JP4936303B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路装置に関し、例えば無線ＩＣタグ、非接触ＩＣカード等のようなＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification) に用いられる半導体集積回路装置に利用して有効な技術に関するものである。

データキャリア又は非接触ＩＣカードのようにコイル又はアンテナにより磁界又は電磁波を受け、それを整流し安定化電圧回路で安定化させた例として、特開２００５−２０２７２１、特開２００３−０８５５０６、特開２００２−２８８６１５、特開２０００−３４８１５２公報がある。
特開２００５−２０２７２１公報 特開２００３−０８５５０６公報 特開２００２−２８８６１５公報 特開２０００−３４８１５２公報

特許文献４のようにツェナーダイオードを使った例では、電源電圧がツェナー電圧を超えるとツェナーダイオードに電流が流れ整流回路の負荷を重くすることで電源電圧の制御を行う。通常ツェナーダイオードの降伏電圧は５Ｖ以上にしか設定できない。このため微細ＣＭＯＳプロセス（電源電圧１．８Ｖ以下）に適用することはできない。また基準電圧と電源電圧を比較し、電源電圧が基準電圧を超えると電流駆動用のＭＯＳＦＥＴをオン状態にし負荷電流を調整する方法もある。この方法では任意の電源電圧を設定することができるが、実際のものはフィードバックのループ遅延（時定数）が遅いものしかできない。これは発振対策の容量のためである。このため、ＡＳＫ変調信号を受信した場合信号の変動に追従できずに内部回路の電源電圧変動が大きくなる欠点を持つ。

この発明の目的は、簡単な構成で安定動作化を図ったＲＦＩＤに向けた半導体集積回路装置を提供することにある。この発明の上記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、伝播されたエネルギーを電気信号の形態で入力端子に入力する。上記入力された電気信号を整流して直流電圧を生成し、電圧安定化回路でかかる直流電圧とは異なる安定化電圧を形成する。上記安定化電圧を抵抗手段を通して内部回路に伝える。上記内部回路の動作電流に対応した上記抵抗手段での電圧降下によって、上記内部回路の動作電圧を規定電圧内に設定する。

簡単な構成で内部回路の規定電圧を形成することができる。

図１には、この発明に係る半導体集積回路装置の一実施例のブロック図が示されている。アンテナＡＮＴで受信された信号成分を含む電磁波は、整流回路（電圧発生器）で整流されて直流電圧が形成される。この直流電圧は、ツェナーダイオードＺＤによりツェナー電圧ＶＺに安定化される。つまり、直流電圧がツェナー電圧ＶＺよりも高いときには、かかるツェナーダイオードＺＤに電流が流れてツェナー電圧ＶＺに安定化する。この安定化電圧ＶＺは、抵抗Ｒを介して内部回路に動作電圧ＶＤとして伝えられる。キャパシタＣは、安定化用のものであり、内部回路の寄生容量も含むものである。

内部回路で消費する電流をＩa 、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧をＶＺ、抵抗Ｒの抵抗値もＲとする。内部回路に必要な電圧をＶＤとすれば、抵抗の値をＲ＝（ＶＺ−ＶＤ）／Ｉa のように選ぶことで抵抗ＲにＶＺ−ＶＤの電圧降下を発生させることができる。これを利用することでツェナーダイオードＺＤの降伏電圧が内部電圧よりも大きい（ＶＺ＞ＶＤ）ときにでも、ツェナーダイオードＺＤを使用した制御系を組むことが可能となる。このように上記抵抗Ｒの抵抗値Ｒを、内部回路での動作電流Ｉa を考慮して適当に設定することにより、上記電圧ＶＤが内部回路での規格電圧範囲内に収まるようにされる。

図２には、この発明に係る半導体集積回路装置の他の一実施例のブロック図が示されている。この実施例では、図１にクランプ回路が追加される。つまり、前記図１のように抵抗Ｒによって直接的に内部電圧ＶＤを形成するのではなく、上記抵抗Ｒで電圧を低くした電圧でクランプ回路を動作させて上記内部電圧ＶＤを安定化させる。

実際のＩＣプロセスの場合、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧、抵抗Ｒの抵抗値Ｒ、ＩＣ（内部回路）の消費電流Ｉa は温度、半導体集積回路装置のロットにより変動する。これらの変動により、内部電圧ＶＤが変動して規格電圧範囲に収まるようすることが難しくなる場合が予測される。この実施例では、内部電圧ＶＤの制御はクランプ回路が行うので前述の素子バラツキに依存せず電圧が正確に制御できる。一方クランプ回路が制御しなければならない電流量Ｉｃは、ツェナーダイオードＺＤと抵抗Ｒが間にあるのでＩc ＝（ＶＺ−ＶＤ）／Ｒと制限することができ、残りはツェナーダイオードＺＤに流れることになる。

上記整流回路から送り込まれる電流のうち、通常時のものをＩd1, ＡＳＫ変調時のものをＩd2（Ｉd1＞Ｉd2）とする。Ｉd2＞Ｉc であれば制御はツェナーダイオードＺＤが行い、クランプ回路のループ遅延による内部電圧ＶＤの変動は発生しない。また、Ｉd2＜Ｉc であってもクランプ回路が制御しなければいけない電流調整幅は小さいので内部電圧ＶＤの変動も小さくすることができる。

図３には、図２のクランプ回路の一実施例の回路図が示されている。入力電圧は抵抗Ｒ１とＲ２により分圧されてアンプＡＭＰの一方の入力（＋）に供給される。このアンプＡＭＰの他方の入力（−）には、シリコンバンドギャップ等による基準電圧Ｖref が供給される。上記アンプＡＭＰの出力信号は、ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートに供給される。このＭＯＳＦＥＴＱ１のドレインとソースは、上記入力電圧と接地電位ＧＮＤが印加される。このクランプ回路は、基準電圧Ｖref に対して入力電圧の分圧電圧が高くなると、アンプＡＭＰの出力信号がハイレベルとなってＭＯＳＦＥＴＱ１をオン状態にする。これにより、基準電圧Ｖref と入力電圧の分圧電圧（ＶＤ）とが一致するような電圧クランプ動作を行う。

上記アンプＡＭＰは、ＭＯＳＦＥＴ差動増幅回路により構成され、特に制限されないが、定電流源により差動ＭＯＳＦＥＴのバイアス電流が流れるようにされる。この実施例では、上記抵抗Ｒには内部回路及びクランプ回路のアンプＡＭＰで消費される電流が定常的に流れる。そして、主として内部回路の消費電流が増減して上記抵抗Ｒでの電圧降下が変動しようとすると、それを補正するようにＭＯＳＦＥＴＱ１に電流が流れて上記電圧ＶＤを安定化させるものである。

図４には、この発明に係る半導体集積回路装置の他の一実施例のブロック図が示されている。この実施例では、図１にツェナーダイオードＺＤが順方向のダイオードＤ５〜Ｄ７に置き換えられる。これらのダイオードＤ５〜Ｄ７は、ＰＮ接合ダイオード、ダイオード接続のＭＯＳＦＥＴ、あるいはダイオード接続のバイポーラトランジスタから構成される。この場合でも、直接に内部回路の規定電圧を得ることが難しいので前記図１の実施例のように内部回路の消費電流を考慮して抵抗Ｒの抵抗値を選ぶことにより、前記同様に内部電圧ＶＤを形成するものである。また、この順方向電圧ＶＦ又はしきい値電圧ＶＴに対応した安定化電圧３×ＶＦに対して、前記図２のようなクランプ回路を追加してもよい。

図５には、この発明に係る半導体集積回路装置の更に他の一実施例のブロック図が示されている。この実施例では、整流回路に対して電圧クランプ回路が設けられる。そして、クランフ電圧ＶＣＬは、抵抗Ｒを介して内部回路に伝えられる。この構成は、前記図１のツェナーダイオードＺＤや図４のダイオードＤ５〜Ｄ７がクランプ回路に置き換えられたものと同様である。

本願発明者においては、クランプ回路のループ遅延によって内部電圧が変動するのは、ＡＳＫ変調によって受信電力が小さくなるにもかかわらず電流駆動ＭＯＳＦＥＴＱ１が大電流を引き続け、内部回路に在る電源保持用の容量Ｃから電荷を抜いてしまうことに大きな原因があることに気が付いた。この実施例では、クランプ回路の電流駆動用のＭＯＳＦＥＴＱ１と内部回路との間に抵抗Ｒが設けられており、内部回路から電流駆動用ＭＯＳＦＥＴＱ１に電荷が移動するのを防ぐことで内部電圧ＶＤの変動を抑えることができる。

図６には、この発明に係る半導体集積回路装置の更に他の一実施例のブロック図が示されている。この実施例では、上記抵抗Ｒに替えてダイオートＤが設けられる。この構成は、クランプ回路からの内部回路の安定化容量Ｃへの電流供給は高速に行えるので、内部回路の急激な消費電流の増大による内部電圧ＶＤの低下を防ぐことができる。そして、上記同様にＡＳＫ変調によって受信電力が小さくなったときの内部電圧ＶＤの安定化も図ることができる。

図７には、この発明が適用されるＲＦＩＤの一実施例のブロック図が示されている。アンテナ又はコイルに対して整流回路（電源整流回路）及び変調回路と信号復調回路が設けられる。電源整流回路は、アンテナにより電気信号〔に〕形態にされた受信信号を整流して直流電圧を形成する。この直流電圧は、前記図１〜図６で説明したような電源電圧制御回路に伝えられ、ここで内部電圧が形成される。上記信号復調回路は、上記受信信号を復調してデジタルのデータにする。上記復調信号に含まれるクロック成分が受信系論理回路に含まれるクロック発振回路に伝えられ、同期化されたクロックが再生される。また、受信系論理回路では、上記再生されたクロックを用いて受信されたデータを[受を]受け取る。メモリは、記憶データを記憶する。制御回路は、全体の制御動作を行う。送信系論理回路は、送信信号を形成して変調回路に伝える。変調回路は、送信信号を変調してアンテナを通して出力させる。

図８には、図７の整流回路の一実施例の回路図が示されている。アンテナで受信された受信電圧が負電圧のときにダイオードＤ１を介してキャパシタＣ２に充電動作が行われる。上記アンテナで受信された受信電圧が正電圧のときに、ダイオードＤ１２を通して昇圧された電圧でキャパシタＣ３を充電させる。このようにして、キャパシタ３には正電圧が蓄積される。したがって、アンテナで受信された受信電圧が負電圧のときにダイオードＤ３を介してキャパシタＣ１にはより高い電圧で充電動作が行われる。そして、上記アンテナで受信された受信電圧が正電圧のときに、上記昇圧された電圧が加わってダイオードＤ４を通して出力キャパシタＣ４を充電させる。

図９には、この発明を説明するための生成電圧と距離との関係を説明するための特性図が示されている。整流回路で形成された電圧ＶＯは、通信距離が短いときには前記ツェナーダイオードＺＤによるツェナー電圧ＶＺ又はクランプ電圧ＶＣＬで安定化されている。このとき、最大値ＶＨと最小値ＶＬの間に設定される内部電圧ＶＤは、電圧制御動作によって安定化される。上記通信距離が長くなり、上記電圧ＶＯが上記内部電圧ＶＤよりも小さくなると、上記制御が効かなくなって電圧ＶＯとともに低下する。上記最小電圧ＶＬに対応する距離が通信可能距離の最大Ｌmax となる。

以上本発明者によってなされた発明を、上記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。整流回路やクランプ回路の具体的構成は、種々の実施形態を採ることができる。この発明は、ＲＦＩＤや非接触型ＩＣカードに適用できる。更に、例えば伝播されたエネルギーは光又は音であってもよい。つまり、光を電気信号に変換し、それにより電源電圧を形成したり、音声を電気信号に変換してそれを整流して電源電圧を形成したりするものにも同様に適用できる。つまり、光応答型ＩＣタグや音声応答型ＩＣタグ等にも同様に適用できる。この発明は、伝播されたエネルギーを受けて電源電圧を形成し、それにより動作する内部回路を備えた半導体集積回路装置に広く利用できる。

この発明に係る半導体集積回路装置の一実施例を示すブロック図である。 この発明に係る半導体集積回路装置の他の一実施例を示すブロック図である。 図２のクランプ回路の一実施例を示す回路図である。 この発明に係る半導体集積回路装置の他の一実施例を示すブロック図である。 この発明に係る半導体集積回路装置の更に他の一実施例を示すブロック図である。 この発明に係る半導体集積回路装置の更に他の一実施例を示すブロック図である。 この発明が適用されるＲＦＩＤの一実施例を示すブロック図である。 図７の整流回路の一実施例を示す回路図である。 この発明を説明するための生成電圧と距離との関係を説明するための特性図である。

符号の説明

ＡＮＴ…アンテナ、ＺＤ…ツェナーダイオード、Ｒ，Ｒ１，Ｒ２…抵抗、Ｃ，Ｃ１〜Ｃ４…キャパシタ、Ｄ，Ｄ１〜Ｄ７…ダイオード、ＡＭＰ…アンプ、Ｑ１〜ＭＯＳＦＥＴ。

Claims (4)

1. 信号成分を含む電磁波が電気信号の形態で入力される入力端子と、
   上記入力端子から入力された電気信号から直流電圧を生成する整流回路と、
   上記整流回路で形成された直流電圧を受け、かかる直流電圧とは異なる安定化電圧を形成する電圧安定化回路と、
   上記安定化電圧を伝える抵抗手段と、
   上記抵抗手段を通した電圧で動作する内部回路とを備え、
   上記電圧安定化回路は、ツェナーダイオードで構成され、
   上記抵抗手段の抵抗値は、上記ツェナーダイオードのツェナー電圧から上記内部回路の動作電流に対応して発生する電圧降下分低下した電圧が上記内部回路の規定電圧範囲内に収まるよう設定されることを特徴とする半導体集積回路装置。
2. 信号成分を含む電磁波が電気信号の形態で入力される入力端子と、
   上記入力端子から入力された電気信号から直流電圧を生成する整流回路と、
   上記整流回路で形成された直流電圧を受け、かかる直流電圧とは異なる安定化電圧を形成する電圧安定化回路と、
   上記安定化電圧を伝える抵抗手段と、
   上記抵抗手段を通した電圧で動作する内部回路とを備え、
   上記電圧安定化回路は、複数のダイオードで構成され、
   上記抵抗手段の抵抗値は、上記ツェナーダイオードのツェナー電圧から上記内部回路の動作電流に対応して発生する電圧降下分低下した電圧が上記内部回路の規定電圧範囲内に収まるよう設定されることを特徴とする半導体集積回路装置。
3. 請求項１又は２において、
   上記内部回路は、電圧クランプ回路と信号処理回路とを有し、
   上記電圧クランプ回路は、上記抵抗手段を通して伝えられた動作電圧を分圧した電圧と所定の基準電圧とが一致するよう可変抵抗手段を制御して規定電圧を生成して上記信号処理回路に伝えるシリーズレギュレータであることを特徴とする半導体集積回路装置。
4. 請求項３において、
   上記内部回路には、上記規定電圧を安定化させるキャパシタが設けられることを特徴とする半導体集積回路装置。

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