JPH1168534A - 高電圧駆動回路 - Google Patents

高電圧駆動回路

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JPH1168534A
JPH1168534A JP9228264A JP22826497A JPH1168534A JP H1168534 A JPH1168534 A JP H1168534A JP 9228264 A JP9228264 A JP 9228264A JP 22826497 A JP22826497 A JP 22826497A JP H1168534 A JPH1168534 A JP H1168534A
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voltage
transistor
diode
power supply
potential
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JP9228264A
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Masaki Yoshioka
雅樹 吉岡
Hitoshi Takeda
仁 竹田
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】低電圧振幅の入力信号から生成した高電圧振幅
の出力信号を次段の高電圧動作手段に付与する高電圧駆
動回路について、電圧クリップ部から直流電流が流れる
ため、高速スイッチングと消費電力低減との両立が図れ
ない。 【解決手段】2つの電源電圧線間に直列接続された相補
型の第1および第2の高耐圧トランジスタM1,M2を
有し、M2の制御電極が入力端子Viに接続され、M
1,M2の接続点が出力端子Voに接続されている。こ
の高耐圧トランジスタ対の制御電極間に接続されたキャ
パシタCと、M1が接続された電源電圧線と当該M1の
制御電極との間に接続され、当該制御電極の電位をクリ
ップする電圧制限手段(例えば、それぞれダイオード接
続された低耐圧pMOSトランジスタM3,M4)とを
有する。この他、電圧制限手段は互いに逆方向に並列接
続されたダイオード(及び、バイアス手段)を含む構成
としてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、低電圧振幅の入力
信号から生成した高電圧振幅の出力信号を次段の高電圧
動作手段に付与する高電圧駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、プラズマディスプレイの駆動用I
Cでは、例えば100Vといった高電圧振幅の信号が必
要であり、かかる高電圧駆動信号を例えば5V程度の低
電圧信号から生成する高電圧駆動回路を入力段に備えて
いる。
【0003】図7は、従来の高電圧駆動回路の回路図で
ある。この高電圧駆動回路100では、高電圧(例え
ば、100V)の電源電圧VDDの供給線(VDD線)と接
地電位GNDの供給線(GND線)との間に、高耐圧p
MOSトランジスタM1、高耐圧nMOSトランジスタ
M2を直列接続させている。高耐圧nMOSトランジス
タM2のゲートは、インバータINVを介して入力端子
Viに接続され、両高耐圧トランジスタM1,M2の接
続点に出力端子Voが設けられいる。また、高電圧な電
源線VDDと接地線GNDとの間には、高耐圧トランジス
タ対と並列に、2つの分割抵抗R1,R2と、nMOS
トランジスタM3とが直列接続されている。分割抵抗R
1,R2の中点は高耐圧pMOSトランジスタM1のゲ
ートに接続され、nMOSトランジスタM3のゲートは
入力端子Viに接続されている。なお各MOSトランジ
スタM1,M2およびM3の基板はソースに接続されて
いる。
【0004】このように構成された従来の高電圧駆動回
路100では、入力端子Viに入力される低電圧駆動信
号のレベルが“ロー(L:0V)”のときは、nMOS
トランジスタM3がオフして分割抵抗R1,R2の電流
経路が遮断され、高耐圧pMOSトランジスタM1のゲ
ートに電源電圧VDDが印加されて高耐圧pMOSトラン
ジスタM1がオフしている。また、インバータINVの
出力、即ち高耐圧nMOSトランジスタM2のゲートレ
ベルが“ハイ(H:例えば5V)”で、高耐圧nMOS
トランジスタM2がオンし、このため、出力端子Voに
は“L(0V)”が出力されている。入力レベルが“L
(0V)”から“H(5V)”に切り替わると、低耐圧
nMOSトランジスタM3が導通状態に遷移し、分割抵
抗に電流が流れる。このため、抵抗R1と抵抗R2の中
点の電位がそれらの分圧で決まる所定電位だけ下がり、
高耐圧pMOSトランジスタM1がオンする。また、イ
ンバータINVの出力端子が“L”となり、高耐圧nM
OSトランジスタM2が遮断して、出力端子Voの電位
が0Vから一気にVDD(100V)まで上昇する。その
後、入力レベルが“H(5V)”から“L(0V)”に
切り替わると、上記と逆に、nMOSトランジスタM3
と高耐圧pMOSトランジスタM1がオフ、高耐圧nM
OSトランジスタM2がオンとなり、出力端子Voの電
位がVDD(100V)から一気に0Vまで降下する。こ
のように、本高電圧駆動回路100では、低電圧振幅
(例えば、5V)の入力駆動信号から、電源電圧V
DD(100V)でフルスイングする高電圧振幅の出力駆
動信号を生成することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の高
電圧駆動回路100では、pMOS(負荷)側の駆動が
抵抗分割R1,R2の分圧により行われていることか
ら、スイッチング速度を上げようと抵抗値を小さくする
と消費電力が多くなり、逆に抵抗値を大きくすると、ス
イッチング速度が低下し、また、高抵抗とする必要から
ICのチップ面積が増大するといった不利益がある。
【0006】本発明は、このような実情に鑑みてなさ
れ、電力消費を抑えながらもスイッチングが速くできる
構成の高電圧駆動回路を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上述した従来技術の問題
点を解決し、上記目的を達成するために、本発明の高電
圧駆動回路は、低電圧振幅の入力信号から生成した高電
圧振幅の出力信号を次段の高電圧動作手段に付与する高
電圧駆動回路であって、2つの電源電圧線間に直列接続
された相補型の第1および第2の高耐圧トランジスタか
ら構成され、第2の高耐圧トランジスタの制御電極が入
力端子に接続され、第1および第2の高耐圧トランジス
タの接続点が出力端子に接続されている高耐圧トランジ
スタ対と、前記高耐圧トランジスタ対の制御電極間に接
続されたキャパシタと、前記第1の高耐圧トランジスタ
が接続された電源電圧線と当該第1の高耐圧トランジス
タの制御電極との間に接続され、当該制御電極の電位を
クリップする電圧制限手段とを有することを特徴とす
る。
【0008】前記電圧制限手段は、好適には、ダイオー
ド接続された(低耐圧)トランジスタから構成させる
か、或いは互いに逆方向に並列接続された複数のダイオ
ードを含む構成とする。
【0009】ダイオードを含む構成では、ダイオードの
電源電圧線側のノードを電源電圧より所定電位だけ下げ
る必要がある。このため、このノードの電位を外部から
の電圧で規定してもよいが、好ましくは、前記ダイオー
ドと前記第1の高耐圧トランジスタが接続された電源電
圧線との間にバイアス手段を有する。具体的に、前記バ
イアス手段は、電源電圧線と接地線との間に接続され、
所定の分圧比で電源電圧から降下した電圧を前記ダイオ
ードに付与する複数の分割抵抗、或いは前記電源電圧供
給線と前記ダイオードとの間に接続され、制御電極が所
定の電位にバイアスされているトランジスタから構成さ
せる。バイアス手段を構成するトランジスタの制御電極
を所定の電位にバイアスする一構成例としては、当該制
御電極を前記電源電圧線に接続させるとよい。
【0010】このような構成の高電圧駆動回路におい
て、前記電圧制限手段は前記第1の高耐圧トランジスタ
の制御電極の電位を所定の範囲に制限する。たとえば、
当該電圧制限手段がダイオード接続されたトランジスタ
から構成された場合、前記第1の高耐圧トランジスタの
制御電極の電位は、電源電圧を中心に高電位側、低電位
側の何れか一方が当該ダイオード接続されたトランジス
タのゲート閾値電圧、他方が当該ダイオード接続された
トランジスタと一体形成された等価ダイオードの順方向
電圧だけ変位する範囲内の電位をとる。また、並列接続
ダイオードを含む構成では、当該ダイオードの電源電圧
側の電位を中心に、高電位側、低電位側双方ともともダ
イオードの順方向電圧だけ変位する範囲内の電位をと
る。入力端子に低電圧駆動信号が印加され、その信号の
論理状態による電位変化がキャパシタを介して伝達され
る際に、この第1の高耐圧トランジスタの制御電極の電
位が、上記電位変化可能な範囲内で高電位側、低電位側
双方に振れ、しかも、その一方側で第1の高耐圧トラン
ジスタが導通し、他方側で遮断するように当該制御電極
の電位と変化幅を予め設定する。これにより、低電圧駆
動信号にもとづいて高電圧トランジスタ対を差動的に動
作させ、その中間に接続させた出力端子から、電源電圧
でフルスイングする高電圧駆動信号を得ることが可能と
なる。
【0011】本発明の高電圧駆動回路では、上記スイッ
チング動作の際、第1の高電圧トランジスタの制御電極
の電位がキャパシタを介して変化し、この制御電極側の
キャパシタノードが電源電圧により高速に充放電するの
みであり、2つの電源電圧線間に電流パスが存在しない
ことから、直流電流の消費がない。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の高電圧駆動回路は、バイ
ポーラトランジスタ等によっても構成できるが、以下で
は、本発明に係る高電圧駆動回路を、MOSトランジス
タで構成した場合を例に図面を参照しながら詳細に説明
する。
【0013】第1実施形態 図1は、本実施形態に係る高電圧駆動回路の回路図であ
る。この高電圧駆動回路1では、高電圧(例えば、10
0V)の電源電圧VDDの供給線(VDD線)と共通電圧の
供給線(例えば、GND線)との間に、高耐圧pMOS
トランジスタM1、高耐圧nMOSトランジスタM2が
直列接続されている。高耐圧nMOSトランジスタM2
のゲートは、入力端子Viに接続され、両高耐圧トラン
ジスタM1,M2の接続点に出力端子Voが設けられい
る。
【0014】2つの高電圧トランジスタM1,M2のゲ
ート間には、キャパシタCが接続されている。また、キ
ャパシタCの前記高電圧pMOSトランジスタ側のノー
ドNDと、前記高電圧な電源線VDDとの間には、本発明
の電圧制限手段として、ダイオード接続された低耐圧p
MOSトランジスタが2段、直列接続されている。より
詳しくは、本実施形態の電圧制限手段は、VDD線にソー
スが接続されドレインとゲートが共通に接続された第1
の電圧クリップ用pMOSトランジスタM3と、当該第
1の電圧クリップ用pMOSトランジスタM3のドレイ
ンにソースが接続され、ドレインとゲートが共通化され
て前記ノードNDに接続された第2の電圧クリップ用p
MOSトランジスタM4とから構成されている。なお、
図1では、この2つの電圧クリップ用pMOSトランジ
スタM3,M4の等価ダイオードを符号Dで示してい
る。また、各電圧クリップ用pMOSトランジスタM
3,M4、及び前記高電圧トランジスタM1,M2の基
板はソースに接続されている。
【0015】図2は、上記第1および第2の電圧クリッ
プ用pMOSトランジスタM3,M4の素子概略構成を
示す断面図である。図2中、符号2はp型半導体基板、
4は半導体基板2内の表面側に形成されたn型不純物拡
散領域(例えば、nウェル)である。n型不純物拡散領
域4内の表面側には、p型不純物が高濃度に導入された
3つのソース・ドレイン領域6a〜6cが互いに離間し
て配置されている。ソース・ドレイン領域6aと6b又
は6bと6cに挟まれた各n型不純物拡散領域部分上に
は、ゲート絶縁膜8を介してゲート電極10aまたは1
0bが形成されている。また、ソース・ドレイン領域6
aと所定距離をおいて、高濃度にn型不純物が導入され
たn型不純物拡散領域4への電圧印加用のn+ 不純物領
域12が形成されている。このn+ 不純物領域12と、
これに隣り合う一方端のソース・ドレイン領域6aは配
線層で連結され、VDD線に接続されている。ゲート電極
10aと、これに他方側で隣り合うソース・ドレイン領
域6bとは、配線層で連結されている。ゲート電極10
bと、これに他方側で隣り合うソース・ドレイン領域6
cとは、同様に配線層で連結され、図1の前記ノードN
Dに接続されている。
【0016】なお、上記説明および図1,図2では、電
圧クリップ用トランジスタを2段構成としているが、そ
の数に限定はなく、電圧クリップレベルに応じて適当な
数にすることができる。
【0017】つぎに、このように構成された本例の高電
圧駆動回路1の動作について、振幅が例えば5Vの入力
パルス列(低電圧駆動信号)から、振幅が例えば100
Vの出力パルス列(高電圧駆動信号)を生成する場合を
例として説明する。
【0018】図1の入力端子Viの電位が5V、即ち低
電圧駆動信号が“ハイ(H)”のとき、高電圧nMOS
トランジスタM2が導通状態(オン)となっている。こ
のとき、電圧クリップ用pMOSトランジスタM3およ
びM4のゲート閾値電圧をそれぞれVth3,Vth4、等
価ダイオードDの順方向電圧をVfとすれば、電気的に
浮遊状態にあるノードNDの電位VNDは、次式に示す
範囲の値をとる。
【0019】
【数1】 VDD+Vf≧VND≧VDD−(|Vth3 |+|Vth4|) …(1) すなわち、ノードNDの電位VNDがVDD+Vfを超え
ようとすれば、等価ダイオードDがオンし電位VNDが
DD+Vfまで戻され、逆にノードNDの電位VNDが
DD−(|Vth3|+|Vth4|)より小さくなろうと
しも、電圧クリップ用pMOSトランジスタM1等のチ
ャネルの深さ(オン抵抗)が変化して、電位VNDがV
DD−(|Vth3|+|Vth4|)を超えることができな
い。
【0020】この状態で入力端子Viの電位が0V、即
ち低電圧駆動信号が“ロー(L)”になると、高耐圧n
型MOSトランジスタM2が遮断(オフ)する。また、
ノードNDには、入力の電圧変化分5Vのうち、キャパ
シタCの容量値と、高耐圧pMOSトランジスタM1お
よび電圧クリップ用pMOSトランジスタM4(又は等
価ダイオードD)の入力容量和との比で分割された電圧
変化が現れる。高耐圧pMOSトランジスタM1および
電圧クリップ用pMOSトランジスタM4(又は等価ダ
イオードD)の入力容量の総和に比べ、キャパシタCの
容量値が十分大きければ、ノードNDはほぼ5V電位が
下がる。ここで、ノードNDの電位変化が、前記式
(1)に示す電圧変化幅より大きなとき、即ち次式
(2)が成り立つときは、ノードNDの電位VNDは式
(3)に示す電位でクリップされる。
【0021】
【数2】 5V>|Vth3|+|Vth4|+Vf …(2) VND=VDD−(|Vth3|+|Vth4|) …(3)
【0022】ここで、高耐圧pMOSトランジスタM1
のゲート閾値電圧をVth1として、次式(4)が成り立
つならば、高耐圧pMOSトランジスタM1はオンし、
出力端子Voには電源電圧VDDが現れる。
【0023】
【数3】 (|Vth3|+|Vth4|)>|Vth1| …(4)
【0024】再び、入力端子Viの電位が5V(低電圧
駆動信号が“H”)に変化すると、高耐圧nMOSトラ
ンジスタM2がオンする。また、ノードNDの電位VN
Dがほぼ5Vの電圧変化で上昇するが、電位VNDは、
当該ノードの電圧変化範囲の上限、即ち(VDD+Vf)
でクリップされ、このため高耐圧pMOSトランジスタ
M1がオフする。この結果、出力端子Voは接地電位0
Vに低下する。
【0025】つまり、上述の動作を一般化すると、電圧
クリップ用pMOSトランジスタがn段の場合、次の式
(5)及び式(6)を満たすように、入力信号(低電圧
駆動信号)の振幅Aiと、各トランジスタのゲート閾値
電圧および等価ダイオードDの順方向電圧Vfを設定す
れば、低電圧駆動信号に追従して高耐圧トランジスタか
らなるインバータが動作し、大振幅な高電圧駆動信号を
得ることができる。
【0026】
【数4】 (|Vth3|+…+|Vth (n+3) |)>|Vth1| …(5) |Vth3|+…+|Vth (n+3) |+Vf< Ai …(6)
【0027】図3は、上述した動作における入力端子V
i,ノードNDおよび出力端子Voに現れる信号のタイ
ミングチャートである。図3に示すように、電気的に浮
遊状態となっているノードNDが入力信号Viに追従し
て変化し、このため通常のpMOSおよびnMOSの入
力短絡型のインバータと同様な入力信号Viと逆相の出
力信号Voを得ることができる。なお、ノードNDの電
位は浮遊状態であることに起因して、ノードND及び出
力信号Voの初期値は不安定となっているが、最初のパ
ルス印加後はノードNDの周期的な変化を安定に得るこ
とができ、確実に高電圧出力Voを得ることができる。
また、図1に示す回路において、ノードNDはDC的に
バイアスされていないことから、電圧クリップ用pMO
SトランジスタM3,M4(又は等価ダイオードD)の
リーク電流等によって、ノードNDの電位VNDは徐々
に電源電圧VDDに近づいていくが、入力信号の繰り返し
周期がよほど長くない限り、この電位上昇によって当該
インバータ動作に支障はない。
【0028】なお、上記説明では高耐圧pMOSトラン
ジスタM1のゲートに電圧クリップ用pMOSトランジ
スタM3,M4を接続させた構成としたが、電圧クリッ
プ用MOSトランジスタを高耐圧nMOSトランジスタ
M2側に設けることもできる。この場合、ダイオード接
続した電圧クリップ用MOSトランジスタのチャネル導
電型をn型として必要数、高耐圧nMOSトランジスタ
M2のゲートとGND線との間に直列接続させる。これ
により、GND線にアノードが接続され、高耐圧nMO
SトランジスタM2のゲートにカソードが接続されたダ
イオードDが等価的に形成される。また、高耐圧pMO
SトランジスタM1のゲートに入力される入力信号(低
電圧駆動信号)は、電源電圧VDDを基準とした負極性、
即ち“H”レベルが電源電圧VDD、“L”レベルが(V
DD−Ai)とする。
【0029】本実施形態の高電圧駆動回路1では、ドラ
イバー用の高耐圧MOSトランジスタ(図1では、M
2)は、そのゲートに入力端子が直結されているのに対
し、負荷側の高耐圧MOSトランジスタ(図1では、M
1)は、そのゲートがドライバー用の高耐圧MOSトラ
ンジスタのゲートと容量結合され、しかも、当該負荷用
の高耐圧MOSトランジスタのソースが接続された一方
の電源電圧供給線(VDD線)との間に、ダイオード接続
された電圧クリップ用MOSトランジスタが接続されて
いる。このため、入力信号がキャパシタを介して負荷用
の高耐圧MOSトランジスタのゲートに伝達されること
によって、当該ゲート電位(ノードND)が、電圧クリ
ップ用MOSトランジスタのゲート閾値電圧と等価ダイ
オードの順方向電圧とにより決まる電圧変化範囲内で入
力信号と同位相で変化し、これにより負荷用の高耐圧M
OSトランジスタを駆動する。したがって、ノードND
は、VDD線との間でキャパシタを充放電する電荷をやり
取りする際の交流電流が消費されるのみで、従来のよう
に抵抗を介してVDD線からGND線に向けて直流電流が
流れることがない。このため、高速性を犠牲にすること
なく、消費電力を極めて小さくすることができるといっ
た利点がある。たとえば、振幅が5Vの入力パスルか
ら、振幅が100Vの出力パルスを周波数が数MHzで
生成できる。
【0030】また、電圧クリップ用MOSトランジスタ
は、高電圧がかからないため、図2に示すように低耐圧
MOSトランジスタを直列接続した簡単な構成で実現で
き、占有面積を小さくでき、高集積化に適した構成とな
っている。
【0031】第2実施形態 本実施形態は、電圧制限手段(電圧クリップ部)の他の
形態を示すものである。図4は、本実施形態に係る高電
圧駆動回路の概略構成を示す回路図である。また、図5
は電圧制限手段に含まれるダイオード対が形成された半
導体基板の断面図、図6は各信号等のタイミングチャー
トである。
【0032】本実施形態の高電圧駆動回路20におい
て、その電圧クリップ部は、図4に示すように、VDD
に接続され、電源電圧VDDから所定電圧Vb低い電位を
付与するバイアス手段22と、当該バイアス手段22と
ノードNDとの間に接続されたダイオード対24とから
なる。ダイオード対24は、VDD線からみて順方向に接
続されたダイオードD1と、逆方向に接続されたダイオ
ードD2を互いに並列接続させてなる。その他の構成、
即ち高耐圧MOSトランジスタM1,M2、キャパシタ
C、入力端子Viおよび出力端子Voは、上記第1実施
形態と同様である。
【0033】ダイオード対24の形成領域では、図5の
断面図に示すように、p型半導体基板26内の表面側に
形成された低濃度なn- 不純物層28内に、素子分離領
域30を挟んで、nウェル32aおよびpウェル32b
が形成されている。そして、nウェル32a内の表面側
に、p+ 不純物領域34aとn+ 不純物領域36aを互
いに離間して形成し、これにより電圧クリップ用ダイオ
ードD1が形成されている。同様に、pウェル32b内
の表面側に、p+ 不純物領域34bとn+ 不純物領域3
6bを互いに離間して形成し、これにより電圧クリップ
用ダイオードD2が形成されている。p+ 不純物領域3
4aとn+ 不純物領域36bとは、配線層により結線さ
れノードNDに接続されている。また、p+ 不純物領域
34bとn+ 不純物領域36aとが配線層により結線さ
れ、バイアス手段22を介してVDD線に接続されてい
る。
【0034】電圧クリップ用ダイオードD2側では、n
ウェル32bと基板26との間には、両者を電気的に分
離するためにn+ 埋込不純物領域38bが設けられ、寄
生バイポーラトランジスタが形成されない。また、n-
不純物層28は電源電圧VDDに電位固定され、これをp
ウェル32bに対し逆バイアスして、pウェル32bか
ら基板26側に電流が流れるのを阻止している。一方、
電圧クリップ用ダイオードD1側では、p+ 不純物領域
34aをエミッタ、nウェル32aをベース、基板26
をコレクタとするpnp型の寄生バイポーラトランジス
タが形成されている。この寄生バイポーラトランジスタ
は、ダイオードD2がオン状態のときノードNDを介し
てベース電流が流れることによって動作するが、この場
合、ベース(nウェル32a)がn- 不純物層28を介
して電源電圧VDDに電位固定されていることから、この
寄生バイポーラトランジスタがオンすることはない。な
お、ダイオードD1が形成されるウェル32aを、ダイ
オードD2と同様にp型としてもよい。この場合、基板
26との間に形成されたn+ 埋込不純物領域38aが有
効に機能して、ウェル32aと基板26間が電気的に分
離される。その際、n+ 埋込不純物領域38aの両側か
らの電流漏れが無視できるほど小さければ、n- 不純物
層28を電源電圧VDDに電位固定する必要はない。
【0035】バイアス手段22の具体的な構成として
は、種々考えられるが、例えばVDD線とGND線との間
に分割抵抗を接続し、その中間ノードから(VDD−V
b)をダイオード対24に付与するとよい。また、VDD
線にドレインを接続させ、ソースをダイオード対24に
接続させ、ゲートが所定の電位にバイアスさせたMOS
トランジスタ(ソースフォロア)でバイアス手段22を
構成させることもできる。このトランジスタのゲート閾
値電圧をVthbとすれば、ダイオード対24のVDD側ノ
ードは、(VDD−Vthb)に固定される。この構成で
は、ゲートを所定の電位にバイアスさせる代わりに、ゲ
ートとドレイン間を結線したダイオード接続としてもよ
い。また、所望のバイアス電圧Vbに応じてトランジス
タを複数段、直列接続させてもよい。さらに、本発明で
は、バイアス手段22を省略し、ダイオード対24のV
DD側ノードに(VDD−Vb)を、外部から付与する構成
とすることも可能である。
【0036】なお、電圧クリップ用ダイオード対24
は、何も単数である必要はなく、順方向と逆方向それぞ
れ複数のダイオードを直列接続させた構成でもよい。こ
れにより、クリップ電圧をダイオードの順方向電圧Vf
を単位として適宜調整することが可能となる。
【0037】つぎに、このように構成された本例の高電
圧駆動回路20の動作について説明する。
【0038】図4の入力端子Viの電位が0Vのとき、
高電圧nMOSトランジスタM2がオフし、このとき、
ダイオード対24と高耐圧pMOSトランジスタM1と
の接続ノードNDの電圧VNDは、電圧クリップ用ダイ
オードD1,D2の順方向電圧を、それぞれVf1,V
f2とすれば、次式に示す範囲の値をとる。
【0039】
【数5】 VDD−Vb+Vf2≧VND≧VDD−Vb−Vf1 …(7) すなわち、ノードNDの電位VNDがVDD−Vb+Vf
2を超えようとすれば、電圧クリップ用ダイオードD2
がオンし電位VNDがVDD−Vb+Vf2まで戻され、
逆にノードNDの電位VNDがVDD−Vb−Vf1より
小さくなろうとしても、今度は電圧クリップ用ダイオー
ドD1がオンし電位VNDがVDD−Vb−Vf1より低
下することができない。
【0040】この状態で入力端子Viに振幅Ai(例え
ば、5V)のパルスが入力されると、高耐圧n型MOS
トランジスタM2がオンする一方、ノードNDには、入
力の電圧変化分Aiのうち、キャパシタCの容量値と、
高耐圧pMOSトランジスタM1およびダイオード対2
4の入力容量との比で分割された電圧変化が現れる。高
耐圧pMOSトランジスタM1およびダイオード対24
の入力容量に比べ、キャパシタCの容量値が十分大きけ
れば、ノードNDはほぼAi(例えば、5V)だけ電位
が下がる。このとき、ノードNDの電圧VNDは、電圧
クランプ用ダイオードD2によって(VDD−Vb+Vf
2)の電位でクリップされる。この電位によって高耐圧
pMOSトランジスタM1がオフするようにすれば、出
力端子Voの電位は0Vとなる。つぎに入力端子Viの
電位が再度0Vとなったとき、高耐圧nMOSトランジ
スタM2がオフする一方で、ノードNDの電位VND
は、電圧クリップ用ダイオードD2によって(VDD−V
b−Vf1)の電位でクリップされる。この電位によっ
て高耐圧pMOSトランジスタM1がオンするようにす
れば、出力端子Voの電位は電源電圧VDDまで上昇す
る。
【0041】つまり、上述の動作を一般化すると、次の
式(8)を満たすように、入力信号(低電圧駆動信号)
の振幅Aiと、各電圧クリップ用ダイオードD1,D2
の段数n,m段、電圧クリップ用ダイオードD1の順方
向電圧Vf11,…,Vf1n、電圧クリップ用ダイオード
D2の順方向電圧Vf21,…,Vf2mを設定すれば、低
電圧駆動信号に追従して高耐圧トランジスタからなるイ
ンバータが動作し、大振幅な高電圧駆動信号を得ること
ができる。
【0042】
【数6】 (Vf11+…+Vf1n)+(Vf21+…+Vf2m)<Ai …(8)
【0043】この結果、図6のタイミングチャートに示
すように、ノードNDが入力信号Viに追従して変化
し、このため通常のpMOSおよびnMOSの入力短絡
型のインバータと同様な入力信号Viと逆相の出力信号
Voを得ることができる。なお、ノードND及び出力信
号Voの初期値は不安定となっているが、最初のパルス
印加後はノードNDの周期的な変化を安定に得ることが
でき、確実に高電圧出力Voを得ることができる。
【0044】なお、本実施形態においても、先の第1実
施形態と同様に、電圧クランプ用ダイオードD1,D2
を高耐圧nMOSトランジスタM2側に設けることもで
きる。この場合、高耐圧pMOSトランジスタM1のゲ
ートに入力される入力信号(低電圧駆動信号)は、電源
電圧VDDを基準とした負極性、即ち“H”レベルが電源
電圧VDD、“L”レベルが(VDD−Ai)とする。
【0045】本実施形態の高電圧駆動回路20によって
も、先の実施形態と同様な効果を奏する。すなわち、入
力信号がキャパシタCを介して負荷用の高耐圧MOSト
ランジスタのゲートに伝達されることによって、当該ゲ
ート電位(VND)が、電圧クランプ用ダイオードD
1,D2の各順方向電圧(および、バイアス手段22が
直列接続されているときは、そのバイアス電圧値Vb)
により決まる電圧変化範囲内で入力信号と同位相で変化
し、これにより負荷用の高耐圧MOSトランジスタを駆
動する。したがって、ノードNDでは、電源電圧線VDD
との間でキャパシタCを充放電する電荷をやり取りする
際の交流電流が消費されるのみで、従来のように抵抗を
介して電源電圧線VDDから接地線GNDに向けて直流電
流が流れることがない。このため、高速性を犠牲にする
ことなく、消費電力を極めて小さくすることができる、
例えば振幅が5Vの入力パスルから、振幅が100Vの
出力パルスを周波数が数MHzで生成できる。
【0046】また、トランジスタ対24は、一般的な高
耐圧ウェル構造を採用していることから、他の高耐圧素
子と同時形成でき、これにより製造効率、コスト的な負
担を最小限とできる構造上の利点がある。
【0047】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明に係る
高電圧駆動回路では、負荷側の高耐圧MOSトランジス
タ(第1の高耐圧MOSトランジスタ)のゲートがドラ
イバー用の高耐圧MOSトランジスタ(第2の高耐圧M
OSトランジスタ)のゲートと容量結合され、しかも、
当該負荷用の高耐圧MOSトランジスタのゲートと、そ
のソースが接続された一方の電源電圧供給線との間に電
圧制限手段を有していることから、入力信号がキャパシ
タを介して負荷用の高耐圧MOSトランジスタのゲート
に伝達されることによって、当該ゲート電位が、電圧制
限手段による電圧変化範囲内で入力信号と同位相で変化
し、これにより負荷用の高耐圧MOSトランジスタを駆
動する。したがって、当該電圧制限手段の動作において
は、電源電圧線との間でキャパシタを充放電する電荷を
やり取りする際の交流電流が消費されるのみで、従来の
ように抵抗を介して電源電圧線から接地線(又は共通電
圧線)に向けて直流電流が流れることがない。このた
め、高速性を犠牲にすることなく、消費電力を極めて小
さくすることができ、例えば振幅が5Vの入力パスルか
ら、振幅が100Vの出力パルスを周波数が数MHzで
生成できる。
【0048】また、電圧制限手段は、比較的に占有面積
が小さい、例えば低耐圧用のトランジスタやダイオード
で構成でき、高集積化に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る高電圧駆動回路の
回路図である。
【図2】電圧クリップ用pMOSトランジスタの素子概
略構成を示す断面図である。
【図3】図1の高電圧駆動回路の動作を示す、入力端子
Vi,ノードNDおよび出力端子Voに現れる信号のタ
イミングチャートである。
【図4】本発明の第2実施形態に係る高電圧駆動回路の
回路図である。
【図5】ダイオード対が形成された半導体基板の断面図
である。
【図6】図4の高電圧駆動回路の動作を示す、入力端子
Vi,ノードNDおよび出力端子Voに現れる信号のタ
イミングチャートである。
【図7】従来の高電圧駆動回路の回路図である。
【符号の説明】
1,20…高電圧駆動回路、2,26…半導体基板、4
…n型不純物領域、6a,6b…ソース・ドレイン領
域、8…ゲート絶縁膜、10a,10b…ゲート電極、
12…電圧印加用のn+ 不純物領域、22…バイアス手
段、24…ダイオード対、28…n- 不純物層、30…
素子分離領域、32a,32b…ウェル、34a,34
b…p+ 不純物領域、36a,36b…n+ 不純物領
域、38…n+ 埋込不純物領域、C…キャパシタ、D…
等価ダイオード、D1,D2…電圧クリップ用ダイオー
ド、M1,M2…高耐圧MOSトランジスタ(第1およ
び第2の高耐圧トランジスタ)、M3,M4…電圧クリ
ップ用MOSトランジスタ(ダイオード接続されたトラ
ンジスタ)、ND…ノード、Vi…入力端子(又は入力
信号)、Vo…出力端子(又は出力信号)、GND…接
地電位、VDD…電源電圧、VND…ノードNDの電位。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】低電圧振幅の入力信号から生成した高電圧
    振幅の出力信号を次段の高電圧動作手段に付与する高電
    圧駆動回路であって、 2つの電源電圧線間に直列接続された相補型の第1およ
    び第2の高耐圧トランジスタから構成され、第2の高耐
    圧トランジスタの制御電極が入力端子に接続され、第1
    および第2の高耐圧トランジスタの接続点が出力端子に
    接続されている高耐圧トランジスタ対と、 前記高耐圧トランジスタ対の制御電極間に接続されたキ
    ャパシタと、 前記第1の高耐圧トランジスタが接続された電源電圧線
    と当該第1の高耐圧トランジスタの制御電極との間に接
    続され、当該制御電極の電位をクリップする電圧制限手
    段とを有する高電圧駆動回路。
  2. 【請求項2】前記電圧制限手段は、ダイオード接続され
    たトランジスタから構成されている請求項1に記載の高
    電圧駆動回路。
  3. 【請求項3】前記電圧制限手段は、互いに逆方向に並列
    接続された複数のダイオードを含む請求項1に記載の高
    電圧駆動回路。
  4. 【請求項4】前記ダイオード接続されたトランジスタ
    は、低耐圧トランジスタである請求項2に記載の高電圧
    駆動回路。
  5. 【請求項5】前記ダイオードと前記第1の高耐圧トラン
    ジスタが接続された電源電圧線との間に、バイアス手段
    を有する請求項3に記載の高電圧駆動回路。
  6. 【請求項6】前記バイアス手段は、電源電圧線と接地線
    との間に接続され、所定の分圧比で電源電圧から降下し
    た電圧を前記ダイオードに付与する複数の分割抵抗から
    なる請求項5に記載の高電圧駆動回路。
  7. 【請求項7】前記バイアス手段は、前記電源電圧線と前
    記ダイオードとの間に接続され、制御電極が所定の電位
    にバイアスされているトランジスタから構成されている
    請求項5に記載の高電圧駆動回路。
  8. 【請求項8】前記バイアス手段を構成するトランジスタ
    の制御電極は、前記電源電圧線に接続されている請求項
    7に記載の高電圧駆動回路。
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