JP3797186B2 - クランプ回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置の信号入力端子に適用されるクランプ回路に関する。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】
例えばA/Dコンバータが形成された半導体集積回路装置(IC)の入力端子には、種々の検出手段により検出されたアナログ電圧信号が入力される。この場合、当該ICの耐圧を超える電圧が入力されることがないように、例えば図4に示す構成を持つクランプ回路が用いられている。
【0003】
この図4に示すクランプ回路1は、検出手段(図示せず)からIC2の入力端子3への信号入力経路4に設けられた抵抗R1、R2と、抵抗R1とR2との共通接続点とグランド線5との間に接続されたツェナーダイオードZD1とから構成されている。ツェナー電圧VzはIC2の耐圧よりも低く設定されており、ツェナー電圧Vzを超える電圧が入力されると、ツェナーダイオードZD1が通電状態となって入力電圧をツェナー電圧Vzにクランプする。
【0004】
しかし、IC2が多数の入力端子3を有している場合には、各入力端子3ごとに抵抗R1、R2とツェナーダイオードZD1とを外付けしなければならず、IC2が搭載される基板の面積が増大するとともにコストが上昇するという問題がある。
【0005】
また、特表平9−510790号公報には、過大電圧に対し感応回路要素(A/Dコンバータ)を飽和および破壊から保護する過大電圧保護回路が開示されている。図5は、この過大電圧保護回路の電気的構成を示している。過大電圧保護回路6は、入力信号を基準レベルと比較して所定の電圧範囲内にあるかどうかを判定するレンジ外検出器7と、所定の電圧範囲内の補助信号を出力する補助信号ソース8と、所定の電圧範囲内にない場合にA/Dコンバータ9に対し補助信号ソース8からの信号を与える制御回路10とから構成されている。
【0006】
この過大電圧保護回路6は、過大電圧が入力された時に入力電圧をクランプするのではなく、A/Dコンバータ9に対し入力電圧に替えて補助信号を与えることによりA/Dコンバータ9を保護するものである。従って、この構成ではレンジ外検出器7には過大電圧がそのまま印加され、CMOSプロセスなどの低耐圧プロセスを用いたICにおいては、レンジ外検出器7をA/Dコンバータ9などと同一チップ上に形成することができないという不都合が生じる。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体集積回路装置の信号入力端子に適用するに際し、必要な外付け部品を極力減らすことができるクランプ回路を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載した手段によれば、比較回路により信号入力端子の電圧(以下、端子電圧と称す)と所定のクランプ電圧との比較が行われ、信号入力端子と電圧出力回路との間に接続されたスイッチ回路は、その比較結果であるクランプ動作指令信号に基づいて開閉動作を行う。上限側のクランプ動作を例に説明すれば、端子電圧がクランプ電圧以下の時にはスイッチ回路が開状態となり、外部からの入力電圧は電流制限素子を介して信号入力端子に入力され、半導体集積回路装置内に形成された内部回路に与えられる。一般に内部回路の入力インピーダンスは非常に高いため、信号入力経路に設けた電流制限素子による電圧誤差は殆ど生じない。
【0009】
一方、端子電圧がクランプ電圧を超えている時にはスイッチ回路が閉状態となり、信号入力経路に設けられた電流制限素子、半導体集積回路装置の信号入力端子、スイッチ回路を介して電圧出力回路に電流が流れる。この電流により電流制限素子に電圧降下が生じ、端子電圧はクランプ電圧以下に設定されている電圧出力回路の出力電圧に近付く。そして、端子電圧がクランプ電圧以下になるとスイッチ回路が開く。つまり、外部からクランプ電圧を超える電圧が与えられている期間、比較回路が端子電圧とクランプ電圧とに基づいてスイッチ回路の開閉制御を行い、端子電圧は上限側のクランプ電圧にクランプされる。
【0010】
以上の作用は、下限側のクランプ動作についても同様となる。この場合にも、端子電圧がクランプ電圧を(低電位方向に)超えている時にスイッチ回路が閉状態となり、電流が電圧出力回路からスイッチ回路、信号入力端子、外部の電流制限素子を介して流れる。
【0011】
これにより、クランプ電圧を超える過電圧の入力に対し端子電圧を所望するクランプ電圧にクランプでき、そのクランプ電圧を半導体集積回路装置の耐圧範囲内に設定することにより、半導体集積回路装置を過電圧から保護できる。本手段によれば、半導体集積回路装置の外付け部品は電流制限素子だけとなるので、半導体集積回路装置が搭載された基板の面積を縮小できるとともにコストを低減できる。
【0012】
比較回路は、電源線から所定の電源電圧の供給を受けて動作するコンパレータから構成される。このコンパレータは、能動負荷回路を構成するトランジスタの電流出力能力比に応じたオフセット電圧を持っている。このため、比較入力端子の一方を信号入力端子に接続し他方を電源線に接続すると、端子電圧が、電源線の電位に対し上記オフセット電圧だけずれた電圧(クランプ電圧に相当)と比較されることになる。本手段によれば、クランプ電圧を生成するクランプ電圧発生回路を備える必要がなくなり、構成を簡単化することができる。
【0013】
請求項2に記載した手段によれば、半導体集積回路装置が複数の信号入力端子を有する場合、電圧出力回路を各信号入力端子に対し共通に設けたので、構成を簡単化できるとともに消費電流を低減することができる。
【0014】
請求項3に記載した手段によれば、半導体集積回路装置の外付け部品である電流制限素子は抵抗から構成されているので、半導体集積回路装置が搭載された基板の面積をより縮小できるとともにコストを一層低減できる。
【0015】
請求項4に記載した手段によれば、N個の信号入力端子に同時に最大電圧Vmが印加された場合において、電圧出力回路はその電圧印加に伴い各スイッチ回路を介して流れる電流を流し出す(または流し込む)ことが可能なため、端子電圧をクランプ電圧に確実にクランプすることができる。
【0016】
請求項5に記載した手段によれば、クランプ電圧を超える電圧の入力に対して端子電圧がクランプ電圧に固定されるので、A/Dコンバータへの入力電圧はそのクランプ動作開始時の電圧のまま保持され、クランプ動作時においても妥当な変換結果が得られる。
【0017】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について図1および図2を参照しながら説明する。
図1は、正の過電圧保護機能を有する半導体集積回路装置の電気的構成を示している。この図1において、CMOSプロセスにより製造される半導体集積回路装置11(以下、IC11と称す)は、電源端子12、13を介して外部から電源電圧VDD(例えば5.0V)の供給を受けて動作するようになっている。各電源端子12、13は、IC11の内部においてそれぞれ高電位側の電源線14、低電位側の電源線15に接続されている。
【0018】
このIC11は、A/Dコンバータ16、マルチプレクサ17をはじめ図示しない各種のアナログ回路およびディジタル回路を備えている。また、電源電圧VDDが5.0Vの場合、アナログ信号の入力端子18、19(信号入力端子に相当)の最大定格電圧は5.5Vであるため、入力端子18、19に5.1Vのクランプ電圧VCLを超える電圧が印加されることがないようにクランプ回路20を備えている。なお、このIC11は、車両に搭載された電子制御装置(ECU)において用いられている。
【0019】
マルチプレクサ17は、入力端子18、19とA/Dコンバータ16の入力端子との間にそれぞれ接続されたアナログスイッチ17a、17bから構成されており、選択信号S1〜S4に従って何れか一方のアナログスイッチのみがオン状態に制御されるようになっている。また、A/Dコンバータ16は、マルチプレクサ17から入力された0.0Vから5.0Vの電圧範囲内の電圧に対し、所定の分解能によりA/D変換を実行するようになっている。
【0020】
クランプ回路20は、その大部分がIC11の内部に形成されており、IC11の外部例えばIC11が搭載された基板上には抵抗R11とR12のみが搭載されている。これら抵抗R11、R12は、それぞれアナログ電圧Va1、Va2を出力する検出手段(図示せず)と入力端子18、19との間の信号経路に設けられている。
【0021】
IC11の内部において、入力端子18、19とオペアンプ21(電圧出力回路に相当)の出力端子との間には、それぞれPチャネル型トランジスタQ11、Q12(スイッチ回路に相当)のソース・ドレイン間が接続されている。オペアンプ21はボルテージフォロアの回路形態を有しており、図示しない定電圧発生回路から入力した一定の電圧Vcをそのままの電圧値で出力するようになっている。この電圧Vcはクランプ電圧VCL以下であれば良いが、確実なクランプ動作を行うためには、クランプ電圧VCLに対し、トランジスタQ11、Q12のオン時のソース・ドレイン間電圧VDS以上低い電圧とすることが好ましい。
【0022】
コンパレータ22、23(比較回路に相当)は、それぞれ入力端子18、19の電圧Vin1 、Vin2 (以下、端子電圧Vin1 、Vin2 と称す)を上記クランプ電圧VCLと比較するもので、その非反転入力端子(比較入力端子に相当)はともに電源線14に接続され、その出力端子はそれぞれトランジスタQ11、Q12のゲートに接続されている。また、コンパレータ22、23の反転入力端子(比較入力端子に相当)は、それぞれ入力端子18、19に接続されている。
【0023】
これらコンパレータ22、23は、図2に示す電気的構成を備えている。すなわち、非反転入力端子側のNチャネル型トランジスタQ13と反転入力端子側のトランジスタQ14(ともに差動入力トランジスタに相当)のソースは共通に接続され、定電流回路としてのトランジスタQ15を介して電源線15に接続されている。また、トランジスタQ13、Q14の各ドレインと電源線14との間には、能動負荷回路24を構成するPチャネル型トランジスタQ16、Q17が接続されている。これらトランジスタQ16、Q17はカレントミラー回路の形態を有しており、トランジスタQ17のゲート面積はトランジスタQ16のゲート面積の1.5倍とされている。
【0024】
電源線14と15との間にはPチャネル型トランジスタQ18とNチャネル型トランジスタQ19とが直列に接続されており、その共通に接続されたドレインが出力ノードとなっている。トランジスタQ13のドレインはトランジスタQ18のゲートに接続され、トランジスタQ15、Q19の各ゲートにはバイアス電圧が与えられている。
【0025】
上記構成により、トランジスタQ17の電流出力能力はトランジスタQ16の電流出力能力よりも大きくなる。そして、非反転入力端子と反転入力端子との間には0.1Vのオフセット電圧が発生し、反転入力端子の電圧(端子電圧Vin1 、Vin2 )が非反転入力端子の電圧(5.0V)に対し0.1Vだけ高い5.1V(つまりクランプ電圧VCL)を超えると、出力がHレベル(5V)からLレベル(0V)に反転するようになっている。
【0026】
次に、入力端子18に対する過電圧保護動作について説明する。この過電圧保護動作は、入力端子19に対しても同様となる。
上述したようにコンパレータ22は0.1Vのオフセット電圧を持っているため、端子電圧Vin1 をクランプ電圧VCL(5.1V)と比較するのと同じ動作をする。端子電圧Vin1 がクランプ電圧VCL以下の正常電圧範囲内にある場合、コンパレータ22はHレベルを出力し、トランジスタQ11はオフ状態となる。これにより、入力端子18はオペアンプ21から切り離された状態となり、図示しない検出手段により検出されたアナログ電圧Va1は抵抗R11、入力端子18、マルチプレクサ17を介してA/Dコンバータ16に入力される。MOSトランジスタからなるA/Dコンバータ16の入力インピーダンスは極めて高いため、端子電圧Vin1 はアナログ電圧Va1と等しくなり、信号経路に抵抗R11を介在させたことによる電圧誤差は発生しない。
【0027】
これに対し、端子電圧Vin1 にクランプ電圧VCLを超える電圧が印加されると、コンパレータ22はLレベル(クランプ動作指令信号に相当)を出力し、トランジスタQ11のゲート・ソース間にはしきい値電圧Vtを超える十分なゲート電圧が与えられる。これにより、トランジスタQ11は十分なオン状態となる。この時、抵抗R11、入力端子18、トランジスタQ11を介して電流が流れ、この電流はオペアンプ21の出力端子に流れ込む。トランジスタQ11のオン抵抗は抵抗R11よりも十分に低いので、この電流によって抵抗R11に電圧降下が生じ、端子電圧Vin1 はオペアンプ21の出力電圧Vcに向かって低下する。そして、端子電圧Vin1 がクランプ電圧VCL以下になると再びトランジスタQ11がオフとなる。
【0028】
このように、クランプ電圧VCLを超えるアナログ電圧Va1が検出手段より出力されている期間、コンパレータ22が端子電圧Vin1 とクランプ電圧VCLとの比較に基づいてトランジスタQ11のオンオフ動作を制御し、これにより端子電圧Vin1 はクランプ電圧VCLにクランプされる。
【0029】
この場合、オペアンプ21に要求される電流出力能力(電流シンク能力)Isinkは、アナログ電圧Va1、Va2の最大値をそれぞれVa1max 、Va2max 、抵抗R11、R12の抵抗値をそれぞれR11、R12とすれば、次の(1)式で示すようになる。
Isink≧(Va1max −VCL)/R11+(Va2max −VCL)/R12 …(1)
【0030】
この(1)式を一般化すれば、アナログ電圧Va1、Va2の最大値をともにVamax、抵抗R11、R12の抵抗値をともにR、入力端子数をNとすれば、次の(2)式で示すようになる。
Isink≧(Vamax−VCL)/R×N …(2)
【0031】
以上説明したように、本実施形態によればIC11にクランプ回路20を設けたので、A/Dコンバータ16への入力端子18、19にクランプ電圧VCLを超える電圧が入力された場合に、その端子電圧Vin1 、Vin2 をクランプ電圧VCLにクランプすることができる。このクランプ電圧VCLは、電源電圧VDDよりも高く且つ入力端子18、19の最大定格電圧よりも低く設定されているので、0.0Vから5.0Vまでの電圧範囲の入力電圧に対し精度が低下することなくA/D変換が行われるとともに、IC11を過電圧から保護できる。
【0032】
クランプ回路20の構成要素のうちトランジスタQ11、Q12、オペアンプ21およびコンパレータ22、23はIC11内に構成され、抵抗R11、R12だけが外付け部品となる。このように外付け部品の数が減少することにより、IC11が搭載される基板の面積を縮小でき、コストを低減することができる。本実施形態では2つの入力端子を備えているが、さらに多くの入力端子を備えたICに対してはより大きな縮小効果、低減効果が得られる。
【0033】
クランプ回路20において、コンパレータ22、23内のトランジスタQ16とQ17との電流出力能力比を変えることによりオフセット電圧を付加したので、クランプ電圧VCLの生成する基準電圧発生回路が不要となる。また、入力端子18、19に対しオペアンプ21を共通化した。こうしたことにより、構成の簡単化および消費電流の低減が図られている。
【0034】
端子電圧Vin1 、Vin2 がクランプ電圧VCL以下の正常電圧範囲内にある場合には、トランジスタQ11、Q12はオフ状態となり抵抗R11、R12の両端電圧は0となるので、クランプ回路20の存在によるA/D変換精度の低下は生じない。また、端子電圧Vin1 またはVin2 がクランプされている過電圧保護期間における変換結果は、クランプ電圧VCLである5.1Vに対応した値(実際には入力電圧範囲の上限値である5.0Vに対応した値)となる。検出されたアナログ電圧Va1またはVa2が入力電圧範囲を超えている本期間において、入力電圧範囲内においてアナログ電圧Va1またはVa2に最も近い上限値の変換結果が得られるということは、信号処理上において望ましい結果となる場合が多いと考えられる。
【0035】
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について図3を参照しながら説明する。
図3は、負の過電圧保護機能を有する半導体集積回路装置の電気的構成を示すもので、図1と同一部分には同一符号が付されている。この半導体集積回路装置25(以下、IC25と称す)のクランプ回路26は、IC11のクランプ回路20におけるPチャネル型トランジスタQ11、Q12をNチャネル型トランジスタQ20、Q21(スイッチ回路に相当)に置き替えるとともに、コンパレータ27、28(比較回路に相当)の非反転入力端子を電源線15に接続した構成となっている。
【0036】
コンパレータ27、28は、具体的には図示しないが差動入力トランジスタに対する能動負荷回路が所定量だけアンバランスに設定されており、これにより0.1Vのオフセット電圧を有している。従って、反転入力端子の電圧(端子電圧Vin1 、Vin2 )が非反転入力端子の電圧(0.0V)に対し0.1Vだけ低い−0.1V(クランプ電圧VCL)を超えて低下すると、出力がLレベル(0V)からHレベル(5V)に反転する。
【0037】
オペアンプ21は、一定の電圧Vdを出力するようになっている。この電圧Vdはクランプ電圧VCL以上であれば良いが、確実なクランプ動作を行うためには、クランプ電圧VCLに対し、トランジスタQ20、Q21のオン時のドレイン・ソース間電圧VDS以上高い電圧とすることが好ましい。
【0038】
上記構成を備えたIC25の過電圧保護動作は、第1の実施形態で説明したIC11における過電圧保護動作と同様となる。すなわち、入力端子18に対しては、端子電圧Vin1 がクランプ電圧VCL以上の正常電圧範囲内にある場合、コンパレータ27はLレベルを出力し、トランジスタQ20はオフ状態となる。
【0039】
また、端子電圧Vin1 にクランプ電圧VCLより低い電圧が印加されると、コンパレータ27はHレベルを出力し、トランジスタQ20はオン状態となる。この時、オペアンプ21の出力端子からトランジスタQ20、入力端子18、抵抗R11を介して電流が流れ、端子電圧Vin1 はオペアンプ21の出力電圧Vdに向かって上昇する。
【0040】
コンパレータ27が端子電圧Vin1 とクランプ電圧VCLとの比較に基づいてトランジスタQ20のオンオフ動作を制御することにより、端子電圧Vin1 はクランプ電圧VCL(−0.1V)にクランプされる。以上説明した作用により、本実施形態によっても入力端子18、19に対する負の過電圧入力について第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0041】
(その他の実施形態)
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
第1の実施形態に示すクランプ回路20と第2の実施形態に示すクランプ回路26とを両方備えた構成としても良い。
クランプ動作により保護する入力端子は、アナログ入力端子に限られずディジタル汎用ポートなど種々の信号入力端子であっても良い。
保護する入力端子の数は2に限られず、1あるいは3以上であっても良い。複数の入力端子を有する場合において、オペアンプ21は共通に1つだけ設ければ良い。
【0042】
コンパレータ22、23、27、28の能動負荷回路をアンバランスに設定したが、これに替えて差動入力トランジスタをアンバランスに設定しても良い。また、コンパレータのオフセット電圧を0とし、クランプ電圧VCLを生成するクランプ電圧発生回路を設け、そのクランプ電圧VCLを当該コンパレータの非反転入力端子に印加するように構成しても良い。
IC11、25は、バイポーラプロセスにより製造されるものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す半導体集積回路装置の電気的構成図
【図2】コンパレータの電気的構成図
【図3】本発明の第2の実施形態を示す図1相当図
【図4】従来技術を示すクランプ回路の電気的構成図
【図5】過大電圧保護回路の電気的構成図
【符号の説明】
11、25は半導体集積回路装置、14、15は電源線、16はA/Dコンバータ、18、19は入力端子(信号入力端子)、20、26はクランプ回路、21はオペアンプ(電圧出力回路)、22、23、27、28はコンパレータ(比較回路)、24は能動負荷回路、Q11、Q12、Q20、Q21はトランジスタ(スイッチ回路)、Q13、Q14はトランジスタ(差動入力トランジスタ)、R11、R12は抵抗(電流制限素子)である。
Claims (5)
- 信号入力端子の電圧を所定のクランプ電圧と比較し、その信号入力端子の電圧が前記クランプ電圧を超えている時にクランプ動作指令信号を出力する比較回路と、
前記クランプ電圧を超えない範囲内の電圧を出力し所定の電流出力能力を有する電圧出力回路と、
前記信号入力端子と前記電圧出力回路との間に接続され、前記比較回路からクランプ動作指令信号が出力されていることを条件として閉動作するスイッチ回路とが半導体集積回路装置として構成され、
この半導体集積回路装置の外部において前記信号入力端子への信号入力経路に電流制限素子が設けられており、
前記比較回路は、電源線から所定の電源電圧の供給を受けて動作するとともに比較入力端子がそれぞれ前記信号入力端子と前記電源線に接続されたコンパレータから構成され、
そのコンパレータにおいて、差動増幅回路の能動負荷回路を構成するトランジスタの電流出力能力比が、前記クランプ電圧と前記電源線の電位との差に基づいて設定されていることを特徴とするクランプ回路。 - 前記半導体集積回路装置が複数の信号入力端子を有する場合、前記比較回路、スイッチ回路および電流制限素子は各信号入力端子ごとに設けられ、前記電圧出力回路は各信号入力端子に対し共通に設けられていることを特徴とする請求項1記載のクランプ回路。
- 前記電流制限素子は抵抗であることを特徴とする請求項1または2記載のクランプ回路。
- 前記電圧出力回路は、前記抵抗を通過する前の信号の最大電圧をVm、前記クランプ電圧をVc、前記抵抗の抵抗値をR、前記信号入力端子の数をNとすれば、少なくとも|Vm−Vc|/R×Nだけの電流出力能力を有していることを特徴とする請求項3記載のクランプ回路。
- 前記信号入力端子は、前記半導体集積回路装置内に設けられたA/Dコンバータへのアナログ信号入力端子であることを特徴とする請求項1ないし4の何れかに記載のクランプ回路。
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