JP6970644B2 - 半導体装置およびセンサシステム - Google Patents
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Description
《センサシステムの概略》
図1は、本発明の実施の形態1によるセンサシステムの構成例を示す概略図である。図1に示すセンサシステムは、例えば、車載用のセンサシステムであり、センサエレメント101と、半導体装置102と、ECU107とを備える。センサエレメント101は、物理量に応じて電気的特性が変化する素子であり、検出対象の変化に応じた電気信号を出力する。センサエレメント101は、例えば、エンジンが吸入する空気量を測定する素子であるエアフローセンサ等であるが、特に、これに限定されない。すなわち、センサエレメント101は、空気流量、温度、湿度、圧力等の物理量を電気信号に変換して出力する。
ここで、実施の形態1による半導体装置(具体的には出力回路)の説明に先立ち、比較例となる出力回路について説明する。図11は、本発明の比較例となる半導体装置において、出力回路の主要部の概略構成例を示す回路図である。図11に示す出力回路106’は、図1の出力回路106に対応し、入力端子207n,207pと、制御入力端子209と、出力端子208と、出力アンプ1101と、出力トランジスタ1102と、容量素子1103と、スイッチ用トランジスタ1104とを備える。
式(1)に示されるように、入力端子207nに結合した誘導ノイズの最大値が、“Vdd+Vf”よりも高くなった場合に、出力信号Voutの誤差が生じる。出力信号Voutの誤差が生じるということは、出力回路106’が誤動作していることと等価である。特に、図1に示したような車載用の半導体装置102は、自動車の状態監視や制御など、重要な機能を担うものであり、ノイズによって誤動作しないように民生用と比較して高いノイズ耐性(言い換えれば信頼性)が要求される。そこで、以下に示す実施の形態1の出力回路を用いることが有益となる。
図2は、本発明の実施の形態1による半導体装置において、出力回路の主要部の概略構成例を示す回路図である。図2に示す出力回路106aは、図1の出力回路106に対応し、入力端子207n,207pと、制御入力端子209と、出力端子208と、出力アンプ201と、フィードバック素子203と、スイッチ用トランジスタ204と、抵抗素子206とを備える。この例では、スイッチ用トランジスタ204は、pMOSトランジスタである。
図3は、図2の出力回路において、スイッチ用トランジスタ周りの模式的な構造例を示す断面図である。図3において、例えば、p型の半導体基板(シリコン基板)SBの主面側には、n型ウエルNWが形成される。n型ウエルNW内には、スイッチ用トランジスタ204のソースとなるp+型の拡散層DFsと、スイッチ用トランジスタ204のドレインとなるp+型の拡散層DFdとが形成される。2個の拡散層DFs,DFdの間の領域の上部には、ゲート絶縁膜を挟んで、例えばポリシリコンやシリサイド等を材料とするゲート電極GEが形成される。ここで、図2の寄生ダイオード205は、p+型の拡散層DFdとn型ウエルNWとのpn接合によって生じる。
以上、実施の形態1の半導体装置およびセンサシステムを用いることで、代表的には、ノイズ耐性の向上が実現可能になる。具体的には、半導体装置102内の出力回路106の出力信号Voutに誘導ノイズが重畳する場合であっても、出力信号Voutの誤差を抑制可能になる。言い換えれば、出力回路106の誤動作を防止できる。その結果、特に、誘導ノイズが重畳し易い車載用の半導体装置102およびセンサシステムにおいて信頼性の向上等が図れる。
《出力回路(実施の形態2)の構成》
図4は、本発明の実施の形態2による半導体装置において、出力回路の主要部の概略構成例を示す回路図である。図4に示す出力回路106bは、入力端子207n,207pと、制御入力端子209と、出力端子208と、出力アンプ401と、フィードバック素子403と、スイッチ用トランジスタ404と、抵抗素子406とを備える。この例では、スイッチ用トランジスタ404は、nMOSトランジスタである。
以上、実施の形態3の半導体装置およびセンサシステムを用いることでも、実施の形態1で述べた各種効果と同様の効果が得られる。
《出力回路(実施の形態3)の構成》
図5は、本発明の実施の形態3による半導体装置において、出力回路の主要部の概略構成例を示す回路図である。図5に示す出力回路106cは、図2の構成例と比較して、第2の回路(例えば抵抗素子206)が設けられない。その代わりに、スイッチ用トランジスタ204のバックゲートは、出力アンプ(第1の回路)201の高電位側の電源(第1の電源)Vddよりも高い電位を有する電源(第2の電源)Vdc1に接続される。
具体例として、電源Vddは3.3V等であり、電源Vdc1は5.0V等である。例えば、図1の電源回路103が、5.0Vの外部電源を受けて3.3Vの内部電源を生成するような場合、電源Vdc1を生成するための新たな回路は不要となる。なお、5.0Vの外部電源は、例えば、別途設けられる電源レギュレータがバッテリ電源を降圧することで生成される。また、制御信号Vctlは、電源Vdc1の電圧レベルと電源Vssの電圧レベルとの間で推移することが望ましい。このため、例えば、図1のプロセッサ105と出力回路106の間に、電源Vddの電圧レベルを電源Vdc1の電圧レベルにシフトするレベルシフト回路を設けてもよい。
以上、実施の形態3の半導体装置およびセンサシステムを用いることでも、実施の形態1で述べた各種効果と同様の効果が得られる。また、図2の場合のような第2の回路(抵抗素子206)が不要となるため、電源Vdc1を新たに生成する必要が無い場合には、回路面積の低減が図れる。ただし、入力端子207nに結合する誘導ノイズの振幅が大きくなるほど電源Vdc1の電位を高くする必要があり、電位を高くすると耐圧設計等に影響を及ぼす恐れがある。したがって、例えば、誘導ノイズの振幅が大きいような場合には、図2の構成例の方が望ましい。
《出力回路(実施の形態4)の構成》
図6は、本発明の実施の形態4による半導体装置において、出力回路の主要部の概略構成例を示す回路図である。図6に示す出力回路106dは、図5の場合と同様に、図4の構成例と比較して、第2の回路(例えば抵抗素子406)が設けられない。その代わりに、スイッチ用トランジスタ404のバックゲートは、出力アンプ(第1の回路)401の低電位側の電源(第1の電源)Vssよりも低い電位を有する電源(第2の電源)Vdc2に接続される。
《実施の形態4の主要な効果》
以上、実施の形態4の半導体装置およびセンサシステムを用いることで、実施の形態3で述べた各種効果と同様の効果が得られる。
《出力回路(実施の形態5)の詳細》
図7は、本発明の実施の形態5による半導体装置において、出力回路の主要部の詳細な構成例を示す回路図である。図7には、図2の出力回路106aに対応する詳細な構成例が示される。図7に示す出力回路は、図2の出力アンプ201に対応する差動増幅回路と、その後段に設けられる出力トランジスタ704と、スイッチ用トランジスタ707a,707bと、容量素子705,706と、抵抗素子709とを備える。出力トランジスタ704は、nMOSトランジスタで構成され、出力信号Voutを出力する。
《出力回路(実施の形態6)の詳細》
図8は、本発明の実施の形態6による半導体装置において、出力回路の主要部の詳細な構成例を示す回路図である。図8には、図5の出力回路106cに対応する詳細な構成例が示される。図8に示す出力回路は、図7の構成例と比較して、抵抗素子709を有しない点と、スイッチ用トランジスタ707a,707bのバックゲートが共に電源Vdc1に接続される点とが異なっている。
《出力回路(実施の形態7)の構成》
図9は、本発明の実施の形態7による半導体装置において、出力回路の主要部の概略構成例を示す回路図である。図9に示す出力回路は、オペアンプ901と、出力トランジスタ902と、抵抗素子903,904,909,912と、容量素子905,906,907と、スイッチ908,913,915と、スイッチ用トランジスタ911a,911bと、定電圧源916とを備える。スイッチ用トランジスタ911a,911bは、それぞれ、寄生ダイオード910a,910bを有する。抵抗素子909は、第2の回路であり、スイッチ用トランジスタ911a,911bのバックゲートに対して共通に設けられる。
《出力回路(実施の形態8)の構成》
図10は、本発明の実施の形態8による半導体装置において、出力回路の主要部の概略構成例を示す回路図である。図10に示す出力回路106eは、図2の構成例と比較して、第2の回路が抵抗素子206の代わりにダイオード1001で構成される点が異なっている。ダイオード1001は、電源Vdd側をアノード、スイッチ用トランジスタ204のバックゲート側をカソードとして設けられる。具体的には、例えば、図3の拡散層DFbをp型で構成し、当該拡散層DFbをコンタクト層CTを介してメタル配線層MLに接続したような構造となる。
102 半導体装置
106,106a〜106e 出力回路
201 出力アンプ
203,403 フィードバック素子
204,404,707a,707b,911a,911b スイッチ用トランジスタ
205,405,708a,708b,910a,910b 寄生ダイオード
206,406,709,909 抵抗素子
207n,207p 入力端子
208 出力端子
706 容量素子
1001 ダイオード
DF 拡散層
GE ゲート電極
RL 抵抗層
Vctl 制御信号
Vdd,Vss,Vdc1,Vdc2 電源
Vinn,Vinp 入力信号
Claims (10)
- 入力端子および出力端子と、
前記入力端子を前記出力端子に接続する第1の回路と、
前記出力端子を前記入力端子に帰還するフィードバック経路と、
ゲートと、バックゲートと、電源に接続されるソースと、前記入力端子に接続されるドレインとを備えるトランジスタと、
前記バックゲートと前記電源との間に設けられ、前記入力端子に生じる所定の周波数のノイズによって前記ドレインと前記バックゲートとの間に形成される寄生ダイオードがオンとなるのを抑制するために必要な所定の値以上のインピーダンスを備える第2の回路と、
を有し、
前記入力端子は、第1の入力端子と、前記第1の入力端子と差動対を構成する第2の入力端子と、を有し、
前記トランジスタは、前記第1の入力端子に対応する第1のトランジスタと、前記第2の入力端子に対応する第2のトランジスタと、を有し、
前記第2の回路は、前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタの前記バックゲートに対して共通に設けられる、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第2の回路は、抵抗素子である、
半導体装置。 - 請求項2記載の半導体装置において、
前記抵抗素子の抵抗値は、10kΩ以上である、
半導体装置。 - 請求項2記載の半導体装置において、
前記抵抗素子は、前記トランジスタのゲート電極と同じ材料で形成される、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記トランジスタは、pチャネル型MOSトランジスタであり、
前記トランジスタの前記バックゲートは、前記第2の回路を介して前記第1の回路の高電位側の電源に接続される、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記トランジスタは、nチャネル型MOSトランジスタであり、
前記トランジスタの前記バックゲートは、前記第2の回路を介して前記第1の回路の低電位側の電源に接続される、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記トランジスタの前記ゲートには、前記第1の回路の動作時とスタンバイ時とで異なるレベルの制御信号が入力される、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記フィードバック経路には、容量素子が設けられる、
半導体装置。 - 検出対象の変化に応じた電気信号を出力するセンサエレメントと、
前記電気信号を処理し、当該処理結果を出力回路を介してアナログ信号で出力する半導体装置と、
を有するセンサシステムであって、
前記出力回路は、
入力端子と、
前記アナログ信号が出力される出力端子と、
前記入力端子を前記出力端子に接続する第1の回路と、
前記出力端子を前記入力端子に帰還するフィードバック経路と、
ゲートと、バックゲートと、電源に接続されるソースと、前記入力端子に接続されるドレインとを備えるトランジスタと、
前記バックゲートと電源との間に設けられ、前記入力端子に生じる所定の周波数のノイズによって前記ドレインと前記バックゲートとの間に形成される寄生ダイオードがオンとなるのを抑制するために必要な所定の値以上のインピーダンスを備える第2の回路と、
を有し、
前記入力端子は、第1の入力端子と、前記第1の入力端子と差動対を構成する第2の入力端子と、を有し、
前記トランジスタは、前記第1の入力端子に対応する第1のトランジスタと、前記第2の入力端子に対応する第2のトランジスタと、を有し、
前記第2の回路は、前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタの前記バックゲートに対して共通に設けられる、
センサシステム。 - 請求項9記載のセンサシステムにおいて、
前記第2の回路は、抵抗素子である、
センサシステム。
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