JPH09148869A - クランプ回路及び非接触型情報カード - Google Patents
クランプ回路及び非接触型情報カードInfo
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- H01L27/0623—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region comprising components of the field-effect type in combination with bipolar transistors
Abstract
発生されなくなるおそれがあつた。 【解決手段】異なる素子群からなる複数のクランプ回路
段を従属接続することによりクランプ回路を構成する。
これにより周辺回路からの影響を、その影響を受け難い
クランプ回路段で吸収でき、クランプ回路の両端に必要
なクランプ電圧を発生させることができる。かくして整
流・検波回路や他の周辺回路からの干渉を受けずに所望
の電圧を得ることが可能となる。従つてこのクランプ回
路を過電圧保護回路に用いる情報カードは、確実に整流
・検波回路の出力電圧のピーク値を制限しつつ、ようや
く電力供給がなされるような距離においても損失なしで
電力を受取り、最大限の通信到達距離を得ることが可能
となる。
Description
等、非接触型カードシステムで使用される情報カードに
関するものである。
おいては、利用者が自動改札機に挿入する定期券の情報
を磁気ヘツドで接触的に読み取る方法が採用されてい
る。このため利用者は、改札を通るたびに定期券をケー
ス等から取り出して自動改札機に挿入する必要があり面
倒であつた。そこで本願出願人は、このような手間のな
い使い勝手に優れた非接触型のカードシステムを先に提
案している。
接触で情報をやり取り(データ通信等)できるので、こ
れを上述のような自動改札システムに適用した場合、利
用者は定期券をケースに収納したままの状態で自動改札
機を出入りすることが可能となり便利である。参考まで
に先に提案した非接触型カードシステムを図6に示す。
ここで非接触カードシステム1は上述の自動改札機に相
当するリーダ/ライタ2と上述の定期券に相当するIC
カード3とによつて構成され、電磁波を媒体として電力
を供給すると共にデータ等を読み書きするようになされ
ている。
に形成されたループアンテナ9より電磁波を放出するこ
とにより情報カード3に非接触で電力を供給し、またデ
ータを書き込む。またリーダ/ライタ2はプリント基板
8上に形成されたループアンテナ9によつて情報カード
3から到来する反射波を受信し、情報カードの情報を読
み出すようになされている。因に送信データ及び受信デ
ータはそれぞれデイジタル信号処理部6及びホストコン
ピユータ7において処理される。なお本願出願人は、情
報カード3が必要とする全機能を1つのCMOS(Comp
lementary MOS)チツプICにて実現する手法も併せて
提案している。
カード3の別の構成例を示す。この図7に示すICカー
ド3Aは、図6に示すICカード3のうち整流・検波用
のダイオードD2に代えてベースとエミツタとを接続し
たトランジスタTr(0)を用いるものであり、そのコ
レクタは接地されている。そのベースとエミツタとの接
続点はループアンテナ10とコンデンサC3との接続点
Dに接続されている。なお接続点Dにはループアンテナ
10とコンデンサC3とによつて構成される共振回路の
共振周波数を変化させるためコンデンサC4の一端が接
続されており、その他端にはFET11のドレインが接
続されている。FET11のソースは接地されており
(Pサブストレートに接続されており)、そのゲートは
図6における場合と同様にデイジタル信号処理部15に
接続されている。
R2及びトランジスタ群16A)は、図6に示す過電圧
保護回路12(抵抗R2、ダイオード群12A、12
B)に代えて整流・検波用のトランジスタTr(0)の
後段に設けられており、抵抗R2の一端はループアンテ
ナ10とコンデンサC3との接続点C又はDのうち点D
(I)に接続されている。また抵抗R2の他端はトラン
ジスタ群16Aを構成する最前段のトランジスタ(PN
Pトランジスタ)のエミツタに接続されており、その最
終段のトランジスタ(PNPトランジスタ)のベースは
接地されている。
ランジスタのエミツタとベースとの間では、例えば 0.7
〔V〕の電圧降下を生じるようになされており、トラン
ジスタ群16Aは、例えば5個のトランジスタ(PNP
トランジスタ)で構成されている。従つて抵抗R2及び
トランジスタ群16Aで構成される過電圧保護回路16
は図6における過電圧保護回路12と同様に、ループア
ンテナ10及びコンデンサC3の接続点CとDの間の電
位差を制限するようになされている。
例えば図6に示したリーダ/ライタ2から電磁波が放射
されると、ループアンテナ10において、その電磁波
(磁束)のうちそこに鎖交する磁束の変化(磁界の変
化)に応じて起電力を生じる。そしてこのようにして発
生した電圧のうちループアンテナ10及びコンデンサC
3で構成される共振周波数を中心とする所定の周波数帯
のものは、効率良く、後段のブロツクに通過される。
ンサC3で構成される並列共振回路を通過した信号は、
トランジスタTr(0)を介することにより大きなロス
を生じることなく整流され、さらに平滑用のコンデンサ
C5を介することによりリツプルが除去される。このリ
ツプルの除去された信号は、定電圧レギユレータ13に
供給され、そこで安定化されることにより所定の一定電
圧VDDとされる。なおこの電圧VDDが電源として、デイ
ジタル信号処理部15に供給される。
15に電源が供給され、その動作が可能な状態となつた
後、ループアンテナ10及びコンデンサC3で構成され
る並列共振回路を通過した信号はトランジスタTr
(0)を介することにより検波され、コンデンサC7及
びアンプ14を介してデイジタル信号部15に出力され
る。以下、デイジタル信号処理部15では、検波された
コマンドの内容が解釈され、それに基づいて所定の処理
が行なわれるようになされている。
場合には、前述した場合と同様に、不揮発生メモリ15
Aから読み出されたデータに対応する電圧がFET11
のゲートに印加され、FET11がオン/オフ制御され
る。例えばFET11がオンにされたときには、コンデ
ンサC4のFET11に接続されている方の一端は、交
流的に短絡されているFET11、サブストレート、点
F、コンデンサC5、点E及びIを介して、コンデンサ
C3の一端である点Cに接続されているのと等価にな
る。従つて、ループアンテナ10及びコンデンサC3で
なる共振回路の共振周波数はFET11がオンしている
ときとオフしているときで変化する。
極端に近づけられ、これにより大きな電流がループアン
テナ10及びコンデンサC3でなる共振回路から出力さ
れた場合、すなわち点IとJとの間に保護電圧以上の電
圧が印加された場合、トランジスタ群16Aを構成する
各トランジスタのエミツタからベースに電流が流れ(こ
れに伴い、そのエミツタからコレクタにも電流が流れ
る)、ループアンテナ10及びコイルC3でなる共振回
路から出力された場合、そのうちの一部の電流がバイパ
ス電流として、抵抗R2及びトランジスタ群16Aに流
れ、共振回路の出力電圧のピーク値を制限するようにな
されている。
情報カードの場合、そのフロントエンドを構成する過電
圧保護回路16は、図8に示すように抵抗素子R2とク
ランプ回路(トランジスタ群16A)からなつている
が、この部分のクランプ電圧が次の2つの理由により引
き下げられ、通信可能距離を短くしてしまうという問題
があつた。
路を構成するトランジスタ群16Aがいわゆるダーリン
トン接続されているので各トランジスタのベース電流は
図9に示すように積み上げの段数に対して指数関数的に
減少する。従つてトランジスタ群16Aにおいて、多数
のトランジスタを積み上げた場合、グランド側のトラン
ジスタのベース電流は極めて小さくなる。
ベース電流IB(k)、エミツタ電流IE(k)、電流増幅率h
feの間に、次式
流れるベース電流IB(M)は、次式に示すようにほとんど
0になることから分かる。
ミツタ間の電圧降下が指数関数の関係になつているた
め、ベース電流が極度に小さくなつた場合は、エミツタ
とベース間の電圧降下をほとんど得ることができない。
その結果、トランジスタ群16Aにおいて、多数のトラ
ンジスタを積み上げた場合、グランド側に近いトランジ
スタのエミツタとベース間の電圧降下は極めて小さくな
つてしまい、トランジスタ群16Aとして所望の電圧降
下を得ることが困難となつてしまう。
図7に示した情報カードのフロントエンド部分のICチ
ツプ上での断面構造を示し、図11にその等価回路を示
して説明する。この図において、Tr(0)が図7に示
す整流・検波用トランジスタに相当し、Tr(1)〜
(N)がクランプ回路を構成するトランジスタ群16A
に相当する。
r(0)のコレクタとベースのPN接合とトランジスタ
群16Aの各トランジスタのベースとが寄生NPNトラ
ンジスタを形成することが分かる。次に、この寄生トラ
ンジスタが、整流・検波回路が動作する時にどのような
作用を及ぼすかを説明する。
当然のことながら、トランジスタTr(0)のコレクタ
とベース間のPN接合面に電流が流れる。このとき寄生
トランジスタにはベース電流が流れることになるので、
寄生NPNトランジスタがオンし、コレクタとエミツタ
間が導通状態となる。ところが寄生NPNトランジスタ
のコレクタは、同時に、トランジスタ群16Aの各トラ
ンジスタ同士の接続点でもあるので、接続点の電圧がC
Mレベルまで引き下げられたことになる。
16Aのクランプ電圧は、整流・検波回路(すなわち整
流・検波用トランジスタTr(0)の干渉を受け、強制
的にCMレベルまで引き下げられることになる。これら
の理由により、トランジスタ群16Aの電圧降下が所望
の電圧より引き下げられてしまうが、その場合、点Iと
Jとの間が保護電圧以下の電圧が印加されている場合で
も電流が流れることになり、受信電力のロスが生じる。
その結果、通信到達距離が短くなるという問題があつ
た。
護回路用のクランプ電圧を得る方法としては、MOSト
ランジスタをダイオード上に接続して従属接続する方法
が考えられるが、クランプ時の過大電流を全て吸収する
のは、レイアウト的に常識的なサイズのMOSでは困難
であるし、プロセスのバラ付きによるVthの変動も受け
易いという問題もある。
で、周辺回路から影響を受け難いクランプ回路を内蔵す
る非接触型情報カードを提案しようとするものである。
め本発明においては、異なる素子群からなる複数のクラ
ンプ回路段を従属接続することによりクランプ回路を構
成する。本クランプ回路の両端には各クランプ回路段の
特性を補い合つたクランプ電圧が発生させるため、整流
・検波回路や他の周辺回路からの干渉を受ない所望の電
圧を得ることが可能となる。
施例を詳述する。
路のトランジスタ群ののうちグランド側からいくつかを
ダイオード接続されたMOSトランジスタに置き換え、
MOSトランジスタとバイポーラトランジスタの混在型
構成にする。ただし余り沢山のトランジスタをMOSト
ランジスタのダイオード接続したものに置き換えると、
プロセスのバラ付き依存性が増えるので、特に整流回路
から干渉を受けやすいグランド側トランジスタ数個分の
みに限定する。
Cレイアウト上で構成する際、第2段目のトランジスタ
Tr(2)は第1段目のトランジスタTr(1)の内側
に、第3段目のトランジスタTr(3)は第2段目のト
ランジスタTr(2)の内側にというような入れ子構成
を第M段目のトランジスタTr(M)が最も内側になる
まで繰り返し、整流・検波回路や他の周辺回路の干渉を
受けやすいトランジスタを保護する構造を採用する。
する。図1に今回提案するクランプ回路24を用いた情
報カード23の一実施例を示す。なお図2は本クランプ
回路24を用いるフロントエンド部の構成を示す。なお
フロントエンド部は過電圧保護回路25と整流・検波回
路Tr(0)とでなる。この図を基に過電圧保護回路の
動作を説明する。
OSトランジスタのおのおのに流れる電流を考える。こ
のクランプ回路24は、M(bip )個のバイポーラトラン
ジスタとN(mos )個のMOSトランジスタからなるが、
説明の都合上、それぞれCP側から順番に番号を付ける
と、各電流の関係は次式のようになる。
ス電流、IE(k)はそのエミツタ電流、hfeは電流増幅
率、IS(1)はMOS1のソース電流、ID(1)はMOS1
のドレイン電流である。
ンジスタのベース電流IB(k)とMOS1のソース電流I
S(1)は、次式となる。
数M(prev)の方がバイポーラトランジスタの個数M(bi
p) より多いので、IB(M(bip)) =IS(k)=ID(k)>>
IB(M(prev))=0となる。従つてトランジスタのベース
エミツタ間の電圧降下が保証され、クランプ回路全体と
して所望のクランプ電圧を得ることができる。
ンジスタに流れる電流は、Iclp の〔1/1+hfe〕
M(bip)倍と最適な値に調整することが可能となり、IC
のチツプ上現実的なサイズでMOSトランジスタが構成
可能となるだけでなく、MOSトランジスタのダイオー
ド接続のみから構成したクランプ回路に比較してプロセ
スのバラつきを受けにくいといつた利点もある。
て考察をする。図2において、Parastic-NPNが寄生トラ
ンジスタである。この寄生トランジスタは、整流・検波
用のトランジスタTr(0)の電流が流れると、コレク
タとエミツタ間をオンし、クランプ回路の電圧をCM側
の電圧に引き下げるという悪作用を及ぼすが、このとき
の対干渉性はクランプ回路に流れている電流が大きいほ
ど強くなる。この回路構成の場合は、以前提案したクラ
ンプ回路に比較して、クランプ回路に流れる電流が大き
いので、干渉を受け難い。
する。図3及び図4に過電圧保護回路と整流・検波部の
レイアウトの一実施例を示す。この図で、トランジスタ
群は、m+1番目のトランジスタがm番目のトランジス
タの内側にといつた具合に入れ子構造を取つたおり、整
流・検波回路やその他の周辺回路の影響を受け易いMO
Sトランジスタ程内側にレイアウトされている。
周辺回路ブロツクからリーク電流がクランプ回路に飛び
付いても外側に位置する影響を受け難いバイポーラトラ
ンジスタが吸収し、影響を受けやすいMOSトランジス
タにリーク電流が飛び付かなくなる。従つて、クランプ
回路における周辺回路からの耐干渉性が向上することに
なる。寄生トランジスタからの影響も同様に考えられる
ので、この構成により、寄生トランジスタによりクラン
プ電圧が引き下げられるのを防止できる。
耐干渉特性は向上できないが、図5のように、整流・検
波回路、MOSN、……、MOS1、TrM、……、T
r1といつた順序でレイアウトすることによつて、整流
・検波回路Tr0からの影響度を少なくすることは可能
である。
の周辺回路からの干渉を受けずに所望の電圧を得ること
ができるクランプ回路を実現することができる。従つ
て、本方式の過電圧保護回路を用いる非接触型情報カー
ドは、確実に整流・検波回路の出力電圧のピーク値を制
限しつつ、ようやく電力供給がなされるような距離にお
いても損失なしで電力を受取り、最大限の通信到達距離
を得ることを可能とする。
群からなるクランプ回路段と、MOSトランジスタ群か
らなるクランプ回路段とを従属接続してクランプ回路を
構成する場合について述べたが、本発明はこれに限ら
ず、異なる素子群からなる複数のクランプ回路段を従属
接続する場合に広く適用し得る。
子群からなる複数のクランプ回路段を従属接続すること
によりクランプ回路を構成し、周辺回路からの影響をそ
の影響を受け難いクランプ回路で吸収するようにしたこ
とによりクランプ回路の両端に必要なクランプ電圧を発
生ことができる。これにより整流・検波回路や他の周辺
回路からの干渉を受けずに所望の電圧を得ることが可能
となる。従つてこのクランプ回路を過電圧保護回路に用
いる情報カードは、確実に整流・検波回路の出力電圧の
ピーク値を制限しつつ、ようやく電力供給がなされるよ
うな距離においても損失なしで電力を受取り、最大限の
通信到達距離を得ることが可能となる。
ツク図である。
ンド部の接続構成を示す等価回路図である。
成例を示す平面図である。
ブロツク図である。
ツク図である。
す特性曲線図である。
である。
3、3A、23……情報カード、8……プリント基板、
9、10……ループアンテナ、12、16、25……過
電圧保護回路、13……定電圧レギユレータ、14……
アンプ、15……デイジタル信号処理部、24……クラ
ンプ回路。
Claims (4)
- 【請求項1】異なる素子群からなる複数のクランプ回路
段が従属接続されており、当該従属接続された複数のク
ランプ回路段の両端に各クランプ回路段の特性を補い合
うクランプ電圧を発生させるようにしたことを特徴とす
るクランプ回路。 - 【請求項2】上記複数のクランプ回路段は、バイポーラ
トランジスタ群がダーリントン接続されてなるクランプ
回路段とダイオード接続されたユニポーラトランジスタ
群が直列接続されてなるクランプ回路段が組み合わされ
てなることを特徴とする請求項1に記載のクランプ回
路。 - 【請求項3】バイポーラトランジスタ群がダーリントン
接続されてなる上記クランプ回路は、レイアウト上、ト
ランジスタの内側に互いに従属関係にあるトランジスタ
を順に形成していくといつた入れ子構造でなり、当該バ
イポーラトランジスタ群のうち流れる電流が少ないバイ
ポーラトランジスタほど内側に位置するようにレイアウ
トされていることを特徴とする請求項2に記載のクラン
プ回路。 - 【請求項4】磁界の変化に応じて電圧を発生させる手段
と、 上記電圧のうちの所定の周波数帯域の成分を通過させる
共振回路と、 上記共振回路を通過した信号を検波する検波手段と、 上記検波手段の出力に対応して、所定の処理を実行する
実効手段と、 異なる素子群からなる複数のクランプ回路段が従属接続
されてなるクランプ回路を有し、上記共振回路から大き
な出力電流が出力された場合、当該クランプ回路に上記
共振回路の出力電流の一部を迂回させることにより、そ
の出力電圧のピーク値を所定値以下に制限する過電圧保
護回路とを具えることを特徴とする非接触型情報カー
ド。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32516995A JP3755675B2 (ja) | 1995-11-20 | 1995-11-20 | クランプ回路、cmosチツプic及び非接触型情報カード |
GB9624047A GB2307364B (en) | 1995-11-20 | 1996-11-18 | Clamp circuit and non-contact type information card |
Applications Claiming Priority (1)
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