JP4380846B2 - Booster - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は電源の高圧側よりも高い昇圧電圧を生成して出力する昇圧装置に係り、特に、半導体集積回路の動作可能な最低電圧の低電圧化を図る際にその低電圧化に伴って生じるトランスミッションゲートのドライブ能力低下などを防止するために好適に利用することができる昇圧装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図4は従来の昇圧装置の構成を示す回路図である。図において、33は充電電源、34はチャージアップ用コンデンサ、35は保持用コンデンサ、36は基準電源、37および38はチャージアップ用コンデンサ34の両端子を充電電源33あるいは保持用コンデンサ35に交互に接続する一対のスイッチング素子、39はこの一対のスイッチング素子37,38の動作を制御する制御回路、40は出力端子である。
【0003】
次に動作について説明する。
制御回路39は、まずチャージアップ用コンデンサ34の両端子を充電電源33に接続するように一対のスイッチング素子37,38を制御し、このチャージアップ用コンデンサ34を当該充電電源33の電圧まで充電する。次に制御回路39はチャージアップ用コンデンサ34の両端子を保持用コンデンサ35に接続するように一対のスイッチング素子37,38を制御し、これにより保持用コンデンサ35をチャージアップ用コンデンサ34と同一の電圧にまで充電する。そして、この一対のスイッチング素子37,38の切替動作を所定の周期で繰り返すことで、保持用コンデンサ35の充電電圧は、単位時間当たりに保持用コンデンサ35に供給される増加電荷量と、出力端子40や自然放電などによる減少電荷量とがつりあう電圧レベルに維持される。その結果、出力端子40からはこの保持用コンデンサ35の当該充電電圧と基準電源36の電圧とを加算したレベルの昇圧電圧が出力されることになる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の昇圧装置は以上のように構成されているので、半導体集積回路の最低電源電圧の低電圧化を図る際にその低電圧化に伴って生じるトランスミッションゲートのドライブ能力低下を防止するために利用しようとした場合、以下に示すような課題などがあった。
【0005】
第一に、上記従来の昇圧装置において当該半導体集積回路の電源を充電電源33や基準電源36として利用した場合、このような半導体集積回路の電源としては上記最低電源電圧から最大電源電圧までの使用可能電源電圧範囲の電圧が供給されるものであり、上記昇圧装置はこの最大電源電圧の2倍の電圧を出力することもありえる。そして、このような出力電圧をトランスミッションゲートを構成するトランジスタに供給した場合、当該トランジスタの耐圧不足などの問題が生じてしまうことになる。従って、上記従来の昇圧装置を利用してトランスミッションゲートのドライブ能力低下を防止しようとした場合、上記半導体集積回路の電源とは別の外部電源を用いてチャージアップ用コンデンサ34を充電するように構成することが一般的に行われ、その結果、半導体集積回路に対してこの外部電源を接続するための外部接続端子などか必要となり、使用部品数増加や外部接続端子数の増加などの問題が生じる。
【0006】
第二に、従来の昇圧装置では、充電電源33の電圧がそのままにチャージアップ用コンデンサ34に蓄積され、これを基準電源36の電圧に加算して昇圧電圧を生成する構成となっているので、昇圧電圧はこれら2つの電源電圧の2倍の電圧変動を生じ、昇圧電圧は電源電圧変動に対して弱いものとなってしまう。そのため、このような電源電圧変動にかかわらずトランスミッションゲートのドライブ能力の低下を防止するためには、その変動にかかわらず出力電圧が不足しないように設計する必要があり、その分、昇圧電圧の電圧マージンを多く確保する必要があって上記トランスミッションゲートのトランジスタにおける耐圧不足などの問題は更に厳しいものとなってしまう。
【0007】
第三に、上述したように従来の昇圧装置では半導体集積回路の電源とは別の外部電源にてチャージアップ用コンデンサ34を充電することになるので、そのチャージアップ用コンデンサ34などに要求される耐圧などのスペックを特定することができない。従って、従来においてはこのチャージポンプとして用いられるチャージアップ用コンデンサ34も併せて外付けとすることが一般的であり、その分更に、使用部品数増加や外部接続端子数の増加などの問題が生じてしまう。
【0008】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、半導体集積回路内の素子を用いて構成しつつも適切な電圧範囲内の昇圧電圧を生成することができ、その結果、外付け部品数や外部接続端子数を削減し、しかも、出力電圧が供給されるトランスミッションゲートなどにおいてトランジスタの耐圧不足の問題を生ずることが無い昇圧装置を得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る昇圧装置は、コンデンサに蓄積した蓄積電圧を用いて電源電圧よりも電圧が大きい昇圧電圧を出力端子から出力する昇圧装置において、このコンデンサの両端子を電源に接続して充電する充電手段と、充電後のコンデンサの両端子を電気的に接続して放電させる放電手段と、放電後のコンデンサの低圧側端子を上記電源に接続するとともに、高圧側端子を出力端子に接続する出力手段とを備えるものである。
【0010】
この発明に係る昇圧装置は、コンデンサと、上記コンデンサの一方の端子を電源の高圧側に接続する第1トランジスタと、上記コンデンサの他方の端子を電源の低圧側に接続する第2トランジスタと、1乃至複数の直列接続されたダイオードおよびその最上段のダイオードのアノードを上記電源の高圧側に接続する第3トランジスタを備え、最下段のダイオードのカソードが上記コンデンサの他方の端子に接続されたダイオードユニットと、上記コンデンサの他方の端子を電源の高圧側に接続する第4トランジスタと、出力端子と、上記コンデンサの一方の端子と当該出力端子とを接続する第5トランジスタと、最初に第1トランジスタおよび第2トランジスタをオン動作させ、次に第1トランジスタおよび第3トランジスタをオン動作させ、最後に第4トランジスタおよび第5トランジスタをオン動作させる制御回路とを備えるものである。
【0011】
この発明に係る昇圧装置は、ダイオードユニットは最下段のダイオード以外のダイオードのアノードを電源の高圧側に接続する第6トランジスタを備え、制御回路が、出力電圧に応じて第3トランジスタおよび当該第6トランジスタのうちの一方を選択してオン動作させるものである。
【0012】
この発明に係る昇圧装置は、第1トランジスタのバックゲートを電源の高圧側に接続する第1バックゲートトランジスタと、第5トランジスタのバックゲートを電源の高圧側に接続する第2バックゲートトランジスタとを設け、制御回路が、第4トランジスタおよび第5トランジスタをオン動作させる場合には当該第1バックゲートトランジスタおよび第2バックゲートトランジスタをオフ動作させるものである。
【0013】
この発明に係る昇圧装置は、出力端子を電源の高圧側に接続する第7トランジスタと、当該出力端子を電源の低圧側に接続する第8トランジスタとを設け、制御回路が、第5トランジスタをオン動作させない場合には、当該第7トランジスタあるいは第8トランジスタをオン動作させるものである。
【0014】
この発明に係る昇圧装置は、第7トランジスタのバックゲートを電源の高圧側に接続する第3バックゲートトランジスタを設け、制御回路が、第4トランジスタおよび第5トランジスタをオン動作させる場合には当該第3バックゲートトランジスタをオフ動作させるものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による昇圧装置の構成を示す回路図である。同回路はMOS構造のトランジスタを集積化した半導体集積回路の一部として構成されるものである。図において、1は半導体集積回路の図示外の電源の高圧側に接続される高圧側電源ライン、2は当該電源の低圧側に接続されるグランドライン、3は一般的に上記高圧側電源ライン1と接続される昇圧基準電圧ライン、4はコンデンサ、5はコンデンサ4の一方の端子Aと昇圧基準電圧ライン3とを接続するPchMOSトランジスタ(第1トランジスタ、充電手段、放電手段)、6はコンデンサ4の他方の端子Bと低圧側電源ライン2とを接続するNchMOSトランジスタ(第2トランジスタ、充電手段)、7はカソードがコンデンサ4の他方の端子Bに接続されたダイオード(ダイオード、放電手段)、8はこのダイオード7のアノードにカソードが接続されたダイオード(ダイオード、放電手段)、9はダイオード8のアノードと昇圧基準電圧ライン3とを接続するPchMOSトランジスタ(第3トランジスタ、放電手段)、10はダイオード7のアノードと昇圧基準電圧ライン3とを接続するPchMOSトランジスタ(第6トランジスタ、放電手段)、11は昇圧基準電圧ライン3とコンデンサ4の他方の端子Bとを接続するPchMOSトランジスタ(第4トランジスタ、出力手段)、12は出力端子、13はコンデンサ4の一方の端子Aと出力端子12とを接続するPchMOSトランジスタ(第5トランジスタ、出力手段)である。
【0016】
14は出力端子12と高圧側電源ライン1とを接続するPchMOSトランジスタ(第7トランジスタ)、15は出力端子12とグランドライン2とを接続するNchMOSトランジスタ(第8トランジスタ)である。
【0017】
16はPchMOSトランジスタ5のバックゲートと昇圧基準電圧ライン3との間に配設されたPchMOSトランジスタ(第1バックゲートトランジスタ)、17はPchMOSトランジスタ13のバックゲートと高圧側電源ライン1との間に配設されたPchMOSトランジスタ(第2バックゲートトランジスタ)、18はPchMOSトランジスタ14のバックゲートと高圧側電源ライン1との間に配設されたPchMOSトランジスタ(第3バックゲートトランジスタ)である。
【0018】
また、19はこれら11個のMOSトランジスタ5,6,9,・・・,11,13,・・・,18のゲート電圧を制御する制御回路である。
【0019】
図2はこの発明の実施の形態1による半導体集積回路のPchMOSトランジスタの構造および電気的な接続関係を示す断面図である。同図(a)は通常のPchMOSトランジスタ、同図(b)は上記PchMOSトランジスタ5、PchMOSトランジスタ13およびPchMOSトランジスタ14である。これらの図において、20はP(−)半導体基板、21はこのP(−)半導体基板20内に形成されてバックゲートとなるN(−)ウェル(バックゲート)、22はこのN(−)ウェル21内に形成されたP(+)半導体層、23はこのN(−)ウェル21内においてP(+)半導体層22とは離間して形成されたP(+)半導体層、24はP(+)半導体層22とP(+)半導体層23との間においてP(−)半導体基板20上に積層されたゲート絶縁層、25はこのゲート絶縁層24上に積層されたゲート電極、26はP(+)半導体層22上に積層されたソース電極、27はP(+)半導体層23上に積層されたドレイン電極、28はN(−)ウェル21と高圧側電源ライン1とを接続するバックゲートトランジスタである。なお、P(−)半導体基板20はグランドレベルに接地され、一般的なPchMOSトランジスタにおいてはN(−)ウェル21は直接高圧側電源ラインに接続されている。
【0020】
そして、同図(b)では、バックゲートトランジスタ28がオン状態にあれば、通常のPchMOSトランジスタと同様にN(−)ウェル21が高圧側電源ライン1に接続されるので、ゲート電極25への印加電圧に応じてP(+)半導体層22とP(+)半導体層23との間に反転領域が形成されてソース電極26とドレイン電極27との間に電流が流れる。
【0021】
次に動作について説明する。
バックゲートトランジスタ28として設けられたPchMOSトランジスタ16、PchMOSトランジスタ17およびPchMOSトランジスタ18をオン状態に制御して、PchMOSトランジスタ5、PchMOSトランジスタ13およびPchMOSトランジスタ14を通常のPchMOSトランジスタと同様に動作可能な状態に設定した上で、制御回路19は、まず最初に、PchMOSトランジスタ5およびNchMOSトランジスタ6をオン動作させる。これにより、コンデンサ4の両端には昇圧基準電圧ライン3の電圧とグランドライン2の電圧とが印加され、コンデンサ4は上記一方の端子A側がプラス側となるように当該電圧差まで充電される(以上、充電処理)。
【0022】
次に、制御回路19は、NchMOSトランジスタ6をオフ動作するとともに、PchMOSトランジスタ9あるいはPchMOSトランジスタ10のいずれか一方をオン動作させる。PchMOSトランジスタ9をオン動作させた場合には、昇圧基準電圧ライン3とコンデンサ4の他方の端子Bとの間には2つのダイオード7,8が直列に接続された接続状態が形成されるので、コンデンサ4の充電電圧はこの2つのダイオード7,8の閾値の和の電圧にまで低下する。また、PchMOSトランジスタ10をオン動作させた場合には、昇圧基準電圧ライン3とコンデンサ4の他方の端子Bとの間に1つのダイオード7が直列に接続された接続状態が形成されるので、コンデンサ4の充電電圧はこの1つのダイオード7の閾値の電圧にまで低下する(以上、放電処理)。
【0023】
最後に、制御回路19は、PchMOSトランジスタ5、PchMOSトランジスタ9、PchMOSトランジスタ10をオフ動作するとともに、PchMOSトランジスタ11およびPchMOSトランジスタ13をオン動作させる。これにより、上記ダイオード7,8の閾値の整数倍(ここでは1倍あるいは2倍)の電圧に充電されたコンデンサ4は、その低圧側端子Bが昇圧基準電源ライン3に接続されるとともに、高圧側端子Aが出力端子12に接続され、昇圧基準電源ライン3の電圧にコンデンサ4の当該充電電圧を加算した電圧が出力端子12に印加される。
【0024】
また、この時、制御回路19はPchMOSトランジスタ16、PchMOSトランジスタ17およびPchMOSトランジスタ18をオフ動作させる。これによりPchMOSトランジスタ5、PchMOSトランジスタ13およびPchMOSトランジスタ14のバックゲート(N(−)ウェル21)の電圧よりも上記出力端子12の電圧の方が電圧が高い状態となってしまっているが、このバックゲート(N(−)ウェル21)を電気的に絶縁された状態とすることができ、これらのトランジスタ5,13,14においてゲート電極25からバックゲート(N(−)ウェル21)に対して電流が流れてしまうことはない(以上、出力処理)。
【0025】
なお、制御回路19は、PchMOSトランジスタ14をオン動作させて出力端子12から高圧側電源ライン1の電圧を出力させたり、NchMOSトランジスタ15をオン動作させて出力端子12からグランドライン2の電圧を出力させることもでき、これら3種類の電圧を切り替えて出力端子12に接続された各種の制御を実施することができる。
【0026】
図3はこのような昇圧装置を好適に適用することができるトランスミッションゲートの構成を示す回路図である。図において、29はNchMOSトランジスタ、30はNchMOSトランジスタ29とソースおよびドレイン同士が接続されるPchMOSトランジスタ、31は当該ソースが接続される入出力端子、32は上記ドレインが接続される入出力端子である。
【0027】
例えば十分な電源電圧が確保できる場合には、高圧側電源ライン1の電圧とグランドライン2の電圧との間で電圧を切り替えてこれら2つのトランジスタ29,30のゲート電圧を入れ替えることで、入出力端子31,32の電圧がどのような電圧であったとしても少なくとも一方のトランジスタ29,30を完全にオン動作させて一方から他方へ電圧を伝達させることができる。
【0028】
また、十分な電圧が確保できないような場合であっても、昇圧基準電源ライン2の電圧に当該コンデンサ4の充電電圧を加算した昇圧電圧とグランドライン3の電圧との間で電圧を切り替えてこれら2つのトランジスタ29,30のゲート電圧を入れ替えることで、入出力端子31,32の電圧がどのような電圧であったとしても少なくとも一方のトランジスタ29,30を完全にオン動作させて一方から他方へ電圧を伝達させることができる。
【0029】
なお、コンデンサ4の充電電圧はダイオード2つ分以下の電圧に制限されているので、トランスミッションゲートのトランジスタ29,30などにおいて耐圧不足などを生ずる電圧レベルは従来のものよりも格段に高い電圧とすることができ、その分許容される電源電圧範囲を拡大することができ、半導体集積回路の許容電源電圧範囲としても十分な範囲を確保することができる。
【0030】
以上のように、昇圧装置を用いない半導体集積回路では、トランスミッションゲートの制御に必要な電圧を確保できる範囲内でしか最低電源電圧の低減化を図ることができなかったが、この実施の形態1によれば、このような回路に制限されること無く最低電源電圧の低減化を図ることができ、従来にない低電圧駆動の半導体集積回路を実現すことができる効果が得られる。
【0031】
しかも、コンデンサ4に充電される充電電圧はその充電に用いる電源電圧にかかわらずダイオード7,8の閾値2つ分に制限しているので、半導体集積回路の電源を用いてコンデンサ4を充電しているにもかかわらず安定した昇圧電圧を発生させることができる。しかも、半導体集積回路の電源を用いることができるので、コンデンサ4のスペックを特定することもでき、このコンデンサ4をスイッチング用のトランジスタ5,6,9,・・・,11,13などとともに半導体集積回路内に配設し、使用部品数や外部接続端子数を大幅に削減することができる効果が得られる。
【0032】
次に、コンデンサ4の充電電圧を一定の電圧にするためにダイオード7,8を用いているので、昇圧電圧は電源の電圧変動の影響を受け難くなり、その分、出力電圧の電圧マージンを減らしてより一層、上記耐圧不足などを生じにくくして使用可能電源電圧範囲を確保することができる効果が得られる。
【0033】
更に、ダイオード7,8の段数を切り替えることで昇圧電圧の大きさを切り替えることができるので、電源の高電圧時におけるトランスミッションゲートの耐圧不足が生じることなどを抑制しつつ、電源の低電圧時のトランスミッションゲートのドライブ能力低下を防止することができ、利用可能な電源電圧範囲を更に拡大することができる効果が得られる。
【0034】
最後に、PchMOSトランジスタ5、PchMOSトランジスタ13およびPchMOSトランジスタ14のバックゲートと昇圧基準電源ライン3や高圧側電源ライン1との間にバックゲートトランジスタ16,・・・,18を設け、制御回路19は、PchMOSトランジスタ11およびPchMOSトランジスタ13をオン動作させる場合には当該バックゲートトランジスタ16,・・・,18をオフ動作させるので、昇圧電圧が高圧側電源ライン1よりも高く、これらのトランジスタ5,13,14のドレイン−バックゲート間の寄生ダイオードの閾値を超えている場合であっても、そのドレイン−バックゲート間に電流が逆に流れてしまうことを防止することができ、ひいてはこのような半導体集積回路内の充電電荷量が小さいコンデンサ4を用いつつも、トランスミッションゲートの各トランジスタ29,30に対して安定したゲート電圧を供給することができる効果が得られる。
【0035】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、コンデンサに蓄積した蓄積電圧を用いて電源電圧よりも電圧が大きい昇圧電圧を出力端子から出力する昇圧装置において、このコンデンサの両端子を電源に接続して充電する充電手段と、充電後のコンデンサの両端子を電気的に接続して放電させる放電手段と、放電後のコンデンサの低圧側端子を上記電源に接続するとともに、高圧側端子を出力端子に接続する出力手段とを備えるので、コンデンサの蓄積電圧を放電により低下させ、これを用いて昇圧電圧を出力することができる。
【0036】
従って、電源電圧が高い場合にこの昇圧電圧をトランスミッションゲートの各トランジスタに供給したとしても、その耐圧不足が生じてしまうことはなく、しかも、電源電圧が低い場合にはその不足分をコンデンサの蓄積電圧で補ってトランスミッションゲートのドライブ能力低下を防止することができる効果がある。
【0037】
また、このように電源電圧にかかわらず昇圧電圧を設定することができるので、電源として半導体集積回路用のIC電源を用いつつ所望の電圧をコンデンサに充電することができ、外部電源を接続するための外部接続端子を削減することができる効果がある。これと同時に、半導体集積回路用のIC電源を用いるようにした場合、コンデンサに必要な耐圧などの基本的なスペックを特定することができるので、このチャージポンプ用のコンデンサをも半導体集積回路内で形成して、その分更に、外付け部品数や外部接続端子数を削減することができる効果がある。
【0038】
この発明によれば、コンデンサと、上記コンデンサの一方の端子を電源の高圧側に接続する第1トランジスタと、上記コンデンサの他方の端子を電源の低圧側に接続する第2トランジスタと、1乃至複数の直列接続されたダイオードおよびその最上段のダイオードのアノードを上記電源の高圧側に接続する第3トランジスタを備え、最下段のダイオードのカソードが上記コンデンサの他方の端子に接続されたダイオードユニットと、上記コンデンサの他方の端子を電源の高圧側に接続する第4トランジスタと、出力端子と、上記コンデンサの一方の端子と当該出力端子とを接続する第5トランジスタと、最初に第1トランジスタおよび第2トランジスタをオン動作させ、次に第1トランジスタおよび第3トランジスタをオン動作させ、最後に第4トランジスタおよび第5トランジスタをオン動作させる制御回路とを備えるので、上記ダイオードユニットによりコンデンサの蓄積電圧を略一定の電圧にまで放電し、これを用いて昇圧電圧を出力することができる。
【0039】
従って、電源電圧が高い場合にこの昇圧電圧をトランスミッションゲートの各トランジスタに供給したとしても、その耐圧不足が生じてしまうことはなく、しかも、電源電圧が低い場合にはその不足分をコンデンサの蓄積電圧で補ってトランスミッションゲートのドライブ能力低下を防止することができる効果がある。特に、1乃至複数の直列接続されたダイオードでコンデンサの充電電圧を安定化させているので、昇圧電圧は電源の電圧変動の影響を受け難く、その分、この変動マージンを削減してより一層の低電圧化、電源許容範囲の拡大などの効果がある。
【0040】
また、このように電源電圧にかかわらず昇圧電圧を設定することができるので、電源として半導体集積回路用のIC電源を用いつつ所望の電圧をコンデンサに充電することができ、外部電源を接続するための外部接続端子を削減することができる効果がある。これと同時に、半導体集積回路用のIC電源を用いるようにした場合、コンデンサに必要な耐圧などの基本的なスペックを特定することができるので、このチャージポンプ用のコンデンサをも半導体集積回路内で形成して、その分更に、外付け部品数や外部接続端子数を削減することができる効果がある。
【0041】
この発明によれば、ダイオードユニットは最下段のダイオード以外のダイオードのアノードを電源の高圧側に接続する第6トランジスタを備え、制御回路が、出力電圧に応じて第3トランジスタおよび当該第6トランジスタのうちの一方を選択してオン動作させるので、例えば半導体集積回路の電源電圧が高い場合には第6トランジスタをオン動作させて昇圧電圧を抑え、逆に半導体集積回路の電源電圧が低い場合には第3トランジスタをオン動作させて昇圧電圧を拡大し、これによりトランスミッションゲートにおけるトランジスタの耐圧不足を防止しつつ、低電圧時におけるトランスミッションゲートのドライブ能力低下を防止することができ、より一層の電源電圧許容範囲を拡大することができる効果がある。
【0042】
この発明によれば、第1トランジスタのバックゲートを電源の高圧側に接続する第1バックゲートトランジスタと、第5トランジスタのバックゲートを電源の高圧側に接続する第2バックゲートトランジスタとを設け、制御回路が、第4トランジスタおよび第5トランジスタをオン動作させる場合には当該第1バックゲートトランジスタおよび第2バックゲートトランジスタをオフ動作させるので、出力端子に電源の高圧側よりも高い電圧が印加するように構成しているにもかかわらず、これらのトランジスタのドレイン−バックゲート間に電流が流れてしまうことを防止することができる。従って、コンデンサとして半導体集積回路内の容量が小さいものを使用したとしても、出力電圧を安定化させることができる効果がある。
【0043】
この発明によれば、出力端子を電源の高圧側に接続する第7トランジスタと、当該出力端子を電源の低圧側に接続する第8トランジスタとを設け、制御回路が、第5トランジスタをオン動作させない場合には、当該第7トランジスタあるいは第8トランジスタをオン動作させるので、昇圧された電圧以外の電圧をも出力することができ、これによりトランスミッションゲートに用いるトランジスタなどを確実にオン/オフ動作させることができる効果がある。
【0044】
この発明によれば、第7トランジスタのバックゲートを電源の高圧側に接続する第3バックゲートトランジスタを設け、制御回路が、第4トランジスタおよび第5トランジスタをオン動作させる場合には当該第3バックゲートトランジスタをオフ動作させるので、出力端子に電源の高圧側よりも高い電圧が印加するように構成しているにもかかわらず、これらのトランジスタのドレイン−バックゲート間に電流が流れてしまうことを防止することができる。従って、コンデンサとして半導体集積回路内の容量が小さいものを使用したとしても、出力電圧を安定化させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による昇圧装置の構成を示す回路図である。
【図2】 この発明の実施の形態1による半導体集積回路のPchMOSトランジスタの構造および電気的な接続関係を示す断面図である。
【図3】 このような昇圧装置を好適に適用することができるトランスミッションゲートの構成を示す回路図である。
【図4】 従来の昇圧装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
1 高圧側電源ライン、2 グランドライン、3 昇圧基準電圧ライン、4 コンデンサ、5 PchMOSトランジスタ(第1トランジスタ、充電手段、放電手段)、6 NchMOSトランジスタ(第2トランジスタ、充電手段)、7ダイオード(ダイオード、放電手段)、8 ダイオード(ダイオード、放電手段)、9 PchMOSトランジスタ(第3トランジスタ、放電手段)、10 PchMOSトランジスタ(第6トランジスタ、放電手段)、11 PchMOSトランジスタ(第4トランジスタ、出力手段)、12 出力端子、13 PchMOSトランジスタ(第5トランジスタ、出力手段)、14 PchMOSトランジスタ(第7トランジスタ)、15 NchMOSトランジスタ(第8トランジスタ)、16 PchMOSトランジスタ(第1バックゲートトランジスタ)、17 PchMOSトランジスタ(第2バックゲートトランジスタ)、18PchMOSトランジスタ(第3バックゲートトランジスタ)、19 制御回路、20 P(−)半導体基板、21 N(−)ウェル(バックゲート)、22P(+)半導体層、23 P(+)半導体層、24 ゲート絶縁層、25 ゲート電極、26 ソース電極、27 ドレイン電極、28 バックゲートトランジスタ、29 NchMOSトランジスタ、30 PchMOSトランジスタ、31 入出力端子、32 入出力端子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a boosting device that generates and outputs a boosted voltage higher than that of a high-voltage side of a power supply, and particularly occurs when the minimum voltage at which a semiconductor integrated circuit can operate is lowered. The present invention relates to a booster that can be suitably used to prevent a reduction in drive capability of a transmission gate.
[0002]
[Prior art]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional booster. In the figure, 33 is a charging power source, 34 is a charging capacitor, 35 is a holding capacitor, 36 is a reference power source, and 37 and 38 are both terminals of the
[0003]
Next, the operation will be described.
First, the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional booster is configured as described above, it is used to prevent the drive capability of the transmission gate from being lowered when the minimum power supply voltage of the semiconductor integrated circuit is lowered. When trying to do so, there were the following problems.
[0005]
First, when the power source of the semiconductor integrated circuit is used as the charging power source 33 or the
[0006]
Secondly, in the conventional boosting device, the voltage of the charging power supply 33 is stored in the charge-
[0007]
Thirdly, as described above, in the conventional boosting device, the charge-
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and can generate a boosted voltage within an appropriate voltage range while being configured using elements in a semiconductor integrated circuit. It is an object of the present invention to obtain a boosting device that reduces the number of attached parts and the number of external connection terminals and does not cause a problem of insufficient withstand voltage of a transistor in a transmission gate to which an output voltage is supplied.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A boosting device according to the present invention is a boosting device that outputs a boosted voltage having a voltage higher than a power supply voltage from an output terminal by using an accumulated voltage accumulated in a capacitor, and charging by connecting both terminals of the capacitor to a power supply. Discharging means for electrically connecting and discharging both terminals of the capacitor after charging; and output means for connecting the low voltage side terminal of the discharged capacitor to the power source and connecting the high voltage side terminal to the output terminal Are provided.
[0010]
The booster according to the present invention includes a capacitor, a first transistor that connects one terminal of the capacitor to the high voltage side of the power supply, a second transistor that connects the other terminal of the capacitor to the low voltage side of the power supply, A plurality of diodes connected in series and a third transistor for connecting the anode of the uppermost diode to the high-voltage side of the power source, and the cathode of the lowermost diode connected to the other terminal of the capacitor A fourth transistor that connects the other terminal of the capacitor to the high-voltage side of the power supply, an output terminal, a fifth transistor that connects the one terminal of the capacitor and the output terminal, The second transistor is turned on, and then the first transistor and the third transistor are turned on. Finally those and a fourth transistor and a fifth control circuit for the transistors to an ON operation.
[0011]
In the booster according to the present invention, the diode unit includes a sixth transistor that connects an anode of a diode other than the lowermost diode to the high voltage side of the power supply, and the control circuit controls the third transistor and the sixth transistor according to the output voltage. One of the transistors is selected and turned on.
[0012]
The booster according to the present invention includes a first back gate transistor that connects the back gate of the first transistor to the high voltage side of the power source, and a second back gate transistor that connects the back gate of the fifth transistor to the high voltage side of the power source. The provided control circuit turns off the first back gate transistor and the second back gate transistor when the fourth transistor and the fifth transistor are turned on.
[0013]
The booster according to the present invention includes a seventh transistor that connects the output terminal to the high-voltage side of the power supply, and an eighth transistor that connects the output terminal to the low-voltage side of the power supply, and the control circuit turns on the fifth transistor. When not operating, the seventh transistor or the eighth transistor is turned on.
[0014]
The booster according to the present invention includes a third back gate transistor that connects the back gate of the seventh transistor to the high voltage side of the power source, and the control circuit turns on the fourth transistor and the fifth transistor when the fourth transistor and the fifth transistor are turned on. 3 The back gate transistor is turned off.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below.
1 is a circuit diagram showing a configuration of a booster according to
[0016]
[0017]
[0018]
[0019]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure and electrical connection relationship of the PchMOS transistor of the semiconductor integrated circuit according to the first embodiment of the present invention. 2A shows a normal PchMOS transistor, and FIG. 2B shows the PchMOS transistor 5, the
[0020]
In FIG. 5B, if the
[0021]
Next, the operation will be described.
[0022]
Next, the
[0023]
Finally, the
[0024]
At this time, the
[0025]
The
[0026]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a transmission gate to which such a booster can be suitably applied. In the figure, 29 is an NchMOS transistor, 30 is a PchMOS transistor whose source and drain are connected to the
[0027]
For example, when a sufficient power supply voltage can be secured, the input / output can be switched by switching the voltage between the voltage of the high-voltage
[0028]
Even when a sufficient voltage cannot be secured, the voltage is switched between the boosted voltage obtained by adding the charging voltage of the capacitor 4 to the voltage of the boosted reference
[0029]
Since the charging voltage of the capacitor 4 is limited to a voltage equal to or less than two diodes, the voltage level that causes a shortage of withstand voltage in the
[0030]
As described above, in the semiconductor integrated circuit that does not use the booster, the minimum power supply voltage can be reduced only within a range in which the voltage necessary for controlling the transmission gate can be secured. According to the present invention, the minimum power supply voltage can be reduced without being limited to such a circuit, and an effect of realizing an unprecedented low voltage driving semiconductor integrated circuit can be obtained.
[0031]
In addition, since the charging voltage charged to the capacitor 4 is limited to two threshold values of the
[0032]
Next, since the
[0033]
Furthermore, the magnitude of the boosted voltage can be switched by switching the number of stages of the
[0034]
Finally, back
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a booster device that outputs a boosted voltage having a voltage higher than the power supply voltage from the output terminal using the stored voltage stored in the capacitor, both terminals of the capacitor are connected to the power supply. Charging means for charging, discharging means for electrically connecting and discharging both terminals of the capacitor after charging, and connecting the low voltage side terminal of the capacitor after discharging to the power source and connecting the high voltage side terminal to the output terminal Output means for reducing the accumulated voltage of the capacitor by discharging, and using this, the boosted voltage can be output.
[0036]
Therefore, even if this boosted voltage is supplied to each transistor of the transmission gate when the power supply voltage is high, the breakdown voltage will not be insufficient, and if the power supply voltage is low, the shortage will be stored in the capacitor. There is an effect that the drive capability of the transmission gate can be prevented from being reduced by compensating with the voltage.
[0037]
Further, since the boosted voltage can be set regardless of the power supply voltage in this way, a desired voltage can be charged to the capacitor while using an IC power supply for a semiconductor integrated circuit as a power supply, and an external power supply is connected. It is possible to reduce the number of external connection terminals. At the same time, when an IC power supply for a semiconductor integrated circuit is used, the basic specifications such as a withstand voltage required for the capacitor can be specified. As a result, the number of external parts and the number of external connection terminals can be further reduced.
[0038]
According to the present invention, the capacitor, the first transistor that connects one terminal of the capacitor to the high voltage side of the power source, the second transistor that connects the other terminal of the capacitor to the low voltage side of the power source, and one or more A diode unit in which a diode connected in series and an anode of the uppermost diode are connected to the high voltage side of the power source, and a cathode of the lowermost diode is connected to the other terminal of the capacitor; A fourth transistor that connects the other terminal of the capacitor to the high-voltage side of the power supply, an output terminal, a fifth transistor that connects the one terminal of the capacitor and the output terminal, and first and second transistors Turn on the transistor, then turn on the first and third transistors, and finally 4 so and a transistor and a fifth transistor control circuit for the on operation, the storage voltage of the capacitor by the diode unit and discharged to a substantially constant voltage, it is possible to output a boosted voltage by using this.
[0039]
Therefore, even if this boosted voltage is supplied to each transistor of the transmission gate when the power supply voltage is high, the breakdown voltage will not be insufficient, and if the power supply voltage is low, the shortage will be stored in the capacitor. There is an effect that the drive capability of the transmission gate can be prevented from being reduced by compensating with the voltage. In particular, since the charging voltage of the capacitor is stabilized by one or a plurality of diodes connected in series, the boosted voltage is not easily affected by voltage fluctuations of the power supply, and this fluctuation margin is reduced by that much, thereby further increasing the voltage. There are effects such as lowering the voltage and expanding the allowable range of power supply.
[0040]
Further, since the boosted voltage can be set regardless of the power supply voltage in this way, a desired voltage can be charged to the capacitor while using an IC power supply for a semiconductor integrated circuit as a power supply, and an external power supply is connected. It is possible to reduce the number of external connection terminals. At the same time, when an IC power supply for a semiconductor integrated circuit is used, the basic specifications such as a withstand voltage required for the capacitor can be specified. As a result, the number of external parts and the number of external connection terminals can be further reduced.
[0041]
According to this invention, the diode unit includes the sixth transistor that connects the anode of the diode other than the lowermost diode to the high-voltage side of the power supply, and the control circuit controls the third transistor and the sixth transistor according to the output voltage. Since one of them is selected to be turned on, for example, when the power supply voltage of the semiconductor integrated circuit is high, the sixth transistor is turned on to suppress the boosted voltage, and conversely, when the power supply voltage of the semiconductor integrated circuit is low The third transistor is turned on to increase the boosted voltage, thereby preventing the transistor from having insufficient breakdown voltage at the transmission gate and preventing the drive capability of the transmission gate from being lowered at a low voltage. There is an effect that the allowable range can be expanded.
[0042]
According to the present invention, the first back gate transistor for connecting the back gate of the first transistor to the high voltage side of the power source and the second back gate transistor for connecting the back gate of the fifth transistor to the high voltage side of the power source are provided. When the control circuit turns on the fourth transistor and the fifth transistor, the first back gate transistor and the second back gate transistor are turned off, so that a voltage higher than the high voltage side of the power supply is applied to the output terminal. In spite of such a configuration, it is possible to prevent current from flowing between the drain and back gate of these transistors. Therefore, even if a capacitor having a small capacitance in the semiconductor integrated circuit is used, the output voltage can be stabilized.
[0043]
According to the present invention, the seventh transistor that connects the output terminal to the high voltage side of the power supply and the eighth transistor that connects the output terminal to the low voltage side of the power supply are provided, and the control circuit does not turn on the fifth transistor. In this case, since the seventh transistor or the eighth transistor is turned on, it is possible to output a voltage other than the boosted voltage, thereby reliably turning on / off the transistor used for the transmission gate. There is an effect that can.
[0044]
According to the present invention, the third back gate transistor for connecting the back gate of the seventh transistor to the high voltage side of the power supply is provided, and when the control circuit turns on the fourth transistor and the fifth transistor, the third back gate transistor is provided. Since the gate transistors are turned off, current flows between the drain and back gate of these transistors even though the output terminal is configured to apply a higher voltage than the high voltage side of the power supply. Can be prevented. Therefore, even if a capacitor having a small capacitance in the semiconductor integrated circuit is used, the output voltage can be stabilized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a booster according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure and electrical connection relationship of a PchMOS transistor of a semiconductor integrated circuit according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a transmission gate to which such a booster can be suitably applied.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional boosting device.
[Explanation of symbols]
1 high-voltage side power supply line, 2 ground line, 3 boost reference voltage line, 4 capacitor, 5 Pch MOS transistor (first transistor, charging means, discharging means), 6 Nch MOS transistor (second transistor, charging means), 7 diode (diode) , Discharge means), 8 diode (diode, discharge means), 9 Pch MOS transistor (third transistor, discharge means), 10 Pch MOS transistor (sixth transistor, discharge means), 11 Pch MOS transistor (fourth transistor, output means), 12 output terminals, 13 Pch MOS transistor (fifth transistor, output means), 14 Pch MOS transistor (seventh transistor), 15 Nch MOS transistor (eighth transistor), 16 Pch MOS transistor First back gate transistor), 17 Pch MOS transistor (second back gate transistor), 18 Pch MOS transistor (third back gate transistor), 19 control circuit, 20 P (−) semiconductor substrate, 21 N (−) well (back gate) , 22P (+) semiconductor layer, 23P (+) semiconductor layer, 24 gate insulating layer, 25 gate electrode, 26 source electrode, 27 drain electrode, 28 back gate transistor, 29 Nch MOS transistor, 30 Pch MOS transistor, 31 I /
Claims (6)
このコンデンサの両端子を電源に接続して充電する充電手段と、
充電後のコンデンサの両端子を電気的に接続して放電させる放電手段と、
放電後のコンデンサの低圧側端子を上記電源に接続するとともに、高圧側端子を出力端子に接続する出力手段とを備える昇圧装置。In a booster that outputs a boosted voltage that is larger than the power supply voltage from the output terminal using the stored voltage stored in the capacitor,
Charging means for charging by connecting both terminals of the capacitor to a power source;
Discharging means for electrically connecting and discharging both terminals of the capacitor after charging;
A step-up device comprising: an output means for connecting a low-voltage side terminal of the capacitor after discharge to the power source and connecting the high-voltage side terminal to an output terminal.
上記コンデンサの一方の端子を電源の高圧側に接続する第1トランジスタと、
上記コンデンサの他方の端子を電源の低圧側に接続する第2トランジスタと、
1乃至複数の直列接続されたダイオードおよびその最上段のダイオードのアノードを上記電源の高圧側に接続する第3トランジスタを備え、最下段のダイオードのカソードが上記コンデンサの他方の端子に接続されたダイオードユニットと、
上記コンデンサの他方の端子を電源の高圧側に接続する第4トランジスタと、
出力端子と、
上記コンデンサの一方の端子と当該出力端子とを接続する第5トランジスタと、
最初に第1トランジスタおよび第2トランジスタをオン動作させ、次に第1トランジスタおよび第3トランジスタをオン動作させ、最後に第4トランジスタおよび第5トランジスタをオン動作させる制御回路とを備える昇圧装置。A capacitor,
A first transistor connecting one terminal of the capacitor to the high voltage side of the power supply;
A second transistor connecting the other terminal of the capacitor to the low voltage side of the power supply;
One or more diodes connected in series and a third transistor that connects the anode of the uppermost diode to the high-voltage side of the power supply, and the cathode of the lowermost diode connected to the other terminal of the capacitor Unit,
A fourth transistor connecting the other terminal of the capacitor to the high voltage side of the power supply;
An output terminal;
A fifth transistor connecting one terminal of the capacitor and the output terminal;
And a control circuit that first turns on the first transistor and the second transistor, then turns on the first transistor and the third transistor, and finally turns on the fourth transistor and the fifth transistor.
制御回路は、出力電圧に応じて第3トランジスタおよび当該第6トランジスタのうちの一方を選択してオン動作させることを特徴とする請求項2記載の昇圧装置。The diode unit includes a sixth transistor that connects the anode of a diode other than the lowermost diode to the high voltage side of the power supply,
3. The boosting device according to claim 2, wherein the control circuit selects one of the third transistor and the sixth transistor in accordance with the output voltage to turn on.
制御回路は、第4トランジスタおよび第5トランジスタをオン動作させる場合には当該第1バックゲートトランジスタおよび第2バックゲートトランジスタをオフ動作させることを特徴とする請求項2または請求項3記載の昇圧装置。A first back gate transistor that connects the back gate of the first transistor to the high voltage side of the power source; and a second back gate transistor that connects the back gate of the fifth transistor to the high voltage side of the power source.
4. The boosting device according to claim 2, wherein when the fourth transistor and the fifth transistor are turned on, the control circuit turns off the first back gate transistor and the second back gate transistor. .
当該出力端子を電源の低圧側に接続する第8トランジスタとを設け、
制御回路は、第5トランジスタをオン動作させない場合には、当該第7トランジスタあるいは第8トランジスタをオン動作させることを特徴とする請求項2または請求項3記載の昇圧装置。A seventh transistor connecting the output terminal to the high voltage side of the power supply;
An eighth transistor for connecting the output terminal to the low voltage side of the power supply;
4. The boosting device according to claim 2, wherein the control circuit turns on the seventh transistor or the eighth transistor when the fifth transistor is not turned on.
制御回路は、第4トランジスタおよび第5トランジスタをオン動作させる場合には当該第3バックゲートトランジスタをオフ動作させることを特徴とする請求項5記載の昇圧装置。Providing a third back gate transistor for connecting the back gate of the seventh transistor to the high voltage side of the power supply;
6. The boosting device according to claim 5, wherein the control circuit turns off the third back gate transistor when turning on the fourth transistor and the fifth transistor.
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