JP6962071B2

JP6962071B2 - レベルシフター、および電子機器

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Publication number: JP6962071B2
Application number: JP2017164249A
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Inventors: 岳夫北澤
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Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
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Description

本発明は、電源電圧の異なる回路間の信号伝送技術に関する。

デジタル回路とアナログ回路とでは、例えば前者の電源電圧は３．３Ｖであり、後者の電源電圧は１２Ｖであるといった具合に、電源電圧が異なることが一般的である。デジタル回路とアナログ回路との間の信号伝送のように、電源電圧の異なる回路間の信号伝送ではレベルシフト回路が必要となる。また、電源電圧の異なる回路間で信号伝送を行う際には、静電気放電（ESD：Electro-Static Discharge：以下、「ＥＳＤ」）に伴って発生する高電圧パルスが半導体チップの内部回路を破壊したり、誤動作させてしまったりしないように、保護回路をレベルシフト回路の前段に設ける必要がある。

特許文献１には、保護素子２６０からなる保護回路と保護素子２７０からなる保護回路を、図７に示すようにシフト回路２５０の前段に設けることで、ＥＳＤ対を実現する技術が開示されている。特許文献１に開示の技術では、電源電圧の低い低電位側（ＶＤＤ１側）でＥＳＤが発生し、低電位側からの出力信号２１１或いは出力信号２４１に高電圧パルスが重畳すると、その高電圧パルスに応じた電流が保護素子２６０或いは保護素子２７０を介して電源電圧の高い高電位側の電源線ＶＤＤ２に流れる。これにより、レベルシフト回路２５０のゲート（具体的には、電界効果トランジスターＴ２、Ｔ３、Ｔ５およびＴ６の各々のゲート）に上記高電圧パルスが印加されることが回避され、ゲートの破壊が防止される。

特開２００７−２７６７６号公報

特許文献１に開示の技術では、保護素子２６０および保護素子２７０の各々から見て低電位側にスイッチ２８０およびスイッチ２９０がそれぞれ配置されている。このため、低電位側でＥＳＤが発生し、出力信号２１１或いは出力信号２４１に高電圧パルスが重畳すると、その高電圧パルスがスイッチ２８０或いはスイッチ２９０に印加され、スイッチ２８０或いはスイッチ２９０が破損する可能性がある。スイッチ２８０或いはスイッチ２９０が破損すると、低電位側からの出力信号２１１或いは出力信号２４１がレベルシフト回路２５０に伝達されなくなり、システム全体が動作しなくなる。このような事態の発生を回避するためにスイッチ２８０およびスイッチ２９０を設けないようにすることが考えられるが、この場合、以下のような問題が発生する。

すなわち、低電位側の内部回路２１０は常時動作させる一方、高電位側の内部回路２３０を間欠的に動作させる場合など、低電位側の電源電圧が印加されている一方、高電位側の電源電圧が印加さていないといった事態が発生する場合に、タイミングによっては保護素子２６０或いは保護素子２７０を介して電源線ＶＤＤ２に流れるリーク電流が発生するといった問題がある。高電位側の電源電圧が印加さていない状態では電源線ＶＤＤ２の電位はほぼゼロとなっている一方、出力信号２１１と出力信号２４１は差動信号であるため、一方はハイレベル（電源線ＶＤＤ１の電位）となっているからである。例えば信号２４１がハイレベルであれば保護素子２６０を介してリーク電流が流れ、信号２１１がハイレベルであれば保護素子２７０を介してリーク電流が流れる。

本発明は以上に説明した課題に鑑みて為されたものであり、電源電圧の異なる回路間の信号伝送を仲介するレベルシフト回路にＥＳＤ対策のために設けられる保護回路を介して流れるリーク電流を低減することを解決課題の一つとする。

以上の課題を解決するために、本発明に係るレベルシフターは、ハイレベルが第１高電位でありローレベルが第１低電位である入力信号を第１回路から入力し、前記入力信号をレベルシフトしてハイレベルが第２高電位でありローレベルが第２低電位である出力信号を第２回路へ出力するレベルシフターであって、電源電位として前記第１高電位と前記第１低電位とが与えられ、第１信号と第２信号とを出力する組み合わせ回路と、電源電位として前記第２高電位と前記第２低電位とが与えられ、前記第１信号および前記第２信号に応じて前記出力信号を生成するレベルシフト回路と、を備え、前記第２高電位は前記第１高電位よりも高く、前記組み合わせ回路には、前記第２高電位が前記レベルシフト回路に与えられたときに論理レベルがアクティブとなり、前記第２高電位が前記レベルシフト回路に与えられていないときに論理レベルが非アクティブとなるイネーブル信号が与えられ、前記組み合わせ回路は、前記イネーブル信号が非アクティブであれば前記第１信号および前記第２信号を共にローレベルとし、前記イネーブル信号がアクティブであれば前記第１信号および前記第２信号の一方をハイレベルとし、他方をローレベルとすることを特徴とする。

本発明によれば、第２高電位がレベルシフト回路に与えられておらず、第２回路が動作していない状況下では、イネーブル信号は非アクティブとなり、第１信号および第２信号は共にローレベルになる。このため、特許文献１における保護回路が上記レベルシフト回路の前段に設けられていたとしても、上記状況下で当該保護回路を介して流れるリーク電流を低減することができる。つまり、本発明によれば、ＥＳＤ対策のためにレベルシフト回路の前段に設けられる保護回路を介して流れるリーク電流を低減できる。加えて、本発明によれば高電位側の回路を間欠的に動作させることが可能になる。

上述したレベルシフターは、前記イネーブル信号がアクティブの場合に、前記入力信号の論理レベルと同じ論理レベルとなる第１信号を出力し、前記イネーブル信号が非アクティブの場合に論理レベルがローレベルとなる第１信号を出力し、前記イネーブル信号がアクティブの場合に、前記入力信号の論理レベルを反転した論理レベルとなる第２信号を出力し、前記イネーブル信号が非アクティブの場合に論理レベルがローレベルとなる第２信号を出力するように、上記組み合わせ回路が構成されていることが好ましい。

本態様によれば、イネーブル信号がアクティブである場合には、第１信号は第１回路の出力信号と同じ論理レベルとなり、第２信号は第１信号を論理反転した論理レベルとる一方、イネーブル信号が非アクティブである場合には、第１信号および第２信号は共にローレベルとなる。

イネーブル信号のアクティブレベルをハイレベルとする場合の上記組み合わせ回路の具体的な構成としては、前記イネーブル信号が入力されるインバーターと、前記入力信号と前記インバーターの出力信号とが入力され、前記第２信号を出力する第１ＮＯＲゲートと、前記第１ＮＯＲゲートの出力信号と前記インバーターの出力信号とが入力され、前記第１信号を出力する第２ＮＯＲゲートと、を有する構成が挙げられる。

上述したレベルシフターは、前記組み合わせ回路における前記第１信号の出力端と前記レベルシフト回路における前記第１信号の入力端とに接続される第１保護回路と、前記組み合わせ回路における前記第１信号の出力端と前記レベルシフト回路における前記第２信号の入力端とに接続される第２保護回路と、を備えることが好ましい。第１保護回路および第２保護回路の具体的な構成としては、以下の第１保護素子および第２保護素子と抵抗とを組み合わせた構成が挙げられる。上記抵抗は、組み合わせ回路から出力される信号の入力端と前記レベルシフト回路へ出力する信号の出力端とに接続される。第１保護素子は、前記第２高電位が高電源電位として供給される第１端子と前記レベルシフト回路へ出力する信号の出力端に接続される第２端子とを備え、前記第２端子の電位が前記第１端子の電位よりも高い場合に、前記第２端子から前記第１端子へ一方向に電流を流す。第２保護素子は、前記レベルシフト回路へ出力する信号の出力端に接続される第１端子と前記第２低電位が低電源電位として供給される第２端子とを備え、前記第２端子の電位が前記第１端子の電位よりも高い場合に、前記第２端子から前記第１端子へ一方向に電流を流す。そして、この態様のレベルシフターにおいては、第１低電位と第２低電位の電位差が、第１保護素子の順方向電圧よりも小さく、かつ第２保護素子の順方向電圧よりも小さいことが好ましい。ここで、順方向電圧とは、第２端子および第１端子間の電圧であって、第２端子から第１端子へ流れる電流が急激に増加する電圧のことを言う。

本態様によれば、低電位側でＥＳＤが発生し、第１信号或いは第２信号に正の高電圧パルスが重畳したとしても、その高電圧パルスに応じた電流は第１保護回路或いは第２保護回路における第１保護素子を介して第２高電位側へ流れる。また、第１信号或いは第２信号に負の高電圧パルスが重畳したとしても、その高電圧パルスに応じた電流は第１保護回路或いは第２保護回路における第２保護素子を介して第１低電位電源線に流れる。これにより、上記レベルシフト回路が特許文献１におけるレベルシフト回路２５０のような構成である場合に、ゲートに上記高電圧パルスが印加されることが回避され、ゲートの破壊が防止される。加えて、本態様によれば、高電位側の電源電圧が印加されていない状況では、第１保護素子の第１端子の電位は第２低電位となり、第１保護素子の第２端子の電位は第１低電位となる。一方、第２保護素子の第１端子の電位は第１低電位となり、第２保護素子の第２端子の電位は第２低電位となる。第２低電位の方が第１低電位よりも高い場合、第１保護素子を介してリーク電流が流れることはない。また、第２保護素子においても第２端子と第１端子間の電圧は順方向電圧よりも小さいため、当該第２保護素子を介して大きなリーク電流が流れることはない。第１低電位の方が第２低電位よりも高い場合、第２保護素子を介してリーク電流が流れることはない。第１保護素子においても、第２端子と第１端子間の電圧は順方向電圧よりも小さいため、当該第１保護素子を介して大きなリーク電流が流れることはない。

上述したレベルシフターは、第１低電位と第２低電位とが同じ電位であることが好ましい。本態様によれば、第１信号或いは第２信号がローレベルである場合に第１および第２保護素子を介して流れるリーク電流をゼロにすることができる。加えて本態様によれば、第１低電位電源線と第２低電位電源線とを共通の電源線とすることができる。

また、本発明は、レベルシフターのほか、当該レベルシフターを備える電子機器として概念することも可能である。

本発明の一実施形態によるレベルシフター３０の構成例を示す図である。イネーブル信号ＥＮがアクティブである場合に組み合わせ回路３１０から出力される第１信号Ｓ１および第２信号Ｓ２を説明するための図である。イネーブル信号ＥＮが非アクティブである場合に組み合わせ回路３１０から出力される第１信号Ｓ１および第２信号Ｓ２を説明するための図である。本発明に係るパソコン２０００の斜視図である。本発明に係る携帯電話機３０００の斜視図である。本発明に係る携帯情報端末４０００の斜視図である。レベルシフターにおける従来のＥＳＤ対策を説明する図である。

以下図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。

＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態によるレベルシフター３０の構成例を示す図である。
レベルシフター３０は、互いに動作電圧の異なる第１回路１０と第２回路２０との間の信号授受を仲介する。第１回路１０は、例えばデジタル回路であり、第１高電位電源線ＰＶＤＤＬと第１低電位電源線ＰＶＳＳＬに接続されている。第１高電位電源線ＰＶＤＤＬの電位ＶＤＤＬは第１低電位電源線ＰＶＳＳＬの電位ＶＳＳＬよりも高く、電位ＶＤＤＬと電位ＶＳＳＬの電位差が第１回路１０の動作電圧となる。第１回路１０は、ハイレベルが電位ＶＤＤＬであり、ローレベルが電位ＶＳＳＬである入力信号ＩＮＳを出力する。

第２回路２０は、例えばアナログ回路であり、第２高電位電源線ＰＶＤＤＨと第２低電位電源線ＰＶＳＳＨに接続されている。第２高電位電源線ＰＶＤＤＨの電位ＶＤＤＨは第２低電位電源線ＰＶＳＳＨの電位ＶＳＳＨよりも高く、電位ＶＤＤＨと電位ＶＳＳＨの電位差が第２回路２０の動作電圧となる。本実施形態では、電位ＶＤＤＨは電位ＶＤＤＬよりも高い。以下では、電位ＶＤＤＬを「第１高電位」と呼び、電位ＶＤＤＨを「第２高電位」と呼ぶ。同様に以下では、電位ＶＳＳＬを「第１低電位」と呼び、電位ＶＳＳＨを「第２低電位」と呼ぶ。なお、本実施形態では、第１低電位と第２低電位は同じ電位である。第２回路２０には、ハイレベルが第２高電位であり、ローレベルが第２低電位である信号ＯＵＴＳが入力される。

図１に示すようにレベルシフター３０は、第１回路１０と第２回路２０に接続されている。レベルシフター３０には、第１回路１０から入力信号ＩＮＳが入力される。レベルシフター３０は、入力信号ＩＮＳをレベルシフトして信号ＯＵＴＳを生成し、第２回路２０に与える。図１に示すように、レベルシフター３０は、組み合わせ回路３１０と、レベルシフト回路３２０と、保護回路３３０Ａと、保護回路３３０Ｂと、を含む。組み合わせ回路３１０は第１高電位電源線ＰＶＤＤＬと第１低電位電源線ＰＶＳＳＬとに接続されており、レベルシフト回路３２０は、第２高電位電源線ＰＶＤＤＨと第２低電位電源線ＰＶＳＳＨとに接続されている。組み合わせ回路３１０には、電源電位として第１高電位と第１低電位とが与えられ、レベルシフト回路３２０には、電源電位として第２高電位と第２低電位とが与えられる。

組み合わせ回路３１０には、第１回路１０から入力信号ＩＮＳが入力される他、イネーブル信号ＥＮが入力される。イネーブル信号ＥＮは、第２高電位電源線ＰＶＤＤＨに電位ＶＤＤＨが与えられているか否かに応じて（すなわち、レベルシフト回路３２０に第２高電位が与えられているか否かに応じて）、論理レベルの切り替え（アクティブ／非アクティブの切り替え）が行われる信号である。本実施形態では、高電位側の電源がオンになって第２高電位がレベルシフト回路３２０に与えられていればイネーブル信号ＥＮはアクティブとなり、同電源がオフであればイネーブル信号ＥＮは非アクティブとなる。本実施形態においてイネーブル信号ＥＮがアクティブであるとは、当該イネーブル信号ＥＮの論理レベルがハイレベル（第１高電位）であることを言い、イネーブル信号ＥＮが非アクティブであるとは、当該イネーブル信号ＥＮの論理レベルがローレベル（第１低電位）であることを言う。

本実施形態の組み合わせ回路３１０は、図１に示すようにインバーター３１０ａと、第１ＮＯＲゲートであるＮＯＲゲート３１０ｂと、第２ＮＯＲゲートであるＮＯＲゲート３１０ｃとを含む。インバーター３１０ａには、イネーブル信号ＥＮが入力される。インバーター３１０ａは、イネーブル信号ＥＮを反転させた信号を出力する。ＮＯＲゲート３１０ｂには、入力信号ＩＮＳとインバーター３１０ａの出力信号とが入力され、両信号の論理和を反転させた信号を出力する。図１に示すように、本実施形態では、ＮＯＲゲート３１０ｂの出力信号が第２信号Ｓ２となる。図２に示すように、イネーブル信号ＥＮがアクティブであれば、信号Ｓ２は入力信号ＩＮＳの論理レベルを反転させた信号となる。これに対して、イネーブル信号ＥＮが非アクティブであれば、図３に示すように、入力信号ＩＮＳがハイレベルであるかローレベルであるかに関わらず、信号Ｓ２はローレベルになる。

ＮＯＲゲート３１０ｃには、第２信号Ｓ２とインバーター３１０ａの出力信号とが入力され、両信号の論理和を反転させた信号を出力する。図１に示すように、本実施形態では、ＮＯＲゲート３１０ｃの出力信号が第１信号Ｓ１となる。図２に示すように、イネーブル信号ＥＮがアクティブであれば、信号Ｓ１は、信号Ｓ２の論理レベルを反転させた信号、すなわち入力信号ＩＮＳと同じ論理レベルの信号となる。これに対して、イネーブル信号ＥＮが非アクティブであれば、図３に示すように、入力信号ＩＮＳがハイレベルであるかローレベルであるかに関わらず、信号Ｓ１はローレベルになる。

つまり、イネーブル信号ＥＮがアクティブであれば、組み合わせ回路３１０は、入力信号ＩＮＳと同じ論理レベルの第１信号Ｓ１と第１信号Ｓ１を反転した第２信号Ｓ２とを出力する。そして、イネーブル信号ＥＮが非アクティブであれば、組み合わせ回路３１０は第１信号Ｓ１および第２信号Ｓ２を共にローレベルにする。

レベルシフト回路３２０は、ハイレベルが第２高電位であり、ローレベルが第２低電位である信号ＯＵＴＳを上記第１信号Ｓ１および第２信号Ｓ２に応じて出力する。図１に示すように、レベルシフト回路３２０は、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０およびＴ３０と、Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ２０およびＴ４０と、を含む。

Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０とＮチャネル電界効果トランジスターＴ２０は、第２高電位電源線ＰＶＤＤＨと第２低電位電源線ＰＶＳＳＨの間に直列に介挿されている。より詳細に説明すると、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０のソースは第２高電位電源線ＰＶＤＤＨに接続されており、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０のドレインはＮチャネル電界効果トランジスターＴ２０のドレインに接続されている。そして、Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ２０のソースは第２低電位電源線ＰＶＳＳＨに接続されている。Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ３０とＮチャネル電界効果トランジスターＴ４０も、第２高電位電源線ＰＶＤＤＨと第２低電位電源線ＰＶＳＳＨの間に直列に介挿されている。より詳細に説明すると、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ３０のソースは第２高電位電源線ＰＶＤＤＨに接続されており、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ３０のドレインはＮチャネル電界効果トランジスターＴ４０のドレインに接続されている。そして、Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ４０のソースは第２低電位電源線ＰＶＳＳＨに接続されている。

Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０のゲートは、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ３０のドレインとＮチャネル電界効果トランジスターＴ４０のドレインの共通接続点に接続されている。Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ３０のゲートは、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０のドレインとＮチャネル電界効果トランジスターＴ２０のドレインの共通接続点に接続されている。Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ２０のゲートには保護回路３３０Ａを介して第１信号Ｓ１が与えられ、Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ４０のゲートには保護回路３３０Ｂを介して第２信号Ｓ２が与えられる。

Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０のドレインとＮチャネル電界効果トランジスターＴ２０のドレインの共通接続点にはインバーターＩＮＶが接続されており、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０のドレインとＮチャネル電界効果トランジスターＴ２０のドレインの共通接続点の電位を反転した電位が信号ＯＵＴＳとして第２回路２０に出力される。

前掲図２に示すように、イネーブル信号ＥＮがアクティブである状況下では、第１信号Ｓ１および第２信号Ｓ２の信号レベルは、入力信号ＩＮＳの信号レベルに応じて変化する。具体的には、入力信号ＩＮＳがハイレベルあれば、第１信号Ｓ１はハイレベルとなり、第２信号Ｓ２はローレベルとなる。第１信号Ｓ１がハイレベルであり、第２信号Ｓ２がローレベルであると、Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ２０はオンとなり、Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ４０はオフとなる。Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ２０がオンであるため、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０のドレインとＮチャネル電界効果トランジスターＴ２０のドレインの共通接続点の電位は第２低電位電源線ＰＶＳＳＨの電位、すなわち、ローレベルとなる。このため、信号ＯＵＴＳ（上記共通接続点の電位をインバーターＩＮＶにより論理反転した電位）はハイレベルとなる。なお、チャネル電界効果トランジスターＴ１０のドレインとＮチャネル電界効果トランジスターＴ２０のドレインの共通接続点の電位がローレベルとなるため、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ３０はオンとなる。このため、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ３０のドレインとＮチャネル電界効果トランジスターＴ４０のドレインの共通接続点の電位は第２高電位電源線ＰＶＤＤＨの電位となり、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０はオフとなる。

これに対して、イネーブル信号ＥＮがアクティブである状況下で入力信号ＩＮＳがローレベルあると、第１信号Ｓ１はローレベルとなり、第２信号Ｓ２はハイレベルとなる。第１信号Ｓ１がローレベルであり、第２信号Ｓ２がハイレベルであると、Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ２０はオフとなり、Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ４０はオンとなる。Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ４０がオンであるため、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ３０のドレインとＮチャネル電界効果トランジスターＴ４０のドレインの共通接続点の電位は第２低電位電源線ＰＶＳＳＨの電位となり、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０がオンとなる。Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０がオンであり、Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ２０がオフであるため、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ１０のドレインとＮチャネル電界効果トランジスターＴ２０のドレインの共通接続点の電位は第２高電位電源線ＰＶＤＤＨの電位、すなわち、ハイレベルとなり、信号ＯＵＴＳはローレベルとなる。このとき、Ｐチャネル電界効果トランジスターＴ３０はオフとなる。

このように、イネーブル信号ＥＮがアクティブである状況下では、第１回路１０から出力された入力信号ＩＮＳはレベルシフト回路３２０によって、ハイレベルが電位ＶＤＤＨであり、ローレベルが電位ＶＳＳＨである信号ＯＵＴＳに変換されて第２回路２０へ出力される。

保護回路３３０Ａと保護回路３３０Ｂは共にＥＳＤ対策のための回路である。図１に示すように、第１保護回路である保護回路３３０Ａの構成と第２保護回路である保護回路３３０Ｂの構成は同じである。以下では、保護回路３３０Ａと保護回路３３０Ｂを区別する必要がない場合には、「保護回路３３０」と表記する。図１に示すように、保護回路３３０は、第１保護素子であるダイオード３３０ａと第２保護素子であるダイオード３３０ｂと、抵抗３３０ｃとを有する。図１に示すように、ダイオード３３０ａとダイオード３３０ｂは、第２高電位電源線ＶＤＤＨと第２低電位電源線ＶＳＳＨの間に直列に介挿されている。より詳細に説明すると、ダイオード３３０ａの第１端子（カソード）は第２高電位電源線ＰＶＤＤＨに、ダイオード３３０ａの第２端子（アノード）はダイオード３３０ｂの第１端子（カソード）に、ダイオード３３０ｂの第２端子（アノード）は第２低電位電源線ＰＶＳＳＨに、夫々接続されている。つまり、ダイオード３３０ａの第１端子には高電源電位として第２高電位が供給され、ダイオード３３０ｂの第２端子には低電源電位として第２低電位が供給される。

保護回路３３０におけるダイオード３３０ａの第２端子とダイオード３３０ｂの第１端子の共通接続点は、保護回路３３０における信号の出力端となっている。保護回路３３０Ａの出力端はＮチャネル電界効果トランジスターＴ４０のゲートに接続されており、保護回路３３０Ｂの出力端はＮチャネル電界効果トランジスターＴ２０のゲートに接続されている。抵抗３３０ｃは上記出力端と組み合わせ回路３１０からの信号入力端とに接続されている。より詳細に説明すると、保護回路３３０Ａの抵抗３３０ｃは当該保護回路３３０Ａの出力端とＮＯＲゲート３１０ｃの出力端に接続されており、第１保護回路３３０Ｂの抵抗３３０ｃは第１保護回路３３０の出力端とＮＯＲゲート３１０ｃの出力端に接続されている。

ダイオード３３０ａとダイオード３３０ｂでは、各々における第２端子の電位が第１端子の電位よりも高い場合に、第２端子から第１端子へ一方向に電流が流れる。ダイオード３３０ａは、低電位側（ＶＤＤＬ側）でＥＳＤが発生し、第１信号Ｓ１或いは第２信号Ｓ２に正の高電圧パルスが重畳して第２端子の電位が第１端子の電位よりも高くなったときに、その高電圧パルスに応じた電流を第２高電位電源線ＶＤＤＨへ流す。これにより、Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ２０或いはＴ４０のゲートの破損が防止される。ダイオード３３０ｂは、低電位側（ＶＤＤＬ側）でＥＳＤが発生し、第１信号Ｓ１或いは第２信号Ｓ２に負の高電圧パルスが重畳して第２端子の電位が第１端子の電位よりも高くなったときに、その高電圧パルスに応じた電流を第２低電位電源線ＶＳＳＨから引き抜きぬいて第１低電位電源線ＰＶＳＳＬに流す。これにより、Ｎチャネル電界効果トランジスターＴ２０或いはＴ４０のゲートの破損が防止される。
以上がレベルシフター３０の構成である。

本実施形態のレベルシフター３０では、保護回路３３０よりも低電圧側には、特許文献１におけるスイッチ２８０或いは２９０のような能動素子は設けられていない。このため、低電圧側でのＥＳＤの発生により破損することはない。また、本実施形態では、第２高電位電源線ＰＶＤＤＨに電位ＶＤＤＨが与えられていない状況下ではイネーブル信号ＥＮは非アクティブとされ、組み合わせ回路３１０から出力される第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２は共にローレベル（第１低電位）となる。前述したように、本実施形態では第１低電位と第２低電位とは同じ電位である。このため、ＥＳＤが発生していない状況下では、保護回路３３０Ａと保護回路３３０Ｂの何れにおいてもダイオード３３０ａの第２端子の電位が第１端子の電位よりも高くなることはなく、ダイオード３３０ａ経由でリーク電流が流れることはない。同様に、ダイオード３３０ｂの第２端子の電位が第１端子の電位よりも高くなることはなく、ダイオード３３０ｂ経由でリーク電流が流れることもない。

以上説明したように本実施形態によれば、電源電圧の異なる第１回路１０および第２回路２０間の信号伝送を仲介するレベルシフト回路３２０にＥＳＤ対策のために設けられる保護回路３３０Ａおよび保護回路３３０Ｂを介してリーク電流が流れることを回避しつつ、高電位側の回路（第２回路２０）を間欠的に動作させることが可能になる。

＜変形例＞
以上本発明の一実施形態について説明したが、以下の変形を加えても勿論良い。
上記実施形態では、第１低電位電源線ＰＶＳＳＬと第２低電位電源線ＰＶＳＳＨとが夫々別個の電源線であったが、第１低電位（電位ＶＳＳＬ）と第２低電位（電位ＶＳＳＨ）が同じ電位であれば、第１低電位電源線ＰＶＳＳＬと第２低電位電源線ＰＶＳＳＨとを共通の電源線としても良い。また、第１低電位の第２低電位とが同じ電位である必要はなく、両者が異なっていても良い。第１低電位と第２低電位とが異なる場合、高電位側の回路（第２回路２０）を間欠的に動作させる際に第１保護素子３３０ａ或いは第２保護素子３３０ｂを介して流れるリーク電流を低減させるために、第１低電位と第２低電位の電位差の絶対値が、第１保護素子３３０ａの順方向電圧よりも小さく、かつ第２保護素子３３０ｂの順方向電圧よりも小さいことが好ましい。保護素子の順方向電圧とは、保護素子の第２端子および第１端子間の電圧であって、第２端子から第１端子へ流れる電流が急激に増加する電圧のことを言う。例えば、第１保護素子の順方向電圧と第２保護素子の順方向電圧が共にＶｔｈである場合には、以下の式（１）を満たすことが好ましい。
｜ＶＳＳＨ−ＶＳＳＬ｜＜ｖｔｈ

第２信号Ｓ２を入力信号ＩＮＳと同じ論理レベルとし、第１信号Ｓ１を入力信号ＩＮＳの論理レベルを反転した信号としても良い。具体的には、ＮＯＲゲート３１０Ｂの出力信号を第１信号Ｓ１とし、ＮＯＲゲート３３０ｃの出力信号を第２信号Ｓ２とすれば良い。また、組み合わせ回路３１０の構成は図１に示す構成に限定されない。要は、第１回路１０から入力信号ＩＮＳを入力し、第１信号Ｓ１と第２信号のうちの一方を当該入力信号ＩＮＳと同じ論理レベルとし、他方を反転した論理レベルとする回路であれば、他の構成の回路を用いても良い。レベルシフト回路３２０についても同様に、ハイレベルが第２高電位であり、ローレベルが第２低電位である信号ＯＵＴＳを第１信号Ｓ１と第１信号Ｓ１を論理反転した第２信号Ｓ２に応じて出力する回路であれば、他の構成の回路を用いても良い。具体的には、特許文献１におけるレベルシフト回路２５０を用いることが考えられる。

上記実施形態では、第１保護素子としてダイオード３３０ａを用い、第２保護素子としてダイオード３３０ｂを用いたが、ダイオード接続された電界効果トランジスターを用いても良い。

＜応用例＞
次に、上記実施形態のレベルシフター３０の応用例について説明する。図４は、上記レベルシフター３０を適用したモバイル型のパーソナルコンピューター２０００の構成例を示す図である。パーソナルコンピューター２０００は、表示ユニット１０００と本体部２０１０を備える。本体部２０１０には、電源スイッチ２００１及びキーボード２００２が設けられている。パーソナルコンピューター２０００では、表示ユニット１０００に表示させる画像を表す画像データを処理する画像処理回路（デジタル回路）と表示ユニット１０００を駆動する駆動回路（アナログ回路）との間の信号伝送を仲介するためにレベルシフター３０が用いられている。また、パーソナルコンピューター２０００がＷＩ−ＦＩなどの無線通信機能を備えている場合には、無線通信を実現する無線通信部におけるベースバンド処理回路（デジタル回路）と無線電波の送受信を行う送受信回路（アナログ回路）間の信号伝送にもレベルシフター３０が用いられている。

図５は、レベルシフター３０を適用した携帯電話機３０００の構成例を示す図である。携帯電話機３０００は、複数の操作ボタン３００１及びスクロールボタン３００２、並びに表示ユニット１０００を備える。スクロールボタン３００２を操作することによって、表示ユニット１０００に表示される画面がスクロールされる。携帯電話機３０００においても、表示ユニット１０００に表示させる画像を表す画像データを処理する画像処理回路と表示ユニット１０００を駆動する駆動回路との間の信号伝送を仲介するためにレベルシフター３０が用いられている。また、携帯電話機３０００において無線通信を実現する無線通信部におけるベースバンド処理回路と無線電波の送受信を行う送受信回路間の信号伝送にもレベルシフター３０が用いられている。

図６は、上記レベルシフター３０を適用した情報携帯端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants）４０００の構成例を示す図である。情報携帯端末４０００は、複数の操作ボタン４００１及び電源スイッチ４００２、並びに表示ユニット１０００を備える。電源スイッチ４００２を操作すると、住所録やスケジュール帳といった各種の情報が表示ユニット１０００に表示される。情報携帯端末４０００においても、表示ユニット１０００に表示させる画像を表す画像データを処理する画像処理回路と表示ユニット１０００を駆動する駆動回路との間の信号伝送を仲介するためにレベルシフター３０が用いられている。

レベルシフター３０が適用される電子機器としては、図４〜図６に示すものの他、デジタルスチルカメラ、液晶テレビ、ビューファインダー型、モニター直視型のビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電卓、ワープロ、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器等などが挙げられる。なお、レベルシフター３０により信号伝送を仲介される２つの回路の組み合わせはデジタル回路とアナログ回路の組み合わせに限定される訳ではなく、要は電源電圧が異なる回路であれば良い。

１０…第１回路、２０…第２回路、３０…レベルシフター、３１０…組み合わせ回路、３１０ａ…インバーター、３１０ｂ…ＮＯＲゲート、３１０ｃ…ＮＯＲゲート、３２０…レベルシフト回路、Ｔ１０，Ｔ３０…Ｐチャネル電界効果トランジスター、Ｔ２０，Ｔ４０…Ｎチャネル電界効果トランジスター、ＩＮＶ…インバーター、３３０，３３０Ａ，３３０Ｂ…保護回路、３３０ａ…ダイオード、３３０ｂ…ダイオード、３３０ｃ…抵抗、２０００…パーソナルコンピューター、３０００…携帯電話機、４０００…情報携帯端末。

Claims

ハイレベルが第１高電位でありローレベルが第１低電位である入力信号を第１回路から入力し、前記入力信号をレベルシフトしてハイレベルが第２高電位でありローレベルが第２低電位である出力信号を第２回路へ出力するレベルシフターであって、
電源電位として前記第１高電位と前記第１低電位とが与えられ、第１信号と第２信号とを出力する組み合わせ回路と、
電源電位として前記第２高電位と前記第２低電位とが与えられ、前記第１信号および前記第２信号に応じて前記出力信号を生成するレベルシフト回路と、を備え、
前記第２高電位は前記第１高電位よりも高く、
前記組み合わせ回路には、前記第２高電位が前記レベルシフト回路に与えられたことによって論理レベルがアクティブとなり、前記第２高電位が前記レベルシフト回路に与えられなかったことによって論理レベルが非アクティブとなるように切り替えるイネーブル信号が与えられ、
前記組み合わせ回路は、前記イネーブル信号が非アクティブであれば前記第１信号および前記第２信号を共にローレベルとし、前記イネーブル信号がアクティブであれば前記第１信号および前記第２信号の一方をハイレベルとし、他方をローレベルとする
ことを特徴とするレベルシフター。
前記組み合わせ回路は、
前記イネーブル信号がアクティブの場合に、前記入力信号の論理レベルと同じ論理レベルとなる第１信号を出力し、前記イネーブル信号が非アクティブの場合に論理レベルがローレベルとなる第１信号を出力し、
前記イネーブル信号がアクティブの場合に、前記入力信号の論理レベルを反転した論理レベルとなる第２信号を出力し、前記イネーブル信号が非アクティブの場合に論理レベルがローレベルとなる第２信号を出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレベルシフター。
前記イネーブル信号は、アクティブである場合にハイレベルとなり、
前記組み合わせ回路は、
前記イネーブル信号が入力されるインバーターと、
前記入力信号と前記インバーターの出力信号とが入力され、前記第２信号を出力する第１ＮＯＲゲートと、
前記第１ＮＯＲゲートの出力信号と前記インバーターの出力信号とが入力され、前記第１信号を出力する第２ＮＯＲゲートと、
を有することを特徴とする請求項２に記載のレベルシフター。
前記組み合わせ回路における前記第１信号の出力端と前記レベルシフト回路における前記第１信号の入力端とに接続される第１保護回路と、
前記組み合わせ回路における前記第２信号の出力端と前記レベルシフト回路における前記第２信号の入力端とに接続される第２保護回路と、
を備え、
前記第１保護回路および前記第２保護回路の各々は、
前記組み合わせ回路から出力される信号の入力端と前記レベルシフト回路へ出力する信号の出力端とに接続される抵抗と、
前記第２高電位が高電源電位として供給される第１端子と前記レベルシフト回路へ出力する信号の出力端に接続される第２端子とを備え、前記第２端子の電位が前記第１端子の電位よりも高い場合に、前記第２端子から前記第１端子へ一方向に電流を流す第１保護素子と、
前記レベルシフト回路へ出力する信号の出力端に接続される第１端子と前記第２低電位が低電源電位として供給される第２端子とを備え、前記第２端子の電位が前記第１端子の電位よりも高い場合に、前記第２端子から前記第１端子へ一方向に電流を流す第２保護素子と、を含み、
前記第１低電位と前記第２低電位の電位差の絶対値が、前記第１保護素子の順方向電圧よりも小さく、かつ前記第２保護素子の順方向電圧よりも小さい
ことを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項に記載のレベルシフター。
前記第１低電位と前記第２低電位とが同じ電位であることを特徴とする請求項１乃至４のうち何れか１項に記載のレベルシフター。
請求項１乃至５のうち何れか１項に記載のレベルシフターを含むことを特徴とする電子機器。