JP4163861B2

JP4163861B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4163861B2
Application number: JP2001039390A
Authority: JP
Inventors: 秀一中村; 寛谷川
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP2002244745A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の内部、具体的にはレギュレータの内部に設けられる基準電圧源回路と過熱保護回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置は、その温度が高温になると、最悪の場合には装置を構成する半導体素子が破壊されることも有り得る。具体的に半導体装置としてシリーズレギュレータを想定すると、シリーズレギュレータでは特に、レギュレータ中を流れる電流によって高温になり易いという特徴がある。このためシリーズレギュレータでは高温に対する安全対策のために過熱保護回路が設けられることがある。
過熱保護回路が設けられた従来のシリーズレギュレータの回路構成の一例を図２に示した。
【０００３】
Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＱ１のソース、ドレインをそれぞれ入力端子１と出力端子２に接続し、トランジスタＱ１のゲートをＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＱ２のドレインに接続する。トランジスタＱ２のソースはグランドに接続し、ゲートは差動アンプＯＰ１の出力端子に接続する。出力端子２とグランドとの間に抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列回路を接続し、差動アンプＯＰ１の反転入力端子（−）を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の共通接続点に接続する。一方、差動アンプＯＰ１の非反転入力端子（＋）は基準電圧源回路５ｂの基準電圧発生ポイントに接続する。
【０００４】
さらにトランジスタＱ２のゲートはＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＱ３のドレインに接続する。トランジスタＱ３のソースはグランドに接続し、ゲートは比較器ＯＰ２の出力端子に接続する。比較器ＯＰ２の反転入力端子（−）は温度検出回路６に接続し、非反転入力端子（＋）は抵抗Ｒ３の一端と抵抗Ｒ４の一端の共通接続点に接続する。なお、抵抗Ｒ３の他端は基準電圧回路５ｂに接続し、抵抗Ｒ４の他端はグランドに接続する。ここで、トランジスタＱ１、Ｑ２、差動アンプＯＰ１、抵抗Ｒ１およびＲ２がレギュレータの基幹部分としての出力回路３を構成し、トランジスタＱ３、比較器ＯＰ２、抵抗Ｒ３およびＲ４がレギュレータの安全装置としての過熱保護回路４ｂを構成している。
【０００５】
以上のような構成とした図２の回路では、基準電圧源回路５ｂが温度変化に対して安定度の高い基準電圧信号Ｖ_refを生成し、温度検出回路６が所定の温度特性を有する電圧信号Ｖ_Ｊを生成する。ちなみに近年の温度検出回路では、この所定の温度特性を有する電圧信号Ｖ_Ｊを負の温度特性を有するバイポーラトランジスタのベース、エミッタ間電圧に基づいて生成するものが主流となっている。
ここで、図２の回路の温度がレギュレータが安全に動作を継続できるとされる所定の温度を越え、これにより電圧信号Ｖ_Ｊの電圧値が分圧基準電圧信号Ｖ_drの電圧値よりも低くなったと仮定する。なお、分圧基準電圧信号Ｖ_drは基準電圧信号Ｖ_refを抵抗Ｒ３とＲ４の直列回路において分圧して得たものであり、基準電圧信号Ｖ_refと同様に安定度の高い電圧信号である。
【０００６】
すると比較器ＯＰ２は、２つの入力端子にそれぞれ供給される分圧基準電圧信号Ｖ_drと電圧信号Ｖ_Ｊの相対的な大きさ（Ｖ_dr＞Ｖ_Ｊ）に応じて出力端子の電圧を高くする。トランジスタＱ３は比較器ＯＰ２の出力端子の電圧が高くなることでオン状態となり、トランジスタＱ２のゲート、ソース間を短絡する。その結果、トランジスタＱ２およびトランジスタＱ１はオフ状態となり、電圧信号Ｖ_Ｊの電圧値が分圧基準電圧信号Ｖ_drの電圧値よりも低い状態が続く間、そのオフ状態を維持する。トランジスタＱ１がオフ状態となることで出力電圧をほぼ一定になるように制御する出力回路３の動作は停止する。
【０００７】
通常、レギュレータの温度上昇は、電流がトランジスタＱ１のドレイン、ソース間の電流路を通過する時にトランジスタＱ１が発熱することよって引き起こされる。このため、トランジスタＱ１の電流の流通を停止させれば、レギュレータ内での発熱を抑え、レギュレータの温度を上昇から下降へ転じさせることができる。なお、レギュレータの温度が低下し、電圧信号Ｖ_Ｊの電圧値が分圧基準電圧信号Ｖ_drの電圧値よりも高くなるとトランジスタＱ３はオフ状態となり、出力回路３は動作を再開する。
図２に示すような過熱保護回路を有したレギュレータでは、回路が高温状態になった時、以上のような動作によって半導体装置を高温から保護していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
過熱保護を行うには、通常、基準となる信号と温度に応じて変化する信号の２つの信号が必要になる。
図２の回路構成によるレギュレータでは、基準となる信号として分圧基準電圧信号Ｖ_drを使用し、温度に応じて変化する信号として電圧信号Ｖ_Ｊを使用している。ここで図２の回路は、これら２つの信号をそれぞれ個別に構成された２つの回路、すなわち、基準電圧源回路５ｂ、温度検出回路６より得る構成となっている。このため、図２の構成のレギュレータでは、装置の構成に必要な回路素子の数が増加するという問題があった。
そこで本発明は、回路素子の数を少なくすることができる半導体装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、差動アンプと差動アンプの各入力端子にそれぞれ接続された２つのダイオード機能素子とを有し、基準電圧信号が差動アンプの出力端子より得られ、所定の温度特性を有する電圧信号がダイオード機能素子より得られる基準電圧源回路と、基準電圧源回路から基準電圧信号の供給を受ける制御機能を有する被保護回路と、基準電圧源回路から基準電圧信号と所定の温度特性を有する電圧信号の供給を受け、その２つの電圧信号の相対的な大きさに応じて該被保護回路の動作を停止させる過熱保護回路と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
基準電圧源回路の内部に２つのダイオード機能素子を設け、各ダイオード機能素子において得られる所定の温度特性を有する信号を差動アンプに供給し、安定度の高い基準電圧信号を得る。この基準電圧信号は被保護回路等の各回路に供給する。過熱保護回路には、この基準電圧信号、あるいは基準電圧信号に準じた安定度の高い電圧信号を供給すると同時に、一方のダイオードの機能素子において得られる所定の温度特性を有する信号を供給する。
【００１１】
【実施例】
図１には回路素子数を少なくすることができる本発明による半導体装置の実施例の回路を示した。
Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＱ１のソース、ドレインを、それぞれ入力端子１と出力端子２に接続し、トランジスタＱ１のゲートをＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＱ２のドレインに接続する。トランジスタＱ２のソースはグランドに接続し、ゲートは差動アンプＯＰ１の出力端子に接続する。出力端子２とグランドとの間に抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列回路を接続し、差動アンプＯＰ１の反転入力端子（−）を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の共通接続点に接続する。このトランジスタＱ１、Ｑ２、差動アンプＯＰ１、抵抗Ｒ１およびＲ２によりレギュレータの基幹部分としての出力回路３を構成する。
【００１２】
コレクタ、ベース間が短絡されたＰＮＰ型バイポーラトランジスタからなる２つのトランジスタＱ４とＱ５を設け、各トランジスタＱ４、Ｑ５の各コレクタをグランドに接続する。トランジスタＱ４のエミッタは抵抗Ｒ５を介して電流源ＣＳの出力側端子に接続し、トランジスタＱ５のエミッタは抵抗Ｒ６とＲ７の直列回路を介して電流源ＣＳの出力側端子に接続する。抵抗Ｒ５とトランジスタＱ４のエミッタの接続点を差動アンプＯＰ３の非反転入力端子（＋）に接続し、抵抗Ｒ６とＲ７の共通接続点を差動アンプＯＰ３の反転入力端子（−）に接続する。差動アンプＯＰ３の出力端子は基準電圧の出力ポイントとしての出力回路３の差動アンプＯＰ１の非反転入力端子（＋）に接続する。差動アンプＯＰ３の出力端子はさらに電流源ＣＳの出力側端子に接続し、電流源ＣＳの入力側端子は入力端子１に接続する。このトランジスタＱ４、Ｑ５、抵抗Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、電流源ＣＳおよび差動アンプＯＰ３により基準電圧源回路５ａを構成する。
【００１３】
基準電圧源回路５ａの差動アンプＯＰ３の出力端子とグランドとの間に抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の直列回路を接続し、抵抗Ｒ３とＲ４の共通接続点を比較器ＯＰ２の非反転入力端子（＋）に接続する。比較器ＯＰ２の反転入力端子（−）は基準電圧源回路５ａのトランジスタＱ５のエミッタに接続し、比較器ＯＰ２の出力端子はＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＱ３のゲートに接続する。トランジスタＱ３のドレインは出力回路３のトランジスタＱ２のゲートに接続し、トランジスタＱ３のソースはグランドに接続する。このトランジスタＱ３、比較器ＯＰ２、抵抗Ｒ３およびＲ４が過熱保護回路４ａを構成する。
【００１４】
以上のような構成とした図１の回路では、その過熱保護動作が基準電圧源回路５ａ内の所定位置に現れる２つの電圧信号を利用して行われる。
すなわち、過熱保護回路４ａの比較器ＯＰ２の各入力端子には、分圧基準電圧信号Ｖ_drと温度に応じて変化する電圧信号Ｖ_Ｊが入力される。ここで、分圧基準電圧信号Ｖ_drは基準電圧Ｖ_refを抵抗Ｒ３、Ｒ４の直列回路で分圧して得た電圧であり、基準電圧Ｖ_refと同様に高い安定度を有する。一方、電圧信号Ｖ_ＪはトランジスタＱ５のベース、エミッタ間電圧Ｖ_BE5より得た電圧である。周知のようにバイポーラトランジスタのベース、エミッタ間電圧は温度に応じて変化し、その温度特性は負性となる。従って、トランジスタＱ５のベース、エミッタ間電圧Ｖ_BE5より得た電圧信号Ｖ_Ｊは電圧Ｖ_BE5と同様に負の温度特性を有することになる。
【００１５】
図１の回路の温度が上昇するにつれ、分圧基準電圧信号Ｖ_drの電圧値はほぼ一定であるのに対し、電圧信号Ｖ_Ｊの電圧値は低下する。レギュレータが安全に動作を継続できるとされる所定の温度を越えた時、電圧信号Ｖ_Ｊの電圧値が分圧基準電圧信号Ｖ_drの電圧値よりも低くなる。すると比較器ＯＰ２は、供給された各信号の相対的な大きさ（Ｖ_dr＞Ｖ_Ｊ）に応じて出力端子の電圧を高くする。トランジスタＱ３は比較器ＯＰ２の出力端子の電圧が高くなることでオン状態となり、トランジスタＱ２のゲート、ソース間を短絡する。その結果、トランジスタＱ２およびトランジスタＱ１はオフ状態となり、出力回路３の動作は停止する。そして、回路のこれ以上の温度上昇が防止される。
【００１６】
なお、図１に示す構成とした基準電圧源回路５ａより得られる基準電圧Ｖ_refの特性については以下に説明するとおりである。
基準電圧源回路５ａ中のトランジスタＱ４とトランジスタＱ５は、コレクタ、ベース間が短絡されることによって回路の稼動中は常にオン状態となり、実質的にはダイオードとして機能する。ここで、トランジスタＱ４とトランジスタＱ５の各エミッタサイズが１：Ｎの関係になっているとすると、各トランジスタＱ４、Ｑ５のコレクタ電流Ｉ_４、Ｉ_５は以下の式のように表わされる。
【００１７】
【数１】

【００１８】
【数２】

【００１９】
ここで、Ｉ_Ｓは飽和電流、Ｖ_BE4はトランジスタＱ４のベース、エミッタ間電圧、Ｖ_BE5はトランジスタＱ５のベース、エミッタ間電圧を表わしている。また、Ｖ_Ｔは（ｋＴ／ｑ）で求められる定数であり、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子の電荷量を表わしている。
【００２０】
抵抗Ｒ５とトランジスタＱ４の接続点（Ａ）と抵抗Ｒ６とＲ７の接続点（Ｂ）の電圧は差動アンプＯＰ３のイマジナリショートによってほぼ同電位となるため、次の（３）式が成り立つ。
【００２１】
【数３】

【００２２】
また、差動アンプＯＰ３のイマジナリショートによって抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の端子間電圧がほぼ同じになることから、次の（４）式も成り立つ。
【００２３】
【数４】

【００２４】
ここで、Ｒ_５、Ｒ_６、Ｒ_７は、それぞれ抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ６、抵抗Ｒ７の抵抗値を表わしている。
【００２５】
（１）式、（２）式、（３）式、（４）式の結果をそれぞれに代入し、展開することで次の（５）式が得られる。
【００２６】
【数５】

【００２７】
差動アンプＯＰ３の出力端子の位置に現れる基準電圧Ｖ_refは、図１の基準電圧源回路５aの構成上、トランジスタＱ４のベース、エミッタ間電圧Ｖ_BE4と抵抗Ｒ５の端子間電圧（Ｉ_４・Ｒ_５）の和に等しい。従って基準電圧Ｖ_refは（６）式のように表わされる。
【００２８】
【数６】

【００２９】
ここで、温度を変数として（６）式の両辺を微分すると（７）式のようになる。
【００３０】
【数７】

【００３１】
図２の回路の抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の抵抗値を同じにすると（７）式の右辺第２項が簡略化され、（８）式のようになる。
【００３２】
【数８】

【００３３】
前にも述べたように、トランジスタ素子のベース、エミッタ間電圧は温度に応じて変化し、その温度特性は負性を示す。このため（８）式の右辺第１項の極性は負となる。一方、（８）式の右辺第２項の極性は正になるため、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７の各抵抗値Ｒ_６、Ｒ_７と、トランジスタＱ４とトランジスタＱ５のエミッタサイズの比率Ｎを適切な値に設定することにより、（８）式の右辺の値を零にすることができる。すなわち、回路素子の条件の設定次第で、基準電圧Ｖ_refを温度変化に対して高い安定度を有する電圧信号とすることが可能となる。
【００３４】
ところで、従来の基準電圧源回路としては、図３に示すような回路構成を有し、半導体のバンドギャップを利用して安定度の高い基準電圧を得るバンドギャップリファレンス回路（以下、ＢＧＲ回路とする）が知られている。特開平５−２４４７１８号公報には、このＢＧＲ回路の応用回路から基準電圧と温度に応じて変化する電圧の２つの電圧信号を同時に得る技術が開示されている。この特開平５−２４４７１８号公報に開示された回路によれば、温度検出回路が不要であるため、レギュレータの回路素子の数を少なくすることができる。しかし、このＢＧＲ回路を構成するにはＰＮＰ型とＮＰＮ型の双方のバイポーラトランジスタを形成しなければならず、そのＢＧＲ回路を含む半導体装置の製造はバイポーラプロセスによって行わなければならない。
【００３５】
回路の主要部分がＣＭＯＳトランジスタで構成される半導体装置を製造する場合には、当然、ＣＭＯＳプロセスが使用される。ところが、このＣＭＯＳプロセスではバイポーラプロセスにおけるベース拡散処理工程のような工程が存在しない。このためＣＭＯＳプロセスでは、半導体基板をコレクタとし、半導体基板中のウェル層をベースとしたＰＮＰ型、あるいは半導体基板をエミッタとし、半導体基板中のウェル層をベースとしたＮＰＮ型のどちらか一方のサブストレート型バイポーラトランジスタしか、主たるＣＭＯＳトランジスタと一緒に形成できない。このことから、ＰＮＰ型とＮＰＮ型の双方のバイポーラトランジスタの同時形成が必要である特開平５−２４４７１８号公報に開示された回路はＣＭＯＳプロセスで製造される半導体装置に対しては適用できない。
【００３６】
本発明を適用した図１の回路では、一つの基準電圧源回路５aから安定度の高い基準電圧Ｖ_refと温度に応じて変化する電圧信号Ｖ_Ｊの２つの電圧信号が同時に得られる。独立した温度検出回路を設ける必要が無いため、レギュレータを構成するための回路素子の数を少なくすることができる。
さらに、本発明を適用した図１の回路では、その回路構成を見て分かるように基準電圧源回路５aはＰＮＰ型とＮＰＮ型のバイポーラトランジスタを同時に必要としない。このため、本発明を適用すればレギュレータをＣＭＯＳプロセスで製造することができるという付帯的な効果を得ることもできる。
【００３７】
なお、以上の説明では本発明を適用する半導体装置としてシリーズレギュレータを想定した。しかし本発明は、シリーズレギュレータのみならず、被保護回路と基準電圧源回路と過熱保護回路とを有する半導体装置に広く適用することができる。
また、図１の基準電圧源回路５ａでは、トランジスタＱ４、Ｑ５はコレクタ、ベース間を短絡したＰＮＰ型バイポーラトランジスタとなっている。このトランジスタＱ４、Ｑ５はコレクタ、ベース間を短絡したＮＰＮ型バイポーラトランジスタでも良く、一つ以上のＰＮ接合を有するダイオード機能素子であれば様々な形態の素子がトランジスタＱ４、Ｑ５に代えて使用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明による半導体装置は、被保護回路に対して基準電圧を供給するための基準電圧源回路から、安定度の高い基準電圧信号と温度に応じて変化する電圧信号を同時に得て、その２つの電圧信号を過熱保護回路に供給する。ここで基準電圧源回路の構成を、２つのダイオード機能素子が有する所定の温度特性を利用して安定度の高い基準電圧信号を得る一方で、ダイオード機能素子が有する所定の温度特性を利用して温度に応じて変化する電圧信号も得る構成にすることを特徴としている。
【００３９】
このような構成とすると、一つの基準電圧源回路から２つの電圧信号が得られることから、独立した温度検出回路を設ける必要が無くなる。また、ＰＮＰ型とＮＰＮ型のバイポーラトランジスタを同時に必要としないため、ＣＭＯＳプロセスで製造することが可能となる。
従って、本発明によれば、装置を構成するのに必要な回路素子の数が少なく、ＣＭＯＳプロセスによって製造する場合に有利な半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体装置（シリーズレギュレータ）の実施例の回路図。
【図２】過熱保護回路を有した従来のシリーズレギュレータの一例の回路図。
【図３】半導体のバンドギャップ電圧を利用した従来の基準電圧源回路の一例の回路図
【符号の説明】
１：入力端子２：出力端子３：出力回路４ａ、４ｂ：過熱保護回路５ａ、５ｂ：基準電圧源回路６：温度検出回路ＣＳ：電流源ＯＰ１、ＯＰ３：差動アンプＯＰ２：比較器Ｑ１〜Ｑ３：トランジスタＱ４、Ｑ５：ダイオード機能素子としてのトランジスタＲ１〜Ｒ７：抵抗Ｖ_dr:分圧基準電圧信号Ｖ_Ｊ：温度に応じて変化する電圧信号Ｖ_ref：基準電圧

Claims

差動アンプと、該差動アンプの各入力端子にそれぞれ接続された２つのダイオード機能素子とを有し、基準電圧信号が該差動アンプの出力端子より得られ、所定の温度特性を有する電圧信号が該ダイオード機能素子より得られる基準電圧源回路と、
該基準電圧源回路から該基準電圧信号の供給を受ける、制御機能を有する被保護回路と、
該基準電圧源回路から該基準電圧信号と該所定の温度特性を有する電圧信号の供給を受け、その２つの電圧信号の相対的な大きさに応じて該被保護回路の動作を停止させる過熱保護回路と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
前記ダイオード機能素子がサブストレート型バイポーラトランジスタにより形成されることを特徴とする、請求項１に記載した半導体装置。
前記半導体装置がＣＭＯＳプロセスによって製造されるレギュレータであることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載した半導体装置。