JP3945412B2

JP3945412B2 - Level shift circuit

Info

Publication number: JP3945412B2
Application number: JP2003033590A
Authority: JP
Inventors: 直雄奥村; 卓哉原田; 真清堀江
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP2004247826A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力電圧をレベルシフトした電圧を出力するレベルシフト回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体集積回路の１つとして、レベルシフト回路がある。図５に、従来のレベルシフト回路の構成を示す。レベルシフト回路は、オペアンプ（演算増幅器）２１、２２、Ｐチャネル型の電界効果トランジスタ１０、１１および抵抗３０〜３２により構成されている。
【０００３】
オペアンプ２１の非反転入力端子には、電源電圧ＶＤＤを抵抗３０、３１によって分圧された電位が入力される。この非反転入力端子の電位とオペアンプ２１の反転入力端子の電位は等しくなるため、抵抗３２には電源とオペアンプ２１の反転入力端子間の電位差に応じた定電流が流れる。このように、オペアンプ２１、トランジスタ１１、抵抗３０〜３２は、定電流を供給する定電流回路を構成している。
【０００４】
オペアンプ２２は、反転入力端子と出力端子間が接続され、ボルテージフォロアとして動作し、非反転入力端子に入力される電圧と同じ電圧を出力端子に出力する。トランジスタ１０は、ソースに定電流が供給され、ゲートとドレインに同電位が印加され、ソース電位を出力電圧として出力する、いわゆるソースフォロワ回路として構成されている。
【０００５】
トランジスタ１０のゲート−ソース間電圧Ｖｔは、トランジスタ１０のソースに供給される定電流に応じた一定値となり、トランジスタ１０のソースの電位は、ゲート−ソース間電圧（シフト電圧）Ｖｔ分だけトランジスタ１０のゲートの電位より高くなる。つまり、トランジスタ１０のゲートに入力される入力電圧に対してシフト電圧分だけレベルシフトした電圧が、トランジスタ１０のソースから出力される。例えば、シフト電圧が１．５Ｖとなるように構成されたレベルシフト回路では、入力電圧が１Ｖの場合、出力電圧は２．５Ｖとなる。
【０００６】
図６に、上記したレベルシフト回路の入力電圧に対するシフト電圧の特性を示す。シフト電圧は、Ａに示すように入力電圧に対して一定であるが、入力電圧が電源電圧ＶＤＤ付近まで上昇すると、トランジスタ１０のソース電位はクランプされるため、Ｂに示すように低下する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したレベルシフト回路において、負電圧（接地レベルよりも低い電圧）がレベルシフト回路に入力されると、オペアンプ２２の負極電源の電圧は０Ｖとなっているため、オペアンプ２２の出力端子の電圧、すなわちトランジスタ１０のドレイン電圧は負電圧とはならない。
【０００８】
これは、図７に示すように、オペアンプ２２を構成するトランジスタが、半導体基板（Ｐ型基板）１０１のＮウェル１０２、Ｐウェル１０３等に形成されるが、オペアンプ２２の負極電源の電位に固定されるＰウェル１０３の電位がＰ型基板１０１と同じくアース電位に固定され、入力電圧が負電圧になっても出力電圧が０Ｖになってしまうからである。
【０００９】
このため、例えば、シフト電圧が１．５Ｖとなるように構成されたレベルシフト回路の場合、トランジスタ１０のゲートに−０．５Ｖの入力電圧が印加されると、トランジスタ１０のドレイン電圧は０Ｖとなり、ソ−ス−ドレイン間の電圧が十分にとれなくなる。定電流を一定にしようと、トランジスタ１０のＶｔが変化し、シフト電圧に誤差が生じる。トランジスタ１０のソースから１．５Ｖの電圧が出力されてしまい、その結果、本来出力されるべき１．０Ｖに対してワ−ストで０．５Ｖの誤差が発生してしまうことになる。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みたもので、入力電圧が負電圧であってもそれに対してシフト電圧分だけシフトした電圧を出力できるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、演算増幅器は、その負極電源の電位に固定される第１導電型のウェルに形成されたトランジスタを有し、第１導電型のウェルが、第２導電型のウェル内に形成されて半導体基板から分離された構成となっており、演算増幅器の負極電源を負電圧にすることにより入力電圧が負電圧のときでも入力電圧と同じ電圧が出力端子から出力されるようにしたことを特徴としている。
【００１２】
この発明によれば、入力電圧が負電圧のときでも、入力電圧と同じ電圧が演算増幅器の出力端子から出力されるので、入力電圧に対してシフト電圧分だけシフトした電圧を出力することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態に係るレベルシフト回路の構成を図１に示す。なお、上記した従来技術と同一部分には、同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
【００１４】
この実施形態では、図５に示したオペアンプ２２の代わりにオペアンプ２０が用いられている。このオペアンプ２０は、その負極電源の電圧を負電圧にして、入力電圧が負電圧であっても、入力電圧と同じ電圧が出力端子から出力できるように構成されている。このことにより、入力電圧が負電圧であっても、それに対してシフト電圧分だけシフトした電圧をトランジスタ１０のソースから出力させることができる。
【００１５】
以下、この実施形態におけるオペアンプ２０の構成について説明する。図２に、オペアンプ２０の回路構成を示す。図に示すように、オペアンプ２０は、Ｎチャネル型の電界効果トランジスタ２０１〜２０５およびＰチャネル型の電界効果トランジスタ２０６〜２１２を有している。この構成自体は、従来のものと同じである。このオペアンプ２０は、Ｎチャネル型の電界効果トランジスタ２０１〜２０５のソース側の負極電源を負電圧にすることにより、非反転入力端子の入力電圧が負電圧であっても、出力端子の電圧は非反転入力端子の電圧と同じ電圧となるように動作する。
【００１６】
このようにオペアンプ２０の負極電源を負電圧にするため、この実施形態では、図３に示すように、Ｎチャネル型の電界効果トランジスタ２０１〜２０５が形成されるＰウェル１０３をＮウェル１０４内に形成し、Ｐ型基板１０１からＰウェル１０３を分離した構成としている。すなわち、図３に示すようなトリプルウェル構造としてＰウェル１０３をＰ型基板１０１から分離した構成としている。このことにより、Ｐウェル１０３の電位をＰ型基板１０１と別電位とすることができるため、Ｐウェル１０３の電位を負電圧にして、オペアンプ２０の負極電源を負電圧にすることができる。
【００１７】
なお、実際には、オペアンプ２０では、図３に示したＮウェル１０２、Ｐウェル１０３／Ｎウェル１０４構造以外にも同様のものがＰ型基板１０１に複数形成されており、それらのＮウェル１０２、Ｐウェル１０３に、図２に示すＰチャネル型電界効果トランジスタ２０６〜２１２、Ｎチャネル型電界効果トランジスタ２０６〜２１２が形成されている。
【００１８】
図４に、上記した実施形態に係るレベルシフト回路の入力電圧に対するシフト電圧の特性を示す。図中のＡ、Ｂは、図６に示した特性と同じであるが、図中のＣに示すように、レベルシフト回路に負電圧が入力されても、シフト電圧は一定となる。そして、例えば、シフト電圧が１．５Ｖとなるように構成されたレベルシフト回路では、入力電圧が−０．５Ｖの場合、出力電圧は１．０Ｖとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るレベルシフト回路の構成を示す図である。
【図２】図１中のオペアンプ２０の回路構成を示す図である。
【図３】図１中のオペアンプ２０の断面構成を示す図である。
【図４】図１に示すレベルシフト回路のシフト電圧特性を示す図である。
【図５】従来のレベルシフト回路の構成を示す図である。
【図６】従来のレベルシフト回路のシフト電圧特性を示す図である。
【図７】従来のオペアンプ２２の断面構成を示す図である。
【符号の説明】
１０、１１…Ｐチャネル型電界効果トランジスタ、
２１、２２…オペアンプ、３０〜３２…抵抗、
１０１…Ｐ型基板、１０２、１０４…Ｎウェル、１０３…Ｐウェル。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a level shift circuit that outputs a voltage obtained by level shifting an input voltage.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there is a level shift circuit as one of semiconductor integrated circuits. FIG. 5 shows a configuration of a conventional level shift circuit. The level shift circuit includes operational amplifiers (operational amplifiers) 21 and 22, P-channel field effect transistors 10 and 11, and resistors 30 to 32.
[0003]
A potential obtained by dividing the power supply voltage VDD by the resistors 30 and 31 is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 21. Since the potential at the non-inverting input terminal is equal to the potential at the inverting input terminal of the operational amplifier 21, a constant current corresponding to the potential difference between the power supply and the inverting input terminal of the operational amplifier 21 flows through the resistor 32. Thus, the operational amplifier 21, the transistor 11, and the resistors 30 to 32 form a constant current circuit that supplies a constant current.
[0004]
The operational amplifier 22 is connected between the inverting input terminal and the output terminal, operates as a voltage follower, and outputs the same voltage as the voltage input to the non-inverting input terminal to the output terminal. The transistor 10 is configured as a so-called source follower circuit in which a constant current is supplied to the source, the same potential is applied to the gate and drain, and the source potential is output as an output voltage.
[0005]
The gate-source voltage Vt of the transistor 10 has a constant value corresponding to the constant current supplied to the source of the transistor 10, and the potential of the source of the transistor 10 is equal to the gate-source voltage (shift voltage) Vt. Higher than the gate potential. That is, a voltage level-shifted by the shift voltage with respect to the input voltage input to the gate of the transistor 10 is output from the source of the transistor 10. For example, in a level shift circuit configured to have a shift voltage of 1.5V, when the input voltage is 1V, the output voltage is 2.5V.
[0006]
FIG. 6 shows the characteristics of the shift voltage with respect to the input voltage of the level shift circuit. Although the shift voltage is constant with respect to the input voltage as shown by A, when the input voltage rises to near the power supply voltage VDD, the source potential of the transistor 10 is clamped and thus drops as shown by B.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the level shift circuit described above, when a negative voltage (a voltage lower than the ground level) is input to the level shift circuit, the voltage of the negative power supply of the operational amplifier 22 is 0 V. That is, the drain voltage of the transistor 10 does not become a negative voltage.
[0008]
As shown in FIG. 7, the transistors constituting the operational amplifier 22 are formed in the N well 102, the P well 103, etc. of the semiconductor substrate (P type substrate) 101, but are fixed to the potential of the negative power supply of the operational amplifier 22. This is because the potential of the P-well 103 is fixed to the ground potential similarly to the P-type substrate 101, and the output voltage becomes 0 V even if the input voltage becomes negative.
[0009]
For this reason, for example, in the case of a level shift circuit configured so that the shift voltage is 1.5V, when an input voltage of −0.5V is applied to the gate of the transistor 10, the drain voltage of the transistor 10 becomes 0V. Therefore, the source-drain voltage cannot be sufficiently obtained. To keep the constant current constant, Vt of the transistor 10 changes and an error occurs in the shift voltage. A voltage of 1.5V is output from the source of the transistor 10, and as a result, an error of 0.5V is generated at worst with respect to 1.0V to be output originally.
[0010]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to enable output of a voltage shifted by a shift voltage with respect to a negative input voltage.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the operational amplifier includes a transistor formed in a first conductivity type well fixed to the potential of the negative power supply, and the first conductivity type well is provided. Is formed in the second conductivity type well and separated from the semiconductor substrate, and the negative voltage source of the operational amplifier is set to a negative voltage, so that the same voltage as the input voltage is obtained even when the input voltage is a negative voltage. Is output from the output terminal.
[0012]
According to the present invention, even when the input voltage is a negative voltage, the same voltage as the input voltage is output from the output terminal of the operational amplifier. Therefore, it is possible to output a voltage shifted by the shift voltage with respect to the input voltage. .
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A configuration of a level shift circuit according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. The same parts as those of the above-described conventional technology are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and different parts will be described below.
[0014]
In this embodiment, an operational amplifier 20 is used instead of the operational amplifier 22 shown in FIG. The operational amplifier 20 is configured so that the voltage of the negative power supply is set to a negative voltage so that the same voltage as the input voltage can be output from the output terminal even if the input voltage is a negative voltage. As a result, even if the input voltage is a negative voltage, a voltage shifted by the shift voltage can be output from the source of the transistor 10.
[0015]
Hereinafter, the configuration of the operational amplifier 20 in this embodiment will be described. FIG. 2 shows a circuit configuration of the operational amplifier 20. As shown in the figure, the operational amplifier 20 includes N-channel field effect transistors 201 to 205 and P-channel field effect transistors 206 to 212. This configuration itself is the same as the conventional one. This operational amplifier 20 makes the negative power supply of the source side of the N-channel type field effect transistors 201 to 205 a negative voltage, so that even if the input voltage of the non-inverting input terminal is a negative voltage, the voltage of the output terminal is not It operates so that it becomes the same voltage as the voltage of the inverting input terminal.
[0016]
In this embodiment, the negative power source of the operational amplifier 20 is set to a negative voltage in this way. In this embodiment, the P well 103 in which the N-channel field effect transistors 201 to 205 are formed is formed in the N well 104 as shown in FIG. The P well 103 is formed and separated from the P type substrate 101. That is, the P-well 103 is separated from the P-type substrate 101 as a triple well structure as shown in FIG. As a result, the potential of the P well 103 can be different from that of the P-type substrate 101. Therefore, the potential of the P well 103 can be set to a negative voltage and the negative power supply of the operational amplifier 20 can be set to a negative voltage.
[0017]
Actually, in the operational amplifier 20, a plurality of similar ones are formed on the P-type substrate 101 in addition to the N well 102 and P well 103 / N well 104 structure shown in FIG. 2, P-channel field effect transistors 206 to 212 and N-channel field effect transistors 206 to 212 shown in FIG. 2 are formed.
[0018]
FIG. 4 shows the characteristics of the shift voltage with respect to the input voltage of the level shift circuit according to the above-described embodiment. A and B in the figure are the same as the characteristics shown in FIG. 6, but as shown in C in the figure, the shift voltage is constant even if a negative voltage is input to the level shift circuit. For example, in a level shift circuit configured so that the shift voltage is 1.5V, when the input voltage is −0.5V, the output voltage is 1.0V.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a level shift circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of an operational amplifier 20 in FIG.
3 is a diagram showing a cross-sectional configuration of an operational amplifier 20 in FIG. 1. FIG.
4 is a diagram showing a shift voltage characteristic of the level shift circuit shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional level shift circuit.
FIG. 6 is a diagram showing a shift voltage characteristic of a conventional level shift circuit.
7 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a conventional operational amplifier 22. FIG.
[Explanation of symbols]
10, 11... P-channel field effect transistor,
21, 22 ... operational amplifier, 30 to 32 ... resistance,
101 ... P-type substrate, 102, 104 ... N well, 103 ... P well.

Claims

A constant current circuit that supplies a constant current; a P-channel field effect transistor that receives the constant current from a source side; and an input voltage that is input to a gate; and an output terminal that is connected to a drain of the field effect transistor; An operational amplifier that outputs the same voltage as the input voltage to the output terminal, and a level shift circuit configured to output a voltage obtained by level shifting the input voltage from a source of the field effect transistor.
The operational amplifier has a transistor formed in a first conductivity type well fixed to the potential of the negative power supply, and the first conductivity type well is formed in a second conductivity type well to form a semiconductor. It has a configuration separated from the substrate,
A level shift circuit characterized in that the negative voltage power source of the operational amplifier is set to a negative voltage so that the same voltage as the input voltage is output from the output terminal even when the input voltage is a negative voltage.