JP4135648B2 - Switch circuit having clamp function and analog multiplexer - Google Patents

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Description

本発明は、アナログ電圧の入力に好適なクランプ機能を有するスイッチ回路およびそれを用いたアナログマルチプレクサに関する。   The present invention relates to a switch circuit having a clamp function suitable for input of an analog voltage and an analog multiplexer using the switch circuit.

例えばCMOSデバイスにおいては、近年の急激な微細化によりデバイス耐圧が低下しており、入力電圧を規制するクランプ回路の必要性が一層高まっている。特許文献1には、電源電圧を超える電圧が印加される可能性がある入力端子に対する入力インターフェース回路が開示されている。この入力インターフェース回路は、入力端子と高電位側電源線および低電位側電源線との間にMOSトランジスタを2段積みに設け、入力端子側のトランジスタのゲートに中間電位を与えることによりゲートに印加される電圧の緩和を図ったものである。また、特許文献2には、過電圧の入力に対し端子電圧を所望のクランプ電圧にクランプ可能であって、クランプ電圧の温度変動が小さいクランプ回路が開示されている。
特開2002−043924号公報 特開2003−258581号公報
For example, in a CMOS device, the device breakdown voltage has decreased due to recent rapid miniaturization, and the need for a clamp circuit that regulates the input voltage is further increased. Patent Document 1 discloses an input interface circuit for an input terminal to which a voltage exceeding a power supply voltage may be applied. In this input interface circuit, MOS transistors are provided in two stages between the input terminal and the high potential side power supply line and the low potential side power supply line, and an intermediate potential is applied to the gate of the transistor on the input terminal side to be applied to the gate. This is intended to alleviate the generated voltage. Patent Document 2 discloses a clamp circuit that can clamp a terminal voltage to a desired clamp voltage with respect to an input of an overvoltage and has a small temperature variation of the clamp voltage.
JP 2002-043924 A JP 2003-2558581 A

上記特許文献1記載の入力インターフェース回路は、入力端子を挟んで接続された電源側およびグランド側のトランジスタのゲートに中間電位を与えているため、入力端子に中間的な電圧が入力されると、これら両トランジスタがともにオフする。従って、アナログ電圧の入力には適さない。また、上記特許文献2記載のクランプ回路はアナログ電圧に適用できるが、端子ごとに電圧状態を検出してクランプするため、複数チャンネルの入力端子が存在する場合に回路規模が大きくなり、レイアウト面積が増大してしまう。   Since the input interface circuit described in Patent Document 1 gives an intermediate potential to the gates of the power supply side and ground side transistors connected across the input terminal, when an intermediate voltage is input to the input terminal, Both these transistors are turned off. Therefore, it is not suitable for analog voltage input. The clamp circuit described in Patent Document 2 can be applied to an analog voltage. However, since the voltage state is detected and clamped for each terminal, the circuit scale increases when there are multiple channel input terminals, and the layout area increases. It will increase.

図5は、多チャンネルA/D変換装置の信号入力部にマルチプレクサとともに用いられるクランプ回路の電気的構成を示している。クランプ回路101は、各チャンネルごとに入力端子102とマルチプレクサ103との間に設けられている。入力端子102と電源線104、105との間には入力電圧をクランプするためのトランジスタQ101、Q102が接続されており、これらのトランジスタQ101、Q102は、入力電圧をクランプ基準電圧(5.2V、−0.2V)と比較するコンパレータ106、107によりオンオフ制御されるようになっている。入力端子102と電源線104、105との間には、サージ電流を逃すためのトランジスタQ103、Q104も接続されている。   FIG. 5 shows an electrical configuration of a clamp circuit used together with a multiplexer in the signal input section of the multi-channel A / D converter. The clamp circuit 101 is provided between the input terminal 102 and the multiplexer 103 for each channel. Transistors Q101 and Q102 for clamping the input voltage are connected between the input terminal 102 and the power supply lines 104 and 105, and these transistors Q101 and Q102 use the clamp voltage (5.2V, On-off control is performed by comparators 106 and 107 for comparison with -0.2V). Transistors Q103 and Q104 for releasing surge current are also connected between the input terminal 102 and the power supply lines 104 and 105.

このクランプ回路101は、入力端子102の電圧を上記クランプ基準電圧の範囲内に確実に規制することができるため、マルチプレクサ103を構成するアナログスイッチ(トランジスタ)に、耐圧を超える電圧が印加されることを防止することができる。しかし、各チャンネルごとにコンパレータ106、107を含むクランプ回路101が必要となるため、レイアウト面積の増大やコンパレータ106、107のオフセット電圧に起因するチャンネル間でのクランプ電圧のばらつきが問題となる。   Since the clamp circuit 101 can reliably regulate the voltage at the input terminal 102 within the range of the clamp reference voltage, a voltage exceeding the withstand voltage is applied to the analog switch (transistor) constituting the multiplexer 103. Can be prevented. However, since the clamp circuit 101 including the comparators 106 and 107 is required for each channel, the increase in the layout area and the variation in the clamp voltage between the channels due to the offset voltage of the comparators 106 and 107 become a problem.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、アナログ電圧の入力に好適であって、レイアウト面積を極力低減することができるクランプ機能を有するスイッチ回路およびそれを用いたアナログマルチプレクサを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a switch circuit having a clamp function that is suitable for analog voltage input and can reduce the layout area as much as possible, and an analog multiplexer using the switch circuit. It is to provide.

請求項1に記載した手段によれば、半導体集積路装置の入力端子には外部から電流制限素子を介してアナログ電圧が印加されるようになっており、当該スイッチ回路が閉状態に制御されると、第1ないし第4のトランジスタがオン状態となり、入力端子の電圧(入力電圧)はそのまま入力線を介して当該半導体集積回路装置内に形成された回路に与えられる。この場合には、入力線に別途設けたクランプ回路によって入力電圧の規制を行えばよい。 According to the means described in claim 1, an analog voltage is applied to the input terminal of the semiconductor integrated circuit device from the outside via the current limiting element, and the switch circuit is controlled to be closed. Then, the first to fourth transistors are turned on, and the voltage at the input terminal (input voltage) is directly applied to the circuit formed in the semiconductor integrated circuit device through the input line. In this case, the input voltage may be regulated by a clamp circuit separately provided on the input line.

これに対し、当該スイッチ回路が開状態に制御されると、入力端子と入力線との間にそれぞれ直列に接続された第1と第2のトランジスタ並びに第3と第4のトランジスタのうち、第2および第4のトランジスタが完全にオフ状態となり、入力端子と入力線は電気的に切り離される。すなわち、第2および第4のトランジスタが、スイッチとして機能するトランジスタである。以下、この開状態について説明する。   On the other hand, when the switch circuit is controlled to be in the open state, the first and second transistors and the third and fourth transistors connected in series between the input terminal and the input line, respectively. The second and fourth transistors are completely turned off, and the input terminal and the input line are electrically disconnected. That is, the second and fourth transistors are transistors that function as switches. Hereinafter, this open state will be described.

開状態では、スイッチ回路の有するクランプ機能によって、入力電圧に対して第2および第4のトランジスタを保護する。すなわち、第1のクランプ回路は、高電位側の入力電圧に対してクランプ動作を行うもので、第1のノードの電圧VN1を、第2のトランジスタがオフ状態を維持するのに必要な上限電圧よりも低く、且つ、第2のトランジスタのゲート耐圧を超えない範囲内の電圧にクランプ制御する。また、第2のクランプ回路は、低電位側の入力電圧に対してクランプ動作を行うもので、第2のノードの電圧VN2を、第4のトランジスタがオフ状態を維持するのに必要な下限電圧よりも高く、且つ、第4のトランジスタのゲート耐圧を超えない範囲内の電圧にクランプ制御する。 In the open state, the second and fourth transistors are protected against the input voltage by the clamping function of the switch circuit. In other words, the first clamp circuit performs a clamp operation on the input voltage on the high potential side, and the voltage VN1 at the first node is set to the upper limit voltage necessary for the second transistor to remain off. The clamp control is performed to a voltage lower than that of the second transistor and within a range not exceeding the gate breakdown voltage of the second transistor. The second clamp circuit clamps the input voltage on the low potential side. The second node voltage VN2 is the lower limit voltage necessary for the fourth transistor to remain off. Higher than that and within the range not exceeding the gate breakdown voltage of the fourth transistor.

トランジスタQ1、Q3の各ゲートには、それぞれ入力端子の取り得る電圧範囲に対し当該第1第3のトランジスタのゲート耐圧を超えない範囲内の中間的な電圧VG1、VG3が印加されている。入力電圧が上記中間電圧VG1に対しトランジスタQ1のしきい値電圧以上になると当該トランジスタQ1がオンとなり、入力電圧が上記中間電圧VG3に対しトランジスタQ3のしきい値電圧以下になると当該トランジスタQ3がオンとなる。 Intermediate voltages VG1 and VG3 within a range that does not exceed the gate breakdown voltage of the first and third transistors are applied to the gates of the transistors Q1 and Q3, respectively, with respect to the voltage range that the input terminal can take. When the input voltage exceeds the threshold voltage of the transistor Q1 with respect to the intermediate voltage VG1, the transistor Q1 is turned on. When the input voltage becomes lower than the threshold voltage of the transistor Q3 with respect to the intermediate voltage VG3, the transistor Q3 is turned on. It becomes.

すなわち、第1のトランジスタは、入力電圧が少なくとも上記中間電圧VG1よりも高い場合にのみオンとなって入力電圧を第1のノードに与えることにより、電源電圧または電源電圧に近い電圧が用いられている第1のクランプ回路と第2のトランジスタを耐圧面から保護する。同様に、第2のトランジスタは、入力電圧が少なくとも上記中間電圧VG3よりも低い場合にのみオンとなって入力電圧を第2のノードに与えることにより、グランド電圧またはグランド電圧に近い電圧が用いられている第2のクランプ回路と第4のトランジスタを耐圧面から保護する。 That is, the first transistor is turned on only when the input voltage is at least higher than the intermediate voltage VG1 , and the input voltage is supplied to the first node, so that the power supply voltage or a voltage close to the power supply voltage is used. The first clamp circuit and the second transistor are protected from the withstand voltage surface. Similarly, the second transistor is turned on only when the input voltage is at least lower than the intermediate voltage VG3 and applies the input voltage to the second node, whereby the ground voltage or a voltage close to the ground voltage is used. The second clamp circuit and the fourth transistor are protected from the withstand voltage surface.

本スイッチ回路によれば、電源電圧をよりも高い電圧またはグランド電圧よりも低い電圧が電流制限素子を介して入力端子に入力される可能性のある用途において、スイッチとして機能する第2、第4のトランジスタを耐圧上保護しながら入力されたアナログ電圧の開閉を行うことができる。この場合、第1、第2のクランプ回路は、それぞれ第1、第2のノードの電圧を所定の電圧範囲内に制限するための手段としてオペアンプ、コンパレータなどを用いる必要がなく、レイアウト面積を極力低減することができる。   According to the present switch circuit, the second and fourth functions as a switch in an application in which a voltage higher than the power supply voltage or a voltage lower than the ground voltage may be input to the input terminal via the current limiting element. It is possible to open and close the input analog voltage while protecting the transistor of the above withstand voltage. In this case, the first and second clamp circuits do not need to use an operational amplifier, a comparator, or the like as means for limiting the voltages of the first and second nodes within a predetermined voltage range, respectively, and the layout area is minimized. Can be reduced.

具体的に、トランジスタQ1ないしQ4のゲート制御には、電源電圧Vdd、グランド電圧0Vおよび中間電圧VG1、VG3が用いられる。
閉状態において、入力電圧が第1、第2のトランジスタのしきい値電圧th1、Vth2以上の範囲では当該第1、第2のトランジスタがオンとなり、入力電圧が(電源電圧Vdd−第3、第4のトランジスタのしきい値電圧th3、Vth4)以下の範囲では第3、第4のトランジスタがオンとなる。すなわち、少なくとも第1と第2の何れかのノードがオン状態となる。
Specifically , the power supply voltage Vdd, the ground voltage 0 V, and the intermediate voltages VG1 and VG3 are used for gate control of the transistors Q1 to Q4.
In the closed state, when the input voltage is in the range of the threshold voltages th1 and Vth2 of the first and second transistors, the first and second transistors are turned on, and the input voltage is (power supply voltage Vdd−third and second). In the range below the threshold voltages th3 and Vth4) of the fourth transistor, the third and fourth transistors are turned on. That is, at least one of the first and second nodes is turned on.

一方、開状態において、第1、第3のトランジスタの各ゲートには、当該第1、第3のトランジスタの耐圧保護の観点から、

Figure 0004135648
なる関係を満たす範囲内の中間電圧VG1、VG3が印加される。 On the other hand, in the open state, the gates of the first and third transistors are connected to the first and third transistors from the viewpoint of withstand voltage protection.
Figure 0004135648
Intermediate voltages VG1 and VG3 within a range satisfying the following relationship are applied.

また、第1、第2のクランプ回路は、それぞれ第2、第4のトランジスタをオンさせないとの観点および耐圧保護の観点から、第1、第2のノードの電圧VN1、VN2を

Figure 0004135648
なる関係を満たす範囲内の電圧にクランプ制御する。 Further, the first and second clamp circuits respectively apply the voltages VN1 and VN2 of the first and second nodes from the viewpoint of not turning on the second and fourth transistors and from the viewpoint of withstand voltage protection.
Figure 0004135648
Clamp control to a voltage within a range that satisfies the relationship

請求項に記載した手段によれば、閉状態の場合、トランジスタQ5、Q7、Q9、Q11がオフ状態とされ、第1、第2のクランプ回路は動作しない。一方、開状態の場合、トランジスタQ5、Q7、Q9、Q11がオン状態とされる。この開状態において第1のノードの電圧が上昇すると、Pチャネル型の第2のトランジスタがオンする前に第3のクランプ回路がオンとなり、第1のクランプ制御電圧を用いて第1のノードの電圧の上昇を抑える。逆に第1のノードの電圧が低下すると、Pチャネル型の第2のトランジスタのゲート電圧がそのゲート耐圧を超える前に第4のクランプ回路がオンとなり、第2のクランプ制御電圧を用いて第1のノードの電圧の低下を抑える。 According to the means described in claim 2 , in the closed state, the transistors Q5, Q7, Q9, and Q11 are turned off, and the first and second clamp circuits do not operate. On the other hand, in the open state, transistors Q5, Q7, Q9, and Q11 are turned on. In this open state, when the voltage of the first node rises, the third clamp circuit is turned on before the P-channel second transistor is turned on, and the first node is turned on using the first clamp control voltage. Suppress voltage rise. On the other hand, when the voltage at the first node is lowered, the fourth clamp circuit is turned on before the gate voltage of the P-channel second transistor exceeds the gate breakdown voltage, and the second clamp control voltage is used to turn on the second node. 1 to suppress the voltage drop of the node.

同様に、開状態において第2のノードの電圧が低下すると、Nチャネル型の第4のトランジスタがオンする前に第5のクランプ回路がオンとなり、第3のクランプ制御電圧を用いて第2のノードの電圧の低下を抑える。逆に第2のノードの電圧が上昇すると、Nチャネル型の第4のトランジスタのゲート電圧がそのゲート耐圧を超える前に第6のクランプ回路がオンとなり、第4のクランプ制御電圧を用いて第2のノードの電圧の上昇を抑える。   Similarly, when the voltage of the second node decreases in the open state, the fifth clamp circuit is turned on before the N-channel fourth transistor is turned on, and the second clamp control voltage is used to set the second clamp voltage. Reduces node voltage drop. On the other hand, when the voltage at the second node rises, the sixth clamp circuit is turned on before the gate voltage of the N-channel fourth transistor exceeds the gate breakdown voltage, and the fourth clamp control voltage is used to 2 suppresses the rise in voltage at the node.

すなわち、第3、第5のクランプ回路は、素子耐圧の観点から入力電圧をクランプするとともに第2、第4のトランジスタをオンさせないように機能するもので、第4、第6のクランプ回路は、ノード1、2の電位が不定とならないように固定するとともに第2、第4のトランジスタを耐圧上保護するように機能するものである。第1、第2のクランプ回路は非常に簡単な回路構成であるため、レイアウト面積を低減できる。   That is, the third and fifth clamp circuits function to clamp the input voltage from the viewpoint of device breakdown voltage and not to turn on the second and fourth transistors. The fourth and sixth clamp circuits It functions to fix the potential of the nodes 1 and 2 so as not to be indefinite and to protect the second and fourth transistors withstand voltage. Since the first and second clamp circuits have very simple circuit configurations, the layout area can be reduced.

具体的には、開状態において第2、第4のトランジスタのゲートに電源電圧Vdd、グランド電圧0Vが与えられる場合、第1、第2のクランプ制御電圧Vc1、Vc2を、それぞれ

Figure 0004135648
なる関係を満たす範囲内の電圧に設定し、
第3、第4のクランプ制御電圧Vc3、Vc4を、それぞれ
Figure 0004135648
なる関係を満たす範囲内の電圧に設定する。なお、トランジスタのしきい値電圧は製造上ばらつくため、マージンを持たせることが好ましい。 Specifically, when the power supply voltage Vdd and the ground voltage 0 V are applied to the gates of the second and fourth transistors in the open state, the first and second clamp control voltages Vc1 and Vc2 are respectively set to
Figure 0004135648
Set the voltage within a range that satisfies the relationship
The third and fourth clamp control voltages Vc3 and Vc4 are respectively
Figure 0004135648
Set the voltage within the range that satisfies the following relationship. Note that it is preferable to provide a margin because the threshold voltage of the transistor varies in manufacturing.

請求項に記載した手段によれば、閉状態において、第13、第14のトランジスタは、トランジスタQ1ないしQ4と同様にオン状態となる。一方、開状態においては、第13、第14のトランジスタの各ゲートにそれぞれ電源電圧、グランド電圧が印加されるので、これら第13、第14のトランジスタはオフ状態となり、それぞれ第4のクランプ回路から第3のクランプ回路に流れ込む電流、第5のクランプ回路から第6のクランプ回路に流れ込む電流を遮断することができる。すなわち、第13および第14のトランジスタは、それぞれ第3、第4のクランプ回路間および第5、第6のクランプ回路間の干渉を阻止する機能を持つ。 According to the means described in claim 3 , in the closed state, the thirteenth and fourteenth transistors are turned on in the same manner as the transistors Q1 to Q4. On the other hand, in the open state, the power supply voltage and the ground voltage are applied to the gates of the thirteenth and fourteenth transistors, respectively. Therefore, the thirteenth and fourteenth transistors are turned off, and the fourth clamp circuit The current flowing into the third clamp circuit and the current flowing from the fifth clamp circuit into the sixth clamp circuit can be cut off. That is, the thirteenth and fourteenth transistors have a function of preventing interference between the third and fourth clamp circuits and between the fifth and sixth clamp circuits, respectively.

ただし、入力電圧が第13のトランジスタのゲート電圧(電源電圧)に対してしきい値電圧以上高くなると、第13のトランジスタはオンとなり、第3のクランプ回路によりクランプ動作が行われる。また、入力電圧が第14のトランジスタのゲート電圧(グランド電圧)に対してしきい値電圧以上低くなると、第14のトランジスタはオンとなり、第5のクランプ回路によりクランプ動作が行われる。従って、第13、第14のトランジスタを設けても、クランプ機能が妨げられることはない。   However, when the input voltage becomes higher than the threshold voltage with respect to the gate voltage (power supply voltage) of the thirteenth transistor, the thirteenth transistor is turned on and a clamp operation is performed by the third clamp circuit. When the input voltage becomes lower than the threshold voltage by the threshold voltage or more than the gate voltage (ground voltage) of the fourteenth transistor, the fourteenth transistor is turned on and the clamp operation is performed by the fifth clamp circuit. Therefore, even if the thirteenth and fourteenth transistors are provided, the clamping function is not hindered.

請求項に記載した手段によれば、選択したチャンネルの入力端子に印加されたアナログ電圧のみを、共通の入力線(コモンライン)に入力することができる。このアナログマルチプレクサは、開状態のチャンネルについて自らクランプ動作を行うため、各チャンネルの入力端子ごとにオペアンプやコンパレータを用いたクランプ回路を設ける必要がなく、コモンラインに共通のクランプ回路を設ければ足りる。その結果、半導体集積回路装置として構成した場合のレイアウトサイズを低減でき、選択されたチャンネル同士でクランプ電圧がばらつくことがなくなる。 According to the means described in claim 4 , it is possible to input only the analog voltage applied to the input terminal of the selected channel to the common input line (common line). Since this analog multiplexer performs the clamping operation by itself for the open channel, it is not necessary to provide a clamp circuit using an operational amplifier or a comparator for each input terminal of each channel, and it is sufficient to provide a common clamp circuit for the common line. . As a result, the layout size when configured as a semiconductor integrated circuit device can be reduced, and the clamp voltage does not vary between the selected channels.

以下、本発明の一実施形態について図1ないし図4を参照しながら説明する。
図3は、多チャンネルA/D変換装置を内蔵したIC1(半導体集積回路装置)の概略的な電気的構成を示している。このIC1は、例えば車両用ECU(Electronic Control Unit) 内の制御基板に搭載されたCMOSワンチップマイクロコンピュータであって、A/D変換装置2の他にCPU、メモリ、デジタル周辺回路、アナログ周辺回路(何れも図示せず)などを内蔵している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 shows a schematic electrical configuration of an IC 1 (semiconductor integrated circuit device) incorporating a multi-channel A / D converter. The IC 1 is a CMOS one-chip microcomputer mounted on, for example, a control board in a vehicle ECU (Electronic Control Unit). In addition to the A / D converter 2, a CPU, a memory, a digital peripheral circuit, and an analog peripheral circuit (None of them are shown).

このA/D変換装置2は、センサ等の信号出力手段から抵抗R1(電流制限素子に相当)を介して各チャンネルの入力端子3に印加される入力電圧Vinをアナログマルチプレクサ4(以下、単にマルチプレクサ4と称す)により選択し、その選択した電圧をA/D変換器5がA/D変換するようになっている。信号出力手段は、IC1の電源電圧Vddを超える電圧または0Vよりも低い電圧を出力する場合もある。   This A / D conversion device 2 converts an input voltage Vin applied to an input terminal 3 of each channel from a signal output means such as a sensor through a resistor R1 (corresponding to a current limiting element) into an analog multiplexer 4 (hereinafter simply referred to as a multiplexer). 4), and the A / D converter 5 performs A / D conversion on the selected voltage. The signal output means may output a voltage exceeding the power supply voltage Vdd of IC1 or a voltage lower than 0V.

各チャンネルの入力端子3は、それぞれサージ電圧保護回路6を介してマルチプレクサ4の入力端子に接続されており、マルチプレクサ4の出力端子からA/D変換器5に至るコモンライン7(入力線に相当)には共通のクランプ回路8が設けられている。マルチプレクサ4のチャンネル切り替えとA/D変換器5の変換動作は、CPUからの指令を受けた制御回路9が制御するようになっている。クランプ回路8は、図5に示す回路と同様に、コモンライン7と電源線との間に設けられたトランジスタ、コモンライン7とグランド線との間に設けられたトランジスタ、コモンライン7の電圧とクランプ基準電圧とを比較するコンパレータなどから構成されている。   The input terminal 3 of each channel is connected to the input terminal of the multiplexer 4 through the surge voltage protection circuit 6, and the common line 7 (corresponding to the input line) from the output terminal of the multiplexer 4 to the A / D converter 5. ) Is provided with a common clamp circuit 8. The control circuit 9 that receives a command from the CPU controls the channel switching of the multiplexer 4 and the conversion operation of the A / D converter 5. Similarly to the circuit shown in FIG. 5, the clamp circuit 8 includes a transistor provided between the common line 7 and the power supply line, a transistor provided between the common line 7 and the ground line, and the voltage of the common line 7. It comprises a comparator that compares the clamp reference voltage.

図1は、マルチプレクサ4において各入力端子と共通の出力端子との間にそれぞれ設けられたスイッチ回路10の電気的構成を示している。この図1に示す電圧状態は、後述するようにスイッチ回路10がオフ状態に制御されている場合を示しており、オン状態に制御されている場合は図2に示している。図1、図2には、Q1からQ14までのトランジスタが用いられているが、これらトランジスタQ1ないしQ14は、それぞれ本発明における第1ないし第14のトランジスタに相当する。また、トランジスタQ1ないしQ14のうち、Pチャネル型トランジスタの基板電位は電源電圧Vddとされており、Nチャネル型の基板電位はグランド電位0Vとされている。   FIG. 1 shows an electrical configuration of a switch circuit 10 provided between each input terminal and a common output terminal in the multiplexer 4. The voltage state shown in FIG. 1 shows a case where the switch circuit 10 is controlled to an off state as will be described later, and FIG. 2 shows a case where the switch circuit 10 is controlled to an on state. 1 and 2 use transistors Q1 to Q14. These transistors Q1 to Q14 correspond to the first to fourteenth transistors of the present invention, respectively. Among the transistors Q1 to Q14, the substrate potential of the P-channel transistor is set to the power supply voltage Vdd, and the N-channel substrate potential is set to the ground potential of 0V.

スイッチ回路10の入力端子10aと出力端子10bとの間には、Pチャネル型トランジスタQ1、Q13、Q2が直列に接続されており、これらと並列して、Nチャネル型トランジスタQ3、Q14、Q4が直列に接続されている。ここで、トランジスタQ1からQ13を介してQ2に至るノードが本発明でいう第1のノードに相当し、トランジスタQ3からQ14を介してQ4に至るノードが本発明でいう第2のノードに相当する。   P-channel transistors Q1, Q13, and Q2 are connected in series between the input terminal 10a and the output terminal 10b of the switch circuit 10, and in parallel with these, N-channel transistors Q3, Q14, and Q4 are connected. Connected in series. Here, the node from the transistors Q1 to Q13 to Q2 corresponds to the first node in the present invention, and the node from the transistors Q3 to Q4 to Q4 corresponds to the second node in the present invention. .

クランプ回路11(第1のクランプ回路に相当)は、第1のノードの電圧を所定の電圧範囲内に規制するもので、クランプ回路12(第2のクランプ回路に相当)は、第2のノードの電圧を所定の電圧範囲内に規制するものである。クランプ回路11は、クランプ回路13、14(第3、第4のクランプ回路に相当)と上記トランジスタQ13とから構成されており、クランプ回路12は、クランプ回路15、16(第5、第6のクランプ回路に相当)と上記トランジスタQ14とから構成されている。   The clamp circuit 11 (corresponding to the first clamp circuit) regulates the voltage of the first node within a predetermined voltage range, and the clamp circuit 12 (corresponding to the second clamp circuit) is the second node. Is regulated within a predetermined voltage range. The clamp circuit 11 includes clamp circuits 13 and 14 (corresponding to third and fourth clamp circuits) and the transistor Q13. The clamp circuit 12 includes clamp circuits 15 and 16 (fifth and sixth clamp circuits). Equivalent to a clamp circuit) and the transistor Q14.

クランプ回路13は、トランジスタQ13とQ2との共通接続点であるノード17に接続されたNチャネル型トランジスタQ5と、ゲート・ドレイン間が接続されたPチャネル型トランジスタQ6との直列回路により構成されている。トランジスタQ6のドレインは、クランプ制御電圧Vc1(第1のクランプ制御電圧に相当)を有するノード(第1のクランプ制御ノード)に接続されている。また、クランプ回路14は、トランジスタQ1とQ13との共通接続点であるノード18に接続されたNチャネル型トランジスタQ7と、ゲート・ドレイン間が接続されたPチャネル型トランジスタQ8との直列回路により構成されている。トランジスタQ8のソースは、クランプ制御電圧Vc2(第2のクランプ制御電圧に相当)を有するノード(第2のクランプ制御ノード)に接続されている。   The clamp circuit 13 is configured by a series circuit of an N-channel transistor Q5 connected to a node 17 which is a common connection point between the transistors Q13 and Q2, and a P-channel transistor Q6 connected between the gate and the drain. Yes. The drain of the transistor Q6 is connected to a node (first clamp control node) having a clamp control voltage Vc1 (corresponding to the first clamp control voltage). The clamp circuit 14 is constituted by a series circuit of an N-channel transistor Q7 connected to a node 18 which is a common connection point between the transistors Q1 and Q13, and a P-channel transistor Q8 connected between the gate and the drain. Has been. The source of the transistor Q8 is connected to a node (second clamp control node) having a clamp control voltage Vc2 (corresponding to a second clamp control voltage).

クランプ回路15は、トランジスタQ14とQ4との共通接続点であるノード19に接続されたPチャネル型トランジスタQ9と、ゲート・ドレイン間が接続されたNチャネル型トランジスタQ10との直列回路により構成されている。トランジスタQ10のドレインは、クランプ制御電圧Vc3(第3のクランプ制御電圧に相当)を有するノード(第3のクランプ制御ノード)に接続されている。また、クランプ回路16は、トランジスタQ3とQ14との共通接続点であるノード20に接続されたPチャネル型トランジスタQ11と、ゲート・ドレイン間が接続されたNチャネル型トランジスタQ12との直列回路により構成されている。トランジスタQ12のソースは、クランプ制御電圧Vc4(第4のクランプ制御電圧に相当)を有するノード(第4のクランプ制御ノード)に接続されている。   The clamp circuit 15 is configured by a series circuit of a P-channel transistor Q9 connected to a node 19 which is a common connection point between the transistors Q14 and Q4, and an N-channel transistor Q10 connected between the gate and the drain. Yes. The drain of the transistor Q10 is connected to a node (third clamp control node) having a clamp control voltage Vc3 (corresponding to a third clamp control voltage). The clamp circuit 16 is constituted by a series circuit of a P-channel transistor Q11 connected to the node 20 which is a common connection point between the transistors Q3 and Q14, and an N-channel transistor Q12 connected between the gate and the drain. Has been. The source of the transistor Q12 is connected to a node (fourth clamp control node) having a clamp control voltage Vc4 (corresponding to a fourth clamp control voltage).

図4は、サージ電圧保護回路6の回路構成を示している。入力端子3と電源線21との間には、Pチャネル型トランジスタQ15とゲート・ドレイン間が接続されたPチャネル型トランジスタQ16とが直列に接続されている。また、入力端子3とグランド線22との間には、Nチャネル型トランジスタQ17とゲート・ドレイン間が接続されたNチャネル型トランジスタQ18とが直列に接続されている。   FIG. 4 shows a circuit configuration of the surge voltage protection circuit 6. Between the input terminal 3 and the power supply line 21, a P-channel transistor Q15 and a P-channel transistor Q16 connected between the gate and the drain are connected in series. Further, between the input terminal 3 and the ground line 22, an N-channel transistor Q17 and an N-channel transistor Q18 connected between the gate and the drain are connected in series.

Pチャネル型トランジスタQ15、Q16の基板電位は電源電圧Vddとされており、Nチャネル型トランジスタQ17、Q18の基板電位はグランド電位0Vとされている。トランジスタQ15、Q17のゲートには、中間電圧である3.3Vが印加されている。このサージ電圧保護回路6は、入力端子3と電源線21との間に入力端子3側をアノードとするダイオードが接続され、入力端子3とグランド線22との間に入力端子3側をカソードとするダイオードが接続されたのと等価な回路となる。   The substrate potentials of the P-channel transistors Q15 and Q16 are set to the power supply voltage Vdd, and the substrate potentials of the N-channel transistors Q17 and Q18 are set to the ground potential 0V. An intermediate voltage of 3.3 V is applied to the gates of the transistors Q15 and Q17. In the surge voltage protection circuit 6, a diode having the input terminal 3 side as an anode is connected between the input terminal 3 and the power supply line 21, and the input terminal 3 side is connected as a cathode between the input terminal 3 and the ground line 22. This is an equivalent circuit to which a diode is connected.

次に、本実施形態の作用について説明する。
以下の説明では一例として具体的な電圧値を示しているが、その場合の回路条件は以下の通りである。
・電源電圧Vdd=5V(ただし、最大で5.5Vまでの変動があるものとする)
・トランジスタQ1〜Q14のしきい値電圧Vth1〜Vth14=1V(絶対値で示す)
・トランジスタQ1〜Q14のゲート耐圧VGSS1〜VGSS14=5.5V
・pn接合の順方向電圧Vf=1V
Next, the operation of this embodiment will be described.
In the following description, specific voltage values are shown as an example, but the circuit conditions in that case are as follows.
・ Power supply voltage Vdd = 5V (assuming there is a fluctuation up to 5.5V)
-Threshold voltages Vth1 to Vth14 of transistors Q1 to Q14 = 1V (shown in absolute values)
・ Gate breakdown voltage VGSS1 to VGSS14 of transistor Q1 to Q14 = 5.5V
・ Pn junction forward voltage Vf = 1V

まず、図3において、制御回路9は、CPUからの指令を受けて、マルチプレクサ4内の1つのチャンネルのスイッチ回路10をオンとし、その他のチャンネルのスイッチ回路10をオフに切り替える。例えばチャンネル1が選択された場合、入力端子3に印加された入力電圧Vin1がスイッチ回路10、コモンライン7に設けられたクランプ回路8を通してA/D変換器5に与えられる。マルチプレクサ4の切り替えが完了すると、制御回路9は、A/D変換器5に対し変換開始信号を出力する。   First, in FIG. 3, upon receiving a command from the CPU, the control circuit 9 turns on the switch circuit 10 of one channel in the multiplexer 4 and switches off the switch circuit 10 of the other channels. For example, when channel 1 is selected, the input voltage Vin1 applied to the input terminal 3 is supplied to the A / D converter 5 through the switch circuit 10 and the clamp circuit 8 provided in the common line 7. When the switching of the multiplexer 4 is completed, the control circuit 9 outputs a conversion start signal to the A / D converter 5.

クランプ回路8のクランプ基準電圧は、高電位側が5.2V、低電位側が−0.2Vに設定されており、選択されたチャンネルの入力電圧Vinは−0.2V以上、5.2V以下に制限されてA/D変換器5に印加される。一方、選択されなかった他のチャンネルでは、スイッチ回路10が確実にオフ状態を維持できるように、且つ、スイッチ回路10を構成するトランジスタに耐圧を超える電圧が印加されないように、スイッチ回路10が自らクランプ動作を行う。   The clamp reference voltage of the clamp circuit 8 is set to 5.2V on the high potential side and -0.2V on the low potential side, and the input voltage Vin of the selected channel is limited to -0.2V or more and 5.2V or less. And applied to the A / D converter 5. On the other hand, in the other channels that are not selected, the switch circuit 10 itself can ensure that the switch circuit 10 can be maintained in an OFF state and that a voltage exceeding the withstand voltage is not applied to the transistors constituting the switch circuit 10. Perform clamping operation.

サージ電圧保護回路6は、外部から入力されるサージ電圧を抑制することを主目的とする回路であり、電源電圧Vddが5.5Vまで変動する条件の下で、入力電圧Vinを=Vin(min)(=−Vf)からVin(max)(=Vdd+Vf)すなわち−1Vから6.5Vの範囲内にクランプする。   The surge voltage protection circuit 6 is a circuit whose main purpose is to suppress a surge voltage inputted from the outside, and the input voltage Vin is set to Vin (min (min) under the condition that the power supply voltage Vdd fluctuates to 5.5V. ) (= −Vf) to Vin (max) (= Vdd + Vf), that is, clamp in the range of −1V to 6.5V.

続いて、スイッチ回路10の動作を説明する。
図2は、スイッチ回路10がオンした状態(閉状態)を示している。Pチャネル型のトランジスタQ1、Q13、Q2のゲートにはLレベル(0V)が入力されており、Nチャネル型のトランジスタQ3、Q14、Q4のゲートにはHレベル(Vdd)が入力されている。これにより、トランジスタQ1、Q13、Q2、Q3、Q14、Q4が全てオンになり、入力端子10aの電圧Vinは、そのままの電圧値を保持しつつ出力端子10bから出力される。この場合、後段のクランプ回路8により、入力電圧Vinは−0.2Vから5.2Vの範囲内に制限されている。
Next, the operation of the switch circuit 10 will be described.
FIG. 2 shows a state where the switch circuit 10 is turned on (closed state). The L level (0 V) is input to the gates of the P-channel transistors Q1, Q13, and Q2, and the H level (Vdd) is input to the gates of the N-channel transistors Q3, Q14, and Q4. As a result, the transistors Q1, Q13, Q2, Q3, Q14, and Q4 are all turned on, and the voltage Vin at the input terminal 10a is output from the output terminal 10b while maintaining the voltage value as it is. In this case, the input voltage Vin is limited to a range of −0.2V to 5.2V by the clamp circuit 8 at the subsequent stage.

さらに、Nチャネル型のトランジスタQ5、Q7のゲートにはLレベルが入力され、Pチャネル型のトランジスタQ9、Q11のゲートにはHレベルが入力されている。これにより、トランジスタQ5、Q7、Q9、Q11が全てオフになり、入力電圧Vinと電圧Vc1〜Vc4との干渉を防止している。   Further, the L level is input to the gates of the N-channel transistors Q5 and Q7, and the H level is input to the gates of the P-channel transistors Q9 and Q11. As a result, the transistors Q5, Q7, Q9, and Q11 are all turned off to prevent interference between the input voltage Vin and the voltages Vc1 to Vc4.

図1は、スイッチ回路10がオフした状態(開状態)を示している。Pチャネル型のトランジスタQ13、Q2のゲートにはHレベルが入力されており、Nチャネル型のトランジスタQ14、Q4のゲートにはLレベルが入力されている。これにより、トランジスタQ13、Q2、Q14、Q4はオフとなる。トランジスタQ2とQ4は、スイッチ回路10の主体であるスイッチとして機能するものである。   FIG. 1 shows a state where the switch circuit 10 is turned off (open state). The H level is input to the gates of the P-channel transistors Q13 and Q2, and the L level is input to the gates of the N-channel transistors Q14 and Q4. Thereby, the transistors Q13, Q2, Q14, and Q4 are turned off. The transistors Q2 and Q4 function as switches that are the main body of the switch circuit 10.

トランジスタQ1とQ3のゲートには、それぞれ中間電圧VG1、VG3(=2.5V)が入力されている。これにより、トランジスタQ1、Q3は、それぞれ以下の(1)式、(2)式の条件が満たされる時にのみオンとなる。

Figure 0004135648
Intermediate voltages VG1 and VG3 (= 2.5 V) are input to the gates of the transistors Q1 and Q3, respectively. Thereby, the transistors Q1 and Q3 are turned on only when the conditions of the following expressions (1) and (2) are satisfied, respectively.
Figure 0004135648

すなわち、トランジスタQ1は、ノード17、18に3.5V未満の低い入力電圧Vinが入り込まないように阻止することにより、クランプ回路11を耐圧上保護する機能を有している。同様に、トランジスタQ3は、ノード19、20に1.5Vを超える高い入力電圧Vinが入り込まないように阻止することにより、クランプ回路12を耐圧上保護する機能を有している。   That is, the transistor Q1 has a function of protecting the clamp circuit 11 withstand voltage by preventing the low input voltage Vin of less than 3.5V from entering the nodes 17 and 18. Similarly, the transistor Q3 has a function of protecting the clamp circuit 12 withstand voltage by preventing the nodes 19 and 20 from receiving a high input voltage Vin exceeding 1.5V.

この中間電圧VG1、VG3は、トランジスタQ1、Q3のゲートがそれぞれゲート耐圧VGSS1、VGSS3を超えないような電圧に設定されている。すなわち、入力電圧VinはVin(min)(=−Vf)からVin(max)(=Vdd+Vf)の範囲内で変化するため、入力電圧Vinが最大値Vin(max)となった場合を想定すると、それぞれVin(max)−VGSS1以上、Vin(max)−VGSS3以上の電圧に設定する必要がある。一方、入力電圧Vinが最小値Vin(min)となった場合を想定すると、それぞれVin(min)+VGSS1以下、Vin(min)+VGSS3以下の電圧に設定する必要がある。まとめると、以下のようになる。   The intermediate voltages VG1 and VG3 are set to voltages at which the gates of the transistors Q1 and Q3 do not exceed the gate breakdown voltages VGSS1 and VGSS3, respectively. That is, since the input voltage Vin changes within the range of Vin (min) (= −Vf) to Vin (max) (= Vdd + Vf), it is assumed that the input voltage Vin reaches the maximum value Vin (max). It is necessary to set the voltage to Vin (max) −VGSS1 or more and Vin (max) −VGSS3 or more, respectively. On the other hand, assuming that the input voltage Vin becomes the minimum value Vin (min), it is necessary to set the voltages to Vin (min) + VGSS1 or less and Vin (min) + VGSS3 or less, respectively. In summary:

Figure 0004135648
書き直すと以下のようになる。
Figure 0004135648
Figure 0004135648
When rewritten, it becomes as follows.
Figure 0004135648

スイッチ回路10がオフした状態では、トランジスタQ5、Q7のゲートにはHレベルが入力されており、トランジスタQ9、Q11のゲートにはLレベルが入力されている。これにより、トランジスタQ5、Q7、Q9、Q11はオンとなり、クランプ回路13、14、15、16が動作可能な状態となる。以下、これらクランプ回路13、14、15、16の動作について説明する。   When the switch circuit 10 is turned off, the H level is input to the gates of the transistors Q5 and Q7, and the L level is input to the gates of the transistors Q9 and Q11. Thereby, the transistors Q5, Q7, Q9, and Q11 are turned on, and the clamp circuits 13, 14, 15, and 16 become operable. Hereinafter, operations of the clamp circuits 13, 14, 15, and 16 will be described.

トランジスタQ2はPチャネル型であるため、ノード17の電圧VN17が高くなるとトランジスタQ2がオフ状態を維持できなくなる。トランジスタQ2がオフ状態を維持可能なノード17の電圧VN17は、次の(5)式となる。

Figure 0004135648
Since the transistor Q2 is a P-channel type, the transistor Q2 cannot be kept off when the voltage VN17 at the node 17 increases. The voltage VN17 at the node 17 at which the transistor Q2 can be kept off is expressed by the following equation (5).
Figure 0004135648

そこで、クランプ回路13は、ノード17の電圧VN17(第1のノードの電圧)を、トランジスタQ2がオフ状態を維持するのに必要な電圧よりも低くするようにクランプ制御する。クランプ制御電圧Vc1は、次の(6)式を満たすように設定される(例えば1V)。

Figure 0004135648
Therefore, the clamp circuit 13 performs clamp control so that the voltage VN17 (the voltage of the first node) at the node 17 is lower than the voltage necessary for maintaining the transistor Q2 in the off state. The clamp control voltage Vc1 is set so as to satisfy the following expression (6) (for example, 1 V).
Figure 0004135648

また、入力電圧Vinが低下すると、トランジスタQ1がオフとなるためノード17、18がフロート状態となる。このとき、トランジスタQ2のゲート電圧がゲート耐圧VGSS2を超えないためには、ノード17の電圧VN17は次の(7)式を満たす必要がある。

Figure 0004135648
Further, when the input voltage Vin decreases, the transistor Q1 is turned off, so that the nodes 17 and 18 are floated. At this time, in order that the gate voltage of the transistor Q2 does not exceed the gate breakdown voltage VGSS2, the voltage VN17 of the node 17 needs to satisfy the following equation (7).
Figure 0004135648

そこで、クランプ回路14は、ノード17の電圧VN17(第1のノードの電圧)を、トランジスタQ2のゲート耐圧VGSS2を超えない範囲内の電圧にクランプ制御する。クランプ制御電圧Vc2は、次の(8)式を満たすように設定される(例えば2.5V)。

Figure 0004135648
Therefore, the clamp circuit 14 clamps and controls the voltage VN17 at the node 17 (the voltage at the first node) to a voltage that does not exceed the gate breakdown voltage VGSS2 of the transistor Q2. The clamp control voltage Vc2 is set so as to satisfy the following equation (8) (for example, 2.5 V).
Figure 0004135648

クランプ回路15は、クランプ回路13と同様に機能する。すなわち、トランジスタQ4はNチャネル型であるため、ノード19の電圧VN19が低くなるとトランジスタQ4がオフ状態を維持できなくなる。トランジスタQ4がオフ状態を維持可能なノード19の電圧VN19は、次の(9)式となる。

Figure 0004135648
The clamp circuit 15 functions in the same manner as the clamp circuit 13. That is, since the transistor Q4 is an N-channel type, the transistor Q4 cannot maintain the OFF state when the voltage VN19 at the node 19 decreases. The voltage VN19 at the node 19 at which the transistor Q4 can be kept off is expressed by the following equation (9).
Figure 0004135648

そこで、クランプ回路15は、ノード19の電圧VN19(第2のノードの電圧)を、トランジスタQ4がオフ状態を維持するのに必要な電圧よりも高くするようにクランプ制御する。クランプ制御電圧Vc3は、次の(10)式を満たすように設定される(例えば3.3V)。

Figure 0004135648
Therefore, the clamp circuit 15 performs clamp control so that the voltage VN19 (second node voltage) at the node 19 is higher than the voltage necessary for the transistor Q4 to maintain the off state. The clamp control voltage Vc3 is set so as to satisfy the following expression (10) (for example, 3.3 V).
Figure 0004135648

クランプ回路16は、クランプ回路14と同様に機能する。すなわち、入力電圧Vinが上昇すると、トランジスタQ3がオフとなるためノード19、20がフロート状態となる。このとき、トランジスタQ4のゲート電圧がゲート耐圧VGSS4を超えないためには、ノード19の電圧VN19は次の(11)式を満たす必要がある。

Figure 0004135648
The clamp circuit 16 functions in the same manner as the clamp circuit 14. That is, when the input voltage Vin rises, the transistor Q3 is turned off, so that the nodes 19 and 20 are floated. At this time, in order for the gate voltage of the transistor Q4 not to exceed the gate breakdown voltage VGSS4, the voltage VN19 of the node 19 needs to satisfy the following equation (11).
Figure 0004135648

そこで、クランプ回路16は、ノード19の電圧VN19(第2のノードの電圧)を、トランジスタQ4のゲート耐圧VGSS4を超えない範囲内の電圧にクランプ制御する。クランプ制御電圧Vc4は、次の(12)式を満たすように設定される(例えば2.5V)。

Figure 0004135648
Therefore, the clamp circuit 16 clamps and controls the voltage VN19 (second node voltage) at the node 19 to a voltage within a range not exceeding the gate breakdown voltage VGSS4 of the transistor Q4. The clamp control voltage Vc4 is set so as to satisfy the following equation (12) (for example, 2.5 V).
Figure 0004135648

続いて、クランプ回路11、12に設けたトランジスタQ13、Q14の機能について説明する。図1に示した数値例すなわちクランプ制御電圧Vc1=1.0V、Vc2=2.5V、Vc3=3.3V、Vc4=2.5Vの場合には、たとえトランジスタQ13、Q14がなくても、トランジスタQ8、Q7、第1のノード、トランジスタQ5、Q6の経路、トランジスタQ10、Q9、第2のノード、トランジスタQ11、Q12の経路で還流電流が流れることはない。   Next, functions of the transistors Q13 and Q14 provided in the clamp circuits 11 and 12 will be described. In the numerical example shown in FIG. 1, that is, in the case of the clamp control voltage Vc1 = 1.0V, Vc2 = 2.5V, Vc3 = 3.3V, Vc4 = 2.5V, even if the transistors Q13 and Q14 are not provided, the transistors The return current does not flow through Q8, Q7, the first node, the path of transistors Q5, Q6, the transistors Q10, Q9, the second node, and the paths of transistors Q11, Q12.

しかし、クランプ制御電圧Vc1とVc2、クランプ制御電圧Vc3とVc4がそれぞれ以下の(13)式、(14)式の関係を満たすと還流電流が流れる。

Figure 0004135648
However, when the clamp control voltages Vc1 and Vc2 and the clamp control voltages Vc3 and Vc4 satisfy the following expressions (13) and (14), a reflux current flows.
Figure 0004135648

そこで、この還流電流を阻止するために、第1、第2のノードにそれぞれトランジスタQ13、Q14を設けている。トランジスタQ13は、入力電圧VinがVdd+Vth13よりも低い時にはオフしているが、これ以上になるとオンとなるため、クランプ回路13のクランプ動作を妨げることはない。同様に、トランジスタQ14は、入力電圧Vinが−Vth14よりも高い時にはオフしているが、これ以下になるとオンとなるため、クランプ回路15のクランプ動作を妨げることはない。なお、上記(13)式、(14)式が成立しないような電圧範囲内でクランプ制御電圧Vc1〜Vc4を設定する場合には、トランジスタQ13、Q14を省略してもよい。
こうした電圧設定により、オフ状態においてスイッチ回路10を構成するトランジスタQ1〜Q14を過大な電圧から保護するとともに、トランジスタQ2とQ4を確実にオフ状態に維持することができる。
Therefore, in order to prevent this return current, transistors Q13 and Q14 are provided at the first and second nodes, respectively. The transistor Q13 is turned off when the input voltage Vin is lower than Vdd + Vth13. However, the transistor Q13 is turned on when the input voltage Vin is higher than Vdd + Vth13, so that the clamp operation of the clamp circuit 13 is not hindered. Similarly, the transistor Q14 is turned off when the input voltage Vin is higher than -Vth14. However, the transistor Q14 is turned on when the input voltage Vin is lower than this, so that the clamping operation of the clamp circuit 15 is not hindered. Note that the transistors Q13 and Q14 may be omitted when the clamp control voltages Vc1 to Vc4 are set within a voltage range in which the expressions (13) and (14) are not satisfied.
By such voltage setting, the transistors Q1 to Q14 constituting the switch circuit 10 in the off state can be protected from an excessive voltage, and the transistors Q2 and Q4 can be reliably maintained in the off state.

以上説明したように、本実施形態のマルチプレクサ4は、オン状態においては入力電圧Vinをそのままコモンライン7に出力し、オフ状態においては入出力間を遮断するとともに入力電圧Vinを素子耐圧以下に規制するスイッチ回路10から構成されているので、各チャンネルの入力端子3ごとにオペアンプやコンパレータを用いたクランプ回路を設ける必要がなく、コモンライン7に共通のクランプ回路8を設ければ、マルチプレクサ4およびA/D変換器5を過大な入力電圧Vinから保護することができる。   As described above, the multiplexer 4 according to the present embodiment outputs the input voltage Vin to the common line 7 as it is in the on state, shuts off the input and output and regulates the input voltage Vin to the element withstand voltage or less in the off state. Since there is no need to provide a clamp circuit using an operational amplifier or a comparator for each input terminal 3 of each channel, if the common clamp circuit 8 is provided on the common line 7, the multiplexer 4 and The A / D converter 5 can be protected from an excessive input voltage Vin.

このマルチプレクサ4を備えたことにより、電源電圧Vddよりも高い電圧(例えばバッテリ電圧VB)または負の電圧となるアナログ信号電圧を、抵抗R1を介して入力端子3に直接入力することが可能となる。また、IC1において、クランプ回路に係るレイアウトサイズを低減することができる。さらに、選択した(オン状態とした)チャンネルごとにA/D変換器5に入力する際のクランプ電圧が異なることもない。   By providing the multiplexer 4, a voltage higher than the power supply voltage Vdd (for example, the battery voltage VB) or an analog signal voltage that is a negative voltage can be directly input to the input terminal 3 via the resistor R1. . Further, in IC1, the layout size related to the clamp circuit can be reduced. Further, the clamp voltage at the time of input to the A / D converter 5 does not differ for each selected (turned on) channel.

各チャンネルのスイッチ回路10において、入力端子10aと第1のノード、第2のノードとの間にそれぞれトランジスタQ1、Q3を設け、オフ状態においてそれらのゲートに中間電圧VG1、VG3を与えているので、Hレベルのゲート電圧が与えられるトランジスタQ2、Q5、Q7、Q13およびLレベルのゲート電圧が与えられるトランジスタQ4、Q9、Q11、Q14を耐圧上保護することができる。ここで用いる中間電圧VG1、VG3も、トランジスタQ1、Q3のゲートがゲート耐圧を超えないように設定されている。 In the switch circuit 10 of each channel, transistors Q1 and Q3 are provided between the input terminal 10a and the first and second nodes, respectively, and intermediate voltages VG1 and VG3 are applied to their gates in the off state. The transistors Q2, Q5, Q7, and Q13 to which the H level gate voltage is applied and the transistors Q4, Q9, Q11, and Q14 to which the L level gate voltage is applied can be protected in terms of breakdown voltage. The intermediate voltages VG1 and VG3 used here are also set so that the gates of the transistors Q1 and Q3 do not exceed the gate breakdown voltage.

第1のノード、第2のノードにそれぞれクランプ回路13、15を設け、オフ状態に切り替えられたときにクランプ制御電圧Vc1、Vc2をそれぞれ(6)式、(8)式の条件を満たすように設定したので、入力電圧Vinの大きさにかかわらずトランジスタQ2、Q4がオンすることを確実に防止することができる。また、クランプ回路14、16を設け、オフ状態に切り替えられたときにクランプ制御電圧Vc3、Vc4をそれぞれ(10)式、(12)式の条件を満たすように設定したので、入力電圧Vinの大きさにかかわらずトランジスタQ2、Q4を耐圧上保護することができる。さらに、第1、第2のノードにそれぞれトランジスタQ13、Q14を設けたので、オフ状態において、クランプ回路14からクランプ回路13への還流電流、クランプ回路15からクランプ回路16への還流電流を阻止することができる。   Clamp circuits 13 and 15 are provided at the first node and the second node, respectively, so that the clamp control voltages Vc1 and Vc2 satisfy the conditions of the expressions (6) and (8), respectively, when switched to the OFF state. Since it is set, it is possible to reliably prevent the transistors Q2 and Q4 from being turned on regardless of the magnitude of the input voltage Vin. In addition, since the clamp circuits 14 and 16 are provided and the clamp control voltages Vc3 and Vc4 are set so as to satisfy the conditions of the expressions (10) and (12) when switched to the OFF state, the magnitude of the input voltage Vin is increased. Regardless of this, the transistors Q2 and Q4 can be protected against breakdown voltage. Further, since the transistors Q13 and Q14 are provided at the first and second nodes, respectively, the return current from the clamp circuit 14 to the clamp circuit 13 and the return current from the clamp circuit 15 to the clamp circuit 16 are blocked in the off state. be able to.

なお、本発明は上記し且つ図面に示す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。
上記説明および図1、図2に示した電圧値は一例であって、上述した条件の下で適宜変更することができる。
スイッチ回路10をマルチプレクサとしてではなく単独で、または他の回路と組み合わせて用いてもよい。
サージ電圧保護回路6は、サージ電圧を除去するために設けることが好ましいが、サージ電圧が発生しないシステムの場合、またはIC1の外部で別途サージ除去対策が施されている場合には必ずしも設けなくてもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described above and shown in the drawings. For example, the present invention can be modified or expanded as follows.
The above description and the voltage values shown in FIGS. 1 and 2 are examples, and can be appropriately changed under the above-described conditions.
The switch circuit 10 may be used alone or in combination with other circuits, not as a multiplexer.
The surge voltage protection circuit 6 is preferably provided in order to remove the surge voltage, but is not necessarily provided in the case of a system in which no surge voltage is generated or when a separate surge elimination measure is taken outside the IC 1. Also good.

本発明の一実施形態であり、マルチプレクサ内のスイッチ回路の構成およびオフ状態における各部の電圧状態を示す図The figure which is one Embodiment of this invention, and shows the voltage state of each part in the structure of the switch circuit in a multiplexer, and an OFF state スイッチ回路の構成およびオン状態における各部の電圧状態を示す図The figure which shows the structure of a switch circuit, and the voltage state of each part in an ON state 多チャンネルA/D変換装置を内蔵したICの概略的な電気的構成図Schematic electrical configuration diagram of an IC incorporating a multi-channel A / D converter サージ電圧保護回路の構成を示す図Diagram showing the configuration of the surge voltage suppressor 従来技術について多チャンネルA/D変換装置のアナログ電圧入力部の回路構成を示す図The figure which shows the circuit structure of the analog voltage input part of a multichannel A / D converter about a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1はIC(半導体集積回路装置)、3は入力端子、4はアナログマルチプレクサ、7はコモンライン(入力線)、10はスイッチ回路、11〜16はクランプ回路(第1〜第6のクランプ回路)、Q1〜Q14はトランジスタ(第1〜第14のトランジスタ)、R1は抵抗(電流制限素子)である。   1 is an IC (semiconductor integrated circuit device), 3 is an input terminal, 4 is an analog multiplexer, 7 is a common line (input line), 10 is a switch circuit, 11 to 16 are clamp circuits (first to sixth clamp circuits) , Q1 to Q14 are transistors (first to fourteenth transistors), and R1 is a resistor (current limiting element).

Claims (4)

電流制限素子を介してアナログ電圧が印加される入力端子を備えた半導体集積回路装置内に形成され、前記入力端子と前記入力端子に印加されたアナログ電圧を当該半導体集積回路装置内に形成された回路に入力するための入力線との間に設けられたクランプ機能を有するスイッチ回路において、
前記入力端子と前記入力線との間に直列に接続されたPチャネル型の第1および第2のトランジスタと、
前記入力端子と前記入力線との間に直列に接続されたNチャネル型の第3および第4のトランジスタとを備え、
前記入力端子と前記入力線との間を閉状態とする場合には、前記第1、第2、第3、第4のトランジスタの各ゲートに、それぞれグランド電圧、グランド電圧、電源電圧、電源電圧が印加され、
電源電圧をVdd、前記第1ないし第4のトランジスタのゲート耐圧の絶対値をVGSS1ないしVGSS4、前記第1ないし第4のトランジスタのしきい値電圧の絶対値をVth1ないしVth4、前記入力端子の最小電圧をVin(min)、前記入力端子の最大電圧をVin(max)で表した場合、
前記入力端子と前記入力線との間を開状態とする場合には、前記第1第3のトランジスタの各ゲートに、それぞれ
Figure 0004135648
なる関係を満たす範囲内の中間的な電圧VG1、VG3が印加されるとともに、前記第2第4のトランジスタの各ゲートに、それぞれ電源電圧、グランド電圧が印加され、
さらに、
前記開状態において、前記第1のトランジスタと第2のトランジスタとの共通接続点である第1のノードの電圧VN1を、
Figure 0004135648
なる関係を満たす範囲内の電圧にクランプ制御する第1のクランプ回路と、
前記開状態において、前記第3のトランジスタと第4のトランジスタとの共通接続点である第2のノードの電圧VN2を、
Figure 0004135648
なる関係を満たす範囲内の電圧にクランプ制御する第2のクランプ回路とを備えて構成されていることを特徴とするクランプ機能を有するスイッチ回路。
Formed in a semiconductor integrated circuit device having an input terminal to which an analog voltage is applied via a current limiting element, and the analog voltage applied to the input terminal and the input terminal is formed in the semiconductor integrated circuit device. In the switch circuit having a clamp function provided between the input line for inputting to the circuit,
P-channel first and second transistors connected in series between the input terminal and the input line;
N-channel third and fourth transistors connected in series between the input terminal and the input line;
When the input terminal and the input line are closed, a ground voltage, a ground voltage, a power supply voltage, and a power supply voltage are applied to the gates of the first , second, third, and fourth transistors, respectively. Is applied,
The power supply voltage is Vdd, the absolute value of the gate breakdown voltage of the first to fourth transistors is VGSS1 to VGSS4, the absolute value of the threshold voltage of the first to fourth transistors is Vth1 to Vth4, and the minimum of the input terminal When the voltage is expressed as Vin (min) and the maximum voltage of the input terminal is expressed as Vin (max),
When opening between the input terminal and the input line, the gates of the first and third transistors are respectively connected to the gates of the first and third transistors.
Figure 0004135648
Intermediate voltages VG1 and VG3 within a range satisfying the above relationship are applied, and a power supply voltage and a ground voltage are applied to the gates of the second and fourth transistors, respectively.
further,
In the open state, a voltage VN1 at the first node, which is a common connection point between the first transistor and the second transistor, is
Figure 0004135648
A first clamp circuit that performs clamp control to a voltage within a range that satisfies the relationship :
In the open state, a voltage VN2 at the second node, which is a common connection point between the third transistor and the fourth transistor, is
Figure 0004135648
And a second clamp circuit that performs clamp control to a voltage within a range that satisfies the above relationship .
前記第1のクランプ回路は、
前記第1のノードと第1のクランプ制御電圧を有する第1のクランプ制御ノードとの間に直列に接続されたNチャネル型の第5のトランジスタおよびゲート・ドレイン間が接続されたPチャネル型の第6のトランジスタからなる第3のクランプ回路と、
前記第1のノードと第2のクランプ制御電圧を有する第2のクランプ制御ノードとの間に直列に接続されたNチャネル型の第7のトランジスタおよびゲート・ドレイン間が接続されたPチャネル型の第8のトランジスタからなる第4のクランプ回路とから構成され、
前記第2のクランプ回路は、
前記第2のノードと第3のクランプ制御電圧を有する第3のクランプ制御ノードとの間に直列に接続されたPチャネル型の第9のトランジスタおよびゲート・ドレイン間が接続されたNチャネル型の第10のトランジスタからなる第5のクランプ回路と、
前記第2のノードと第4のクランプ制御電圧を有する第4のクランプ制御ノードとの間に直列に接続されたPチャネル型の第11のトランジスタおよびゲート・ドレイン間が接続されたNチャネル型の第12のトランジスタからなる第6のクランプ回路とから構成され、
前記第1ないし第12のトランジスタのしきい値電圧の絶対値をVth1ないしVth12で表した場合、
前記第1、第2のクランプ制御電圧Vc1、Vc2は、それぞれ
Figure 0004135648
なる関係を満たす範囲内の電圧に設定され、
前記第3、第4のクランプ制御電圧Vc3、Vc4は、それぞれ
Figure 0004135648
なる関係を満たす範囲内の電圧に設定され、
前記第5および第7のトランジスタの各ゲートには、前記閉状態の場合にグランド電圧が印加され、前記開状態の場合に電源電圧が印加され、
前記第9および第11のトランジスタの各ゲートには、前記閉状態の場合に電源電圧が印加され、前記開状態の場合にグランド電圧が印加されることを特徴とする請求項1記載のクランプ機能を有するスイッチ回路。
The first clamp circuit includes:
An N-channel fifth transistor connected in series between the first node and a first clamp control node having a first clamp control voltage and a P-channel type connected between the gate and drain. A third clamping circuit comprising a sixth transistor;
An N-channel seventh transistor connected in series between the first node and a second clamp control node having a second clamp control voltage, and a P-channel type connected between the gate and drain A fourth clamp circuit comprising an eighth transistor,
The second clamp circuit includes:
A P-channel type ninth transistor connected in series between the second node and a third clamp control node having a third clamp control voltage and an N-channel type connected between the gate and drain A fifth clamp circuit comprising a tenth transistor;
An eleventh P-channel transistor connected in series between the second node and a fourth clamp control node having a fourth clamp control voltage and an N-channel type connected between the gate and drain A sixth clamp circuit composed of a twelfth transistor,
When the absolute values of the threshold voltages of the first to twelfth transistors are represented by Vth1 to Vth12,
The first and second clamp control voltages Vc1 and Vc2 are respectively
Figure 0004135648
Is set to a voltage within a range that satisfies the relationship
The third and fourth clamp control voltages Vc3 and Vc4 are respectively
Figure 0004135648
Is set to a voltage within a range that satisfies the relationship
A ground voltage is applied to each gate of the fifth and seventh transistors in the closed state, and a power supply voltage is applied in the open state.
2. The clamping function according to claim 1 , wherein a power supply voltage is applied to the gates of the ninth and eleventh transistors in the closed state and a ground voltage is applied in the open state. A switch circuit.
前記第1のクランプ回路は、前記第1のノードにおいて前記第3のクランプ回路との接続点と前記第4のクランプ回路との接続点との間に接続されたPチャネル型の第13のトランジスタを備え、
前記第2のクランプ回路は、前記第2のノードにおいて前記第5のクランプ回路との接続点と前記第6のクランプ回路との接続点との間に接続されたNチャネル型の第14のトランジスタを備え、
前記閉状態とする場合には、前記第13、第14のトランジスタの各ゲートに、それぞれグランド電圧、電源電圧が印加され、
前記開状態とする場合には、前記第13、第14のトランジスタの各ゲートに、それぞれ電源電圧、グランド電圧が印加されることを特徴とする請求項記載のクランプ機能を有するスイッチ回路。
The first clamp circuit includes a P-channel thirteenth transistor connected between a connection point with the third clamp circuit and a connection point with the fourth clamp circuit at the first node. With
The second clamp circuit includes an N-channel fourteenth transistor connected between a connection point with the fifth clamp circuit and a connection point with the sixth clamp circuit at the second node. With
In the closed state, a ground voltage and a power supply voltage are applied to the gates of the thirteenth and fourteenth transistors,
3. The switch circuit having a clamp function according to claim 2, wherein in the open state, a power supply voltage and a ground voltage are applied to the gates of the thirteenth and fourteenth transistors, respectively .
電流制限素子を介してアナログ電圧が印加される入力端子を備えた半導体集積回路装置内に形成され、前記入力端子と前記入力端子に印加されたアナログ電圧を当該半導体集積回路装置内に形成された回路に入力するための入力線との間に設けられた請求項1ないし3の何れかに記載のクランプ機能を有するスイッチ回路を複数備え、各スイッチ回路に対応した入力線が共通に接続されていることを特徴とするアナログマルチプレクサ。Formed in a semiconductor integrated circuit device having an input terminal to which an analog voltage is applied via a current limiting element, and the analog voltage applied to the input terminal and the input terminal is formed in the semiconductor integrated circuit device. A plurality of switch circuits having a clamp function according to any one of claims 1 to 3 provided between input lines for inputting to the circuit, and input lines corresponding to the switch circuits are connected in common. An analog multiplexer characterized by having
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