CN1956289B - 半导体集成电路器件及使用该器件的非接触电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体集成电路器件及使用该器件的非接触电子装置，该半导体集成电路器件具有不使消耗电流间歇地变化，就可将输出电压保持在预定电压值的低功耗的电荷泵电路。在构成电荷泵电路(9)的电荷泵电路单位单元(充放电电路)(15)中，按照电荷泵电路的输出电压，控制对电容(C1)的充电电流或放电电流。由此，电荷泵电路不间歇动作，就将输出电压保持在预定电压。充电电流和放电电流，从电源电路的电源端子传送，通过晶体管(M3)进行电流控制，将对应于电荷泵电路的输出电压的电压传送到晶体管的栅极。

Description

半导体集成电路器件及使用该器件的非接触电子装置
技术领域
本发明涉及适用于半导体集成电路器件的电源电路技术，尤其涉及安装有电荷泵(charge pump)电路的半导体集成电路器件及使用该器件的非接触电子装置，该电荷泵电路，由天线接收到的电磁波生成电源电压，由该电源电压生成高电压。
背景技术
在电荷泵电路中，通常通过开关动作对电容进行充电，由此进行电压的升降。在专利文献1——日本特开2000-262043号公报中，公开了具有自律调整***的恒电压电路的例子，上述自律调整***，经由输出电压检测部和升压电压控制部，将电荷泵电路的输出电压反馈给在这种电荷泵电路中担负升压动作的反相器的电源电压。
另外，在专利文献2——日本特开2000-166220号公报中公开了电源电路的例子，该电源电路，在具有输入升压用时钟信号生成高电压的升压部的电荷泵电路中，具有将升压部的输出电压与预定电压进行比较来生成上述升压用时钟信号的升压控制部。在该例子中，为了任意设定输出电压并将其保持为恒定，在升压控制部中进行升压用时钟信号的供给、停止。
发明内容
不具有蓄电池等电源而由天线接收到的电磁波生成电源来进行动作的非接触电子装置(以下称作“非接触型IC卡”)，在交通、金融等领域正被广泛使用。非接触型IC卡，接收由读写器(reader/writer)(询问器)调制电磁波后发送的数据，进而，对接收到的数据进行信号处理得到发送数据。非接触型IC卡，按照所得到的发送数据，使天线端子间的负载发生变化。结果，由天线接收到的电磁波被发送数据调制，发送数据被发送到读写器。读写器检测所发送的电磁波的反射发生变化，接收发送数据。
另外，由于非接触型IC卡需要具有根据需要保持数据等的功能，因此，安装有EEPROM(电气性可擦写非易失性存储器)等非易失性存储器。
例如，EEPROM在删除或写入数据时使用高电压，因此，需要有从所提供的电源电压生成高电压的电荷泵电路。此时，为了确保EEPROM有充足的数据保持特性，需要将电荷泵电路的输出电压保持在预定电压值。进而，电荷泵电路，为了用从接收电波生成的有限的电源功率进行动作，需要以低功耗进行动作，而且，需要是适合于半导体集成化的电路。
接着，如上所述，在非接触型IC卡中，通过使流到天线的电流产生变化，向读写器(询问器)发送数据。此时，当为了将电源电压保持恒定，如专利文献2所述的那样，通过进行升压用时钟信号的提供、停止等，电荷泵电路反复进行间歇动作时，随着间歇周期电荷泵电路的消耗电流发生变动。
由此，当电荷泵电路的间歇周期处于读写器(询问器)能够检测的频率频带内，且电流变动为读写器能够检测的大小以上时，读写器将电荷泵电路的消耗电流的变动误认为是从非接触型IC卡发送来的数据。
专利文献1的恒压电路具有如下特点：利用反馈(自律调整)使电压保持恒定，因此，能够避免间歇动作，进而，不使用稳压二极管等难以集成化的元件即可。但是，另一方面，由于要从升压电压控制部提供所有逆变器的电源，因此，不得不增大升压电压控制部的驱动能力，故而不能避免功耗变大。
本发明的目的在于，提供具有不使消耗电流间歇地变化就可将输出电压保持在预定电压值的低功耗的电荷泵电路的、半导体集成电路器件及使用该器件的非接触电子装置。
如下所述，简单说明本申请所公开的发明中有代表性的内容的概要。即，本发明的半导体集成电路器件及使用该器件的非接触电子装置包括：电源电路，对从天线传送的交流信号进行整流平滑，生成直流电压；电荷泵电路，以上述电源电路生成的直流电压进行动作；以及电压检测电路，输出对应于上述电荷泵电路的输出电压的电压，上述电荷泵电路，包括通过前级输出端子和后级输入端子互相连接而级联的多个充放电电路，上述多个充放电电路的每一个具有电容，使用上述直流电压对上述电容进行充放电，上述多个充放电电路的每一个具有栅极被输入从上述电压检测电路输出的电压的晶体管，并且，上述多个充放电电路的每一个利用从上述电压检测电路输出的电压来控制流过上述晶体管的电流，从而控制流到上述电容的充放电电流，以使上述电荷泵电路的输出电压保持在预定电压，上述多个充放电电路的每一个在上述电源电路的电源端子之间串联连接反相器电路和MOS晶体管，且将上述电容连接在上述反相器电路的输出端子和上述充放电电路的输出端子之间，并且，将单向元件连接在上述充放电电路的输入端子和输出端子之间，将上述电压检测电路的输出电压输入到上述MOS晶体管的栅极端子。通过使用电压检测电路的输出电压的控制产生反馈，从而能够不间歇动作地使输出电压保持恒定。进而，由电源电路对电容进行充电，根据电压检测电路的输出电压对该充放电电流进行控制，从而能够减轻电压检测电路的负载，能够使电压检测电路为低功耗的电路。
根据本发明，不使电荷泵电路的消耗电流间歇地变化，就能够将电荷泵电路的输出电压保持在预定电压值，能够将功耗抑制得很低。
附图说明
图1是用于说明本发明的半导体集成电路器件和非接触电子装置的实施方式1的框图。
图2是用于说明本发明的非接触电子装置的立体图。
图3是用于说明实施方式1的安装在半导体集成电路器件中的电荷泵电路的一例的电路结构图。
图4是表示图3所示的电荷泵电路的动作波形的一例的图。
图5是用于说明本发明的实施方式2的电荷泵电路的电路结构图。
图6是表示图5所示的电荷泵电路的动作波形的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图所示的实施方式，更详细地说明本发明的半导体集成电路器件和使用该器件的非接触电子装置。
<实施方式1>
图1是表示本发明的半导体集成电路器件和非接触型IC卡(非接触电子装置)的第1实施方式的基本结构的框图。
在图1中，1是非接触型IC卡，2是安装在非接触型IC卡1上的半导体集成电路器件，L1是安装在非接触型IC卡1上的天线。天线L1和并联连接的电容CA构成谐振电路。由于电容CA要考虑寄生电容等进行调整，故而未必连接。半导体集成电路器件2，包括具有电源端子PA和PB的电源电路(PSC)3、内部电路4、以及用于连接天线L1的天线端子LA和LB。
图2表示非接触型IC卡1的结构。非接触型IC卡1，由被树脂模制的印刷电路板10形成卡的形状。接收来自外部读写器13的电磁波的天线L1，由用印刷电路板10的布线形成的螺旋形线圈11形成。另外，虽然没有特别进行限定，但根据公知的半导体集成电路器件的制造技术，半导体集成电路器件2作为IC芯片12形成在单晶硅等那样的1个半导体衬底上。这样，作为半导体集成电路器件2的1个IC芯片12被安装在印刷电路板10上，成为天线L1的线圈11被连接在IC芯片12上。
接收到来自读写器13的电磁波的天线L1，输出高频交流信号到天线端子LA和LB。交流信号在特定期间内通过信息信号(数据)被调制。
本发明典型地适用于作为卡表面不具有与外部连接的输入输出端子的非接触电子装置的非接触型IC卡，当然，本发明可以适用于除非接触接口外还具有用于输入输出的端子的两用(dual type)IC卡。
另外，虽然没有特别进行限定，但根据公知的半导体集成电路器件的制造技术，作为半导体集成电路器件2的IC芯片12形成在单晶硅等那样的1个半导体衬底上。
在图1中，电源电路3由整流电路和平滑电容构成。当然，也可以设置进行控制的调节器功能，使得电源电路3输出的电压VDD不超过预定的电压值。
电源电路3从电源端子PA、PB输出的电压VDD，作为内部电路4的电源电压VDD进行提供。内部电路4包括接收电路(RU)5、发送电路(TU)6、控制部(CTR)7、存储器(MEM)8、以及电荷泵电路(CPC)9。接收电路5，对叠加在由非接触型IC卡1具有的天线L 1接收到的交流信号上的信息信号进行解调，将所得到的作为数字信息信号的接收信号提供给控制部7。
发送电路6，接收从控制部7输出的作为数字信息信号的发送信号，利用该发送信号调制天线L1接收到的交流信号。读写器13，接收来自天线L1的电磁波的反射随上述调制发生变化的情况，接收来自控制部7的发送信号。
存储器8，被用于与控制部7之间进行解调后的信息数据、发送数据的记录等。电荷泵电路9，从电源电压生成负电压或高电压。该生成后的高电压，例如被用于存储器8记录数据等，但使用目的没有特别进行限定。
图3是表示本实施例的安装在半导体集成电路器件的电荷泵电路9的一例的电路结构图。在图3中，电荷泵电路9，由N级电荷泵电路单位单元(充放电电路)15a、15b、15c、15d和单向元件D2构成，从时钟发生电路16向所有电荷泵电路单位单元15的时钟输入端子CLKIN，提供时钟信号CLK或对时钟信号CLK反转后的时钟信号CLKB。
电荷泵电路单位单元15，包括由PMOS(Metal OxideSemiconductor)晶体管M1和NMOS晶体管M2构成的反相器电路、和将控制端子CTRL连接在栅极端子的PMOS晶体管M3.晶体管M3和反相器电路，串联连接在一个电源端子PA和另一个电源端子PB之间.该反相器电路，利用输入到时钟输入端子CLKIN的时钟信号，驱动连接在电荷泵电路单位单元15的电荷输出端子QOUT和反相器电路的输出端子之间的电容C1.在此，从时钟发生电路16向时钟输入端子CLKIN提供时钟信号.另外，在电荷泵电路单位单元15的电荷输入端子QIN和电荷输出端子QOUT之间***单向元件D1.
在图3中，单向元件D1、D2由二极管构成，但不限于此，例如也可以由通过栅极电压控制电路控制栅极电压来进行导通截止动作的MOS晶体管构成。另外，在晶体管M1和晶体管M3的串联连接中，也可以将晶体管M1连接在电源一侧，将晶体管M3连接在晶体管M2一侧。
在电荷泵电路单位单元15的控制端子CTRL，输入由运算放大电路17和电阻R1、R2构成的电压检测电路18的输出信号S1。该输出信号S1，是通过对根据电阻R1和电阻R2对电荷泵电路9的输出端子VPP中的输出电压Vout进行分压后的电压、和基准电压V1进行比较，按照电荷泵电路9的输出电压Vout输出的电压信号。
在时钟输入端子CLKIN为“L”时，晶体管M1导通，晶体管M2截止，因此，电流I1流经晶体管M3、M1，电容C1被充电。此时，经由单向元件D1从电荷输入端子QIN提供电荷。在时钟输入端子CLKIN为“H”时，晶体管M1截止，晶体管M2导通，因此，电流I2流经晶体管M2，蓄积在电容C1的电荷被释放。此时，由于单向元件D1截止，因此，电荷从电荷输出端子QOUT输出到后级的电荷泵电路单位单元。这样，反相器电路和晶体管M3，构成进行将电容C1的一个端子经由晶体管M3连接在电源端子PA、或连接在电源端子PB的开关动作的开关电路。
由于时钟信号被输入到时钟输入端子CLKIN，因此，反复进行上述动作，电荷被持续提供给后级。提供给前级和后级的时钟信号分别是相位互为反相的时钟信号CLK和时钟信号CLKB，因此，前级为充电动作时后级为放电动作，相反，前级为放电动作时后级为充电动作。由此，能够向N级后方对电容C1的电荷进行累加，同时，最终电荷经由单向元件D2被提供到输出端子VPP，由此生成负电压。
另一方面，按照输出端子VPP的电压值，控制信号S1发生变化，因此，该控制信号S1被输入到控制端子CTRL，由此流到晶体管M3的电流发生变化。当输出电压Vout达到预定电压值时，流到晶体管M3的电流被控制得很小。由此，能够抑制蓄积在电容C1的电荷，并能够抑制输出到下一级的电荷。
图4示出了图3所示的电荷泵电路9的动作波形的一个例子。如图4所示，通过将时钟信号CLK提供到电荷泵电路9，反复进行上述动作，输出电压Vout下降。电压检测电路3的输出信号S1输出接地电压电平，直至电荷泵电路的输出电压Vout达到预定电压值为止。由此，电荷泵电路单位单元15的P型晶体管M3为导通状态，电荷泵电路9以最大能力使输出电压下降。
然后，当电荷泵电路9的输出电压Vout达到预定电压值时，电压检测电路18的输出信号S1上升，进行反馈，使得电荷泵电路单位单元15的P型晶体管M3的栅极、源极间电压Vgsp变小.由此，流到晶体管M3的电流减小，对电容C1进行充电的充电电流I1被抑制.结果，从电荷泵电路9经由单向元件D2输出的电荷被抑制，因此，输出电压Vout被保持在预定电压值.
通过以上动作，控制流到电荷泵电路单位单元15的晶体管M3的电流，能够使输出电压Vout保持在预定电压值。由此，电荷泵电路9不会间歇地动作，因此，电荷泵电路9的消耗电流ICP也不会间歇地变动。进而，对晶体管M3的栅极进行电荷泵电路9的输出电压Vout的控制，因此，能够降低运算放大电路17的驱动能力，因而能够对运算放大电路17采用功耗低的电路，能够使电荷泵电路9的功耗降低。
<实施方式2>
图5是表示本实施例的安装在半导体集成电路器件上的电荷泵电路的其他结构的电路结构图。在图5中，电荷泵电路9由N级电荷泵电路单位单元19a、19b、19c、19d和单向元件D4构成，从时钟发生电路16向所有电荷泵电路单位单元19的时钟输入端子CLKIN提供时钟信号CLK、或对时钟信号CLK反转后的时钟信号CLKB。
电荷泵电路单位单元19，包括由PMOS晶体管M4和NMOS晶体管M5构成的反相器电路、和控制端子CTRL连接在栅极端子的NMOS晶体管M6。晶体管M6和反相器电路串联连接在一个电源端子PA和另一个电源端子PB之间。该反相器电路，按照输入到时钟输入端子CLKIN的时钟信号，驱动连接在电荷泵电路单位单元19的电荷输出端子QOUT和反相器电路的输出端子之间的电容C2。在此，从时钟发生电路16向时钟输入端子CLKIN提供时钟信号。另外，在电荷泵电路单位单元19的电荷输入端子QIN和电荷输出端子QOUT之间***单向元件D3。
在图5中，单向元件D3、D4由二极管构成，但不限于此，例如也可以由通过栅极电压控制电路控制栅极电压来进行导通截止动作的MOS晶体管构成。另外，在晶体管M5和晶体管M6的串联连接中，也可以将晶体管M5连接在接地一侧，将晶体管M6连接在晶体管M4一侧。
在电荷泵电路单位单元19的控制端子CTR，输入由运算放大电路20和电阻R3、R4构成的电压检测电路21的输出信号S2。该输出信号S2，是通过对根据电阻R3和电阻R4对电荷泵电路9的输出电压Vout进行分压后的电压、和基准电压V2进行比较，按照电荷泵电路9的输出电压Vout输出的电压信号。
在时钟输入端子CLKIN为“L”时，晶体管M4导通，晶体管M5截止，因此，电流I3流经晶体管M4，对电容C2进行充电。此时，经由单向元件D3从电荷输入端子QIN提供电荷。在时钟输入端子CLKIN为“H”时，晶体管M4截止，晶体管M5导通，因此，电流I4流经晶体管M5和M6，蓄积在电容C2的电荷被释放。此时，由于单向元件D3截止，因此，电荷从电荷输出端子QOUT被输出到后级的电荷泵电路单位单元。这样，反相器电路和晶体管M6，构成进行将电容C2的一个端子连接在电源端子PA、或经由晶体管M6连接在电源端子PB的开关动作的开关电路。
由于将时钟信号输入到时钟输入端子CLKIN，因此，反复进行上述动作，电荷被持续提供给后级。提供给前级和后级的时钟信号分别是相位互为反相的时钟信号CLK和时钟信号CLKB，因此，前级为充电动作时后级为放电动作，相反，前级为放电动作时后级为充电动作。由此，能够向N级后方对电容C2的电荷进行累加，同时，经由单向元件D2将最终电荷提供到输出端子VPP，由此生成负电压。
如上所述，由于控制信号S2按照输出端子VPP的电压值发生变化，因此，该控制信号S2被输入到控制端子CTRL，流到晶体管M6的电流发生变化.当输出电压Vout达到预定电压值时，流到晶体管M6的电流被控制得很小.由此，能够抑制蓄积在电容C2的电荷，并能够抑制输入到下一级的电荷.
图6示出了图5所示的电荷泵电路9的动作波形的一个例子。如图6所示，通过将时钟信号提供给电荷泵电路9，反复进行上述动作，输出电压Vout下降。电压检测电路21的输出信号S2输出电源电压电平，直至电荷泵电路的输出电压Vout达到预定电压值为止。由此，电荷泵电路单位单元19的N型晶体管M6为导通状态，电荷泵电路9以最大能力使输出电压下降。
然后，当电荷泵电路9的输出电压Vout达到预定电压值时，电压检测电路21的输出信号S2下降，进行反馈，使得电荷泵电路单位单元19的N型晶体管M6的栅极、源极间电压Vgsn变小。由此，流到晶体管M6的电流减小，对电容C2进行放电的放电电流I4被抑制。结果，从电荷泵电路9经由单向元件D4输出的电荷被抑制，因此，输出电压Vout被保持在预定电压值。
通过以上动作，控制流到电荷泵电路单位单元19的晶体管M6的电流，能够使输出电压Vout保持在预定电压值。由此，电荷泵电路9不会间歇地动作，因此，电荷泵电路9的消耗电流ICP也不会间歇地变动。进而，对晶体管M6的栅极进行电荷泵电路9的输出电压Vout的控制，因此，能够降低运算放大电路17的驱动能力，因而能够对运算放大电路17采用功耗低的电路，能够使电荷泵电路的功耗降低。
此时，NMOS晶体管比PMOS晶体管流动性大，因此，能够减小控制对电容C2的充电电流的NMOS晶体管M6的晶体管大小，能够缩小芯片面积。
以上，基于实施方式具体地说明了本发明，但本发明不限于上述实施方式，当然在不超出其要点的范围内还可进行各种变更。例如，图3和图5中的电荷泵电路生成负电压，但在生成正电压的电荷泵电路中，也可进行相同的控制。生成正电压的电荷泵电路，例如从接地一侧提供电荷对电容进行充电，在正极电源一侧对持续充电后的电荷进行释放，而此时单向元件截止，电荷被输出到后级的电荷泵电路单位单元。

Claims (8)

1.一种半导体集成电路器件，其特征在于，包括：
电源电路，对从天线传送的交流信号进行整流平滑来生成直流电压；
电荷泵电路，用上述电源电路生成的直流电压进行动作；以及
电压检测电路，输出对应于上述电荷泵电路的输出电压的电压，
上述电荷泵电路包括通过将前级输出端子和后级输入端子互相连接而级联的多个充放电电路，
上述多个充放电电路的每一个具有电容，使用上述直流电压对上述电容进行充放电，
上述多个充放电电路的每一个具有栅极被输入从上述电压检测电路输出的电压的晶体管，并且，上述多个充放电电路的每一个利用从上述电压检测电路输出的电压来控制流过上述晶体管的电流，从而控制流过上述电容的充放电电流，以使上述电荷泵电路的输出电压保持在预定电压，
上述多个充放电电路的每一个，在上述电源电路的电源端子之间串联连接反相器电路和晶体管，且将上述电容连接在上述反相器电路的输出端子和上述充放电电路的输出端子之间，并且，将单向元件连接在上述充放电电路的输入端子和输出端子之间，
将上述电压检测电路的输出电压输入到上述晶体管的栅极端子。
2.根据权利要求1所述的半导体集成电路器件，其特征在于：
将时钟信号输入到上述反相器电路的输入端子，且输入到上述多个充放电电路的相邻的前级和后级的时钟信号，相位互为反相，
上述反相器电路按照上述时钟信号对上述电容进行充放电。
3.一种半导体集成电路器件，其特征在于，包括：
连接在天线上的天线端子；
电源电路，对从上述天线传送到上述天线端子的交流信号进行整流平滑来生成直流电压；
电荷泵电路，用上述电源电路生成的直流电压进行动作；以及
电压检测电路，输出对应于上述电荷泵电路的输出电压的电压，
上述电荷泵电路包括通过将前级输出端子和后级输入端子互相连接而级联的多个充放电电路，
上述多个充放电电路的每一个包括
电容，充电电流从输出上述直流电压的一个电源端子流入，放电电流向另一个电源端子流出；以及
开关电路，按照时钟信号对上述电容进行充放电，
上述多个充放电电路的每一个还包括栅极被输入从上述电压检测电路输出的电压的晶体管，并且，上述多个充放电电路的每一个利用从上述电压检测电路输出的电压来控制流过上述晶体管的电流，从而控制流过上述电容的充放电电流，以使上述电荷泵电路的输出电压保持在预定电压，
上述多个充放电电路的每一个具有连接在充放电电路的输入端子和输出端子之间的单向元件，
上述开关电路包含串联连接在上述电源电路的一个电源端子和另一个电源端子之间的反相器电路和晶体管，
上述电容连接在上述反相器电路的输出端子和上述充放电电路的输出端子之间，
将上述时钟信号输入到上述反相器电路的输入端子，
将上述电压检测电路的输出电压输入到上述晶体管的栅极端子。
4.根据权利要求3所述的半导体集成电路器件，其特征在于：
输入到上述多个充放电电路的相邻的前级和后级的时钟信号，相位互为反相。
5.根据权利要求1或3所述的半导体集成电路器件，其特征在于：
上述单向元件是二极管。
6.根据权利要求1或3所述的半导体集成电路器件，其特征在于：
上述单向元件是MOS晶体管，根据栅极电压控制上述MOS晶体管的导通截止动作。
7.根据权利要求1或3所述的半导体集成电路器件，其特征在于：
上述电压检测电路具有第一电阻、第二电阻以及运算放大电路，
通过上述第一电阻和上述第二电阻，对上述电源电路的输出电压和上述电荷泵电路的输出电压的电位差进行分压，
通过上述运算放大电路对上述分压后的电压和基准电压进行比较，输出对应于电荷泵电路的输出电压的电压。
8.一种非接触电子装置，其特征在于，包括：
基板；
形成在上述基板上的、成为天线的线圈；以及
与上述线圈连接，且安装在上述基板上的权利要求1或3所记载的半导体集成电路器件。
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