JP3983220B2 - アナログスイッチ - Google Patents

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Description

本発明は、チョッパ型コンパレータに適用される高精度のアナログスイッチに関するものである。
特開2000−77992号公報 特開2003−158446号公報
図2は、チョッパ型コンパレータの基本構成図である。また、図3は、このチョッパ型コンパレータに用いられる従来のアナログスイッチの回路図である。
このチョッパ型コンパレータは、図2に示すように、入力信号VIと基準電圧VRを、クロック信号CKに従って交互に切り替えて入力するためのアナログスイッチ(SW)1,2と、このアナログスイッチ1,2の出力側に直列に接続されたキャパシタ3及びインバータ4を有している。更に、このチョッパ型コンパレータは、クロック信号CLKに従ってインバータ4の入出力間を短絡するためのアナログスイッチ5を有している。
アナログスイッチ1,2,5は、いずれも同様の回路構成で、図3に示すように、端子A,B間に接続されたPチャネルMOSトランジスタ(以下、「PMOS」という)11とNチャネルMOSトランジスタ(以下、「NMOS」という)12で構成されている。PMOS11のバルクは電源電位VDDに、NMOS12のバルクは接地電位GNDにそれぞれ接続されている。また、PMOS11とNMOS12のゲートは、それぞれ端子EB,Eに接続され、相補的なクロック信号CLKB,CLKが与えられるようになっている。なお、アナログスイッチ1,5とアナログスイッチ2には、一方がオンのときに他方がオフになるように、クロック信号CLK,CLKBが与えられている。
このようなチョッパ型コンパレータでは、クロック信号CLKがレベル“H”のとき、アナログスイッチ1,5がオンとなり、アナログスイッチ2がオフとなる。これにより、キャパシタ3の入力側であるノードN1の電位は入力電圧VIとなり、インバータ4の入力側と出力側であるノードN2,N3の電位は、このインバータ4の閾値電圧VTHとなる。これにより、キャパシタ3の出力側と入力側の間はVTH−VINの電圧に充電される。
次に、クロック信号CLKがレベル“L”になると、アナログスイッチ1,5がオフとなり、アナログスイッチ2がオンとなる。これにより、ノードN1の電位は基準電圧VREFとなるので、ノードN2の電位は、キャパシタ3に充電された電圧が加算されて、VTH−VIN+VREFとなる。ノードN2の電位は、比較回路であるインバータ4に与えられるので、この電位が閾値電圧VTHよりも高ければ、即ち、VIN<VREFであれば、このインバータ4から出力される出力信号OUTは“L”となる。また、VIN>VREFであれば、出力信号OUTは“H”となる。
しかしながら、前記チョッパ型コンパレータのアナログスイッチ5では、オフ状態のとき、図3中に点線で示したように、PMOS11のドレインであるN+領域と接地電位GNDとなっているPsub基板の間に、寄生ダイオードD1が形成される。また、NMOS12のドレインであるP+領域と電源電位VDDとなっているバルクのNウエルの間に、寄生ダイオードD2が形成される。
これにより、クロック信号CLKが“L”となっていて、アナログスイッチ5がオフのとき、ノードN2の電位(=VTH−VIN+VREF)が電源電位VDDよりも高いと、寄生ダイオードD1が順方向のオンとなり、キャパシタ3に蓄えられた電荷が放電してノードN2の電位が変動する。また、ノードN2の電位が接地電位GNDよりも低いと、寄生ダイオードD2が順方向のオンとなり、キャパシタ3に蓄えられた電荷が放電してノードN2の電位が変動する。このため、従来のアナログスイッチを用いたチョッパ型コンパレータでは、このアナログスイッチの寄生ダイオードD1,D2がオンとならないように、入力電圧VINが次の条件を満たす必要があるという制約があった。
VREF−VTH<VIN<VREF+VTH
本発明は、チョッパ型コンパレータに適用して、より広範囲な入力電圧VINに対して精度の良い比較結果を得るために、入力電圧が接地電位GNDと電源電位VDDの間になくてもオフリーク電流が発生せず、確実にオフ状態を保持することができるアナログスイッチを提供することを目的としている。
本発明の請求項1〜4のアナログスイッチは同じ方式に基づくものであり、例えば請求項1では、ドレインが入力端子に接続されゲートが第1の電源電位(例えば、接地電位)に接続された第1の第1導電型トランジスタ(例えば、PMOS)と、ドレインが前記第1の第1導電型トランジスタのソースに接続され、ソースが出力端子に接続され、バルクが第1の電源電位に接続されてゲートにオン・オフ制御用の制御信号が与えられる第2導電型トランジスタ(例えば、NMOS)と、ドレインとソースがそれぞれ前記入力端子と前記出力端子に接続され、バルクが第2の電源電位(例えば、正の電源電位)に接続されてゲートに前記制御信号を反転した信号が与えられる第2の第2導電型トランジスタとを備えている。
本発明の請求項1〜4のアナログスイッチでは、制御信号によってオフに制御されたときに、入力端子側に設けられたNMOSまたはPMOSが逆方向のダイオードとなり、電源電位よりも高い入力電圧や、接地電位よりも低い入力電圧によるオフリーク電流を阻止することができるという効果がある。
この発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、次の、好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、より完全に明らかになるであろう。但し、図面は、もっぱら解説のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。
図1は、本発明の実施例1を示すアナログスイッチの回路図であり、図3中の要素と共通の要素には、共通の符号が付されている。
このアナログスイッチは、図2のチョッパ型コンパレータにおけるアナログスイッチ5として用いられるもので、入力側の端子AにはNMOS13とPMOS14のドレインが接続されている。NMOS13のソースは、PMOS11のドレインに接続され、このPMOS11のソースが出力側の端子Bに接続されている。一方、PMOS14のソースは、NMOS12のドレインに接続され、このNMOS12のソースが端子Bに接続されている。
PMOS11とNMOS12のバルクは、電源電位VDDと接地電位GNDにそれぞれ接続され、NMOS13とPMOS14のバルクは、それぞれのソースに接続されている。更に、PMOS11,14のゲートは、クロック信号CLKBが与えられる端子EBに接続され、NMOS12,13のゲートは、クロック信号CLKが与えられる端子Eに接続されている。
図4は、図1のアナログスイッチの構造の一例を示す模式図である。
このアナログスイッチのPMOS11,14は、それぞれP型基板Psubに独立して設けられたNウエルNW1,NW2内に形成されている。また、P型基板PsubにはPMOS11,14とは別にNウエルNW3が設けられ、このNウエルNW3内に独立して設けられた2つのPウエルPW1,PW2の内部に、NMOS12,13がそれぞれ形成されている。NウエルNW1,NW3のバルクは電源電位VDDに接続され、PウエルPW1のバルクとP型基板Psubは接地電位GNDに接続されるようになっている。
次に動作を説明する。
アナログスイッチの端子E,EBに、それぞれ“H”,“L”のクロック信号CLK,CLKBが与えられると、PMOS11,14とNMOS12,13のすべてがオンとなり、端子A,B間が接続される。これにより、チョッパ型コンパレータの比較回路であるインバータの入出力間が、このアナログスイッチで短絡されるので、このアナログスイッチの入力電圧及び出力電圧は、インバータの閾値電圧VTH(一般的には、電源電位VDDの1/2)となる。
次に、アナログスイッチの端子E,EBに、それぞれ“L”,“H”のクロック信号CLK,CLKBが与えられると、PMOS11,14とNMOS12,13のすべてがオフとなる。この時、PMOS11,14のドレインとバルクの間には、図中に点線で示すように、それぞれ逆方向となる寄生ダイオードD1,D4が形成され、NMOS12,13のドレインとバルクの間には、それぞれ逆方向となる寄生ダイオードD2,D3が形成される。
これにより、端子Aに電源電位VDD以上の電圧が印加された場合、逆方向の寄生ダイオードD3が有るため、この端子Aから寄生ダイオードD1を介して電源電位VDDに電流が流れることが阻止される。また、端子Aから接地電位GNDへの電流は、寄生ダイオードD2によって阻止される。一方、端子Aに接地電位GND以下の電圧が印加された場合には、逆方向の寄生ダイオードD4が有るため、寄生ダイオードD2を介して接地電位GNDから、この端子Aに電流が流れることが阻止される。また、電源電位VDDから端子Aへの電流は、寄生ダイオードD1によって阻止される。
従って、オフ状態に設定されたときには、端子Aに与えられる入力電圧が電源電位VDD以上であっても、或いは接地電位GND以下であっても、完全にオフ状態を保つことができる。
以上のように、この実施例1のアナログスイッチは、入力側と出力側の端子A,B間に、2組のPMOSとNMOSを直列に接続し、これらのPMOSとNMOSをクロック信号CLK,CLKBで同時にオン・オフするように構成している。これにより、オフ状態に設定したときに、入力側の端子Aに印加される電圧が電源電位VDD以上でも、或いは接地電位GND以下でも、オフリーク電流が発生せず、完全にオフ状態を保つことができるという利点がある。
図5は、本発明の実施例2を示すアナログスイッチの回路図であり、図1のアナログスイッチと同様に、チョッパ型コンパレータにおけるアナログスイッチとして用いられるものである。
このアナログスイッチの入力側の端子Aには、NMOS12,15のドレインが接続され、このNMOS12のソースが出力側の端子Bに接続されている。NMOS15のソースは、PMOS11のドレインに接続され、このPMOS11のソースが端子Bに接続されている。PMOS11とNMOS12のバルクは、電源電位VDDと接地電位GNDにそれぞれ接続され、NMOS15のバルクは、そのソースに接続されている。
更に、PMOS11のゲートは、クロック信号CLKBが与えられる端子EBに接続され、NMOS12のゲートは、クロック信号CLKが与えられる端子Eに接続されている。また、NMOS15のゲートは、電源電位VDDに接続されている。
このアナログスイッチの構造は、例えば図4のNウエルNW2を除去すると共に、PウエルPW2の内部のNMOS13に代えてNMOS15を設け、このNMOS15のゲートを電源電位VDDに接続するようにしたものである。
次に動作を説明する。
アナログスイッチの端子E,EBに、それぞれ“H”,“L”のクロック信号CLK,CLKBが与えられると、PMOS11とNMOS12はオンとなる。また、NMOS15は、ゲートが電源電位VDDに接続されているのでオンである。従って、端子A,B間が接続される。
次に、アナログスイッチの端子E,EBに、それぞれ“L”,“H”のクロック信号CLK,CLKBが与えられると、PMOS11とNMOS12はオフとなる。この時、図1と同様に、PMOS11のドレインとバルクの間、及びNMOS12のドレインとバルクの間には、逆方向となる寄生ダイオードD1,D2がそれぞれ形成される。従って、接地電位GNDと電源電位VDDの間の電圧が端子Aに印加されたときには、これらの寄生ダイオードD1,D2によって、端子Aから接地電位GND、或いは電源電位VDDから端子Aへ電流が流れることはない。
一方、端子Aに電源電位VDD以上の電圧が印加された場合、NMOS15のゲート・ソース間電圧Vgsが、Vgs<0となり、このNMOS15はオフとなる。このとき、NMOS15のソースのN+領域とP型のバルクの間には、逆方向のダイオードが形成されるので、PMOS11のドレインのP+領域とP型基板Psubの間に形成された寄生ダイオードに電流が流れることはない。また、NMOS12による寄生ダイオードD2は逆方向であるので、この寄生ダイオードD2に電流は流れない。
以上のように、この実施例3のアナログスイッチは、入力側の端子AとPMOPS11の間に、ゲートを電源電位VDDに接続したNMOS15を直列に挿入している。これにより、オフ状態に設定したときに、端子Aに電源電位VDD以上の電圧が印加されても、完全にオフ状態を保つことができるという利点がある。
図6は、本発明の実施例3を示すアナログスイッチの回路図であり、図1のアナログスイッチと同様に、チョッパ型コンパレータにおけるアナログスイッチとして用いられるものである。
このアナログスイッチの入力側の端子Aには、PMOS11,16のドレインが接続され、このPMOS11のソースが出力側の端子Bに接続されている。PMOS16のソースは、NMOS12のドレインに接続され、このNMOS12のソースが端子Bに接続されている。PMOS11とNMOS12のバルクは、電源電位VDDと接地電位GNDにそれぞれ接続され、PMOS16のバルクは、そのソースに接続されている。
更に、PMOS11のゲートは、クロック信号CLKBが与えられる端子EBに接続され、NMOS12のゲートは、クロック信号CLKが与えられる端子Eに接続されている。また、PMOS16のゲートは、接地電位GNDに接続されている。
このアナログスイッチの構造は、例えば図4のPウエルPW2を除去すると共に、NウエルNW2の内部のPMOS14に代えてPMOS16を設け、このPMOS16のゲートを接地電位GNDに接続するようにしたものである。
次に動作を説明する。
アナログスイッチの端子E,EBに、それぞれ“H”,“L”のクロック信号CLK,CLKBが与えられると、PMOS11とNMOS12はオンとなる。また、PMOS16は、ゲートが接地電位GNDに接続されているのでオンである。従って、端子A,B間が接続される。
次に、アナログスイッチの端子E,EBに、それぞれ“L”,“H”のクロック信号CLK,CLKBが与えられると、PMOS11とNMOS12はオフとなる。この時、図1と同様に、PMOS11のドレインとバルクの間、及びNMOS12のドレインとバルクの間には、逆方向となる寄生ダイオードD1,D2がそれぞれ形成される。従って、接地電位GNDと電源電位VDDの間の電圧が端子Aに印加されたときには、これらの寄生ダイオードD1,D2によって、端子Aから接地電位GND、或いは電源電位VDDから端子Aへ電流が流れることはない。
一方、端子Aに接地電位GND以下の電圧が印加された場合、PMOS16のゲート・ソース間電圧Vgsが、Vgs>0となり、このPMOS16はオフとなる。このとき、PMOS16のソースのP+領域とN型のバルクの間には、逆方向のダイオードが形成されるので、NMOS12のドレインのN+領域とP型基板Psubの間に形成された寄生ダイオードに電流が流れることはない。また、PMOS11による寄生ダイオードD1は逆方向であるので、この寄生ダイオードD1に電流は流れない。
以上のように、この実施例2のアナログスイッチは、入力側の端子AとNMOPS12の間に、ゲートを接地電位GNDに接続したPMOS16を直列に挿入している。これにより、オフ状態に設定したときに、端子Aに接地電位GND以下の電圧が印加されても、完全にオフ状態を保つことができるという利点がある。
図7は、本発明の実施例4を示すアナログスイッチの回路図であり、図1のアナログスイッチと同様に、チョッパ型コンパレータにおけるアナログスイッチとして用いられるものである。
このアナログスイッチは、図5と図6のアナログスイッチを合成した回路構成となっている。即ち、入力側の端子Aには、NMOS15とPMOS16のドレインが接続され、PMOS11とNMOS12のソースが出力側の端子Bに接続されている。NMOS15のソースはPMOS11のドレインに接続され、PMOS16のソースがNMOS12のドレインに接続されている。PMOS11とNMOS12のバルクは、電源電位VDDと接地電位GNDにそれぞれ接続され、NMOS15とPMOS16のバルクは、それぞれのソースに接続されている。
更に、PMOS11のゲートは、クロック信号CLKBが与えられる端子EBに接続され、NMOS12のゲートは、クロック信号CLKが与えられる端子Eに接続されている。また、NMOS15とPMOS16のゲートは、それぞれ電源電位VDDと接地電位GNDに接続されている。
このアナログスイッチの構造は、例えば図4において、PウエルPW2の内部のNMOS13に代えてNMOS15を設け、このNMOS15のゲートを電源電位VDDに接続すると共に、NウエルNW2の内部のPMOS14に代えてPMOS16を設け、このPMOS16のゲートを接地電位GNDに接続するようにしたものである。
次に動作を説明する。
アナログスイッチの端子E,EBに、それぞれ“H”,“L”のクロック信号CLK,CLKBが与えられると、PMOS11とNMOS12はオンとなる。また、NMOS15は、ゲートが電源電位VDDに接続されているのでオンであり、PMOS16は、ゲートが接地電位GNDに接続されているのでオンである。従って、端子A,B間が接続される。
次に、アナログスイッチの端子E,EBに、それぞれ“L”,“H”のクロック信号CLK,CLKBが与えられると、PMOS11とNMOS12はオフとなる。この時、図1と同様に、PMOS11のドレインとバルクの間、及びNMOS12のドレインとバルクの間には、逆方向となる寄生ダイオードD1,D2がそれぞれ形成される。従って、接地電位GNDと電源電位VDDの間の電圧が端子Aに印加されたときには、これらの寄生ダイオードD1,D2によって、端子Aから接地電位GND、或いは電源電位VDDから端子Aへ電流が流れることはない。
一方、端子Aに電源電位VDD以上の電圧が印加された場合、NMOS15のゲート・ソース間電圧が負となり、このNMOS15はオフとなる。これにより、NMOS15のソースのN+領域とP型のバルクの間には、逆方向のダイオードが形成されるので、PMOS11のドレインのP+領域とP型基板Psubの間に形成された寄生ダイオードに電流が流れることはない。このとき、NMOS12による寄生ダイオードD2は逆方向であるので、この寄生ダイオードD2に電流は流れない。
また、端子Aに接地電位GND以下の電圧が印加された場合、PMOS16のゲート・ソース間電圧が正となり、このPMOS16はオフとなる。これにより、PMOS16のソースのP+領域とN型のバルクの間には、逆方向のダイオードが形成されるので、NMOS12のドレインのN+領域とP型基板Psubの間に形成された寄生ダイオードに電流が流れることはない。このとき、PMOS11による寄生ダイオードD1は逆方向であるので、この寄生ダイオードD1に電流は流れない。
以上のように、この実施例4のアナログスイッチは、入力側の端子AとPMOPS11の間に、ゲートを電源電位VDDに接続したNMOS15を直列に挿入すると共に、この端子AとNMOS12の間に、ゲートを接地電位GNDに接続したPMOS16を直列に挿入している。これにより、クロック信号CLKによってオフ状態に設定したときに、端子Aに電源電位VDD以上、または接地電位GND以下の電圧が印加されても、オフリーク電流が発生せず、完全にオフ状態を保つことができるという利点がある。
なお、以上説明した実施例は、あくまでも、この発明の技術内容を明らかにするためのものである。この発明は、上記実施例にのみ限定して狭義に解釈されるものではなく、この発明の特許請求の範囲に述べる範囲内で、種々変更して実施することができる。その変形例としては、例えば、次のようなものがある。
(a) NMOS13,15のバルクをそれぞれのソースに接続しているが、これらのバルクは無接続状態にしても良い。同様に、PMOS14,16のバルクを無接続状態にしても良い。
(b) このアナログスイッチを適用するチョッパ型コンパレータの回路構成は、図2に例示したものに限定されない。接地電位から電源電位までの範囲を越える入力電圧が印加されるアナログスイッチに適用して、オフリーク電流の少ない良好な特性を得ることができる。
(c) PMOS11,14,16、及びNMOS12,13,15は、いずれも1個のトランジスタで構成されているが、同じタイプのトランジスタを複数個直列に接続して構成することができる。
(d) このアナログスイッチの構造は図4に例示したものに限定されない。例えば、P型基板Psubにダブルウエル構造でNMOS12,13を設けているが、個々のトランジスタが完全分離できる構造であれば良い。また、N型基板を使用して各トランジスタを形成することもできる。
本発明の実施例1を示すアナログスイッチの回路図である。 チョッパ型コンパレータの基本構成図である。 従来のアナログスイッチの回路図である。 図1のアナログスイッチの構造の一例を示す模式図である。 本発明の実施例2を示すアナログスイッチの回路図である。 本発明の実施例3を示すアナログスイッチの回路図である。 本発明の実施例4を示すアナログスイッチの回路図である。
符号の説明
11,14,16 PMOS
12,13,15 NMOS

Claims (5)

  1. ドレインが入力端子に接続されゲートが第1の電源電位に接続された第1の第1導電型トランジスタと、
    ドレインが前記第1の第1導電型トランジスタのソースに接続され、ソースが出力端子に接続され、バルクが第1の電源電位に接続されてゲートにオン・オフ制御用の制御信号が与えられる第2導電型トランジスタと、
    ドレインとソースがそれぞれ前記入力端子と前記出力端子に接続され、バルクが第2の電源電位に接続されてゲートに前記制御信号を反転した信号が与えられる第2の第1導電型トランジスタとを、
    備えたことを特徴とするアナログスイッチ。
  2. 前記第1導電型トランジスタはPチャネルMOSトランジスタであり、前記第2導電型トランジスタはNチャネルMOSトランジスタであり、前記第1の電源電位は接地電位であり、前記第2の電源電位は正の電源電位であることを特徴とする請求項1記載のアナログスイッチ。
  3. 前記第1導電型トランジスタはNチャネルMOSトランジスタであり、前記第2導電型トランジスタはPチャネルMOSトランジスタであり、前記第1の電源電位は正の電源電位であり、前記第2の電源電位は接地電位であることを特徴とする請求項1記載のアナログスイッチ。
  4. ドレインが入力端子に接続されゲートが接地電位に接続された第1のPチャネルMOSトランジスタと、
    ドレインが前記入力端子に接続されゲートが電源電位に接続された第1のNチャネルMOSトランジスタと、
    ドレインが前記第1のPチャネルMOSトランジスタのソースに接続され、ソースが出力端子に接続され、バルクが接地電位に接続されてゲートにオン・オフ制御用の制御信号が与えられる第2のNチャネルMOSトランジスタと、
    ドレインが前記第1のNチャネルMOSトランジスタのソースに接続され、ソースが前記出力端子に接続され、バルクが電源電位に接続されてゲートに前記制御信号を反転した信号が与えられる第2のPチャネルMOSトランジスタとを、
    備えたことを特徴とするアナログスイッチ。
  5. 前記アナログスイッチは、チョッパ型コンパレータを構成するキャパシタと出力部との間に接続されたインバータと並列に接続されるスイッチとして用いられることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアナログスイッチ。
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