KR20040058022A - 반도체 집적 회로 장치 - Google Patents

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무쯔미 기꾸찌
아쯔오 와따나베
마사쯔구 아미시로
겐지 다부찌
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

소정 시간 동안, 신호의 레벨이 일정 또는 완만히 변화하는 상태 신호를 전기적으로 절연된 영역 사이에서 전파할 수 있도록, 상태 신호를 펄스 신호로 변환하는 제1 변환 회로와, 절연 회로를 통해 전파되어 온 펄스 신호를 원래의 상태 신호 또는 원래의 상태 신호와 동일한 성질의 신호로 변환하는 제2 변환 회로를 설치한다.

Description

반도체 집적 회로 장치{SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICE}
본 발명은, 예를 들면 네트워크와, 퍼스널 컴퓨터 등의 정보 처리 장치 혹은 제어 장치 사이에 접속되는 인터페이스 장치에 관한 것이다.
종래, 전기적 절연에는 포토 커플러에 의한 절연 방식이 이용되고 있지만, 소비 전류가 크고, 또한 주변 회로와 동일한 반도체 기판 상에 형성할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 소비 전류가 보다 작고, 또한 주변 회로와 동일한 반도체 기판 상에 형성 가능한 절연 방식으로서, 용량식 절연 방식이 특개평11-252270호 공보에 기재되어 있다. 용량식 절연 방식은, 용량과 저항으로 필터를 구성하고, 임의의 주파수보다 낮은 영역의 신호 성분을 차단하는 절연 방식이다. 신호의 전달은 신호의 변화분을 전송하는 소위 미분 전송 방식을 이용하고 있다.
절연 기능을 갖는 인터페이스 장치를 탑재한 필드 기기가 네트워크에 복수 접속되어 있는 시스템에서는, 각 필드 기기는 네트워크로부터 급전되는 전압(예를 들면 24V)을 입력하고, 전압 변환(예를 들면 5V)하여 인터페이스 장치 자신에게 공급하는 전원 회로를 갖고 있으며, 또한 전기적으로 절연된 2차측의 회로는 절연된 2차측의 다른 전원으로부터 전원 공급된다. 이러한 시스템에서는, 예를 들면 1차측 전원을 공급하는 인터페이스 장치의 전원 회로가 어떠한 원인으로 고장난 경우, 2차측의 신호 처리 장치는 1차측이 정상 동작하고 있는지 이상 동작하고 있는지를 인식할 수 없기 때문에, 정상 동작하고 있는 것으로서 신호 처리를 계속한다. 한편, 네트워크 기기의 1차측의 전원 회로가 고장나 있기 때문에, 2차측의 신호 처리 장치에 올바른 정보를 전달할 수 없고, 최악의 경우 시스템을 정지시키기에 이르는 사태를 야기한다. 이것을 방지하기 위해, 필드 기기에 탑재되어 있는 1차측의 전원 회로가 올바르게 동작하고 있는지의 여부를 2차측의 신호 처리 장치에 알릴 필요가 있다. 종래의 포토 커플러를 이용한 절연 방식의 경우, 전원 회로의 출력은 포토 커플러를 통해 그대로 2차측으로 전달할 수 있었다. 그러나, 용량식 절연 방식은 신호의 변화분을 전송하는 소위 미분 전송 방식을 이용하고 있기 때문에, 전원 회로의 출력을 상태 신호로서 그대로 전송할 수 없다. 여기서, 상태 신호란, 하이 레벨 또는 로우 레벨의 상태가 계속되고 있고, 하이 레벨로부터 로우 레벨 또는 그 역의 변화가 없어도 의미가 있는 신호를 말한다. 즉, 신호의 변화분은 용량식 절연 방식을 이용하여 전송할 수 있지만, 변화되지 않는 상태 신호는 용량식 절연 회로를 이용하여 전송할 수 없다. 따라서, 용량식 절연 회로를 이용한 인터페이스 장치에서는 상태 신호를 전송할 수 없기 때문에, 전원 회로의 상태를 2차측으로 전달할 수 없다. 또한, 2차측의 신호 처리 장치로부터 1차측 회로를 제어하는 스탠바이 신호와 같은 상태 신호를 1차측으로 전달할 수도 없다.
두번째로, 종래 기술에서는 전원 회로의 소비 전력이 커서, 이것은 기기의 절연, 비절연에 상관없이 문제가 된다. 종래, 소규모의 전압 변환 회로로서는, 시리즈 조절기가 이용되어 왔다. 그러나, 정보 처리 기기를 네트워크 접속한 시스템의 경우에는, 접속되는 기기의 수(N개)분의 소비 전력을 네트워크로부터 급전할 필요가 생긴다. 따라서, 1개의 기기에서는 무시할 수 있었던 소비 전력도 네트워크 접속하면 무시할 수 없는 소비 전력으로 되는 경우가 있다. 소비 전력이 크면, 전원을 공급하는 네트워크 전원의 부하가 증대되어, 전원의 공급 능력을 초과하는 기기를 접속할 수 없다. 즉, 네트워크 접속 가능한 기기의 수(N개)가 제한되는 문제점이 있다.
세번째로, 이들 네트워크 기기를 SOI(Silicon On Insulator) 기판 상에 형성하는 경우, 반도체 기판의 전위가 부유로 되어 있으면, 5V 이하의 전압으로 동작하는 표면형 디바이스에서는 기판이 부유로 되어 있는 영향을 받지 않지만, 고내압형의 MOS 트랜지스터의 경우에는 활성층의 깊이까지 전류가 흐르기 때문에 기판 전위의 영향을 받기 쉽다. 전원 회로와 트랜시버를 1칩화한 경우에는, 5V 이하에서 동작하는 표면 동작형의 MOS 트랜지스터와 고내압의 MOS 트랜지스터를 동일 반도체 기판 상에 혼재 형성하기 때문에, 기판 전위가 부유로 되어 있으면 고내압 MOS 트랜지스터의 동작이 불안정해지는 문제가 있다.
본 발명은, 용량식 절연 회로에 의해 전기적으로 절연된 1차측과 2차측 사이에서, 신호의 레벨 변화가 없거나, 또는 변화가 완만한 상태 신호를 전파할 수 있도록 하는 것을 제1 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 네트워크에 접속되는 기기의 수의 제약을 완화시키기 위해, 저소비 전력의 전원 회로를 갖는 인터페이스 장치를 제공하는 것을 제2 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고내압 MOS 트랜지스터에의 기판 전위 변동의 영향을 없애는 것을 제3 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 용량에 의해 전기적으로 절연된 제1 영역과 제2 영역 사이에서 상태 신호를 전파하기 위해, 제1 영역에 상태 신호를 펄스 신호로 변환하는 제1 변환 회로를 형성한다. 펄스 신호는 용량식 절연 회로를 통해 전파되기 때문에, 제2 영역으로 변환 회로에 의해 변환된 펄스 신호가 송신된다. 제2 영역에, 펄스 신호를 원래의 상태 신호 혹은 원래의 상태 신호와 동일한 성질의 새로운 상태 신호로 변환하는 제2 변환 회로를 형성한다. 이에 따라, 제1 영역에서 발생하는 상태 신호를 제2 영역으로 전파하는 것이 가능해진다.
이러한 상태 신호를 전파함으로써, 전기적으로 절연된 영역 사이에서 진단이나 제어를 행하는 것이 가능해지므로, 장치나 시스템의 안전성, 경제성을 높이는 것이 가능해진다.
또한, 제2 목적을 달성하기 위해, 네트워크 트랜시버와 스위칭 조절기를 동일 반도체 기판 상에 형성한다. 스위칭 조절기는 발생하는 전원 노이즈가 크기 때문에 다른 논리 회로와 동일한 반도체 기판 상에 형성할 수 없지만, 공급 전류를 제약하거나, 스위칭 노이즈를 완화하는 회로적인 디자인을 행함으로써, 다른 논리 회로와 동일 반도체 기판 상에 형성하는 것이 가능해진다. 종래에는 이러한 디자인이 이루어지기까지 스위칭 조절기와 논리 회로를 동일 반도체 기판 상에 형성하는 장점은 없었지만, 복수의 기기가 네트워크에 접속되면, 1개의 기기당 소비 전력이 접속되는 기기의 수를 제약하게 된다. 따라서, 네트워크 접속되는 기기에 있어서, 네트워크 트랜시버와 스위칭 조절기를 동일 반도체 기판 상에 형성함으로써, 네트워크에 접속 가능한 기기의 수를 증가시키는 것이 가능해진다. 또한, 스위칭 조절기와 네트워크 트랜시버를 개별 부품으로서 보드 상에 실장하는 것도 가능하지만, 이러한 경우에는 실장 면적이 증가되고, 부품 간을 접속하는 와이어나 본딩에 의해 전원선에 저항이나 인덕턴스가 부가되어, 노이즈 발생의 원인이 된다. 또한, 네트워크 트랜시버와 스위칭 조절기를 동일 반도체 기판 상에 형성함으로써, 전원 상태를 감시하는 기능이 전원 회로와 공용되어 회로를 소형화하는 것이 가능해진다.
제3 목적을 달성하기 위해, 반도체 지지 기반을 절연된 제1 영역 또는 제2 영역의 활성층 전위와 동일하게 한다.
도 1은 용량식 절연 회로를 이용한 제어 시스템 전체의 구성을 도시한 도면.
도 2는 용량식 절연 회로에 의해 전기적으로 절연된 영역 간에서 상태 신호를 전파시키기 위한 기본 구성을 도시한 도면.
도 3은 용량식 절연 회로의 구성 및 각 부의 파형을 도시한 도면.
도 4는 도 1에 도시한 인터페이스 장치의 상세한 구성을 도시한 도면.
도 5는 도 1에 도시한 인터페이스 장치의 네트워크 트랜시버의 구성을 도시한 도면.
도 6은 도 1에 도시한 인터페이스 장치의 네트워크 트랜시버의 다른 구성을 도시한 도면.
도 7은 도 2의 기본 구성에 기초하여 상태 신호를 전파시키는 다른 구성 및 각 부의 파형을 도시한 도면.
도 8은 용량식 절연 회로를 이용한 다른 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 9는 네트워크 트랜시버와 스위칭 조절기를 갖는 반도체 집적 회로 장치의 구성을 도시한 도면.
도 10은 네트워크 트랜시버와 스위칭 조절기 및 드롭퍼형(dropper type) 조절기를 갖는 반도체 집적 회로 장치의 구성을 도시한 도면.
도 11은 지지 기반과 활성층을 접속한 구조를 갖는 반도체 집적 회로 장치의 구성을 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100, 115, 116, 117: 인터페이스 장치
101: 센서
102: 퍼스널 컴퓨터
103: 액튜에이터
104: 프로그래머블 논리 컨트롤러
114: 네트워크
도 1은 본 발명을 적용한 분산 제어 시스템을 도시한다. 본 분산 제어 시스템은 센서(101), 퍼스널 컴퓨터(PC: 102), 액튜에이터(103), 프로그래머블 논리 컨트롤러(PLC; 104) 등의 각종 필드 기기가 인터페이스 장치(100, 115, 116, 117)를 통해 네트워크(114)에 접속되어 있다. 인터페이스 장치(100, 115, 116, 117)와 센서(101), 퍼스널 컴퓨터(102), 액튜에이터(103), 프로그래머블 논리 컨트롤러(104)는 각각 별개의 장치로 되는 경우도 있지만, 각각의 필드 기기가 인터페이스 장치를 내장하는 경우도 있다. 또한, 네트워크(114)는 컨트롤러(118)를 통해 제어용 퍼스널 컴퓨터(제어용 PC; 120) 등이 접속되어 있는 상위의 네트워크(119)에 접속되어 있다. 또한, 여기서 도시한 분산 제어 시스템의 구성 외에도 네트워크의 계층이나 종류에 따라 다양한 시스템 구성이 가능하다.
이와 같이 구성된 분산 제어 시스템은, 제어용 퍼스널 컴퓨터(120)에 의해 시스템 전체가 제어되며, 하위 네트워크에서는 각종 필드 기기끼리 서로 제어가 행해지고 있다. 하위 네트워크에서의 제어의 일례를 설명하면, 센서(101)에서 검출된 신호는 인터페이스 장치(100)를 통해 네트워크(114) 상으로 송신된다. 이 신호는 인터페이스 장치(115, 116, 117)를 통해 각종 필드 기기에 입력된다. 예를 들면, 퍼스널 컴퓨터(102)에서는, 송신되어 온 센서(101)의 출력 신호에 기초하여 연산을 행하여 피제어 대상의 상태가 정상인지의 여부를 판단하고, 액튜에이터(103), 프로그래머블 논리 컨트롤러(104)는 센서(101)의 출력에 기초하여 피제어 대상의 제어량을 조정한다.
다음으로 인터페이스 장치에 대하여 설명하지만, 본 실시예의 분산 제어 시스템의 인터페이스 장치(100, 115, 116, 117)는 모두 동일한 구성으로 되어 있기때문에, 여기서는 인터페이스 장치(100)에 대하여 설명한다. 또한, 필드 기기에 따라서 인터페이스 장치의 내부 구성을 변경하는 것도 가능하다.
인터페이스 장치(100)는 네트워크 트랜시버(113), 전원 회로(105), 절연 회로(107, 108, 109), 마이크로 컴퓨터(111), 전원 감시 회로(106), 신호 변환 회로(110, 112) 등으로 구성되어 있다. 이와 같이 인터페이스 장치(100)에는 마이크로 컴퓨터(111)가 탑재되어 있고, 이에 따라 하위 네트워크에서는 분산 제어를 행할 수 있게 되어 있다. 또한, 인터페이스 장치(100)는 용량식의 절연 회로(107, 108, 109)를 구비하고 있어, 이에 따라 네트워크(114)와 필드 기기인 센서를 전기적으로 절연하도록 구성되어 있다. 이와 같이 전기적으로 절연함으로써, 네트워크(114)로부터 필드 기기로 벼락 등에 의한 이상 신호의 전파를 방지할 수 있고, 또한 필드 기기측으로부터 네트워크(114)로의 이상 신호의 전파를 방지할 수 있다. 인터페이스 장치(100)의 절연 회로(107, 108, 109)보다 네트워크측에 있는 회로의 전원은 전원 회로(105)로부터 공급되고 있다. 전원 회로(105)는 네트워크로부터 24V가 급전되며, 5V로 전압 변환되어 인터페이스 장치(100) 내의 네트워크 트랜시버(113)나 신호 변환 회로(112) 등의 절연 회로보다 네트워크측에 있는 회로에 전원 공급한다. 또한, 인터페이스 장치(100)의 절연 회로(107, 108, 109)보다 필드 기기측에 있는 마이크로 컴퓨터(111)나 신호 변환 회로(110)에는, 네트워크와는 절연된 다른 전원으로부터 전원이 공급되고 있다. 네트워크 트랜시버(113)는 네트워크(114)와 각종 필드 기기 사이에서 신호의 변환을 행하기 위한 것이다. 또한 이 네트워크 트랜시버(113)는, 소비 전력을 억제하기 위해 외부로부터의 신호에의해, 동작하지 않는 상태(비활성 상태)와 동작하는 상태(활성 상태)를 취하도록 되어 있다. 전원 감시 회로(106)는 전원 회로(105)의 상태를 감시하여, 전원 회로로부터 출력되는 전압이 사전에 정해진 범위 내에 있는 경우에, 펄스 신호를 생성하여 절연 회로로 송신하는 것이다. 전원 감시 회로(106)에서 생성된 펄스 신호는 규칙적으로 변화되기 때문에, 이 변화를 절연 회로(107)를 통해 신호 변환 회로(110)로 전달한다. 펄스 신호가 입력된 신호 변환 회로(110)는, 펄스 신호를 레벨 신호로 변환하여 마이크로 컴퓨터(111)로 송신한다. 이와 같이 하여, 절연된 전원 회로(105)의 상태를 마이크로 컴퓨터(111)에서 검출하고 있다.
상태 신호 송신 회로(118)는 마이크로 컴퓨터(111)로부터 출력되는 상태 신호를 네트워크측으로 전송하기 위한 것이다. 여기서는 네트워크 트랜시버(113)를 비활성 상태로 하기 위한 스탠바이 신호를 상태 신호로 하고 있다. 마이크로 컴퓨터(111)로부터 출력되는 상태 신호는, 상태 신호 송신 회로(118)에서 펄스 신호로 변환된다. 펄스 신호는 절연 회로(108)를 통해 신호 변환 회로(112)로 전송된다. 신호 변환 회로(112)는 펄스 신호를 상태 신호로 변환하여 네트워크 트랜시버(113)를 제어한다.
이와 같이, 본 분산 제어 시스템에 적용되고 있는 인터페이스 장치는, 네트워크와 각종 필드 기기를 전기적으로 절연함과 함께, 양 방향에서 신호의 교환을 행할뿐만 아니라, 전원 회로의 상태 신호를 절연된 마이크로 컴퓨터로 전송하는 것을 가능하게 하여, 네트워크 시스템 전체의 신뢰성을 향상시키고 있다.
즉, 인터페이스 장치의 전원 회로가 어떠한 원인으로 정상 동작하지 않게 되었다고 하면, 당연 인터페이스 장치 내에 탑재된 네트워크 트랜시버에는 전원이 공급되지 않기 때문에, 회로 동작이 정지된다. 이러한 상태에서 제어를 계속하면, 예를 들면 액튜에이터는 잘못된 신호에 기초하여 제어를 행하여, 시스템 전체가 오동작하거나, 시스템 전체가 정지하는 사태가 발생한다. 그러나, 인터페이스 장치의 전원 감시 회로에 의해 마이크로 컴퓨터에 전원 상태가 알려지기 때문에, 마이크로 컴퓨터는 액튜에이터의 동작을 정지시키고, 또한 네트워크측으로의 신호의 전송을 정지하는 것이 가능해져, 시스템 전체의 오동작, 시스템 전체의 정지를 방지할 수 있어, 시스템 전체의 신뢰성이 향상된다.
또한, 인터페이스 장치는 마이크로 컴퓨터로부터의 상태 신호를 절연된 네트워크측으로 전송하여, 네트워크측의 회로를 제어할 수 있기 때문에, 시스템 전체의 소비 전력을 저하시키는 것이 가능하게 되어 있다.
즉, 마이크로 컴퓨터가 상태 신호로서 5V를 출력하고 있을 때는, 네트워크 트랜시버는 스탠바이 모드로 되어, 소비 전류가 작아지도록 제어하고, 마이크로 컴퓨터가 0V를 출력하고 있는 경우에는, 네트워크 트랜시버는 통상 동작 모드로 되도록 제어된다.
이와 같이, 마이크로 컴퓨터로부터의 스탠바이 신호에 의해 네트워크 트랜시버를 제어함으로써, 비활성 상태에 있는 필드 기기의 네트워크 트랜시버의 소비 전류를 억제할 수 있기 때문에, 네트워크 시스템 전체의 소비 전력을 삭감하는 것이 가능해진다.
이와 같이, 시스템의 신뢰성을 향상시키거나, 소비 전력을 삭감시킬 수 있는것은, 인터페이스 장치가 용량식 절연 회로를 통해 양 방향으로 상태 신호를 전송할 수 있도록 구성되어 있기 때문이다. 이와 같이 용량식 절연 회로를 통해 양 방향으로 상태 신호를 전송하는 원리를 이하에 설명한다.
도 2는 용량식 절연 회로를 통해 상태 신호를 전송하는 기본적인 구성을 도시한 것이다. 여기서, 상태 신호란, 상술한 바와 같이 신호가 하이 레벨에 있는지 로우 레벨에 있는지의 상태를 표시하는 신호를 가리키고 있으며, 신호가 변화되지 않거나 혹은 그 변화가 완만하여, 용량식 절연 회로를 통해 전파되지 않는 신호를 의미하고 있다.
도 2에서, 영역 A, 영역 B에는 복수의 회로가 형성 또는 배치되어 있고, 영역 A와 영역 B는 용량에 의해 전기적으로 절연되어 있다. 영역 A의 임의의 회로로부터 출력된 상태 신호는, 펄스 발생 회로(300)가 출력하는 펄스 신호와 함께 논리곱 회로(301)에 입력된다. 논리곱 회로(301)는, 상태 신호가 로우 레벨인 경우에는 로우 레벨 신호를 출력하고, 상태 신호가 하이 레벨인 경우에는 펄스 신호를 출력한다. 용량식 절연 회로(302)는, 논리곱 회로(301)의 출력 신호가 로우 레벨 신호인 경우에는 신호를 전송하지 않고, 출력 신호가 펄스 신호인 경우에는 이것을 전송한다. 신호 변환 회로(303)는, 하이 또는 로우의 일정한 레벨 신호가 입력되어 있는 경우에는 로우 레벨 신호를 출력하고, 펄스 신호가 입력된 경우에는 하이 레벨 신호를 출력한다. 이와 같이 상태 신호를 펄스 신호로 변환하여 절연 회로에 입력하고, 절연 회로로부터 출력된 신호를 다시 상태 신호로 함으로써, 상태 신호를 용량식 절연 회로를 통해 서로 전송하는 것이 가능해진다.
이와 같이 용량식의 절연 회로를 통해 전기적으로 절연하는 구성은, 포토 커플러나 코일을 이용하여 절연하는 경우보다 회로 규모를 작게 할 수 있다고 하는 이점이 있다. 따라서, 이 구성에 따르면, 회로 규모를 작게 한 상태에서 상태 신호를 전파하는 것이 가능해진다. 또한, 도 1에 도시한 분산 제어 시스템의 예에서는 전원 회로의 출력 전압, 마이크로 컴퓨터로부터 출력되는 신호를 상태 신호로서 설명하고 있지만, 본 구성에 따르면 다른 상태 신호를 전송하는 것이 가능해진다.
이하, 도 1에 도시한 인터페이스 장치의 각 부의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 용량식 절연 회로의 구성과 동작 파형을 도시한 것이다. 절연 회로는, 하나의 신호로부터 상보 신호를 생성하여 드라이브하는 버퍼 회로(200), 전기적 절연 기능을 갖는 용량(201, 202), 용량과 함께 고역 통과 필터를 구성하는 저항(203, 204), 절연 회로를 통과해 온 상보 미분 파형을 펄스 신호로 변환 증폭하는 비교기 회로(205, 206), 비교기 회로의 출력 펄스 신호를 래치하는 플립플롭(207)으로 구성된다.
네트워크로부터의 신호 In을 버퍼 회로(200)에 입력하면 상보 신호 n1a, n1b를 출력한다. 절연 용량(201, 202)과 병렬 접속한 저항(203, 204)은 고역 통과 필터를 구성하고, 신호 n1a, n1b의 상승, 하강에 동기한 미분 신호 n2a, n2b가 생성된다. 이 신호를 비교기 회로(205, 206)에 입력하여 펄스 신호 n3a, n3b를 생성한다. n3a, n3b는 RS 플립플롭(207)에 입력되어, 입력 신호를 복원한 상보 신호 Out, OutB를 출력한다.
이와 같이 구성된 용량식 절연 회로는 신호의 상승, 하강 변화에 대응한 미분 파형을 전송하는 것이다. 따라서, 이 경우의 상태 신호란, 입력 신호가 변화되지 않거나 혹은 완만히 변화하는(slowly changing) 신호로 용량식 절연 회로에서는 전송할 수 없는 신호를 의미한다.
도 4는 도 1에 도시한 인터페이스 장치에서 전원 감시 및 스탠바이 신호의 전송 회로를 상세히 도시한 것이다. 우선, 인터페이스 장치(100)는 전원 회로(105), 전원 감시 회로(106), 신호 변환 회로(110, 112), 상태 신호 송신 회로(118), 네트워크 트랜시버(113), 절연 수신 회로(416, 417), 마이크로 컴퓨터(111), 용량식 절연부(405)로 구성되어 있다. 여기서, 용량식 절연부(405)란 도 2에 도시한 용량식 절연 회로의 용량과 저항으로 구성된 필터 부분이다. 인터페이스 장치(400)는 보드 상에 실장하는 것도 가능하고, 동일 반도체 기판 상에 집적 형성하는 것도 가능하다. 반도체 집적 회로의 경우에는 절연 기능과 고내압성이 요구되기 때문에, 소자 간 분리가 용이한 SIO(Silicon on Insulator) 기판 상에 집적 형성하는 것이 가능하다.
전원 회로(105)는 네트워크(114)로부터 24V가 급전되어 5V로 변환 출력된다. 전원 감시 회로(106)는 비교 회로와 도 2에 도시한 펄스 발생 회로 및 논리곱 회로로 구성되어 있다. 비교 회로는, 전원 회로(105)의 출력 전압과 기준 전압을 입력하여, 출력 전압이 기준 전압 이상인 경우에 하이 레벨의 신호를 출력하고, 기준 전압 이하인 경우에 로우 레벨의 신호를 출력한다(이 경우, 예를 들면 기준 전압을 4.5V로 한 경우, 전원 회로(105)의 출력이 4.5V 이상일 때 비교기로부터 하이 레벨의 신호가 출력된다. 또한, 2개의 비교기를 이용하면, 전원 회로(105)의 출력이 임의의 범위에 있는 경우에 하이 레벨의 신호가 출력되도록 구성할 수 있다). 이에 따라, 비교 회로는 전원 회로(105)의 출력 전압이 사전에 정해진 기준 전압보다 낮은 경우에, 로우 레벨의 신호를 출력한다. 논리곱 회로는 비교기로부터의 출력 전압과, 펄스 발생 회로의 출력을 입력한다. 이에 따라 전원 감시 회로(106)는 전원 회로(105)의 출력 전압이 사전에 정해진 기준 전압보다 높은 경우, 혹은 사전에 정해진 기준 전압의 범위 내인 경우에 펄스 신호를 출력한다.
펄스 신호는 반전 회로(404)에 의해, 상보 신호로서 용량식 절연부(405)에 입력된다. 용량식 절연부(405)를 통과한 상보의 미분 펄스는 비교기 회로(406)에서 펄스 신호로 복원된다. 복원된 펄스 신호는 신호 변환 회로(407)에 입력된다. 한편, 신호 변환 회로(407)는 저항(408)을 통해 용량(409)에 의해 충전된다. 직렬 접속된 용량(409)과 저항(408)의 접속 단자는 비교기 회로(412)에 입력되고, 비교기 회로(412)의 다른 한쪽의 단자는 기준 전원 Vref에 접속된다. 용량(409)은 저항(408)에 의해 충전되지만, MOS 스위치(410)의 게이트 입력 단자에 펄스 신호가 입력되어 있는 경우에는, MOS 스위치(410)가 온과 오프를 반복하여 용량(409)을 방전한다. 따라서, 전원 회로(105)가 정상적으로 동작하여 펄스 신호가 송신되고 있는 경우에는, 비교기(412)의 입력 단자의 전압이 Vref 이상으로 상승되지 않아, 비교기(412)의 출력은 로우 레벨을 출력한다. 또한, 전원 회로(105)가 정상적으로 동작하지 않아 펄스 신호가 전송되지 않은 경우에는, MOS 스위치(410)의 게이트 입력 단자는 로우 레벨로 되어, MOS 스위치(410)가 오프 상태로 된다. 이 때는, 저항(408)에 의해 용량(406)이 충전되고, 비교기(412)의 입력 단자의 전압이 Vref 이상으로 상승되어, 비교기(412)의 출력은 하이 레벨을 출력한다. 이와 같이 하여, 전원 회로(105)의 상태 신호가 마이크로 컴퓨터(111)로 전송된다.
또한, 마이크로 컴퓨터(111)로부터의 스탠바이 신호는 상태 신호 송신 회로(118)에 입력된다. 네트워크측의 전원이 정상적으로 동작하고 있는 경우에는, 비교기(406)로부터는 펄스 신호가 출력된다. 이 펄스 신호를 상태 신호 송신 회로(118)의 다른 한쪽의 단자에 입력하여, 스탠바이 신호와의 논리곱을 취한다. 따라서, 스탠바이 신호가 하이 레벨인 경우에는 상태 신호 송신 회로(118)는 펄스 상보 신호를 출력하고, 스탠바이 신호가 로우 레벨인 경우에는 일정한 상태 신호를 출력한다. 이 신호는 용량식 절연부(405)를 통해 신호 변환 회로(112)에 입력된다. 신호 변환 회로(112)는 신호 변환 회로(110)와 동일한 기능을 가지며, 펄스 신호의 유무에 따라 대응하는 레벨 신호를 출력한다. 스탠바이 신호는 네트워크 트랜시버(113)를 제어한다.
도 5는 네트워크 트랜시버의 일례를 도시한 것이다. 네트워크 트랜시버는 드라이버 회로(501)와 리시버 회로(502)로 구성되며, 네트워크(114)에 접속되어 있다. 네트워크(114)는 2개의 신호선으로 이루어지는 디지털 상보 신호로 통신한다. 출력 드라이버(501)는, 출력을 하이 레벨로 상승시키는 PMOS 트랜지스터(503)와 출력을 로우 레벨로 하강시키는 NMOS 트랜지스터(504)로 이루어진다. 마이크로 컴퓨터로부터 송신된 출력 신호는 이 드라이버 회로를 통해 네트워크(500)로 출력된다.
한편, 리시버 회로(502)는 저항망(505)과 입력 비교기 회로(506)로 이루어진다. 저항망은 네트워크를 바이어스하여 신호의 레벨을 설정함과 함께, 네트워크로부터의 신호 노이즈를 저감시켜 내부의 비교기로 보내는 역할을 한다. 이 저항망은 전원측에 접속되어 항상 전류를 흘리고 있어, 소비 전력이 커지는 문제가 있다.
도 6은 네트워크 트랜시버의 다른 구성을 도시한 것으로, 도 5와 동일한 드라이버 회로(501)와 소비 전력을 경감한 리시버 회로로 구성된다. 도 6에 도시한 트랜시버 회로는 도 1에 도시한 네트워크 트랜시버 회로(113)의 일 실시예이다. 도 5의 리시버 회로와의 차이는, 저항망(601)과 전원 사이에 MOS 스위치(602, 603)를 직렬 접속한 것이다. MOS 스위치(602, 603)는 스탠바이 신호에 의해 제어된다. 마이크로 컴퓨터로부터 스탠바이 상태의 신호가 송신된 경우에는, MOS 스위치(602, 603)는 양쪽 모두 오프되어 직류 전류를 소비하지 않는다. 이 때는, 네트워크(500)로부터의 신호 입력과 네트워크(500)로의 신호 출력 어느 쪽도 행하지 않는다. 이와 같이 함으로써, 스탠바이 시에는 직류 소비 전류를 저감하는 것이 가능해진다. 이 스탠바이 신호는 마이크로 컴퓨터로부터 용량식 절연 회로를 통해 리시버 회로를 제어하기 때문에, 이러한 시스템 구성을 실현하기 위해서는, 상술한 바와 같이 용량식 절연 회로에서 상태 신호를 전송하는 수단이 필요하다.
또한, 여기서는 네트워크 트랜시버의 소비 전력을 변화시키는 구성에 대하여 설명하였지만, 다른 회로에 대해서도 저항망과 MOS 스위치에 의해 소비 전력을 변화시키는 것이 가능하다. 또한, 클럭 신호에 기초하여 동작하는 회로에서는, 스위치에 의해 클럭 신호의 공급을 정지함으로써 소비 전력을 삭감할 수도 있다.
도 7은 상태 신호를 전송하는 용량식 절연 회로의 다른 구성을 도시한 도면이다. 이것은 용량식 절연 회로의 내노이즈성을 향상시키도록 한 것이다. 용량식 절연 회로는 미분 전송하기 때문에, 신호가 절연 용량을 통과할 때에 공통 노이즈가 발생하면, 이것이 신호에 중첩되어 오동작을 야기할 가능성이 있다. 그래서, 원래의 신호를 그대로 전송하는 채널(700) 외에, 신호를 지연 회로(703)에 의해 지연시켜, 용량식 절연 회로부를 신호가 통과하는 타이밍을 어긋나게 하여 전송하는 새로운 채널(701)을 설치한다. 또한, 지연 회로(705, 704)에 의해 채널(701)에 대하여 타이밍을 지연시킨 전송 채널(702)을 설치한다. 이들 3채널을 통해 전송된 신호를 다수결 회로(706)를 통해 마이크로 컴퓨터로 출력한다. 이러한 구성에 의해, 임의의 타이밍에서 발생한 노이즈에 의해 어느 하나의 채널의 신호가 잘못 전송되었다고 해도, 노이즈가 발생하는 시점과는 다른 타이밍에서 전송하는 다른 2개의 채널에 의해 신호는 올바르게 전송된다. 이들 3개의 신호의 다수결을 취함으로써, 올바른 신호를 출력하는 것이 가능해진다.
도 7에 도시한 신호의 타이밍차트에 기초하여 동작을 설명한다. 원래의 신호 IN과 동일한 타이밍에서 전송되는 채널(700)의 신호 n1a에 대하여, 채널(701)의 신호 n1a_1과, 채널(702)의 신호 n1a_2는 전송 타이밍을 어긋나게 하고 있다. n2a, n2a_1, n2a_2가 용량식 절연 회로부를 통과한 시점에서의 신호 파형이지만, 3채널의 신호의 타이밍이 어긋나 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 임의의 타이밍에서 노이즈가 발생하였다고 해도, 다른 2개의 채널의 전송 타이밍에서는 노이즈가 발생하지 않기 때문에, 올바르게 신호를 전송할 수 있다. 3채널 중 2개의 채널의 신호가 올바르게 전송되면, 다수결에 의해 올바른 신호를 출력할 수 있다.
도 8은 본 발명을 모뎀에 적용한 실시예이다. 통신 모뎀 장치(800)는 퍼스널 컴퓨터, FAX 등의 정보 제어 기기(808)를 전화 회선(801)에 접속하는 인터페이스 장치이다. 또한, 통신 모뎀 장치(800)는, 통신 기능을 갖는 텔레비전, 냉장고, 냉난방 기기 등의 전기 기기 일반(809)을 전화 회선(801)에 접속하는 것도 가능하다. 통신 모뎀(800)은 전화 회선과 접속되는 인터페이스 회로(802)와 CPU(807)에 접속되는 인터페이스 회로(803)로 구성되며, 참조 부호 802와 803은 용량식 절연 회로(804)에 의해 전기적으로 절연되어 있다. 전화 회선측의 회로에 전원 공급하는 전원 회로(805)는 전원 감시 회로(806)에 의해 감시되고 있으며, 그 정보는 절연 회로를 통해 CPU(807)로 송신된다. 전원 감시 및 신호 전송의 방법에 대해서는 전술한 실시예와 동일하다. 또한, CPU로부터 절연 회로를 통해 전화 회선측 모뎀 회로(802)에 상태 신호를 송신하고, 이것을 제어할 수 있다.
또한, 도 8에서는 정보 기기(808)와 인터페이스 장치(800), 전기 기기(809)와 인터페이스 장치(800)가 각각 따로따로 구성되어 있지만, 정보 기기(808), 전기 기기(809)에 인터페이스 장치(800)를 내장하도록 해도 된다. 이 경우, 인터페이스 장치(800)의 CPU(807) 대신에, 정보 기기(808), 전기 기기(809)의 동작을 제어하기 위해 내장된 CPU를 이용하도록 해도 된다.
또한, 인터페이스(800)를 내장한 소형의 퍼스널 컴퓨터 등의 정보 기기와 휴대 전화를 사용하여 모든 장소에서, 인터넷이나 메일 등을 즐길 수 있다. 이 경우, 예를 들면 상태 신호로서 용량식 절연 회로를 통해 접속되어 있는 휴대 전화의 전지의 잔량을 상태 신호로 하면, 휴대 전화의 잔량을 정보 기기측에서 파악할 수있다. 이 경우, 휴대 전화로부터 전지의 잔량을 전원 감시 회로(806)에 입력하고, 펄스 신호에 의해 정보 기기에 내장된 CPU로 전지의 잔량을 송신한다. 이와 같이 하면 내장된 CPU는 표시 장치에 휴대 전화의 전지의 잔량이나, 충전의 필요성, 회선의 접속을 절단하는 것을 표시하거나, 신호의 전송을 정지한다.
또한, 휴대 전화 자체가 조명의 강도나, 표시의 농도, 전파의 강도를 변화시킴으로써 통상의 동작과, 전력의 소비를 억제한 저소비 전력 모드를 구비하고 있는 경우, CPU는 용량식 절연 회로를 통해 송신되어 오는 전지의 잔량에 따라 스탠바이 신호를 출력하고, 이 스탠바이 신호가 용량식 절연 회로를 통해 휴대 전화로 송신되어, 휴대 전화를 저소비 전력 모드로 동작시키도록 제어하는 것이 가능해진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 용량식 절연 회로를 통해 상태 신호를 양 방향으로 송신할 수 있고, 이에 따라 신뢰성이 높은 시스템, 전력의 소비를 억제한 시스템이나 정보 기기 등을 제공한다.
도 9(a)는 전원 회로(901)와 네트워크 트랜시버(902)를 동일한 반도체 집적 회로 장치(900) 상에 형성하고, 전원 회로(901)를 스위칭 조절기로 구성한 예이다. 전원 회로(901)는 네트워크로부터 급전되는 전압을 LSI 내부의 전압으로 변환하여, 네트워크 트랜시버(902)에 전원 공급한다. 일반적으로, 드롭퍼형의 조절기는 발생하는 노이즈가 작지만 소비 전력이 큰 데 반하여, 스위칭 조절기는 발생하는 노이즈가 크지만 소비 전력이 작은 특징이 있다. 네트워크 트랜시버는 네트워크에 복수 접속되기 때문에, 네트워크 전체 소비 전력은 접속되는 트랜시버의 수를 N개로 하면, 트랜시버 1개의 소비 전력이 N배된다. 따라서, 1개당의 소비 전력을 작게억제하는 것이 중요하다. 일반적으로는, 트랜시버 1개 정도의 전원으로서 스위칭 조절기를 이용하는 경우는 없지만, 저소비 전력성에 주목하여, 스위칭 조절기와 네트워크 트랜시버를 조합함으로써, 1개의 트랜시버가 저소비 전력화되어, 동일한 네트워크에 접속 가능한 트랜시버의 수를 증가시키는 것이 가능해진다.
도 9(b)는 전원 회로(903)와 네트워크 트랜시버(902)를 동일한 반도체 집적 회로 장치(904) 상에 형성하고, 전원 회로(903)를 스위칭 조절기로 구성한 예이다. 스위칭 조절기(903)는 2개의 출력을 갖고 있으며, 출력1은 네트워크 트랜시버의 전원 단자에 접속되고, 출력2는 마이크로 컴퓨터의 전원 단자에 접속된다. 마이크로 컴퓨터도 트랜시버와 일대일의 비율로 구성되기 때문에, 네트워크에는 N배의 마이크로 컴퓨터가 접속된다. 따라서, 이러한 구성으로 함으로써, 저소비 전력의 네트워크 노드가 형성되어, 네트워크에 접속 가능한 노드 수를 증가시키는 것이 가능해진다.
도 10은 전원 회로(903, 905) 및 네트워크 트랜시버(902)를 동일한 반도체 집적 회로 장치(906) 상에 형성하고, 전원 회로(903)를 스위칭 조절기로 구성하고, 전원 회로(905)를 드롭퍼형 조절기로 구성한 예이다. 저소비 전력화를 위해서는 스위칭 조절기가 적합하지만, 저노이즈의 전원이 필요로 되는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 저노이즈의 전원으로서는 드롭퍼형의 조절기를 독립적으로 설치함으로써 저노이즈의 전원을 얻는 것이 가능해진다.
도 11은 지지 기반(4) 상에 산화막(5)을 사이에 두고 실리콘층을 형성하는 SOI(Silicon On Insulator) 구조를 도시하고 있다. 실리콘 상에는 절연홈(1)을 형성하고, 소자를 형성하는 활성층(2)과 활성층(3)을 전기적으로 절연하는 구조로 되어 있다. 이 때, 지지 기반(4)과 활성층(3)을 접속하고, 지지 기반의 전위를 고정한다. 이와 같이 함으로써, 활성층(2)으로부터 지지 기반을 통해 활성층(3)에 미치는 전계 변동을 억지할 수 있어, 활성층(3)에 형성하는 소자를 안정적으로 동작시키는 것이 가능해진다. 지지 기반과 활성층과의 접속은 SOI 기판 내 또는 패키지를 통해 접속한다.
네트워크 등을 통해 외부와의 사이에서 행하는 통신 기능을 구비한 제어 장치, 정보 처리 장치에 적용하는 것이 가능하여, 이에 따라 작은 회로 규모로 고신뢰의 통신을 행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고내압 MOS 트랜지스터에의 기판 전위 변동의 영향을 없애는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 네트워크 트랜시버와 적어도 1개 이상의 전원 회로를 동일 반도체 기판 상에 형성한 반도체 집적 회로 장치에 있어서,
    상기 전원 회로 중 적어도 1개 이상은 스위칭 조절기인 것을 특징으로 하는 반도체 집적 회로 장치.
  2. 네트워크 트랜시버와 적어도 2개 이상의 전원 회로를 동일 반도체 기판 상에 형성한 반도체 집적 회로 장치에 있어서,
    상기 전원 회로 중 적어도 1개 이상은 스위칭 조절기이고, 적어도 1개 이상은 드롭퍼형 조절기인 것을 특징으로 하는 반도체 집적 회로 장치.
  3. 네트워크 트랜시버와 적어도 1개 이상의 전원 회로를 동일 반도체 기판 상에 형성한 반도체 집적 회로 장치에 있어서,
    트랜시버의 입출력 단자의 출력과 전원 회로의 출력 단자가, 반도체 집적 회로를 실장하는 패키지의 핀에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 집적 회로 장치.
  4. 지지 기반, 소자를 형성하는 활성층 및 지지 기반과 활성층 사이에 산화막을 갖는 SOI(Silicon On Insulator) 구조의 반도체 기반 상에 절연홈을 형성하고, 소자 형성 영역과 소자 형성 영역은 절연홈을 사이에 두고 전기적으로 절연된 구조의 반도체 집적 회로 장치에 있어서,
    지지 기반과 활성층이 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 집적 회로 장치.
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