JP4802258B2 - Voltage detection circuit - Google Patents

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Description

本発明は、極微少な自然エネルギーを電気エネルギーとして蓄積するシステムにおいて、蓄積された電荷電位をnA(ナノアンペア)以下の小さな消費電流で電圧検知する電圧検知回路に関する。   The present invention relates to a voltage detection circuit that detects a voltage of an accumulated charge potential with a small consumption current of nA (nanoampere) or less in a system that accumulates a very small amount of natural energy as electric energy.

ユビキタス情報社会の実現に向けて、センサを備えた多数の情報発信端末によるセンサネットワークの研究開発が進んでいる。これらの情報発信端末はメンテナンスフリーであることが求められており、その課題の一つにバッテリーフリー化、すなわち情報発信端末自身が発電機を持ち電池を不要にすることがある。このような情報発信端末に搭載される発電機は、振動や熱などの生活空間エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、情報発信端末の小型化に伴い発電機も極小化される。このためnA級の微少な発電電力から電荷を効率よく蓄電する技術が必要となっている。   To realize a ubiquitous information society, research and development of sensor networks using a large number of information transmission terminals equipped with sensors is progressing. These information transmission terminals are required to be maintenance-free. One of the problems is that the information transmission terminal itself has a generator and eliminates the need for a battery. The generator mounted on such an information transmission terminal converts living space energy such as vibration and heat into electric energy, and the generator is minimized as the information transmission terminal is miniaturized. For this reason, there is a need for a technique for efficiently storing electric charges from a small amount of generated power of nA class.

このような発電器からの微小電力を蓄電するには、蓄積された電荷電位を小さな消費電流で検知する必要がある。このために従来は、図7に示すMOSトランジスタのボディー効果を用いた低電力なリファレンス電圧回路が用いられていた(非特許文献1)。   In order to store minute electric power from such a generator, it is necessary to detect the accumulated charge potential with a small current consumption. For this reason, conventionally, a low-power reference voltage circuit using the body effect of the MOS transistor shown in FIG. 7 has been used (Non-Patent Document 1).

Jun Pan, et.al,“A low-power sub-1-V low-voltage reference using body effect,”IEICE Trans. Fundamentals, (2007) pp.748-755.Jun Pan, et.al, “A low-power sub-1-V low-voltage reference using body effect,” IEICE Trans. Fundamentals, (2007) pp.748-755.

図7に示すリファレンス電圧回路では、すべてのトランジスタを閾値電圧近傍で動作させるために1μA程度の電流が消費されてしまう。このため生活空間エネルギーを利用したnA級の微少電力発電機による発電では電荷が貯まらない問題があった。   In the reference voltage circuit shown in FIG. 7, a current of about 1 μA is consumed to operate all the transistors near the threshold voltage. For this reason, there has been a problem that electric charges are not stored in the power generation by the nA class micro power generator using living space energy.

本発明は、nA級の微少電力発電器からの電荷を蓄電する蓄電システムの電荷電位をnA以下の動作電流で電圧検知することができる電圧検知回路を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a voltage detection circuit capable of detecting a voltage of a charge potential of a power storage system that stores charges from an nA class micro power generator with an operating current of nA or less.

第1の発明の電圧検知回路は、電源電圧を与える第1の電源端子と第2の電源端子との間に、ダイオード接続した複数のMOSトランジスタを直列接続して構成されるトランジスタチェーンと、1以上のMOSトランジスタを直列接続して構成され、その一端のMOSトランジスタのソース端子が第1の電源端子に接続される第1の電流源トランジスタと、第1の電流源トランジスタとは極性が異なる1以上のMOSトランジスタを直列接続して構成され、その一端のMOSトランジスタのソース端子が第2の電源端子に接続される第2の電流源トランジスタと、ソース端子同士およびゲート端子同士が接続され、ソース端子が第1の電流源トランジスタの他端のMOSトランジスタのドレイン端子に接続された第1のMOSトランジスタペアと、第1のトランジスタペアとは極性が異なり、ソース端子同士が接続され、ゲート端子とドレイン端子がクロスカップル接続され、ソース端子が第2の電流源トランジスタの他端のMOSトランジスタのドレイン端子に接続された第2のMOSトランジスタペアとを備え、第1のMOSトランジスタペアの各MOSトランジスタのドレイン端子と第2のMOSトランジスタペアの各MOSトランジスタのドレイン端子をそれぞれ接続し、第1の電流源トランジスタの各MOSトランジスタのゲート端子、第1のMOSトランジスタペアのゲート端子、第2の電流源トランジスタの各MOSトランジスタのゲート端子が、それぞれトランジスタチェーンの各MOSトランジスタのゲート端子に電源電位の分圧により生成された電位順に接続され、第1のMOSトランジスタペアの一方のMOSトランジスタのゲート端子とドレイン端子がそれぞれ第1の出力端子および第2の出力端子に接続され、第1のMOSトランジスタペアおよび第2のMOSトランジスタペアの少なくと一方のMOSトランジスタペアのゲート幅またはゲート長が互いに異なり、第1の出力端子および第2の出力端子の出力電圧の大小関係により電源電圧の大きさを検知する構成である。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a voltage detection circuit comprising: a transistor chain configured by connecting a plurality of diode-connected MOS transistors in series between a first power supply terminal for supplying a power supply voltage and a second power supply terminal; The first current source transistor is configured by connecting the above MOS transistors in series, and the source terminal of the MOS transistor at one end thereof is connected to the first power supply terminal, and the first current source transistor has a different polarity. The above-mentioned MOS transistors are connected in series, the source terminal of the MOS transistor at one end thereof is connected to the second power supply terminal, the source terminals and the gate terminals are connected, and the source A first MOS transistor transistor whose terminal is connected to the drain terminal of the MOS transistor at the other end of the first current source transistor. Are different in polarity from the first transistor pair, the source terminals are connected to each other, the gate terminal and the drain terminal are cross-coupled, and the source terminal is connected to the drain terminal of the MOS transistor at the other end of the second current source transistor. A first current source that connects the drain terminals of the MOS transistors of the first MOS transistor pair and the drain terminals of the MOS transistors of the second MOS transistor pair, respectively, The gate terminal of each MOS transistor of the transistor, the gate terminal of the first MOS transistor pair, and the gate terminal of each MOS transistor of the second current source transistor are divided by the gate potential of each MOS transistor in the transistor chain, respectively. Connect in order of potential generated by The gate terminal and drain terminal of one MOS transistor of the first MOS transistor pair are connected to the first output terminal and the second output terminal, respectively, and the first MOS transistor pair and the second MOS transistor pair The gate width or gate length of at least one MOS transistor pair is different from each other, and the magnitude of the power supply voltage is detected based on the magnitude relationship between the output voltages of the first output terminal and the second output terminal.

第2の発明の電圧検知回路は、電源電圧を与える第1の電源端子と第2の電源端子との間に、ダイオード接続した複数のMOSトランジスタを直列接続して構成されるトランジスタチェーンと、1以上のMOSトランジスタを直列接続して構成され、その一端のMOSトランジスタのソース端子が第1の電源端子に接続される電流源トランジスタと、ソース端子同士およびゲート端子同士が接続され、ソース端子が電流源トランジスタの他端のMOSトランジスタのドレインに接続された第1のMOSトランジスタペアと、第1のトランジスタペアとは極性が異なり、ソース端子同士が接続され、ゲート端子とドレイン端子がクロスカップル接続され、ソース端子が第2の電源端子に接続された第2のMOSトランジスタペアとを備え、第1のMOSトランジスタペアの各MOSトランジスタのドレイン端子と第2のMOSトランジスタペアの各MOSトランジスタのドレイン端子をそれぞれ接続し、電流源トランジスタの各MOSトランジスタのゲート端子、第1のMOSトランジスタペアのゲート端子が、それぞれトランジスタチェーンの各MOSトランジスタのゲート端子に電源電位の分圧により生成された電位順に接続され、第1のMOSトランジスタペアの一方のMOSトランジスタのゲート端子とドレイン端子がそれぞれ第1の出力端子および第2の出力端子に接続され、第1のMOSトランジスタペアおよび第2のMOSトランジスタペアの少なくと一方のMOSトランジスタペアのゲート幅またはゲート長が互いに異なり、第1の出力端子および第2の出力端子の出力電圧の大小関係により電源電圧の大きさを検知する構成である。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a voltage detection circuit comprising: a transistor chain configured by connecting a plurality of diode-connected MOS transistors in series between a first power supply terminal for supplying a power supply voltage and a second power supply terminal; The current source transistor is configured by connecting the above MOS transistors in series, the source terminal of the MOS transistor at one end thereof is connected to the first power supply terminal, the source terminals and the gate terminals are connected, and the source terminal is the current. The first MOS transistor pair connected to the drain of the MOS transistor at the other end of the source transistor and the first transistor pair have different polarities, the source terminals are connected, and the gate terminal and the drain terminal are cross-coupled. A second MOS transistor pair having a source terminal connected to a second power supply terminal, The drain terminal of each MOS transistor of the MOS transistor pair is connected to the drain terminal of each MOS transistor of the second MOS transistor pair, and the gate terminal of each MOS transistor of the current source transistor and the gate terminal of the first MOS transistor pair are Are connected to the gate terminal of each MOS transistor of the transistor chain in the order of potentials generated by dividing the power supply potential, and the gate terminal and drain terminal of one MOS transistor of the first MOS transistor pair are respectively connected to the first output terminal. And at least one of the first MOS transistor pair and the second MOS transistor pair is different in gate width or gate length from each other, and the first output terminal and the second output terminal are connected to the second output terminal. Output terminal The magnitude of the force voltage is configured to detect the magnitude of the power supply voltage.

第1の発明の電圧検知回路において、トランジスタチェーンと第1の電流源トランジスタおよび第2の電流源トランジスタの各MOSトランジスタのうち、ゲート端子同士が接続されたMOSトランジスタの少なくとも1組のMOSトランジスタにそれぞれ並列に接続され、制御信号により導通または非導通を切り替えて検知する電源電圧を設定する検知電圧設定スイッチMOSトランジスタを備える。   In the voltage detection circuit of the first invention, at least one set of MOS transistors of which the gate terminals are connected among the MOS transistors of the transistor chain and the first current source transistor and the second current source transistor. Detection voltage setting switch MOS transistors that are connected in parallel and set a power supply voltage to be detected by switching between conduction and non-conduction according to a control signal are provided.

第2の発明の電圧検知回路において、トランジスタチェーンと電流源トランジスタの各MOSトランジスタのうち、ゲート端子同士が接続されたMOSトランジスタの少なくとも1組のMOSトランジスタにそれぞれ並列に接続され、制御信号により導通または非導通を切り替えて検知する電源電圧を設定する検知電圧設定スイッチMOSトランジスタを備える。   In the voltage detection circuit of the second invention, the MOS transistors of the transistor chain and the current source transistor are connected in parallel to at least one set of MOS transistors whose gate terminals are connected to each other, and are made conductive by a control signal. Alternatively, a detection voltage setting switch MOS transistor for setting a power supply voltage to be detected by switching non-conduction is provided.

本発明の電圧検知回路は、発電量がnA程度以下の極小電力発電機からの電荷を蓄積する蓄電システムの電荷電位を、nA以下の動作電流で検知することができる。   The voltage detection circuit of the present invention can detect the charge potential of a power storage system that accumulates charges from a minimal power generator having a power generation amount of about nA or less with an operating current of nA or less.

本発明の実施例1の回路構成例を示す図である。It is a figure which shows the circuit structural example of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の出力端子OUT1,OUT2の出力電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the output voltage characteristic of output terminal OUT1, OUT2 of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の回路構成例を示す図である。It is a figure which shows the circuit structural example of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3の回路構成例を示す図である。It is a figure which shows the circuit structural example of Example 3 of this invention. 本発明の実施例4の回路構成例を示す図である。It is a figure which shows the circuit structural example of Example 4 of this invention. 本発明の電圧検知回路を用いた蓄電システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the electrical storage system using the voltage detection circuit of this invention. MOSトランジスタのボディー効果を用いた低電力なリファレンス電圧回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the low power reference voltage circuit using the body effect of a MOS transistor.

図1は、本発明の実施例1の回路構成例を示す。
図において、電源電位Vddと接地電位Vssとの間に、ダイオード接続したpMOSトランジスタmpb1〜mpb6およびnMOSトランジスタmnb7〜mnb9を直列接続し、電源電圧を分圧する。pMOSトランジスタmpb1〜mpb3およびnMOSトランジスタmnb7〜mnb9の各ゲート端子は、電源電位Vddに直列接続される電流源pMOSトランジスタmpc1〜mpc3および接地電位Vssに直列接続される電流源nMOSトランジスタmnc4〜mnc6の各ゲート端子に接続され、電源電圧の分圧により生成された各電位が各電流源トランジスタに入力される。
FIG. 1 shows a circuit configuration example of Embodiment 1 of the present invention.
In the figure, diode-connected pMOS transistors mpb1 to mpb6 and nMOS transistors mnb7 to mnb9 are connected in series between a power supply potential Vdd and a ground potential Vss to divide the power supply voltage. The gate terminals of the pMOS transistors mpb1 to mpb3 and the nMOS transistors mnb7 to mnb9 are respectively connected to the current source pMOS transistors mpc1 to mpc3 connected in series to the power supply potential Vdd and the current source nMOS transistors mnc4 to mnc6 connected in series to the ground potential Vss. Each potential connected to the gate terminal and generated by dividing the power supply voltage is input to each current source transistor.

pMOSトランジスタペアmp41,mp42は、ソース端子同士およびゲート端子同士が接続され、ソース端子が電流源pMOSトランジスタmpc3のドレイン端子に接続され、ゲート端子がpMOSトランジスタmpb4のゲート端子に接続される。nMOSトランジスタペアmn41,mn42は、ソース端子同士が接続され、ゲート端子とドレイン端子がクロスカップル接続され、ソース端子が電流源nMOSトランジスタmnc4のドレイン端子に接続される。   In the pMOS transistor pair mp41, mp42, the source terminals and the gate terminals are connected, the source terminal is connected to the drain terminal of the current source pMOS transistor mpc3, and the gate terminal is connected to the gate terminal of the pMOS transistor mpb4. In the nMOS transistor pair mn41, mn42, the source terminals are connected to each other, the gate terminal and the drain terminal are cross-coupled, and the source terminal is connected to the drain terminal of the current source nMOS transistor mnc4.

pMOSトランジスタペアmp41,mp42は、電流源pMOSトランジスタmpc1〜mpc3からの電流を2つに分流し、クロスカップル接続されたnMOSトランジスタペアmn41,mn42は分流された電流を電位に変換する。pMOSトランジスタmp41(pMOSトランジスタmp42)のゲート端子には出力端子OUT1が接続され、pMOSトランジスタmp41(nMOSトランジスタmn41)のドレイン端子(nMOSトランジスタmn42のゲート端子)には出力端子OUT2が接続される。   The pMOS transistor pair mp41, mp42 shunts the current from the current source pMOS transistors mpc1 to mpc3 into two, and the cross-coupled nMOS transistor pair mn41, mn42 converts the shunted current into a potential. The output terminal OUT1 is connected to the gate terminal of the pMOS transistor mp41 (pMOS transistor mp42), and the output terminal OUT2 is connected to the drain terminal of the pMOS transistor mp41 (nMOS transistor mn41) (the gate terminal of the nMOS transistor mn42).

ここで、pMOSトランジスタペアmp41,mp42およびnMOSトランジスタペアmn41,mn42のゲート幅またはゲート長(ゲートサイズ)について
mp41<mp42 かつ/または mn41>mn42
となるように設定する。例えば、pMOSトランジスタペアmp41,mp42の各ゲート幅を1対2の大きさにする。
Here, regarding the gate width or gate length (gate size) of the pMOS transistor pair mp41, mp42 and the nMOS transistor pair mn41, mn42, mp41 <mp42 and / or mn41> mn42
Set to be. For example, the gate widths of the pMOS transistor pairs mp41 and mp42 are set to 1 to 2.

図2は、本発明の実施例1の出力端子OUT1,OUT2の出力電圧特性を示す。
電源電圧Vddが小さく、電流源pMOSトランジスタmpc1〜mpc3および電流源nMOSトランジスタmnc4〜mnc6がOFF状態の場合、各トランジスタのゲート電位は電源電位をトランジスタの寄生容量で分圧した電位になる。したがって、OUT1>OUT2が保持される。さらに、電源電圧が大きくなって、所定値(例えば 3.5V)を超えると、電流源pMOSトランジスタmpc1〜mpc3に 0.1nA程度の電流が流れ始める。このとき、pMOSトランジスタペアmp41,mp42およびnMOSトランジスタペアmn41,mn42のゲートサイズが
mp41<mp42 かつ/または mn41>mn42
であることにより、出力端子OUT2の電位が急激に変化してOUT1<OUT2となる。逆に、電源電圧が所定値から小さくなる場合、電流源pMOSトランジスタmpc1〜mpc3がOFFになった直後に、電位関係がOUT1>OUT2に戻る。
FIG. 2 shows output voltage characteristics of the output terminals OUT1 and OUT2 according to the first embodiment of the present invention.
When the power supply voltage Vdd is small and the current source pMOS transistors mpc1 to mpc3 and the current source nMOS transistors mnc4 to mnc6 are in the OFF state, the gate potential of each transistor becomes a potential obtained by dividing the power supply potential by the parasitic capacitance of the transistor. Therefore, OUT1> OUT2 is held. Furthermore, when the power supply voltage increases and exceeds a predetermined value (for example, 3.5 V), a current of about 0.1 nA starts to flow through the current source pMOS transistors mpc1 to mpc3. At this time, the gate sizes of the pMOS transistor pair mp41, mp42 and the nMOS transistor pair mn41, mn42 are mp41 <mp42 and / or mn41> mn42.
Therefore, the potential of the output terminal OUT2 changes abruptly and OUT1 <OUT2. Conversely, when the power supply voltage becomes smaller than the predetermined value, the potential relationship returns to OUT1> OUT2 immediately after the current source pMOS transistors mpc1 to mpc3 are turned off.

したがって、出力端子OUT1,OUT2の各出力電圧の大小関係により電源電圧の大きさを検知することができる。なお、出力端子OUT2の位置を変更した場合には、回路の対称性から、上記ゲートサイズの不揃いの大小関係を逆にすればよいことは明らかである。   Therefore, the magnitude of the power supply voltage can be detected from the magnitude relationship between the output voltages of the output terminals OUT1 and OUT2. Note that when the position of the output terminal OUT2 is changed, it is clear from the symmetry of the circuit that the size relationship of the unevenness of the gate size may be reversed.

また、実施例1では、電流源pMOSトランジスタmpc1〜mpc3および電流源nMOSトランジスタmnc4〜mnc6をそれぞれ3個直列接続した例を示したが、それぞれ少なくとも1つ以上あればよい。   In the first embodiment, an example in which three current source pMOS transistors mpc1 to mpc3 and three current source nMOS transistors mnc4 to mnc6 are connected in series is shown.

また、実施例1では、6個の電流源トランジスタに対して、ダイオード接続のトランジスタを9個用いているが、ダイオード接続のトランジスタは電流源トランジスタより2以上多い数であればよい。また、ダイオード接続のトランジスタを多くすれば、トランジスタ1個当たりにかかる電圧が小さくなるため、MOSトランジスタペアに電流が流れだす電源電位が大きくなる。すなわち、検知電圧値が大きくなる。   In the first embodiment, nine diode-connected transistors are used for six current source transistors, but the number of diode-connected transistors may be two or more than the current source transistors. Further, when the number of diode-connected transistors is increased, the voltage applied to each transistor is reduced, so that the power supply potential at which current flows through the MOS transistor pair is increased. That is, the detection voltage value increases.

図3は、本発明の実施例2の回路構成例を示す。
図において、電源電位Vddと接地電位Vssとの間に、ダイオード接続したpMOSトランジスタmpb1〜mpb9を直列接続し、電源電圧を分圧する。pMOSトランジスタmpb1〜mpb6の各ゲート端子は、電源電位Vddに直列接続される電流源pMOSトランジスタmpc1〜mpc6の各ゲート端子に接続され、電源電圧の分圧により生成された各電位が各電流源トランジスタに入力される。
FIG. 3 shows a circuit configuration example of the second embodiment of the present invention.
In the figure, diode-connected pMOS transistors mpb1 to mpb9 are connected in series between a power supply potential Vdd and a ground potential Vss to divide the power supply voltage. The gate terminals of the pMOS transistors mpb1 to mpb6 are connected to the gate terminals of the current source pMOS transistors mpc1 to mpc6 connected in series to the power supply potential Vdd. Is input.

pMOSトランジスタペアmp41,mp42は、ソース端子同士およびゲート端子同士が接続され、ソース端子が電流源pMOSトランジスタmpc6のドレイン端子に接続され、ゲート端子がpMOSトランジスタmpb7のゲート端子に接続される。nMOSトランジスタペアmn41,mn42は、ソース端子同士が接続され、ゲート端子とドレイン端子がクロスカップル接続され、ソース端子が接地電位Vssに接続される。   In the pMOS transistor pair mp41, mp42, the source terminals and the gate terminals are connected to each other, the source terminal is connected to the drain terminal of the current source pMOS transistor mpc6, and the gate terminal is connected to the gate terminal of the pMOS transistor mpb7. In the nMOS transistor pair mn41, mn42, the source terminals are connected to each other, the gate terminal and the drain terminal are cross-coupled, and the source terminal is connected to the ground potential Vss.

pMOSトランジスタペアmp41,mp42は、電流源pMOSトランジスタmpc1〜mpc6からの電流を2つに分流し、クロスカップル接続されたnMOSトランジスタペアmn41,mn42は分流された電流を電位に変換する。pMOSトランジスタmp41(pMOSトランジスタmp42)のゲート端子には出力端子OUT1が接続され、pMOSトランジスタmp41(nMOSトランジスタmn41)のドレイン端子(nMOSトランジスタmn42のゲート端子)には出力端子OUT2が接続される。   The pMOS transistor pair mp41, mp42 shunts the current from the current source pMOS transistors mpc1 to mpc6 into two, and the cross-coupled nMOS transistor pair mn41, mn42 converts the shunted current into a potential. The output terminal OUT1 is connected to the gate terminal of the pMOS transistor mp41 (pMOS transistor mp42), and the output terminal OUT2 is connected to the drain terminal of the pMOS transistor mp41 (nMOS transistor mn41) (the gate terminal of the nMOS transistor mn42).

ここで、pMOSトランジスタペアmp41,mp42、またはnMOSトランジスタペアmn41,mn42の少なくとも一方のMOSトランジスタペアのゲート幅またはゲート長が互いに異なるように設定する。   Here, the gate width or the gate length of the pMOS transistor pair mp41, mp42 or the nMOS transistor pair mn41, mn42 is set to be different from each other.

実施例2の構成における電圧検知動作は実施例1と同じであり、ダイオード接続のトランジスタの数も同じであるので、実施例1と全く等価な電圧検知回路として動作する。   Since the voltage detection operation in the configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment and the number of diode-connected transistors is the same, the voltage detection circuit operates as a voltage detection circuit that is completely equivalent to the first embodiment.

図4は、本発明の電圧検知回路の実施例3の回路構成例を示す。
実施例3は、実施例1におけるすべてのpMOSトランジスタをnMOSトランジスタに、すべてのnMOSトランジスタをpMOSトランジスタに入れ替え、電源電位と接地電位を入れ替えた構成である。実施例3の構成における電圧検知動作は実施例1と同じである。また、同様に実施例2におけるすべてのpMOSトランジスタをnMOSトランジスタに、すべてのnMOSトランジスタをpMOSトランジスタに入れ替えてもよい。
FIG. 4 shows a circuit configuration example of the voltage detection circuit according to the third embodiment of the present invention.
In the third embodiment, all the pMOS transistors in the first embodiment are replaced with nMOS transistors, all the nMOS transistors are replaced with pMOS transistors, and the power supply potential and the ground potential are switched. The voltage detection operation in the configuration of the third embodiment is the same as that of the first embodiment. Similarly, all pMOS transistors in the second embodiment may be replaced with nMOS transistors, and all nMOS transistors may be replaced with pMOS transistors.

図5は、本発明の電圧検知回路の実施例4の回路構成例を示す。
以上示した各実施例の電圧検知回路の検知電圧値は、トランジスタ閾値ばらつきの影響を受ける。このため、所定の検知電圧値に設定するために、ダイオード接続のトランジスタおよび対応する電流源トランジスタの数を増減可能な構成とする。ここでは、実施例1の構成に適用した例を示す。
FIG. 5 shows a circuit configuration example of the voltage detection circuit according to the fourth embodiment of the present invention.
The detection voltage value of the voltage detection circuit of each embodiment described above is affected by transistor threshold value variation. For this reason, in order to set to a predetermined detection voltage value, it is set as the structure which can increase / decrease the number of a diode connection transistor and a corresponding current source transistor. Here, the example applied to the structure of Example 1 is shown.

図において、ダイオード接続したpMOSトランジスタmnb7〜mnb9および電流源nMOSトランジスタmnc4〜mnc6にそれぞれ並列に、検知電圧設定スイッチnMOSトランジスタmn1〜mn6を接続する。検知電圧設定スイッチnMOSトランジスタmn1,mn4のゲート端子をスイッチ端子sw1に接続し、検知電圧設定スイッチnMOSトランジスタmn2,mn5のゲート端子をスイッチ端子sw2に接続し、検知電圧設定スイッチnMOSトランジスタmn3,mn6のゲート端子をスイッチ端子sw3に接続する。スイッチ端子sw1〜sw3を電源電位または接地電位に設定することにより、対応する検知電圧設定スイッチnMOSトランジスタがONまたはOFFになる。   In the figure, detection voltage setting switch nMOS transistors mn1 to mn6 are connected in parallel to diode-connected pMOS transistors mnb7 to mnb9 and current source nMOS transistors mnc4 to mnc6, respectively. The gate terminals of the detection voltage setting switch nMOS transistors mn1 and mn4 are connected to the switch terminal sw1, the gate terminals of the detection voltage setting switch nMOS transistors mn2 and mn5 are connected to the switch terminal sw2, and the detection voltage setting switch nMOS transistors mn3 and mn6 are connected. The gate terminal is connected to the switch terminal sw3. By setting the switch terminals sw1 to sw3 to the power supply potential or the ground potential, the corresponding detection voltage setting switch nMOS transistor is turned on or off.

検知電圧設定スイッチnMOSトランジスタがON状態になると、当該トランジスタのソース/ドレイン間電圧はゼロになり、直列接続されるトランジスタの数が減少する。したがって、直列接続されたトランジスタ1個当たりにかかる電圧が大きくなるため、MOSトランジスタペアに電流が流れだす電源電位が小さくなる。すなわち、スイッチ端子sw1〜sw3による検知電圧設定スイッチnMOSトランジスタのON設定数を増やせば検知電圧値を小さくすることができ、OFF設定数を増やせば検知電圧値を大きくすることができる。   When the detection voltage setting switch nMOS transistor is turned on, the voltage between the source and drain of the transistor becomes zero, and the number of transistors connected in series decreases. Therefore, since the voltage applied to each transistor connected in series increases, the power supply potential at which current flows through the MOS transistor pair decreases. That is, the detection voltage value can be reduced by increasing the ON setting number of the detection voltage setting switch nMOS transistors by the switch terminals sw1 to sw3, and the detection voltage value can be increased by increasing the OFF setting number.

このような検知電圧設定スイッチトランジスタは、nMOSトランジスタのみに限らず、pMOSトランジスタのみを用いてもよいし、nMOSトランジスタとpMOSトランジスタを用いてもよい。   Such a detection voltage setting switch transistor is not limited to an nMOS transistor but may be a pMOS transistor or an nMOS transistor and a pMOS transistor.

また、検知電圧設定スイッチトランジスタは、クロスカップル接続のnMOSトランジスタペアmn41,mn42と接地電位Vssとの間に限らず、pMOSトランジスタペアmp41,mp42と電源電位Vddとの間に挿入してもよい。図3に示す実施例2および図4に示す実施例3の回路構成例においても同様である。   In addition, the detection voltage setting switch transistor is not limited to between the cross-coupled nMOS transistor pair mn41 and mn42 and the ground potential Vss, but may be inserted between the pMOS transistor pair mp41 and mp42 and the power supply potential Vdd. The same applies to the circuit configuration examples of the second embodiment shown in FIG. 3 and the third embodiment shown in FIG.

図6は、本発明の電圧検知回路を用いた蓄電システムの構成例を示す。
図において、nA級発電機11は、振動や熱、光などの生活空間に存在するエネルギーを電気エネルギーに変換する。ここで、nA級発電機11は、微少な生活空間エネルギーを電気エネルギーに変換するため、その出力は電圧型ではなく電流型になっている。例えば、MEMS技術等により作成されるエレクトレットの振動を電流に変換する交流電流発生器である。この交流電流発生器の大きさは数百マイクロメートルから数センチメートルで、大きさにより1nA程度から数百nA程度の交流電流を発生する。
FIG. 6 shows a configuration example of a power storage system using the voltage detection circuit of the present invention.
In the figure, the nA class generator 11 converts energy existing in a living space such as vibration, heat, and light into electrical energy. Here, since the nA class generator 11 converts minute living space energy into electric energy, its output is not a voltage type but a current type. For example, it is an alternating current generator that converts the vibration of an electret created by MEMS technology or the like into a current. The alternating current generator has a size of several hundred micrometers to several centimeters, and generates an alternating current of about 1 nA to several hundred nA depending on the size.

nA級発電機11の出力は、整流ダイオード12を介して電荷蓄積容量13に接続され、電荷蓄積容量13に徐々に電荷が蓄積され、蓄積された電圧を実施例1〜4に示した本発明の電圧検知回路14が検知する。電圧検知回路14の出力端子OUT1,OUT2の電圧はヒステリシスコンパレータ15に入力し、所定の検知電圧に達するとヒステリシスコンパレータ15がスイッチ16を制御し、スイッチ16を介して被駆動回路17に電力が供給される。ここで、ヒステリシスコンパレータ15もnA級発電機11の出力電力よりも低電力で動作する必要がある。このため、ヒステリシスコンパレータ15は、サブスレショルド領域で動作する構成である。このようなサブスレショルド領域で動作する電圧検知回路14およびヒステリシスコンパレータ15の消費電流は、合計でも1nA以下である。   The output of the nA class generator 11 is connected to the charge storage capacitor 13 via the rectifier diode 12, the charge is gradually stored in the charge storage capacitor 13, and the stored voltage is shown in the first to fourth embodiments. Is detected by the voltage detection circuit 14. The voltage at the output terminals OUT1 and OUT2 of the voltage detection circuit 14 is input to the hysteresis comparator 15. When the predetermined detection voltage is reached, the hysteresis comparator 15 controls the switch 16, and power is supplied to the driven circuit 17 via the switch 16. Is done. Here, the hysteresis comparator 15 also needs to operate at a lower power than the output power of the nA class generator 11. Therefore, the hysteresis comparator 15 is configured to operate in the subthreshold region. The current consumption of the voltage detection circuit 14 and the hysteresis comparator 15 operating in such a subthreshold region is 1 nA or less in total.

本発明の電圧検知回路は、nA以下の動作電流で電圧検知が可能であるので、発電量がnA程度以下の極小電力発電機からの電荷を効率よく蓄積する蓄電システムを実現することができる。   Since the voltage detection circuit of the present invention can detect a voltage with an operating current of nA or less, it is possible to realize a power storage system that efficiently accumulates charges from a minimal power generator with a power generation amount of about nA or less.

mp pMOSトランジスタ
mn nMOSトランジスタ
11 nA級発電機
12 整流ダイオード
13 電荷蓄積容量
14 本発明の電圧検知回路
15 ヒステリシスコンパレータ
16 スイッチ
17 被駆動回路
mp pMOS transistor mn nMOS transistor 11 nA class generator 12 rectifier diode 13 charge storage capacitor 14 voltage detection circuit 15 hysteresis comparator 16 switch 17 driven circuit

Claims (4)

電源電圧を与える第1の電源端子と第2の電源端子との間に、ダイオード接続した複数のMOSトランジスタを直列接続して構成されるトランジスタチェーンと、
1以上のMOSトランジスタを直列接続して構成され、その一端のMOSトランジスタのソース端子が前記第1の電源端子に接続される第1の電流源トランジスタと、
前記第1の電流源トランジスタとは極性が異なる1以上のMOSトランジスタを直列接続して構成され、その一端のMOSトランジスタのソース端子が前記第2の電源端子に接続される第2の電流源トランジスタと、
ソース端子同士およびゲート端子同士が接続され、ソース端子が前記第1の電流源トランジスタの他端のMOSトランジスタのドレイン端子に接続された第1のMOSトランジスタペアと、
前記第1のトランジスタペアとは極性が異なり、ソース端子同士が接続され、ゲート端子とドレイン端子がクロスカップル接続され、ソース端子が前記第2の電流源トランジスタの他端のMOSトランジスタのドレイン端子に接続された第2のMOSトランジスタペアとを備え、
前記第1のMOSトランジスタペアの各MOSトランジスタのドレイン端子と前記第2のMOSトランジスタペアの各MOSトランジスタのドレイン端子をそれぞれ接続し、
前記第1の電流源トランジスタの各MOSトランジスタのゲート端子、前記第1のMOSトランジスタペアのゲート端子、前記第2の電流源トランジスタの各MOSトランジスタのゲート端子が、それぞれ前記トランジスタチェーンの各MOSトランジスタのゲート端子に前記電源電位の分圧により生成された電位順に接続され、
前記第1のMOSトランジスタペアの一方のMOSトランジスタのゲート端子とドレイン端子がそれぞれ第1の出力端子および第2の出力端子に接続され、
前記第1のMOSトランジスタペアおよび前記第2のMOSトランジスタペアの少なくと一方のMOSトランジスタペアのゲート幅またはゲート長が互いに異なり、前記第1の出力端子および前記第2の出力端子の出力電圧の大小関係により前記電源電圧の大きさを検知する構成である
ことを特徴とする電圧検知回路。
A transistor chain configured by connecting a plurality of diode-connected MOS transistors in series between a first power supply terminal for supplying a power supply voltage and a second power supply terminal;
A first current source transistor configured by connecting one or more MOS transistors in series, the source terminal of the MOS transistor at one end thereof being connected to the first power supply terminal;
The second current source transistor is configured by connecting in series one or more MOS transistors having different polarities from the first current source transistor, and the source terminal of the MOS transistor at one end thereof is connected to the second power source terminal. When,
A first MOS transistor pair in which source terminals and gate terminals are connected, and a source terminal is connected to a drain terminal of a MOS transistor at the other end of the first current source transistor;
The polarity of the first transistor pair is different, the source terminals are connected to each other, the gate terminal and the drain terminal are cross-coupled, and the source terminal is connected to the drain terminal of the MOS transistor at the other end of the second current source transistor. A second MOS transistor pair connected,
Connecting the drain terminal of each MOS transistor of the first MOS transistor pair and the drain terminal of each MOS transistor of the second MOS transistor pair;
The gate terminal of each MOS transistor of the first current source transistor, the gate terminal of the first MOS transistor pair, and the gate terminal of each MOS transistor of the second current source transistor are respectively MOS transistors of the transistor chain. Connected to the gate terminal of the power supply in the order of potentials generated by dividing the power supply potential,
A gate terminal and a drain terminal of one MOS transistor of the first MOS transistor pair are connected to a first output terminal and a second output terminal, respectively;
The gate width or gate length of at least one of the first MOS transistor pair and the second MOS transistor pair is different from each other, and the output voltages of the first output terminal and the second output terminal are different from each other. A voltage detection circuit characterized in that the magnitude of the power supply voltage is detected based on the magnitude relationship.
電源電圧を与える第1の電源端子と第2の電源端子との間に、ダイオード接続した複数のMOSトランジスタを直列接続して構成されるトランジスタチェーンと、
1以上のMOSトランジスタを直列接続して構成され、その一端のMOSトランジスタのソース端子が前記第1の電源端子に接続される電流源トランジスタと、
ソース端子同士およびゲート端子同士が接続され、ソース端子が前記電流源トランジスタの他端のMOSトランジスタのドレインに接続された第1のMOSトランジスタペアと、
前記第1のトランジスタペアとは極性が異なり、ソース端子同士が接続され、ゲート端子とドレイン端子がクロスカップル接続され、ソース端子が前記第2の電源端子に接続された第2のMOSトランジスタペアとを備え、
前記第1のMOSトランジスタペアの各MOSトランジスタのドレイン端子と前記第2のMOSトランジスタペアの各MOSトランジスタのドレイン端子をそれぞれ接続し、
前記電流源トランジスタの各MOSトランジスタのゲート端子、前記第1のMOSトランジスタペアのゲート端子が、それぞれ前記トランジスタチェーンの各MOSトランジスタのゲート端子に前記電源電位の分圧により生成された電位順に接続され、
前記第1のMOSトランジスタペアの一方のMOSトランジスタのゲート端子とドレイン端子がそれぞれ第1の出力端子および第2の出力端子に接続され、
前記第1のMOSトランジスタペアおよび前記第2のMOSトランジスタペアの少なくと一方のMOSトランジスタペアのゲート幅またはゲート長が互いに異なり、前記第1の出力端子および前記第2の出力端子の出力電圧の大小関係により前記電源電圧の大きさを検知する構成である
ことを特徴とする電圧検知回路。
A transistor chain configured by connecting a plurality of diode-connected MOS transistors in series between a first power supply terminal for supplying a power supply voltage and a second power supply terminal;
A current source transistor configured by connecting one or more MOS transistors in series, the source terminal of the MOS transistor at one end thereof being connected to the first power supply terminal;
A first MOS transistor pair in which the source terminals and the gate terminals are connected, and the source terminal is connected to the drain of the MOS transistor at the other end of the current source transistor;
The second transistor pair has a polarity different from that of the first transistor pair, the source terminals are connected to each other, the gate terminal and the drain terminal are cross-coupled, and the source terminal is connected to the second power supply terminal. With
Connecting the drain terminal of each MOS transistor of the first MOS transistor pair and the drain terminal of each MOS transistor of the second MOS transistor pair;
The gate terminal of each MOS transistor of the current source transistor and the gate terminal of the first MOS transistor pair are respectively connected to the gate terminals of the MOS transistors of the transistor chain in the order of potentials generated by dividing the power supply potential. ,
A gate terminal and a drain terminal of one MOS transistor of the first MOS transistor pair are connected to a first output terminal and a second output terminal, respectively;
The gate width or gate length of at least one of the first MOS transistor pair and the second MOS transistor pair is different from each other, and the output voltages of the first output terminal and the second output terminal are different from each other. A voltage detection circuit characterized in that the magnitude of the power supply voltage is detected based on the magnitude relationship.
請求項1に記載の電圧検知回路において、
前記トランジスタチェーンと前記第1の電流源トランジスタおよび前記第2の電流源トランジスタの各MOSトランジスタのうち、ゲート端子同士が接続されたMOSトランジスタの少なくとも1組のMOSトランジスタにそれぞれ並列に接続され、制御信号により導通または非導通を切り替えて検知する電源電圧を設定する検知電圧設定スイッチMOSトランジスタを備えた
ことを特徴とする電圧検知回路。
The voltage detection circuit according to claim 1,
Of the MOS transistors of the transistor chain and the first current source transistor and the second current source transistor, each of the MOS transistors having the gate terminals connected to each other is connected in parallel to each other and controlled in parallel. A voltage detection circuit comprising a detection voltage setting switch MOS transistor for setting a power supply voltage to be detected by switching between conduction and non-conduction according to a signal.
請求項2に記載の電圧検知回路において、
前記トランジスタチェーンと前記電流源トランジスタの各MOSトランジスタのうち、ゲート端子同士が接続されたMOSトランジスタの少なくとも1組のMOSトランジスタにそれぞれ並列に接続され、制御信号により導通または非導通を切り替えて検知する電源電圧を設定する検知電圧設定スイッチMOSトランジスタを備えた
ことを特徴とする電圧検知回路。
The voltage detection circuit according to claim 2,
Of the MOS transistors of the transistor chain and the current source transistor, the MOS transistors are connected in parallel to at least one set of MOS transistors whose gate terminals are connected to each other, and are detected by switching between conduction and non-conduction by a control signal. A voltage detection circuit comprising a detection voltage setting switch MOS transistor for setting a power supply voltage.
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