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。
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
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
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
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
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、
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
請求項2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
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
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
第3、第4のクランプ制御電圧Vc3、Vc4を、それぞれ
The third and fourth clamp control voltages Vc3 and Vc4 are respectively
請求項3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
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4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
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 /
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
FIG. 2 shows a state where the
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
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。
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
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:
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
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。
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)。
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。
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)。
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。
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)。
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。
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)。
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
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。
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
By such voltage setting, the transistors Q1 to Q14 constituting the
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
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
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
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。
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
The surge
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)
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
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、
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、
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.
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
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
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
前記第3、第4のクランプ制御電圧Vc3、Vc4は、それぞれ
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
The third and fourth clamp control voltages Vc3 and Vc4 are respectively
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2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 .
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