JP3941250B2 - クロック信号停止検出回路及び半導体集積回路 - Google Patents

クロック信号停止検出回路及び半導体集積回路 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MIS構造の半導体集積回路において、クロック信号の有無を判別するクロック信号停止検出回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、MIS構造の半導体集積回路において発振回路等から出力されるクロック信号の有無を判別する回路、即ち発振回路が正常に発振動作しているか否かを検出する回路は、例えば図10に示すような回路になっていた。クロック信号入力端子4に入力される信号とインバータ回路19を介したクロック反転信号を使用して、最初にMISトランジスタ17をオン状態、MISトランジスタ18をオフ状態にして電源3の電圧を充電用コンデンサ20に充電させた後、MISトランジスタ17をオフ状態、MISトランジスタ18をオン状態にして平滑用コンデンサ7を充電していた。発振回路等が正常動作してクロック信号入力端子4にクロック信号が入力されていれば平滑用コンデンサ7の端子間電圧は、ほぼ電源電圧になっておりクロック停止検出信号出力端子14には出力バッファ回路21を介してハイレベルが出力される。発振回路が停止する等の事態が発生した場合は、MISトランジスタ17とMISトランジスタ18によるスイッチング動作ができなくなるので平滑用コンデンサ7に電荷が充電されなくなり、平滑用コンデンサ7に蓄積された電荷は放電用抵抗8を介して放電されてクロック停止検出信号出力端子14にはローレベルが出力される。従って、クロック信号が入力されている場合とクロック信号が入力されていない場合でクロック停止検出信号出力端子14の出力位相が異なりクロック信号が入力されているか否かの判別をすることができる回路構成になっていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のクロック信号停止検出回路には次のような問題があることが判明した。検出すべきクロックの周波数が時計用IC等で使用される32kHzのような数十kHz程度の低いクロック周波数であればクロック信号停止検出動作は可能であるが、昨今のCPU等を使用したシステムでは検出すべきクロック周波数が例えば40MHzというように数十MHzオーダーの高いクロック周波数を使用している場合は、充電用コンデンサ20や平滑用コンデンサ7を充電するMISトランジスタ17、18のスイッチング動作の遅れやMISトランジスタ17、18のゲート電極を駆動するインバータ回路19の立ち上がり時間や立ち下がり時間の遅れ等により、スイッチング動作が追随できず充電時間がしっかり確保できないなどの原因により、正常なクロック信号の停止検出動作ができない不具合が発生するという課題を有していた。
【0004】
そこで、本発明ではこのような課題を解決するもので、その目的とするところは、数十MHzオーダーの高い周波数をクロック信号として使用したシステムで動作可能なクロック信号の停止の有無を判別するクロック信号停止検出回路を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
(手段1)本発明のクロック信号停止検出回路は、クロック信号が入力されているか否かを検出するクロック信号停止検出回路であって、電圧を供給する電圧安定化回路と、基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、前記クロック信号により、前記電圧安定化回路の出力電圧を昇圧する電圧変換手段と、前記電圧変換手段の出力電圧と前記基準電圧発生手段の出力電圧を比較する電圧比較手段とを有することを特徴とする。
【0006】
(手段2)クロック信号が入力されているか否かを検出するクロック信号停止検出回路であって、電源電圧に依存しない一定の基準電圧を作成する基準電圧手段と、前記基準電圧を使用して安定化された電圧を供給する電圧安定化手段と、前記クロック信号により、前記電圧安定化手段の出力電圧を昇圧する電圧変換手段と、前記基準電圧を入力として別の基準電圧を出力する基準電圧発生手段と、前記電圧変換手段の出力電圧と前記基準電圧発生手段の出力電圧を比較する電圧比較手段とを有することを特徴とする。
【0007】
(手段3)前記電圧変換手段が電圧変換手段の入力と出力の間に複数個のダイオードを入力から出力に向けて順方向に直列接続し、ダイオードとダイオードを接続する中間端子とクロック信号入力との間にコンデンサが接続されていることを特徴とする。
【0008】
(手段4)前記電圧変換手段が電圧変換手段の入力と出力の間に複数個のゲート電極とソース電極を短絡させてオフ状態に設定したMISトランジスタを入力から出力に向けてMISトランジスタの寄生ダイオード構造が順方向になるように直列接続し、MISトランジスタとMISトランジスタを接続する中間端子とクロック信号入力との間にコンデンサが接続されていることを特徴とする。
【0009】
(手段5)前記電圧比較手段の出力に容量性素子と該容量性素子を充放電する抵抗素子とを有し、前記電圧比較手段の出力レベルが所与の期間以上継続した場合に、前記電圧比較手段の出力の変化を伝えるフィルタ回路が接続されていることを特徴とする。
【0010】
(手段6)直列接続された複数のダイオードと、第1段目の前記ダイオードに電圧を印加する電圧発生回路と、前記ダイオード同士の接続点にそれぞれ一方の電極が接続される複数のコンデンサと、隣り合う前記コンデンサの他方の電極に互いに逆相の被検出クロック信号を入力するために設けられたクロック入力端子と、基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、前記基準電圧と、最終段の前記ダイオードから出力される電圧とを比較し、検出信号を出力する比較回路とを有することを特徴とする
【0011】
(手段7)前記ダイオードは、ゲート端子とソース端子が接続されたMISトランジスタからなることを特徴とする。
【0012】
(手段8)本発明の半導体集積回路は、手段1及至7いずれかのクロック信号停止検出回路を含むことを特徴とする。
【0013】
【作用】
本発明の上記の回路構成によれば、クロック信号が入力されている場合は、入力されるクロック信号とダイオードあるいはMISトランジスタの寄生構造のダイオードを利用して電圧変換手段にて昇圧動作をさせて昇圧された高いレベルの出力電圧が得られて電圧比較手段に入力されるのに対して、クロック信号が入力されてない場合は、電圧変換手段にて昇圧動作ができないので昇圧された時のような高いレベルの電圧が得られず低レベルの電圧が電圧比較手段に入力される回路構成になっている。従って、基準電圧発生手段の基準電圧値を昇圧された高いレベルの出力電圧値と昇圧されていない低レベルの電圧値の間の電圧値に設定することにより、電圧変換手段の出力電圧値の違いを電圧比較手段にて判別できるようにすることができるのでクロック信号の有無の判別をすることが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【0015】
図1は、本発明の第1の実施の形態を示す回路図である。100は、電圧変換回路部、1、2は、ダイオード素子で半導体集積回路で実現する場合の構造の断面図を図6に示す。601がアノード電極端子、602がカソード電極端子である。3は電源、4は被検出クロック信号を入力するクロック信号入力端子、5が電圧安定化用コンデンサ、6がポンプアップ用コンデンサ、7が平滑用コンデンサ、8が放電用抵抗、9は基準電圧素子で、図3にMISトランジスタで構成した場合の実施例を示す。10は電圧安定化回路で図3にMISトランジスタで構成した場合の実施例を示す。11は基準電圧発生回路で図3にMISトランジスタで構成した場合の実施例を示す。12は電圧比較回路で図4にMISトランジスタで構成した場合の実施例を示す。13はフィルタ回路で図5に実施例を示す。
【0016】
ダイオード素子1、2は電圧安定化回路10と電圧比較回路12との間に直列接続されており、ダイオード素子1、2の接続点とクロック信号入力端子4との間にはポンプアップ用コンデンサが接続されている。また、ダイオード素子1と電圧安定化回路10との接続点とGNDとの間には電圧安定化用コンデンサ5が、ダイオード素子2と電圧比較回路12の一方の入力端子との接続点とGNDとの間には平滑用コンデンサ7と、放電用抵抗8が接続されている。電圧比較回路の他方の接続端子には基準電圧発生回路から出力される基準電圧が入力されている。
【0017】
次に、図1の実施の形態における動作を説明する。
【0018】
電源3が印加された状態で、基準電圧9は接続点Aに電源3の電圧値に依存しないある一定の電圧VRが出力する。電圧安定化回路10は、基準電圧9からの電圧VRが入力されるとある係数倍された安定化出力電圧を接続点Bに出力する。係数をK1とすると安定化出力電圧値は、K1・VRとなる。次に、安定化出力電圧K1・VRを入力された電圧変換回路部100は、クロック信号入力端子4にクロック信号が入力されている場合は昇圧回路動作をする。
【0019】
入力されるクロック信号のハイレベルをVCL、ローレベルを0Vとした場合の昇圧動作を説明する。
【0020】
まず、クロック信号入力端子4にローレベルが入力されるとダイオード1がオン状態になりポンプアップ用コンデンサ6に電荷が充電される。充電された電圧は、ダイオード1での電圧降下分をVFとすると(K1・VR−VF)になる。次に、クロック信号入力端子4にハイレベルが入力されるとポンプアップコンデンサ6のダイオード1、2に接続されている側の接続点Cの電圧がクロック信号の電圧振幅分(VCL)電圧上昇してダイオード1がオフ状態、ダイオード2がオン状態になり平滑用コンデンサ7を充電する。クロックが継続して入力されている状態では上記電圧変換動作が繰り返されて平滑用コンデンサ7とダイオード2が接続されている接続点Dの電圧は、ダイオード2での電圧降下分もダイオード1の電圧降下分VFと同じとすると(K1・VR+VCL−2・VF)となる。なお、平滑用コンデンサ7から放電用抵抗8を介しての放電経路は存在するが平滑用コンデンサ7への昇圧回路動作による充電量より十分に小さくなるように放電用抵抗8の抵抗値を設定すれば上記の昇圧動作中の電圧値(K1・VR+VCL−2・VR)は安定して保持できる。
【0021】
一方、基準電圧9の出力VRが入力された基準電圧発生回路11では、あらかじめ設定した係数倍された基準電圧を出力する。係数をK2とすると基準電圧はK2・VRになる。電圧比較回路12には、電圧変換回路100の出力電圧(K1・VR+VCL−2・VF)と、基準電圧K2・VRが入力される。
【0022】
次に、クロック信号が入力されていない状態では電圧変換回路100は電圧変換動作ができないのでクロック入力信号端子4の入力レベルに依存せず接続点Dには安定化出力電圧K1・VRからダイオード1、2の電圧降下分だけ低下した電圧が出力される。ダイオード1、2の電圧降下分をともにVFとすると、電圧変換回路100の出力電圧はK1・VR−2・VFとなる。
【0023】
従って、基準電圧発生回路11の出力電圧VREF(=K2・VR)をクロック信号が入力されている時の電圧変換回路100の出力電圧VO1(=K1・VR+VCL−2・VF)と、クロック信号が入力されていない時の電圧変換回路100の出力電圧VO2(=K1・VR−2・VF)の中間の電圧値に設定すると、電圧比較回路12の出力は、クロック信号が入力されている時はハイレベルが出力されて、クロック信号が入力されていない時はローレベルを出力する。たとえば、K1=1.5、VR=1.0V、VF=0.6V、VCL=3.3Vとすると、クロック信号入力端子4にクロック信号が入力されている時の電圧変換回路100の出力電圧VO1は、
VO1=1.5×1.0(V)+3.3V−2×0.6(V)=3.6(V)
になる。また、クロック信号が入力されていない時の電圧変換回路100の出力電圧VO2は、
VO2=1.5×1.0(V)−2×0.6(V)=0.3(V)
になる。
【0024】
従って、K2=2.0とすればVREF=2.0×1.0(V)=2.0(V)となり、電圧比較回路12の出力はクロック信号が入力されている時はハイレベルを、クロック信号が入力されていない時はローレベルが出力されクロック信号入力の有無を判別することが可能となる。
【0025】
図8に上記の動作説明用のタイムチャート図を示す。
【0026】
時間軸上でT1の時点からクロック4が入力されると、ダイオード1を通してポンプアップ用コンデンサ6に充電された電荷がクロック4のハイレベルの期間ポンプアップされてノードCの電位が段階的に上昇する。ノードCの電位は電圧値K1・VR−VF+VCLになったところで飽和する。
【0027】
そして、ノードCの電位はダイオード2を通して出力の平滑用コンデンサ7を充電し、出力電圧V1(ノードD)が電圧上昇する。出力電圧V1が基準電圧発生回路11の出力電圧VREFより高くなる時点T2で電圧比較回路12の出力V2はローレベルからハイレベルに変化する。
【0028】
また、T3においてクロック4が入力されなくなると、上記の電圧変換動作ができなくなるので、放電用抵抗8により平滑用コンデンサ7に蓄積された電荷が放電されるためにノードDの電位は電圧降下していく。そして、基準電圧発生回路100の出力電圧VREFより低くなる時点T4で電圧比較回路12の出力V2はハイレベルからローレベルに変化する。
【0029】
この様にして、クロック4の有無に応じて出力V2の状態がハイレベルまたはロウレベルに変化するのである。
【0030】
なお、入力されるクロック4が完全に停止しなくても、クロック周波数が低下してノードDの電圧値があらかじめ設定された基準電圧発生回路11の基準電圧出力値を越えなくなった場合も同様に判定する。即ち、クロック4の周波数が低下して平滑用コンデンサ7を充電する電荷量が放電用抵抗8を通して放電される電荷量より少なくなるとノードDの電圧上昇がなくなり、クロック停止状態と同様の検出動作となるのである。検出するクロック周波数は、ポンプアップ用コンデンサ6の容量値と放電用抵抗8の抵抗値を調整することにより設定可能である。
【0031】
フィルタ回路13は、電圧比較回路12の出力電圧値があらかじめ設定された時間以上継続した場合に電圧比較回路12の出力信号をクロック信号停止検出信号出力端子14に伝達する機能を有する。フィルタ回路13を接続することにより瞬間的な電源ノイズ等により誤った検出信号が伝達されないようにすることができる。
【0032】
図1は、電圧変換回路100の昇圧電圧変換動作にダイオード素子1、2を使用した実施例であるが、ダイオード1、2の替わりにMISトランジスタのゲート電極とソース電極を短絡させてMISトランジスタをオフ状態にしてMISトランジスタの寄生ダイオード構造を利用しても実現可能である。図2に、第2の実施の形態である、電圧変換回路100の昇圧電圧変換動作にMISトランジスタ15、16のゲート電極とソース電極を短絡させてオフ状態にてMISトランジスタの寄生ダイオード構造を使用した例を示す。図7にMISトランジスタをオフ状態にして実現した場合の半導体集積回路の断面図を示す。
【0033】
なお、本発明の実施例は,P基板のウエハを使用した半導体集積回路の実施例であるが、N基板のウエハを使用しても実現可能である。
【0034】
図9は、本発明の第3の実施の形態である。第1の実施の形態と同一の素子には同一の符号が付けてある。
【0035】
本実施の形態では、電圧変換回路部100の昇圧の倍数を増やすためにダイオード及びコンデンサを多段接続している。つまり、ダイオード素子1、2〜30、31を直列接続し、ダイオード同士の接続点にコンデンサ素子6〜37がそれぞれ接続されている。そして、隣り合うコンデンサ素子には互いに逆相のクロック信号が端子4、40から供給されている。
【0036】
なお、図10では、クロック信号入力用に2つの端子を設けているが、一つの端子にまとめて内部の反転回路により逆相のクロックを作る構成にしてもかまわない。
【0037】
また、図9では、昇圧電圧変換動作にダイオード素子、1、2、31、32を使用しているが、第2の実施の形態のように、MISトランジスタのゲートとソース電極を短絡させてMISトランジスタをオフ状態にしてMISトランジスタの寄生ダイオード構造を利用しても良い。
【0038】
【発明の効果】
以上、述べたように本発明によれば、MISトランジスタのゲート電極電位を制御して高速なスイッチング動作させることなく、入力されるクロック信号とダイオードあるいはMISトランジスタの寄生構造のダイオードとコンデンサを使用した電圧変換回路にて昇圧動作をさせて高いレベルの出力電圧が得られるか否かでクロック信号の有無を判別する回路構成にしたので、数十MHzオーダーの高い周波数を使用して信号処理をする機器等で使用され基準信号となる高い周波数のクロック信号の停止の有無を判別することができるなどすぐれた効果を有するものである。
【0039】
また、本発明の回路構成は、MISトランジスタを数十MHzというような高い周波数で高速な電流スイッチング動作させる必要がなくなるので、たとえば、サブミクロンと呼ばれる1μm以下の高集積・高価なウエハ製造プロセスを使用することなく1μm以上の安価なウエハ製造プロセスを使用して低コストで実現が可能である。
【0040】
さらに、フィルタ回路を設けることにより瞬間的な電源変動ノイズによる電圧比較回路の出力変化の伝達を防止する回路構成にしたので、瞬時の電源変動により誤ったクロック停止検出信号が伝達されないようにすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す回路図。
【図2】本発明の第2の実施の形態を示す回路図。
【図3】本発明の基準電圧、電圧安定化回路、基準電圧発生回路の実施の形態を示す回路図。
【図4】本発明の電圧比較回路の実施の形態を示す回路図。
【図5】本発明のフィルタ回路の実施の形態を示す回路図。
【図6】半導体基板上に作成されたダイオード素子の断面図。
【図7】半導体基板上に作成されたオフ状態に設定されたMISトランジスタの断面図。
【図8】本発明の回路動作説明用のタイムチャート図。
【図9】本発明の第3の実施の形態を示す回路図。
【図10】従来のクロック信号停止検出回路図。
【符号の説明】
1、2、31、32は、ダイオード素子
3は、電源
4は、クロック信号入力端子
5は、安定化用コンデンサ
6は、ポンプアップ用コンデンサ
7は、平滑用コンデンサ
8は、放電用抵抗
9は、基準電圧
10は、電圧安定化回路
11は、基準電圧発生回路
12は、電圧比較回路
13は、フィルタ回路
14は、クロック停止検出信号出力端子
15、16は、オフ状態に設定されたMISトランジスタ
17,18は、MISトランジスタ
19は、インバータ回路
20は、充電用コンデンサ
21は、出力バッファ回路
41は、クロック反転信号入力端子
90は、基準電圧出力
100は、電圧変換回路部
101、102、104、105、109、110、112、113、117、118、120、121、125は、P型エンハンスメントMISトランジスタ
103、106、107、108、111、114、115、116、119、122、123、124、126は、N型エンハンスメントMISトランジスタ
127は、P型デプレションMISトランジスタ
128、129は、位相補償用コンデンサ
130、131、132、133は、帰還抵抗
134は、発振防止用コンデンサ
300は、負側電源入力端子(GND端子)
301は、正側電源入力端子
302は、電圧安定化回路の出力端子
303は、基準電圧発生回路の出力端子
401は、電圧比較回路の正側入力端子
402は、電圧比較回路の負側入力端子
403は、電圧比較回路の出力端子
500は、フィルタ回路の入力端子
501は、インバータ回路
502は、フィルタ用コンデンサ
503は、シュミットインバータ
504は、出力バッファ回路
505は、フィルタ回路の出力端子
601は、ダイオードのアノード電極端子
602は、ダイオードのカソード電極端子
701は、MISオフトランジスタのドレイン電極端子
702は、MISオフトランジスタをダイオードとして使用した場合のカソード電極端子
703は、MISトランジスタのゲート電極端子
704は、MISトランジスタのソース電極端子
705は、MISトランジスタのサブストレート電極端子

Claims (8)

  1. クロック信号が入力されているか否かを検出するクロック信号停止検出回路であって、
    電圧を供給する電圧安定化回路と、
    基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、
    前記クロック信号により、前記電圧安定化回路の出力電圧を昇圧する電圧変換手段と、
    前記電圧変換手段の出力電圧と前記基準電圧発生回路の出力電圧を比較し、検出信号を出力する電圧比較手段とを有することを特徴とするクロック信号停止検出回路。
  2. クロック信号が入力されているか否かを検出するクロック信号停止検出回路であって、
    電源電圧に依存しない一定の基準電圧を作成する基準電圧手段と、
    前記基準電圧を使用して安定化された電圧を供給する電圧安定化手段と、
    前記クロック信号により、前記電圧安定化手段の出力電圧を昇圧する電圧変換手段と、
    前記基準電圧を入力として別の基準電圧を出力する基準電圧発生手段と、
    前記電圧変換手段の出力電圧と前記基準電圧発生手段の出力電圧を比較し、検出信号を出力する電圧比較手段とを有することを特徴とするクロック信号停止検出回路。
  3. 前記電圧変換手段が電圧変換手段の入力と出力の間に複数個のダイオードを入力から出力に向けて順方向に直列接続し、ダイオードとダイオードを接続する中間端子とクロック信号入力との間にコンデンサが接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載のクロック信号停止検出回路。
  4. 前記電圧変換手段が電圧変換手段の入力と出力の間に複数個のゲート電極とソース電極を短絡させてオフ状態に設定したMISトランジスタを入力から出力に向けてMISトランジスタの寄生ダイオード構造が順方向になるように直列接続し、MISトランジスタとMISトランジスタを接続する中間端子とクロック信号入力との間にコンデンサが接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載のクロック信号停止検出回路。
  5. 前記電圧比較手段の出力に容量性素子と該容量性素子を充放電する抵抗素子とを有し、前記電圧比較手段の出力レベルが所与の期間以上継続した場合に、前記電圧比較手段の出力の変化を伝えるフィルタ回路が接続されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のクロック信号停止検出回路。
  6. 直列接続された複数のダイオードと、
    第1段目の前記ダイオードに電圧を印加する電圧発生回路と、
    前記ダイオード同士の接続点にそれぞれ一方の電極が接続される複数のコンデンサと、
    隣り合う前記コンデンサの他方の電極に互いに逆相の被検出クロック信号を入力するために設けられたクロック入力端子と、
    基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、
    前記基準電圧と、最終段の前記ダイオードから出力される電圧とを比較し、検出信号を出力する比較回路とを有することを特徴とするクロック信号停止検出回路。
  7. 前記ダイオードは、ゲート端子とソース端子が接続されたMISトランジスタからなることを特徴とする請求項6に記載のクロック信号停止検出回路。
  8. 請求項1及至7のいずれかに記載のクロック信号停止検出回路を含むことを特徴とする半導体集積回路。
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