention;
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a conventional oscillation circuit.
[Explanation of symbols]
1: Oscillation circuit 2: Ring
3: Capacitor element 4: Constant voltage circuit 5: Constant current circuit section CP: Clock signal S: Control signal
Claims (1)
前記複数の信号反転素子を構成するトランジスタのうち電源電圧または基準電位に接続される電源側トランジスタの少なくとも一方と直列に、前記電源側トランジスタの電流能力よりも少ない電流値に設定された定電流回路を構成するトランジスタがそれぞれ接続されていることを特徴とするICカード装置。 An IC card device using a semiconductor device incorporating a ring oscillation circuit in which an odd number of signal inversion elements are connected in cascade in a ring shape as an oscillation circuit of a non-contact type IC card which rectifies a received signal and uses it as a power supply. ,
At least one of in series with the constant current circuit is set to less current value than the current capacity of the power supply side transistors of the power supply side transistor connected to the power supply voltage or reference potential of the transistors constituting the plurality of signal inversion element An IC card device, wherein the transistors constituting the above are connected to each other.
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