JP4151783B2 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体集積回路装置に関し、特にチョッパ型電圧比較回路を用いたA/D変換回路に利用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
チョッパ型電圧比較器は、まず入力部の容量に入力信号(または基準電圧)を電荷として蓄え、次に入力部に基準電圧(または他の入力信号)を印加して入力信号と基準電圧(または他の入力信号)との差を増幅することにより電圧比較を行う。このとき電荷蓄積時に増幅器の入力端子と出力端子を短絡してリセットを行えば、製造ばらつき等に起因した増幅器のオフセット電圧の影響を取り除くことが出来るため、A/D変換器内で使用する電圧比較器として良く用いられる。チョッパ型電圧比較器は、所要の分解能を得るよう必要な利得を得るため、非特許文献1のように容量と増幅器のペアを多段に接続することが、高速動作に有効であることが知られている。
【0003】
チョッパ型電圧比較器に用いる増幅器には、非特許文献1の第313頁に示されている差動増幅器の他に、回路の簡単化・小面積化のためデジタル回路で用いられるインバータ回路を増幅器として使用することも多い。非特許文献2では、インバータ回路を用いたチョッパ型電圧比較器のオフセット誤差検討について述べられている。
【0004】
キャパシタ・アレイ型のデジタル/アナログ変換回路において、演算増幅回路の出力端子に発生するアンダーシュート又はオーバーシュートにより反転入力端子と出力端子の間に設けられたリセット用の電界効果トランジスタがオン状態となり、ソース・ドレイン間に発生する漏れ電流が流れることによりオフセットが生じることを見出し、それを防止するために上記反転入力端子と出力端子の間に2個の電界効果トランジスタを直列接続し、その接続点と一定電圧との間に電界効果トランジスタを設けたものが、特許文献1に記載されている。
【非特許文献1】
David A. Johns, Ken Martin, "Analog Integrated Circuit Design," John Wiley & Sons, Inc.,Chapter 7
【非特許文献2】
塚田敏郎、今泉栄亀、松浦達治「CMOSチョッパ形電圧比較器のオフセット誤差検討」電子情報通信学会論文誌 C-II Vol.J77-C-II No.11 pp516-524 1994 年11月
【特許文献1】
特開平11−298329号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
フラッシュメモリのように内部で高電圧を扱う回路を使用する場合、MOSトランジスタ等の素子耐圧を高く保つ必要がある。素子耐圧を高くするためには一般に素子寸法を大きく、MOSトランジスタのしきい値電圧を高くする必要があり、MOSトランジスタの性能は低下する。つまり、素子耐圧を優先したMOSトランジスタは、しきい値電圧Vthが高く電流駆動能力(トランスコンダクタンスgm)が低い。このような素子を用いた電圧比較器は、しきい値電圧Vthで制限される動作可能な下限電源電圧が高く、動作する場合でも動作速度は低く抑えられることになる。
【0006】
LSI動作電源電圧の主流は、製造プロセスの微細化により低下する傾向にある。下限電源電圧を低くすることの問題は、しきい値電圧Vthを引き下げたMOSFET(低VthMOS)が使用可能であれば解決出来る可能性がある。しかし、図12の特性図に示すように、低VthのMOSFETは、ゲートとソース間電圧Vgs=0であっても比較的大きなリーク電流が発生する。図13(A)は、その測定回路図である。
【0007】
したがって、図14に示したような、逐次比較方式のA/D変換器のチョッパ型電圧比較器においては、図14(A)のように増幅回路A1,A2,A3の入力と出力とを短絡して入力信号Vinを供給し、それぞれの増幅回路A1〜A3の入力に設けられたキャパシタCin,C1,C2に入力信号Vin、及びA2,A3のロジックスレショルド電圧のばらつきに対応した電荷を保持させておいて、複数の基準電圧Vref に対し入力信号Vinの大小を比較するため、図14(B)に示したように低VthのMOSFETを使用して回路を構成すると、ゲートに0Vが印加されてオフ状態となっているMOSFETに流れるリーク電流leakによりキャパシタCin,C1,C2の電荷が抜けてしまい、その後の比較動作に誤差が生じてしまう。
【0008】
フラッシュメモリとA/D変換器を搭載した1チップマイクロコンピュータのような半導体集積回路装置において、上記不揮発性メモリセルやその書込系及び消去系の回路に使用する高耐圧の高しきい値電圧のMOSFETと、制御回路等の回路素子に使用する低しきい値電圧のMOSFETの他に、図12の特性図に示すように、ゲートとソース間電圧Vgs=0であっても実質的なリーク電流が発生しないような標準Vth(しきい値電圧)のMOSFETを用いるようにすると、それだけのために半導体集積回路装置の製造プロセスが複雑となってコスト高を招いてしまう。
【0009】
この発明の目的は、簡単な構成で高精度の電圧比較動作を可能にしたチョッパ型電圧比較回路及びローカルDACを備えた半導体集積回路装置を提供することにある。この発明の他の目的は、簡単な構成で高速動作を実現したチョッパ型電圧比較回路及びローカルDACを備えた半導体集積回路装置を提供することにある。この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。第1電圧と回路の接地電位とにより動作する第1インバータ回路の入力端子と出力端子との間に、上記第1電圧と回路の接地電位によりオン/オフ制御される第1と第2スイッチMOSFETを直列形態に設け、この直列回路の相互接続点と上記第1電圧との間に上記第1と第2スイッチMOSFETがオフ状態に制御されるときにオン状態にされる第3スイッチMOSFETを設け、上記第1と第2スイッチMOSFETをオン状態とした状態で、上記第1インバータ回路の入力にキャパシタを介して入力信号を取り込ませてチョッパ型増幅回路を構成する。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1には、この発明に係るチョッパ型電圧比較回路の一実施例の回路図が示されている。入力信号Vinと基準電圧Vref は、スイッチS1とS2を介して入力容量としてのキャパシタCinの一方の電極に選択的に供給される。上記キャパシタCinの他方の電極は、増幅回路を構成するCMOSインバータ回路A1の入力端子に接続される。このインバータ回路A1の出力端子は、結合容量としてのキャパシタC1の一方の電極に接続される。キャパシタC1の他方の電極は、増幅回路を構成するCMOSインバータ回路A2の入力端子に接続される。このインバータ回路A2の出力端子は、結合容量としてのキャパシタC2の一方の電極に接続される。キャパシタC2の他方の電極は、同様なCMOSインバータ回路A3の入力端子に接続される。
【0012】
この実施例では、上記増幅回路を構成するインバータ回路A1の入力端子と出力端子とを短絡するリセットスイッチとして、前記のように低しきい値電圧のMOSFETを用いたときにソース,ドレイン間に生じるオフ状態でのリーク電流(いわゆるスレショルドリーク電流)leakによって上記入力容量Cinに保持された電荷の一部が失われてしまうのを防ぐために、直列形態に接続されたNチャネル型のMOSFETQ1とQ2が用いられる。これらのMOSFETQ1とQ2の相互接続点と電源電圧Vccとの間には、Pチャネル型のMOSFETQ5が設けられる。特に制限されないが、上記PチャネルMOSFETQ5は、高しきい値電圧(高耐圧)のMOSFETが用いられる。
【0013】
上記MOSFETQ1、Q2及びQ3、Q4のゲートには、スイッチ制御信号φ1が供給され、MOSFETQ5のゲートにはスイッチ制御信号φ2が供給される。これらのスイッチ制御信号φ1とφ2は、電源電圧Vccのようなハイレベルと回路の接地電位0Vのようなロウレベルとされる。
【0014】
図2に示したように、上記スイッチ制御信号φ1とφ2をハイレベルとして、上記NチャネルMOSFETQ1、Q2及びQ3,Q4をオン状態とし、PチャネルMOSFETQ5をオフ状態として、スイッチS1をオン状態として入力信号Vinを供給する。これにより、上記インバータ回路A1の入力と出力とが短絡されることにより形成されるロジックスレショルド電圧VLTを基準とする上記入力信号Vinに対応した信号電荷が入力容量Cinに取り込まれる。
【0015】
スイッチS1をオフ状態とし、スイッチ制御信号φ1をロウレベルにして、上記MOSFETQ1、Q2及びQ3とQ4をオフ状態とし、スイッチS2をオン状態として基準電圧Vref を供給すると、インバータ回路A1により上記基準電圧Vref と入力信号Vinとの差電圧Vref −Vinが上記ロジックスレショルド電圧VTLにより大小(正負)比較される。このインバータ回路の出力信号をインバータ回路A2、A3により増幅することにより、ハイレベル/ロウレベルの電圧比較出力を得ることができる。
【0016】
この実施例では、図2のようにリセットが完了し比較動作に移る際、リセットスイッチMOSFETQ1,Q2がオフ状態となる前にスイッチMOSFETQ1とQ2の相互接続点の電位を固定するMOSFETQ5がオン状態となると、初段インバータ回路A1のロジックスレショルド電圧を保持しているはずの入力容量Cinに電荷が流れ込み、その後の比較動作に誤差を生じる。この問題を避けるため、まず制御信号φ1によりリセットスイッチMOSFETQ1とQ2 をオフ状態とし、その後制御信号φ2によりリセットスイッチMOSFETQ1とQ2間の電位を固定するスイッチMOSFETQ5をオン状態にする。
【0017】
図1の実施例において、低しきい値電圧VthのMOSFETを用いた初段インバータ回路(増幅回路)A1のリセットスイッチを2つのMOSFETQ1とQ2を直列に接続し、リセットスイッチがオフの時にはMOSFETQ1とQ2の相互接続点であるスイッチの中間ノードをPチャネルMOSFETQ5を介して電源Vccに接続する。前記図12のように単一のスイッチMOSFETを用いた構成では、初段インバータ回路A1の出力が0Vとなるような条件では、リーク電流leakが入力部容量CinからリセットスイッチMOSFETを経由してインバータ回路A1の出力に漏出し電圧比較誤差となる。
【0018】
図1の実施例の構成では、初段インバータ回路A1の出力が0Vになる場合でも、リーク電流leakはMOSFETQ3を介して電源Vccから供給され、入力部容量Cinからのリーク電流leakは発生しないため電圧比較動作の精度劣化を生じない。ただし、インバータ回路A1の入力端子が0V付近になると上記MOSFETQ1で発生したリーク電流leakが入力部容量Cinに流れ込み判定誤差の原因となる。したがって、リセットスイッチに使用した低しきい値電圧MOSFETQ1のリーク電流が十分に小さく押さえられる入力信号の条件を常に満たす必要がある。
【0019】
つまり、図12の特性図で説明すると、ゲート,ソース間に−Vcのような負のバイアス電圧を供給すれば、標準VthのMOSFETと同等の実質的に問題にならない程度のリーク電流に低減させることができる。低thのMOSFETをそのId −Vgsにおける動作点cで動作させるためには、図13(B)に示したように、MOSFETの基板Bに対してソースSに電圧Vcのような正の電圧を供給すればよい。
【0020】
図1において、上記のように低VthのMOSFETQ1のリーク電流leakが十分小さく押さえられる条件がゲート,ソース間電圧Vgs<‐Va<0Vで表されるとすると、インバータ回路A1の入力電圧が常にVaよりも高く保たれれば良い。インバータ回路A1の論理しきい値(ロジックスレショルド)電圧をVTLと置くと、VTL+Vref −Vin>Va>0が常に成り立つようにVTLの値とVref の制御を調整すれば、入力部容量Cinの電荷抜けによる精度劣化を防ぐことが出来る。
【0021】
上記スイッチS1をオン状態にして入力容量Cinにロジックスレショルド電圧をVTLを基準にして入力信号Vinを供給すると、入力容量CinにはVin−VTLの電圧が保持される。そして、スイッチS1からスイッチS2に切り換えて基準電圧Vref を供給するとき、上記Vin−Vref >VTLのような基準電圧を供給すると、インバータ回路A1の入力端子の電位Vaが、Va<0Vとなって上記MOSFETQ1に大きなリーク電流を流してしまう。
【0022】
具体的には、3Vの電源電圧Vccで動作するインバータ回路のロジックスレショルド電圧を1.5Vとし、3Vの入力信号Vinを供給すると、入力容量には1.5Vの電圧が保持される。そして、入力のスイッチを切り換えて、1.5Vあるいはそれ以下の基準電圧Vref を供給すると、インバータ回路A1の入力端子の電位は0Vあるいはそれ以下になってしまい、上記MOSFETQ2と同様なリーク電流が発生してしまうのである。
【0023】
しかしながら、A/D変換回路に用いられる場合、電源電圧Vccから定電圧を形成し、それを分圧して基準電圧Vref を形成するため、電圧比較順序として最初に選択される基準電圧(デジタル変換信号の最上位ビット)は、一般的には上記定電圧の中点電圧に対応したものが選ばれる。したがって、上記インバータ回路A1のロジックスレショルド電圧VTLをVcc/2に設定すると、必然的に中点電圧Vref <VTLになり、入力信号Vinの正の最大値がVccを超えないように制限する等の回路構成とすることにより上記条件を満たすことはそれほど難しいことではなく、かつA/D変換動作に格別な制限を及ぼすものではない。
【0024】
図3には、この発明に係るチョッパ型電圧比較回路の他の一実施例の回路図が示されている。この実施例では、段間容量C1とC2及びインバータ回路A2の入出力を短絡するリセットスイッチMOSFETQ3が省略される。他の構成は、前記図1の実施例と同様である。
【0025】
すなわち、入力信号Vinと基準電圧Vref は、スイッチS1とS2を介して入力容量Cinの一方の電極に選択的に供給され、上記入力容量Cinの他方の電極は、増幅回路を構成する初段CMOSインバータ回路A1の入力端子に接続される。このインバータ回路A1の出力端子は、増幅回路を構成するCMOSインバータ回路A2の入力端子に接続される。このインバータ回路A2の出力端子は、同様なCMOSインバータ回路A3の入力端子に接続される。そして、上記インバータ回路A1の入力端子と出力端子との間には、前記図1の実施例と同様なリセットスイッチMOSFETQ1、Q2及びスイッチMOSFETQ5が設けられ、インバータ回路A3の入力端子と出力端子との間には、リセットスイッチMOSFETQ4が設けられる。
【0026】
上記のように段間容量を取り除くことにより、前記のようなリーク電流による精度劣化は考慮する必要がなくなるが、隣り合うインバータ回路A1とA2及びA2とA3のロジックスレショルド電圧を正確に合わせることが必要となる。ロジックスレショルド電圧を合わせるためには、図4に示すようにインバータ回路を構成するMOSを比較的大きな素子サイズとし、かつコモンセントロイド等のレイアウト手法を用いることが有効である。また、ロジックスレショルド電圧の誤差の影響を低減するためには、初段インバータ回路A1の電圧利得を大きく取ることが有効である。
【0027】
図4において、P型ウェルP−WELLにチャネル幅が比較的に大きくされたNチャネルMOSFETとしてM1が4個、M2が2個、M5が2個形成され、N型ウェルN−WELLにチャネル幅を大きくしたPチャネルMOSFETとしてM2が4個、M4が2個、M6が2個形成される。上記NチャネルMOSFETM1〜M5は、それぞれが同じサイズとされて合計8がチャネル長方向に直線的に並べられる。上記PチャネルMOSFETM2〜M6は、それぞれが同じサイズとされて合計8がチャネル長方向に直線的に並べられる。上記PチャネルMOSFETは、ロジックスレショルド電圧を動作電圧のほぼ1/2となるようにコンダクタンス特性がNチャネルMOSFETと同じになるよう、NチャネルMOSFETに比べて大きく形成される。
【0028】
上記1つのNチャネルMOSFETとPチャネルMOSFETとは、一対とされてゲート電極Gが直線的に並ぶように配置される。つまり、MOSFETのチャネル幅方向に直線的に配置される。特に制限されないが、他回路との影響を防止するために、MOSFETのチャネル長方向の端部には、ダミーMOSFET(ダミーNMOS、ダミーPMOS)が設けられる。初段インバータ回路A1と次段インバータ回路A2とのロジックスレショルド電圧を精度よく合わせるために、初段インバータ回路A1の一部を構成する上記端部のMOSFETには上記のようにダミーNMOSとダミーPMOSが設けられる。
【0029】
これに対して、インバータ回路A3を構成する端部のMOSFETには、初段インバータ回路のようにダミーMOSFETが設けられない。この理由は、インバータ回路A3は、その入力に供給される入力信号がインバータ回路A1,A2で増幅されたものが供給され、比較的大きな信号振幅となるのでインバータ回路A3とA2のロジックスレショルド電圧の相違がそれほど電圧比較動作の精度に影響を及ぼさないからである。
【0030】
図4において等価回路として示すように、初段インバータ回路は、4個のNチャネルMOSFETM1と4個のPチャネルMOSFETM2により構成されて電圧利得を大きく設定される。つまり、第2段目のインバータ回路は、2個のNチャネルMOSFETM3、M4と2個のPチャネルMOSFETM4により構成され、第3段目のインバータ回路は、2個のNチャネルMOSFETM5と2個のPチャネルMOSFETM6により構成されので、素子サイズ的には上記初段インバータ回路は、2倍の大きさとされる。
【0031】
図4において、配線レイアウトは省略されているが、同図に示すように初段インバータ回路では、4個のMOSFETM1及びM2のゲートG、ドレインD及びソースSがそれぞれ相互に接続され、ゲートGは入力端子INとされ、ドレインDは出力端子とされて次段インバータ回路のゲートGに接続される。NチャネルMOSFETM1のソースSには回路の接地電位が与えられ、PチャネルMOSFETM2のソースSは電源電圧が与えられる。第2段目及び第3段目のインバータ回路においても、2個のMOSFETM3及びM4、M5及びM6のゲートG、ドレインD及びソースSがそれぞれ相互に接続される。NチャネルMOSFETM3,M5のソースSには回路の接地電位が与えられ、PチャネルMOSFETM4,M6のソースSは電源電圧が与えられる。上記第2段目インバータ回路の出力端子は第3段目のインバータ回路の入力端子に接続され、第3段目のインバータ回路が出力端子OUTとされる。
【0032】
段間容量C1,C2を取り除く際、2段目インバータ回路A2のリセットスイッチMOSFETQ3も合わせて取り除く必要がある。2段目インバータ回路A2 リセットスイッチMOSFETQ3が残ったままだと、リセット時に入力部容量Cinに保持されるべき初段インバータ回路A1のロジックスレショルド電圧がわずかにロジックスレショルド電圧の異なる場合にその2段目インバータ回路A2の影響を受ける。比較時には初段インバータ回路A1のロジックスレショルド電圧は2段目インバータ回路A2の閥値電圧の影響を受けないため、この差が比較誤差の要因となる。そこで、上記のように2段目インバータ回路A2 リセットスイッチMOSFETQ3を省略し、2段目インバータ回路A2のロジックスレショルド電圧が異なるものであってもその影響を排除することができる。
【0033】
3段目(以降)のインバータ回路A3のリセットスイッチMOSFETQ4の有無は、直接には上記インバータ回路A2のロジックスレショルド電圧のように比較器の誤差要因とはならない。しかし、一般にインバータ回路の電源/グランド配線には有限の抵抗(寄生抵抗)が存在し、消費電流に応じた電圧降下(IRドロップ)を生じる。
【0034】
リセット時には、初段インバータ回路A1および2段目インバータ回路A2には貫通電流が流れており、また比較時にも、高い精度での比較動作が要求される入力電圧Vinと比較電圧Vref が近いときには貫通電流が流れる。上記比較されるVinとVref の差が十分小さいときには、初段インバータ回路A1、2段目インバータ回路A2に加え3段目インバータ回路A3にも貫通電流が流れるように、リセット時においても3段目インバータ回路A3に貫通電流が流れていた方が、リセット時と比較時の動作条件がより正確に一致するため、比較結果の精度も正確となる。
【0035】
初段インバータ回路A1と2段目インバータ回路A2のロジックスレショルド電圧が僅かにずれていても3段目インバータ回路A3に所要の貫通電流が流れるよう、3段目インバータ回路A3にはリセットスイッチMOSFETQ4を設けて上記のように貫通電流を流すようにした方が上記高精度での比較動作を行う上で有益なものとなる。
【0036】
図5には、図1の実施例の段間容量の一実施例の素子断面図が示されている。段間容量C1,C2は、上部電極と下部電極とその間に設けられた絶縁膜を誘電体とするような容量素子が用いられる。しかしながら、下部電極側には必ず寄生容量Cs がウェルまたは基板との間に接続される。この寄生容量(ボトム容量)の影響を考慮したインバータ回路の負荷回路を図6に示す。初段インバータ回路A1の負荷容量は、次段インバータ回路A2の入力容量Cg と段間容量C1の直列容量に、ボトム容量Cs を並列に加えたものとなる。
【0037】
上記インバータ回路A1の出力からインバータ回路A2の入力に伝えられる信号経路の利得はC1/(C1+Cg)で表されるから、この利得があまり小さくならないようC1はCgに対し十分大きく取るのが一般的である。このようにした場合、C1とCgの直列回路の合成容量値はCgにほぼしいので、結局インバータ回路A1の負荷容量は近似的にCg+Csと表される。したがって、これらの条件下では段間容量C1,C2を取除くと必ずインバータ回路A1,A2の負荷容量が低減され、高速動作が可能となる。例えば、C1はCgの5倍、CsはC1の20%程度の場合、CgとCsの値がほぼ等しくなるため、段間容量を取り除くことにより約2倍の高速化が可能となる。
【0038】
高耐圧で高しきい値電圧のMOSFETを用いてCMOSスイッチを構成するとオン抵抗が著しく増大する。そのオン抵抗の増加は、入力信号の整定時間および参照電圧を形成するDACの整定時間の劣化となり絶対精度の劣化となる。つまり、高耐圧(高Vth)MOSを用いて低電圧動作させる場合、チョッパ型電圧比較回路のリセットスイッチMOSFETだけでなく、入力信号と参照電圧とを切り替えるスイッチS1,S2も問題となる。特に、プロセスばらつきに加え低温動作によりしきい値電圧Vthが上昇した時、1/2Vcc付近の中間的な信号に対するスイッチのオン抵抗は非常に高くなる。
【0039】
NチャネルMOSFETとPチャネルMOSFETを並列接続して構成された公知のCMOSスイッチでは、NチャネルMOSFETとPチャネルMOSFETのバックゲートは通常グランド/電源Vccにそれぞれ接続される。ここで、入力信号が1/2Vcc程度の時、NチャネルMOSFETとPMOSFETは、基板バイアス効果により実効的なしきい値電圧Vthが上昇する。もともとの真正しきい値電圧Vth0が高くなっている条件(プロセスばらつき、低温)では、電源電圧Vccの低下に伴いオン抵抗が極端に増大してしまう。オン抵抗増大を避ける手段の一つとして、スイッチに低VthMOSを使用することが考えられるが、Vthが低くなる条件(プロセスばらつき、高温)において生じるリーク電流が変換精度を劣化させる。しかも、スイッチS1,S2としては前記リセットMOSFETQ1,Q2及びQ5のような回路構成が採れない。
【0040】
図7には、この発明に用いられるCMOSスイッチの一実施例の回路図が示されている。この実施例では、高耐圧で高しきい値電圧のPチャネルMOSFETQ6とNチャネルMOSFETQ7とを並列接続してCMOSスイッチを構成する。そして、上記NチャネルMOSFETQ7の基板(チャネル)には、オン状態での抵抗値を小さくするためにNチャネルMOSFETQ8を通して入力信号INの電圧を伝えるようにするものである。
【0041】
この実施例のCMOSスイッチでは、オン状態の時のNチャネルMOSFETQ7の基板(P−WELL)に入力信号INに対応した正の電位を供給し、基板バイアス効果により実効的なしきい値電圧Vthを下げて、そのオン抵抗の減少を行うものである。また、CMOSスイッチをオフ状態にしたときに電流の漏れを防ぐため、NチャネルMOSFETQ9により上記NチャネルMOSFETQ7の基板(P−WELL)の電位を0Vとする制御を行う。これにより、オフ状態でのMOSFETQ7の実効的なしきい値電圧は、上記基板電位により上記オン状態のときよりも大きくなり、上記オフ状態においてソース−ドレイン間を流れるスレショルドリーク電流を大幅に低減させることができる。
【0042】
本願発明者においては、上記CMOSスイッチの上記MOSFETQ7の基板に従来のCMOSスイッチのように0Vのようなバイアス電圧を供給した状態でのオン抵抗値が約163KΩのように大きなものを用い、それに上記MOSFETQ8を追加して上記伝達すべき入力信号と同じ電圧としたときには、約2.3KΩのように大幅なオン抵抗値を小さくすることができるということを確認している。
【0043】
上記のようなCMOSスイッチのオン状態/オフ状態に対応して上記MOSFETQ8とQ9を前記のようにスイッチ制御するために、上記MOSFETQ8のゲートには、CMOSスイッチのNチャネルMOSFETQ7のゲートに供給される非反転のスイッチ制御信号Vswが供給され、上記NチャネルMOSFETQ9のゲートには、CMOSスイッチのPチャネルMOSFETQ6のゲートに供給される反転のスイッチ制御信号/Vswが供給される。
【0044】
この実施例では、チョッパ型電圧比較回路の入力・参照電圧切り替えスイッチS1,S2として図7に示すような基板バイアス制御型回路を使用することで、こうしたオン抵抗増大の影響を緩和するものである。前記図7の実施例回路では、CMOSアナログスイッチを構成するNチャネルMOSFETQ7のバックゲート(基板)を、スイッチがオン状態の時はスイッチMOSFETQ8により入力信号でバイアスし、スイッチがオフの時はスイッチMOSFETQ9によりグランドに接続する。これによりオフ時リーク電流を増大させることなく、基板バイアス効果によるオン抵抗増大を避けることが出来る。
【0045】
図7の実施例回路は、前記図5に示したようなn基板・P−WELLプロセスまたは近年一般的になっているトリプルウェル(ディープウェル)で実現可能である。p基板・N−WELLプロセスでは、CMOSスイッチのPチャネルMOSFET6を基板バイアス制御型にすることが可能であり、トリプルウェルプロセスではCMOSスイッチのPチャネルMOSFETQ6とNチャネルMOSFETQ7の双方とも基板バイアス制御型とすることが出来る。
【0046】
このCMOSアナログスイッチのオン抵抗増大はチョッパ型電圧比較回路とともに逐次比較型A/D変換器の重要な回路要素であるローカルDACでも問題となる。ローカルDACとして一般的に使用される抵抗ストリング型DACは、nビットのDACだと2n 個の単位抵抗を直列に接続し、各節点の電圧をスイッチで選択して出力するため、1/2Vcc付近の電圧を選択するスイッチで先のチョッパ型電圧比較回路の入力・参照電圧切り替えスイッチと全く同じ問題が発生する。オン抵抗が問題となるスイッチを全て基板バイアス制御型とすることで原理的には解決可能であるが、制御されるバックゲート(図7ではP−WELL)を各スイッチで分離する必要があるため、多数のスイッチに適用すると占有面積が激増しコスト面で現実的でない。
【0047】
この実施例のCMOSスイッチは、オフ状態時にNチャネルMOSFETQ7,Q8の基板(P−WELL)を0Vに制御するので、出力電圧VOUT が0〜AVCC(アナログ回路の電源電圧)の範囲で使用可能である。しかしながら、P−WELLを他のNチャネルMOSFETと分離する必要があり、レイアウトサイズが大きくなるため使用箇所は限定的とすることが望ましい。例えば、前記のようにnビットのDACだと2n 個の単位抵抗を直列に接続し、各節点の電圧をスイッチで選択して出力するものであり、そのうち1/2Vcc付近の電圧を選択するスイッチで先のチョッパ型電圧比較回路の入力・参照電圧切り替えスイッチと全く同じ問題が発生するので、中間的な基準電圧Vref を選択するために限定的に使用して占有面積の増大を必要最小に防ぐようにする。
【0048】
図8には、この発明に用いられるCMOSスイッチの他の一実施例の回路図が示されている。この実施例のCMOSスイッチは、後述するようなローカルDACのスイッチを下位ビット側と上位ビット側との2段直列構成とし、下位ビットデコーダで制御されるもののうちのオン抵抗値が問題となるものに用いられる。つまり、前記のように高耐圧で高VthのMOSFETでCMOSスイッチを構成すると、オン抵抗値が約210KΩにもなるが、NチャネルMOSFETQ11を低Vthのものを用いることにより、オン抵抗値を約4.4KΩに低下させることができる。
【0049】
ただし、上記のように低VthのMOSFETQ11を用いると、それをオフ状態としたときのリーク電流が増大してしまう。そこで、抵抗ストリングの各節点に設けられるもののうち、例えば、0.7V〜2.2V付近の中間電圧を選択するものに使用する。このような中間電圧を選択するCMOSスイッチに適用すると、基板(チャネル)に対してソース電位が上記のように0.7V〜2.2Vとなり、基板効果によって実効的なしきい値電圧Vthが増大し、リーク電流を低減させることができる。
【0050】
図9と図10には、この発明に係るローカルDACの一実施例の回路図が示されている。図9は、ローカルDACの左半分の回路図が示され、図10はローカルDACの右半分の回路図が示されている。このローカルDACは、前記チョッパ型電圧比較回路と組み合わされて逐次比較型A/D変換器を構成する。
【0051】
ローカルDACは、抵抗ストリング型DACであり、8ビットのDACだと28 =256個の単位抵抗を定電圧Vrと回路の接地電位avssとの間に直列に接続し、256通りの各節点の電圧をスイッチで選択して出力する。この実施例では、上位ビット側を3ビットとし、下位ビット側を5ビットとして上記256通りの電圧の中の1つを選択する。上記256の各節点のうち、32個の直列抵抗を8グループに分けて、上位3ビットのデコード出力で制御されるスイッチSW1〜SW8で選択する。
【0052】
上記8個のグループのそれぞれ32個の節点を中位5ビットのデコード出力で制御されるスイッチにより選択する。この実施例では、図10に示されているように、中間電位の4つ取り出して下位2ビットデコード出力で選択する。つまり、上記256通りの基準電圧を形成し、そのうち256の各電位を上位ビット3ビットデコード出力と、中位5ビットデコード出力で選択して前記チョッパ型電圧比較回路に供給される第1基準電圧Vref1として出力する。そして、上記256の中の4つの節点の電位を下位2ビットデコード出力で選択して他の前記チョッパ型電圧比較回路に供給される第2基準電圧Vref2として出力する。
【0053】
上記第2基準電圧Vref2が入力される入力容量Cinを前記第1基準電圧Vref1が入力される入力容量Cinとの容量比を4倍とすることにより、入力信号及び基準電圧Vref2を上記256の各電位を受けるチョッパ型電圧比較回路に供給される信号電圧を1/4にすることができ、上記2つのチョッパ型電圧比較回路の出力結果を組み合わせて全体で10ビットのA/D変換出力を得ることができる。
【0054】
この実施例のローカルDACにおいて、上位3ビットデコード出力に対応した8個のスイッチSW1〜SW8のうち、中間電圧を選択するSW3〜SW6を前記図7で示したようなアナログスイッチを用い、高電圧を選択するスイッチSW7とSW8をPチャネルMOSFETで構成し、低電圧を選択するスイッチSW1とSW2はNチャネルMOSFETで構成する。また、同図では、省略されているが、下位ビット及び中位ビットデコード出力でスイッチ制御されるCMOSスイッチのうちの中間電位を選択するものは前記図8に示したような低しきい値電圧のMOSFETを用いたもので構成される。
【0055】
このように下位ビット側スイッチ及び中位ビットデコード出力でスイッチ制御されるCMOSスイッチのうちの中間電位を選択するものに低VthMOSを使用しているが、本構成では各低VthMOSには常に1/2Vr付近の電圧がソース・ドレインに印加されているため、オフ時のリーク電流は問題にならない。
【0056】
図11には、この発明が適用されたシングルチップマイクロコンピュータの一実施例のブロック構成図が示されている。特に制限されないが、この実施例のシングルチップマイクロコンピュータMCUは、自動車又は産業用機械等に組み込まれ、その制御装置として機能する。
【0057】
同図のマイクロコンピュータMCUは、いわゆるストアドプログラム方式の中央処理装置CPUとされる。中央処理装置CPUには、特に制限されないが、内部バスIBUSを介してフラッシュメモリFEEPROM,ランダムアクセスメモリRAM,アナログ/デジタル変換回路ADC,ウォッチドッグタイマWDT,タイマ回路TIM及びシリアルコミュニケーションインターフェイスSCIが結合される。また、中央処理装置CPUを含むマイクロコンピュータMCUの各部には、クロック生成回路CLKGから所定のクロック信号CLKが供給され、マイクロコンピュータMCUは、さらに、クロック生成回路CLKGの動作を制御するためのクロックコントローラCLKCと、電源投入時にマイクロコンピュータMCUの各部を初期状態にリセットするためのパワーオンリセット回路PORとを備える。
【0058】
ウォッチドッグタイマWDTには、中央処理装置CPUから内部信号PRが供給され、その出力信号つまり異常検出信号TDは、クロックコントローラCLKCに供給される。クロック生成回路CLKGの一方の入力端子は、外部端子EXTALを介して水晶発振子XTALの一方の電極に結合され、その他方の入力端子には、クロックコントローラCLKCのクロック出力信号CGが供給される。水晶発振子XTALの他方の電極は、外部端子XTALを介してクロックコントローラCLKCに結合される。
【0059】
パワーオンリセット回路PORには、外部端子VCC及びVSSを介してシングルチップマイクロコンピュータMCUの動作電源となる電源電圧VCC及び接地電位VSSがそれぞれ供給され、その出力信号つまりパワーオンリセット信号PORは、クロックコントローラCLKCに供給される。上記クロックコントローラCLKCには、さらに中央処理装置CPUから完全停止制御レジスタRSTPの出力信号RSTPならびにモード制御レジスタRCMDの出力信号RCMDが供給され、その出力信号つまり通常リセット信号RSは、中央処理装置CPUを含むマイクロコンピュータMCUの各部に供給される。
【0060】
上記中央処理装置CPUは、フラッシュメモリFEEPROMに格納されたユーザプログラムに従ってステップ動作し、所定の演算処理を実行するとともに、マイクロコンピュータの各部を制御・統括する。この実施例において、中央処理装置CPUは、命令により書き込み可能な完全停止制御レジスタ及びモード制御レジスタを備え、その出力信号RSTP及びRCMDは、前述のように、クロックコントローラCLKCに供給される。また、中央処理装置CPUのプログラム実行状況を示す内部信号PRは、ウォッチドッグタイマWDTによって常時モニタされ、マイクロコンピュータMCUの異常検出に供される。
【0061】
フラッシュメモリFEEPROMは、中央処理装置CPUの制御に必要なプログラムや固定データを格納する。ランダムアクセスメモリRAMは、例えば所定の記憶容量を有するスタティック型RAM等からなり、中央処理装置CPUの演算結果や制御データ等を一時的に格納する。
【0062】
このようなシングルチップマイクロコンピュータにおいて、アナログ/デジタル変換回路ADCは、外部に接続される各種センサから入力されるアナログ入力信号を所定ビットのデジタル信号に変換し、内部バスIBUSを介して中央処理装置CPU等に伝達するために用いることが出来る。この実施例では、前記のようなローカルDACとチョッパ型電圧比較回路を用いて構成される。タイマ回路TIMは、クロック発生回路CPGから供給されるクロック信号に従って時間計時を行い、シリアルコミュニケーションインターフェイスSCIは、例えばマイクロコンピュータの外部に結合されたシリアル入出力装置とランダムアクセスメモリRAMとの間の高速データ転送をサポートする。
【0063】
ウォッチドッグタイマWDTは、中央処理装置CPUから出力される内部信号PRをモニタし、この内部信号PRが所定時間を超えて形成されないことを受けて、言い換えるならば中央処理装置CPUによる命令フェッチが長期間にわたって行われないことを受けて中央処理装置つまりはマイクロコンピュータの異常を検出して、その出力信号つまり異常検出信号TDを選択的にハイレベルとする。上記パワーオンリセット回路PORは、外部端子VCC及びVSSを介して供給される電源電圧VCC及び接地電位VSSの電位をモニタし、動作電源が投入された当初において、その出力信号つまりパワーオンリセット信号PORを所定期間だけ一時的にハイレベルとする。ウォッチドッグタイマWDTによる異常検出信号TD及びパワーオンリセット回路PORによるパワーオンリセット信号PORは、クロックコントローラCLKCに供給される。
【0064】
これにより、自動車や産業用機械等に組み込まれるシングルチップマイクロコンピュータ等において、ウォッチドッグタイマによる異常検出あるいは中央処理装置からの命令による所定レジスタの書き込みを受けて選択的にクロック生成回路の動作を停止しうるクロックコントローラを設け、この完全停止状態の解除を、電源再投入時のパワーオンリセット信号によってのみ可能とすることで、異常発生時には、動作電源が切断後再投入されるまでの間、マイクロコンピュータ等の動作を完全に停止することができる。
【0065】
以上のシングルチップマイクロコンピュータは、フラッシュメモリFEEPROMの製造プロセスを用いて構成される。言い換えるならば、フラッシュメモリFEEPROMのメモリセル及びその周辺回路を構成する高耐圧で高しきい値電圧のMOSFETと、中央処理装置CPU等の論理回路を構成する低しきい値電圧のMOSFETの2通りのしきい値電圧をMOSFETにより構成される。このような2種類のMOSFETで構成されるシングルチップマイクロコンピュータにおいてアナログ/デジタル変換回路ADCを構成する場合、アナログ/デジタル変換回路ADCを構成するローカルDAC及びチョッパ型電圧比較回路に用いられるスイッチあるいはCMOSスイッチにこの発明を適用することにより、上記論理回路の低閾値電圧MOSFETと同じものを用いることによりコストの削減を図りつつ、アナログ/デジタル変換回路ADCでのリーク電流を抑えまた高速で高精度のA/D変換動作を行うようにすることができる。
【0066】
以上説明した実施例によれば、チョッパ型電圧比較回路に用いられるインバータ回路のリセットスイッチに低VthMOSを使用することにより、動作可能電源電圧を引き下げることが可能となる。そして、低VthのMOSFETで発生するリーク電流による精度劣化を防ぐため、初段インバータ回路のリセットスイッチを2個直列に接続し、スイッチオフ時にはその中間ノードを適切な電位に設定してリーク電流を防止することができる。また段間容量を取り除くことにより、2段目以降のインバータ回路のリセットスイッチのリーク電流による精度劣化を防ぐとともに、インバータ回路の負荷となる段間容量の寄生容量(ボトムプレート容量)を取り除くことにより高速動作が可能となる。
【0067】
上記段間容量を取り除く際、2段目インバータ回路のリセットスイッチがあるとリセット時に初段インバータ回路のオフセット電圧が本来の値から外れてしまうため、2段目インバータ回路のリセットスイッチは取り除いてそれを防止することができる。一方、3段目(以降)のリセットスイッチは残しておくことにより、リセット時と比較時の消費電流がほぼ等しくなり、電源配線の寄生抵抗により発生する電圧降下(IRドロップ)のためオフセット誤差が発生することを防ぐことができる。
【0068】
以上本発明者よりなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、インバータ回路は、低しきい値電圧のものであっても、高しきい値電圧のものであってもよい。この発明は、一度入力信号を蓄えた後、複数の異なる基準電圧に対し大小比較を行う各種チョッパ型電圧比較回路やローカルDAC及びそれらを組み合わせて構成された逐次比較型A/D変換器、あるいは抵抗ストリング型DAC等を備えた各種の半導体集積回路装置に広く利用することができる。
【0069】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。第1電圧と回路の接地電位とにより動作する第1インバータ回路の入力端子と出力端子との間に、上記第1電圧と回路の接地電位によりオン/オフ制御される第1と第2スイッチMOSFETを直列形態に設け、この直列回路の相互接続点と上記第1電圧との間に上記第1と第2スイッチMOSFETがオフ状態に制御されるときにオン状態にされる第3スイッチMOSFETを設け、上記第1と第2スイッチMOSFETをオン状態とした状態で、上記第1インバータ回路の入力にキャパシタを介して入力信号を取り込ませてチョッパ型増幅回路を構成することにより、簡単な構成で高精度、高速の電圧比較動作を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係るチョッパ型電圧比較回路の一実施例を示す回路図である。
【図2】図1の実施例のリセットスイッチの説明図である。
【図3】この発明に係るチョッパ型電圧比較回路の他の一実施例を示す回路図である。
【図4】この発明に用いられるチョッパ型電圧比較回路に用いられるインバータ回路の一実施例を示す素子レイアウト図である。
【図5】図1の実施例の段間容量の一実施例を示す素子断面図である。
【図6】図1の実施例のインバータ回路の負荷回路図である。
【図7】この発明に用いられるCMOSスイッチの一実施例を示す回路図である。
【図8】この発明に用いられるCMOSスイッチの他の一実施例を示す回路図である。
【図9】この発明に係るローカルDACの一実施例を示す一部回路図である。
【図10】この発明に係るローカルDACの一実施例を示す残り一部回路図である。
【図11】この発明が適用されたシングルチップマイクロコンピュータの一実施例を示すブロック構成図である。
【図12】この発明を説明するためのMOSFETの特性図である。
【図13】この発明を説明するためのMOSFETの測定回路図である。
【図14】この発明に先立って検討されたチョッパ型電圧比較回路の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
Q1〜Q11…MOSFET、S1,S2…スイッチ、A1〜A3…インバータ回路、M1〜M6…単位MOSFET、SW1〜SW8…アナログスイッチ、MCU…シングルチップマイクロコンピュータ、CPU…中央処理装置、IBUS…内部バス、FEEPROM…フラッシュメモリ、RAM…ランダムアクセスメモリ、ADC…アナログ/デジタル変換回路、WDT…ウォッチドッグタイマ、TIM…タイマ回路、SCI…シリアルコミュニケーションインターフェイス、POR…パワーオンリセット回路、CLKC…クロックコントローラ、CLKG…クロック生成回路、XTAL…水晶発振子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a technique effective for use in an A / D conversion circuit using a chopper type voltage comparison circuit.
[0002]
[Prior art]
The chopper type voltage comparator first stores the input signal (or reference voltage) as a charge in the capacitance of the input unit, and then applies the reference voltage (or other input signal) to the input unit to apply the input signal and the reference voltage (or A voltage comparison is performed by amplifying the difference from other input signals. At this time, if the reset is performed by short-circuiting the input terminal and output terminal of the amplifier during charge accumulation, the influence of the offset voltage of the amplifier due to manufacturing variation or the like can be removed, so that the voltage used in the A / D converter Often used as a comparator. It is known that a chopper type voltage comparator is effective for high-speed operation by connecting multiple pairs of capacitors and amplifiers as in Non-Patent
[0003]
As the amplifier used for the chopper type voltage comparator, in addition to the differential amplifier shown on page 313 of Non-Patent
[0004]
In the capacitor array type digital / analog conversion circuit, a reset field effect transistor provided between the inverting input terminal and the output terminal is turned on by an undershoot or overshoot generated at the output terminal of the operational amplifier circuit. It is found that an offset occurs due to the leakage current generated between the source and drain, and in order to prevent this, two field effect transistors are connected in series between the inverting input terminal and the output terminal, and the connection
[Non-Patent Document 1]
David A. Johns, Ken Martin, "Analog Integrated Circuit Design," John Wiley & Sons, Inc.,
[Non-Patent Document 2]
Toshiro Tsukada, Eigame Imaizumi, Tatsuharu Matsuura “Offset Error Study of CMOS Chopper Type Voltage Comparator” IEICE Transactions C-II Vol.J77-C-II No.11 pp516-524 November 1994
[Patent Document 1]
JP 11-298329 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When using a circuit that handles a high voltage internally, such as a flash memory, it is necessary to keep the element breakdown voltage of a MOS transistor or the like high. In order to increase the element breakdown voltage, it is generally necessary to increase the element size and increase the threshold voltage of the MOS transistor, and the performance of the MOS transistor decreases. That is, a MOS transistor that prioritizes element breakdown voltage has a high threshold voltage Vth and a low current driving capability (transconductance gm). A voltage comparator using such an element has a high operable lower power supply voltage limited by the threshold voltage Vth, and the operation speed can be kept low even when it operates.
[0006]
The mainstream of LSI operating power supply voltage tends to decrease due to miniaturization of the manufacturing process. The problem of lowering the lower limit power supply voltage may be solved if a MOSFET (low VthMOS) with a lowered threshold voltage Vth can be used. However, as shown in the characteristic diagram of FIG. 12, the low Vth MOSFET generates a relatively large leakage current even when the gate-source voltage Vgs = 0. FIG. 13A is a measurement circuit diagram thereof.
[0007]
Therefore, in the chopper type voltage comparator of the successive approximation A / D converter as shown in FIG. 14, the inputs and outputs of the amplifier circuits A1, A2, and A3 are short-circuited as shown in FIG. Then, the input signal Vin is supplied, and the capacitors Cin, C1 and C2 provided at the inputs of the respective amplifier circuits A1 to A3 hold charges corresponding to variations in the input signal Vin and the logic threshold voltages of A2 and A3. In order to compare the magnitude of the input signal Vin with respect to a plurality of reference voltages Vref, when a circuit is configured using a low Vth MOSFET as shown in FIG. 14B, 0 V is applied to the gate. As a result, the leakage current leak flowing through the MOSFET in the off state causes the capacitors Cin, C1, and C2 to lose their charge, resulting in an error in the subsequent comparison operation.
[0008]
In a semiconductor integrated circuit device such as a one-chip microcomputer equipped with a flash memory and an A / D converter, a high threshold voltage with a high withstand voltage used for the nonvolatile memory cell and its write and erase circuits. 12 and a low threshold voltage MOSFET used for a circuit element such as a control circuit, as shown in the characteristic diagram of FIG. 12, substantial leakage occurs even when the gate-source voltage Vgs = 0. If a standard Vth (threshold voltage) MOSFET that does not generate current is used, the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device becomes complicated only for that reason, resulting in high cost.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device including a chopper type voltage comparison circuit and a local DAC that enable a highly accurate voltage comparison operation with a simple configuration. Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device provided with a chopper type voltage comparison circuit and a local DAC that realize high-speed operation with a simple configuration. The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The outline of a typical invention among the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows. First and second switch MOSFETs that are on / off controlled by the first voltage and the ground potential of the circuit between the input terminal and the output terminal of the first inverter circuit that operates based on the first voltage and the ground potential of the circuit. And a third switch MOSFET that is turned on when the first and second switch MOSFETs are controlled to be turned off between the interconnection point of the series circuit and the first voltage. In the state where the first and second switch MOSFETs are turned on, an input signal is taken into the input of the first inverter circuit via a capacitor to constitute a chopper type amplifier circuit.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a circuit diagram of an embodiment of a chopper type voltage comparison circuit according to the present invention. The input signal Vin and the reference voltage Vref are selectively supplied to one electrode of the capacitor Cin as an input capacitance via the switches S1 and S2. The other electrode of the capacitor Cin is connected to the input terminal of the CMOS inverter circuit A1 that constitutes the amplifier circuit. The output terminal of the inverter circuit A1 is connected to one electrode of a capacitor C1 as a coupling capacitor. The other electrode of the capacitor C1 is connected to the input terminal of the CMOS inverter circuit A2 that constitutes the amplifier circuit. The output terminal of the inverter circuit A2 is connected to one electrode of a capacitor C2 as a coupling capacitor. The other electrode of the capacitor C2 is connected to the input terminal of a similar CMOS inverter circuit A3.
[0012]
In this embodiment, when a low threshold voltage MOSFET is used as a reset switch for short-circuiting the input terminal and the output terminal of the inverter circuit A1 constituting the amplifier circuit, it is generated between the source and the drain. In order to prevent a part of the electric charge held in the input capacitance Cin from being lost due to a leakage current (so-called threshold leakage current) leak in the off state, N-channel MOSFETs Q1 and Q2 connected in series are Used. A P-channel MOSFET Q5 is provided between the interconnection point of these MOSFETs Q1 and Q2 and the power supply voltage Vcc. Although not particularly limited, the P-channel MOSFET Q5 is a high threshold voltage (high withstand voltage) MOSFET.
[0013]
A switch control signal φ1 is supplied to the gates of the MOSFETs Q1, Q2 and Q3, Q4, and a switch control signal φ2 is supplied to the gate of the MOSFET Q5. These switch control signals φ1 and φ2 are set to a high level such as the power supply voltage Vcc and a low level such as the circuit ground potential 0V.
[0014]
As shown in FIG. 2, the switch control signals φ1 and φ2 are set to a high level, the N-channel MOSFETs Q1, Q2, Q3, and Q4 are turned on, the P-channel MOSFET Q5 is turned off, and the switch S1 is turned on. A signal Vin is supplied. Thus, the logic threshold voltage V formed by short-circuiting the input and output of the inverter circuit A1. LT The signal charge corresponding to the input signal Vin with reference to is taken into the input capacitor Cin.
[0015]
When the switch S1 is turned off, the switch control signal φ1 is set to the low level, the MOSFETs Q1, Q2, Q3 and Q4 are turned off, the switch S2 is turned on and the reference voltage Vref is supplied. The difference voltage Vref−Vin between the input signal Vin and the input signal Vin is the logic threshold voltage V TL Compare the magnitude (positive and negative). By amplifying the output signal of the inverter circuit by the inverter circuits A2 and A3, a high-level / low-level voltage comparison output can be obtained.
[0016]
In this embodiment, when the reset is completed and the comparison operation is started as shown in FIG. 2, the MOSFET Q5 for fixing the potential at the interconnection point between the switch MOSFETs Q1 and Q2 is turned on before the reset switches MOSFETQ1 and Q2 are turned off. Then, charge flows into the input capacitor Cin that should hold the logic threshold voltage of the first-stage inverter circuit A1, and an error occurs in the subsequent comparison operation. In order to avoid this problem, first, the reset switches MOSFETs Q1 and Q2 are turned off by the control signal φ1, and then the switch MOSFET Q5 for fixing the potential between the reset switches MOSFETs Q1 and Q2 is turned on by the control signal φ2.
[0017]
In the embodiment of FIG. 1, two MOSFETs Q1 and Q2 are connected in series to a reset switch of a first stage inverter circuit (amplifier circuit) A1 using a MOSFET having a low threshold voltage Vth, and when the reset switch is off, MOSFETs Q1 and Q2 are connected. The intermediate node of the switch, which is the interconnection point, is connected to the power supply Vcc via the P-channel MOSFET Q5. In the configuration using a single switch MOSFET as shown in FIG. 12, under the condition that the output of the first-stage inverter circuit A1 is 0V, the leak current leak is transferred from the input capacitance Cin via the reset switch MOSFET to the inverter circuit. A leakage voltage comparison error occurs at the output of A1.
[0018]
In the configuration of the embodiment of FIG. 1, even when the output of the first-stage inverter circuit A1 is 0V, the leakage current leak is supplied from the power source Vcc via the MOSFET Q3, and the leakage current leak from the input capacitance Cin does not occur. The accuracy of the comparison operation is not degraded. However, when the input terminal of the inverter circuit A1 is near 0V, the leak current leak generated in the MOSFET Q1 flows into the input capacitance Cin and causes a determination error. Therefore, it is necessary to always satisfy the condition of the input signal that can suppress the leakage current of the low threshold voltage MOSFET Q1 used for the reset switch to be sufficiently small.
[0019]
In other words, referring to the characteristic diagram of FIG. 12, if a negative bias voltage such as −Vc is supplied between the gate and the source, the leakage current is reduced to a level that does not cause a problem substantially equivalent to that of a standard Vth MOSFET. be able to. In order to operate the low-th MOSFET at the operating point c at its Id-Vgs, as shown in FIG. 13B, a positive voltage such as the voltage Vc is applied to the source S with respect to the substrate B of the MOSFET. Supply it.
[0020]
In FIG. 1, assuming that the condition that the leakage current leak of the low Vth MOSFET Q1 is sufficiently small as described above is expressed by the gate-source voltage Vgs <−Va <0V, the input voltage of the inverter circuit A1 is always Va. As long as it is kept higher. The logic threshold voltage of the inverter circuit A1 is V TL V TL + Vref −Vin>Va> 0 so that V> 0 always holds TL By adjusting the value of V and the control of Vref, it is possible to prevent deterioration in accuracy due to charge loss of the input section capacitance Cin.
[0021]
The switch S1 is turned on, and the logic threshold voltage is applied to the input capacitor Cin. TL When the input signal Vin is supplied with reference to the input capacitor Vin, the input capacitance Cin has Vin−V. TL Is maintained. When the reference voltage Vref is supplied by switching from the switch S1 to the switch S2, Vin−Vref> V TL When the reference voltage as described above is supplied, the potential Va of the input terminal of the inverter circuit A1 becomes Va <0V, and a large leak current flows through the MOSFET Q1.
[0022]
Specifically, when the logic threshold voltage of the inverter circuit operating at the power supply voltage Vcc of 3V is 1.5V and the input signal Vin of 3V is supplied, the input capacitor holds the voltage of 1.5V. When the input switch is switched and a reference voltage Vref of 1.5 V or less is supplied, the potential of the input terminal of the inverter circuit A1 becomes 0 V or less, and a leak current similar to that of the MOSFET Q2 is generated. It will be done.
[0023]
However, when used in an A / D conversion circuit, a constant voltage is formed from the power supply voltage Vcc, and is divided to form a reference voltage Vref. Therefore, the reference voltage (digital conversion signal selected first) is selected as the voltage comparison order. The most significant bit) is generally selected to correspond to the midpoint voltage of the constant voltage. Therefore, the logic threshold voltage V of the inverter circuit A1. TL Is set to Vcc / 2, the inevitably the midpoint voltage Vref <V TL Therefore, it is not difficult to satisfy the above condition by limiting the positive maximum value of the input signal Vin so as not to exceed Vcc, and the A / D conversion operation is not particularly limited. It does not affect.
[0024]
FIG. 3 is a circuit diagram showing another embodiment of the chopper type voltage comparison circuit according to the present invention. In this embodiment, the interstage capacitors C1 and C2 and the reset switch MOSFET Q3 that short-circuits the input and output of the inverter circuit A2 are omitted. Other configurations are the same as those of the embodiment of FIG.
[0025]
That is, the input signal Vin and the reference voltage Vref are selectively supplied to one electrode of the input capacitor Cin via the switches S1 and S2, and the other electrode of the input capacitor Cin is the first-stage CMOS inverter constituting the amplifier circuit. Connected to the input terminal of the circuit A1. The output terminal of the inverter circuit A1 is connected to the input terminal of the CMOS inverter circuit A2 constituting the amplifier circuit. The output terminal of the inverter circuit A2 is connected to the input terminal of a similar CMOS inverter circuit A3. Further, reset switch MOSFETs Q1, Q2 and switch MOSFET Q5 similar to those in the embodiment of FIG. 1 are provided between the input terminal and the output terminal of the inverter circuit A1, and the input terminal and the output terminal of the inverter circuit A3 are connected. A reset switch MOSFET Q4 is provided between them.
[0026]
By eliminating the interstage capacitance as described above, it is not necessary to consider the accuracy degradation due to the leakage current as described above, but it is possible to accurately match the logic threshold voltages of the adjacent inverter circuits A1 and A2 and A2 and A3. Necessary. In order to match the logic threshold voltage, it is effective to use a layout technique such as a common centroid with a MOS having a relatively large element size as shown in FIG. In order to reduce the influence of the error of the logic threshold voltage, it is effective to increase the voltage gain of the first-stage inverter circuit A1.
[0027]
In FIG. 4, four M1, two M2, and two M5 are formed in the P-type well P-WELL as N-channel MOSFETs having a relatively large channel width, and the channel width is formed in the N-type well N-WELL. As a P-channel MOSFET with a large length, four M2, two M4, and two M6 are formed. The N-channel MOSFETs M1 to M5 have the same size, and a total of eight are linearly arranged in the channel length direction. The P-channel MOSFETs M2 to M6 have the same size, and a total of 8 are linearly arranged in the channel length direction. The P-channel MOSFET is formed larger than the N-channel MOSFET so that the conductance characteristic is the same as that of the N-channel MOSFET so that the logic threshold voltage is approximately ½ of the operating voltage.
[0028]
The one N-channel MOSFET and the P-channel MOSFET are paired so that the gate electrodes G are linearly arranged. That is, they are arranged linearly in the channel width direction of the MOSFET. Although not particularly limited, a dummy MOSFET (dummy NMOS, dummy PMOS) is provided at an end portion in the channel length direction of the MOSFET in order to prevent influence with other circuits. In order to accurately match the logic threshold voltages of the first-stage inverter circuit A1 and the next-stage inverter circuit A2, the end MOSFETs constituting part of the first-stage inverter circuit A1 are provided with dummy NMOS and dummy PMOS as described above. It is done.
[0029]
On the other hand, the dummy MOSFET is not provided in the end MOSFET constituting the inverter circuit A3 unlike the first-stage inverter circuit. This is because the inverter circuit A3 is supplied with the input signal supplied to its input amplified by the inverter circuits A1 and A2, and has a relatively large signal amplitude, so that the logic threshold voltage of the inverter circuits A3 and A2 This is because the difference does not significantly affect the accuracy of the voltage comparison operation.
[0030]
As shown in FIG. 4 as an equivalent circuit, the first stage inverter circuit is composed of four N-channel MOSFETs M1 and four P-channel MOSFETs M2, and has a large voltage gain. That is, the second-stage inverter circuit is composed of two N-channel MOSFETs M3 and M4 and two P-channel MOSFETs M4, and the third-stage inverter circuit is composed of two N-channel MOSFETs M5 and two P-channel MOSFETs. Since the channel MOSFET M6 is used, the first-stage inverter circuit is twice as large in terms of element size.
[0031]
In FIG. 4, although the wiring layout is omitted, as shown in the figure, in the first stage inverter circuit, the gates G, drains D and sources S of the four MOSFETs M1 and M2 are connected to each other, and the gate G is input. Terminal IN and drain D are output terminals and are connected to the gate G of the next-stage inverter circuit. The ground potential of the circuit is applied to the source S of the N-channel MOSFET M1, and the power supply voltage is applied to the source S of the P-channel MOSFET M2. Also in the second-stage and third-stage inverter circuits, the gates G, drains D, and sources S of the two MOSFETs M3 and M4, M5, and M6 are connected to each other. The ground potential of the circuit is applied to the sources S of the N-channel MOSFETs M3 and M5, and the power supply voltage is applied to the sources S of the P-channel MOSFETs M4 and M6. The output terminal of the second stage inverter circuit is connected to the input terminal of the third stage inverter circuit, and the third stage inverter circuit is used as the output terminal OUT.
[0032]
When removing the interstage capacitors C1 and C2, it is also necessary to remove the reset switch MOSFET Q3 of the second stage inverter circuit A2. Second stage inverter circuit A2 If the reset switch MOSFET Q3 remains, the second stage inverter circuit when the logic threshold voltage of the first stage inverter circuit A1 to be held in the input capacitor Cin at the time of reset is slightly different from the logic threshold voltage. Influenced by A2. At the time of comparison, the logic threshold voltage of the first stage inverter circuit A1 is not affected by the threshold voltage of the second stage inverter circuit A2, so this difference causes a comparison error. Therefore, as described above, the second-stage inverter circuit A2 reset switch MOSFET Q3 is omitted, and the influence can be eliminated even if the logic-threshold voltage of the second-stage inverter circuit A2 is different.
[0033]
The presence / absence of the reset switch MOSFET Q4 in the third-stage (and subsequent) inverter circuit A3 does not directly cause an error in the comparator like the logic threshold voltage of the inverter circuit A2. However, generally, a finite resistance (parasitic resistance) exists in the power supply / ground wiring of the inverter circuit, and a voltage drop (IR drop) corresponding to the current consumption occurs.
[0034]
At the time of resetting, a through current flows through the first-stage inverter circuit A1 and the second-stage inverter circuit A2, and also at the time of comparison, when the input voltage Vin requiring a high-precision comparison operation is close to the comparison voltage Vref, the through-current Flows. When the difference between Vin and Vref to be compared is sufficiently small, a through current flows through the first-stage inverter circuit A1 and the second-stage inverter circuit A2 as well as the third-stage inverter circuit A3. When the through current flows in the circuit A3, the operation conditions at the time of reset and comparison are more accurately matched, so the accuracy of the comparison result is also accurate.
[0035]
A reset switch MOSFET Q4 is provided in the third stage inverter circuit A3 so that a required through current flows through the third stage inverter circuit A3 even if the logic threshold voltages of the first stage inverter circuit A1 and the second stage inverter circuit A2 are slightly shifted. Thus, it is beneficial to perform the comparison operation with high accuracy by allowing the through current to flow as described above.
[0036]
FIG. 5 shows an element cross-sectional view of one embodiment of the interstage capacitance of the embodiment of FIG. For the interstage capacitors C1 and C2, a capacitive element using an upper electrode, a lower electrode, and an insulating film provided therebetween as a dielectric is used. However, the parasitic capacitance Cs is always connected between the well and the substrate on the lower electrode side. FIG. 6 shows a load circuit of the inverter circuit in consideration of the influence of the parasitic capacitance (bottom capacitance). The load capacity of the first stage inverter circuit A1 is obtained by adding the bottom capacity Cs in parallel to the series capacity of the input capacity Cg and the interstage capacity C1 of the next stage inverter circuit A2.
[0037]
Since the gain of the signal path transmitted from the output of the inverter circuit A1 to the input of the inverter circuit A2 is expressed by C1 / (C1 + Cg), it is general that C1 is sufficiently large with respect to Cg so that the gain is not reduced too much. It is. In this case, since the combined capacitance value of the series circuit of C1 and Cg is almost equal to Cg, the load capacitance of the inverter circuit A1 is approximately expressed as Cg + Cs. Therefore, if the interstage capacitances C1 and C2 are removed under these conditions, the load capacity of the inverter circuits A1 and A2 is always reduced, and high-speed operation is possible. For example, when C1 is 5 times Cg and Cs is about 20% of C1, the values of Cg and Cs are almost equal. Therefore, the speed can be increased about twice by removing the interstage capacitance.
[0038]
When a CMOS switch is configured using a MOSFET having a high breakdown voltage and a high threshold voltage, the on-resistance is remarkably increased. The increase in the on-resistance deteriorates the settling time of the input signal and the settling time of the DAC that forms the reference voltage, resulting in deterioration of absolute accuracy. That is, when a low voltage operation is performed using a high breakdown voltage (high Vth) MOS, not only the reset switch MOSFET of the chopper type voltage comparison circuit but also the switches S1 and S2 for switching between the input signal and the reference voltage become a problem. In particular, when the threshold voltage Vth rises due to low temperature operation in addition to process variations, the on-resistance of the switch for an intermediate signal in the vicinity of 1/2 Vcc becomes very high.
[0039]
In a known CMOS switch configured by connecting an N-channel MOSFET and a P-channel MOSFET in parallel, the back gates of the N-channel MOSFET and the P-channel MOSFET are normally connected to the ground / power supply Vcc, respectively. Here, when the input signal is about 1/2 Vcc, the effective threshold voltage Vth of the N-channel MOSFET and the PMOSFET rises due to the substrate bias effect. Under the condition that the original true threshold voltage Vth0 is high (process variation, low temperature), the on-resistance is extremely increased as the power supply voltage Vcc is lowered. As one means for avoiding an increase in on-resistance, it is conceivable to use a low Vth MOS for the switch. However, a leakage current generated under conditions where Vth is low (process variation, high temperature) deteriorates conversion accuracy. In addition, the switches S1 and S2 cannot adopt the circuit configuration such as the reset MOSFETs Q1, Q2 and Q5.
[0040]
FIG. 7 shows a circuit diagram of an embodiment of the CMOS switch used in the present invention. In this embodiment, a CMOS switch is configured by connecting in parallel a high breakdown voltage and high threshold voltage P-channel MOSFET Q6 and an N-channel MOSFET Q7. The voltage of the input signal IN is transmitted to the substrate (channel) of the N-channel MOSFET Q7 through the N-channel MOSFET Q8 in order to reduce the resistance value in the on state.
[0041]
In the CMOS switch of this embodiment, a positive potential corresponding to the input signal IN is supplied to the substrate (P-WELL) of the N-channel MOSFET Q7 in the on state, and the effective threshold voltage Vth is lowered by the substrate bias effect. Thus, the on-resistance is reduced. Further, in order to prevent leakage of current when the CMOS switch is turned off, the N channel MOSFET Q9 controls the potential of the substrate (P-WELL) of the N channel MOSFET Q7 to 0V. As a result, the effective threshold voltage of MOSFET Q7 in the off state becomes larger than that in the on state due to the substrate potential, and the threshold leak current flowing between the source and drain in the off state is greatly reduced. Can do.
[0042]
The inventor of the present application uses a MOSFET having a large on-resistance value of about 163 KΩ in a state where a bias voltage such as 0 V is supplied to the substrate of the MOSFET Q7 of the CMOS switch as in the conventional CMOS switch. It has been confirmed that when the MOSFET Q8 is added to have the same voltage as the input signal to be transmitted, a significant on-resistance value can be reduced to about 2.3 KΩ.
[0043]
In order to switch the MOSFETs Q8 and Q9 as described above in accordance with the on / off state of the CMOS switch as described above, the gate of the MOSFET Q8 is supplied to the gate of the N-channel MOSFET Q7 of the CMOS switch. A non-inverted switch control signal Vsw is supplied, and an inverted switch control signal / Vsw supplied to the gate of the P-channel MOSFET Q6 of the CMOS switch is supplied to the gate of the N-channel MOSFET Q9.
[0044]
In this embodiment, by using a substrate bias control type circuit as shown in FIG. 7 as the input / reference voltage changeover switches S1 and S2 of the chopper type voltage comparison circuit, the influence of such an increase in on-resistance is mitigated. . In the embodiment circuit of FIG. 7, the back gate (substrate) of the N-channel MOSFET Q7 constituting the CMOS analog switch is biased by the input signal by the switch MOSFET Q8 when the switch is on, and the switch MOSFET Q9 when the switch is off. Connect to ground with. As a result, an increase in on-resistance due to the substrate bias effect can be avoided without increasing the off-state leakage current.
[0045]
The embodiment circuit of FIG. 7 can be realized by an n-substrate / P-WELL process as shown in FIG. 5 or a triple well (deep well) which has become common in recent years. In the p-substrate / N-WELL process, the P-channel MOSFET 6 of the CMOS switch can be made a substrate bias control type, and in the triple well process, both the P-channel MOSFET Q6 and the N-channel MOSFET Q7 of the CMOS switch are of the substrate bias control type. I can do it.
[0046]
The increase in the on-resistance of the CMOS analog switch becomes a problem in the local DAC which is an important circuit element of the successive approximation A / D converter together with the chopper type voltage comparison circuit. A resistor string type DAC generally used as a local DAC is 2 for an n-bit DAC. n Since the unit resistors are connected in series, and the voltage at each node is selected and output by the switch, the switch for selecting the voltage near 1/2 Vcc is the input / reference voltage changeover switch of the previous chopper type voltage comparison circuit and The exact same problem occurs. Although it is possible to solve in principle by making all the switches with on-resistance problems a substrate bias control type, the back gate to be controlled (P-WELL in FIG. 7) needs to be separated by each switch. When applied to a large number of switches, the occupied area increases drastically and is not practical in terms of cost.
[0047]
Since the CMOS switch of this embodiment controls the substrate (P-WELL) of the N-channel MOSFETs Q7 and Q8 to 0V in the off state, the output voltage VOUT can be used in the range of 0 to AVCC (analog circuit power supply voltage). is there. However, it is necessary to separate the P-WELL from other N-channel MOSFETs, and the layout size is increased. For example, if an n-bit DAC is used as described above, 2 n Unit resistors are connected in series, and the voltage at each node is selected and output by a switch. Of these, a switch that selects a voltage near 1/2 Vcc is the input / reference voltage of the previous chopper type voltage comparison circuit. Since the same problem as that of the changeover switch occurs, it is limitedly used to select the intermediate reference voltage Vref so as to prevent an increase in the occupied area to the minimum necessary.
[0048]
FIG. 8 shows a circuit diagram of another embodiment of the CMOS switch used in the present invention. In the CMOS switch of this embodiment, a local DAC switch as will be described later has a two-stage serial configuration of a lower bit side and an upper bit side, and the on-resistance value among those controlled by the lower bit decoder becomes a problem. Used for. That is, when a CMOS switch is configured with a MOSFET having a high breakdown voltage and a high Vth as described above, the on-resistance value becomes about 210 KΩ, but the on-resistance value is reduced to about 4 by using the N-channel MOSFET Q11 having a low Vth. It can be reduced to 4 KΩ.
[0049]
However, if the low Vth MOSFET Q11 is used as described above, the leakage current when it is turned off increases. Therefore, among those provided at each node of the resistor string, for example, it is used for selecting an intermediate voltage in the vicinity of 0.7V to 2.2V. When applied to a CMOS switch that selects such an intermediate voltage, the source potential with respect to the substrate (channel) becomes 0.7 V to 2.2 V as described above, and the effective threshold voltage Vth increases due to the substrate effect. , Leakage current can be reduced.
[0050]
9 and 10 are circuit diagrams showing an embodiment of the local DAC according to the present invention. FIG. 9 shows a circuit diagram of the left half of the local DAC, and FIG. 10 shows a circuit diagram of the right half of the local DAC. This local DAC is combined with the chopper type voltage comparison circuit to constitute a successive approximation type A / D converter.
[0051]
The local DAC is a resistor string type DAC, and if it is an 8-bit DAC, it is 2 8 = 256 unit resistors are connected in series between the constant voltage Vr and the ground potential avss of the circuit, and 256 voltages at each node are selected by a switch and output. In this embodiment, the upper bit side is 3 bits and the lower bit side is 5 bits, and one of the 256 voltages is selected. Of the 256 nodes, 32 series resistors are divided into 8 groups and selected by switches SW1 to SW8 controlled by the higher 3 bits of decoding output.
[0052]
32 nodes of each of the 8 groups are selected by a switch controlled by a middle 5-bit decode output. In this embodiment, as shown in FIG. 10, four intermediate potentials are taken out and selected by the lower 2-bit decode output. That is, the 256 reference voltages are formed, and the first reference voltage supplied to the chopper type voltage comparison circuit by selecting each of the 256 potentials by the
[0053]
By making the capacitance ratio of the input capacitance Cin to which the second reference voltage Vref2 is input with the input capacitance Cin to which the first reference voltage Vref1 is input four times, the input signal and the reference voltage Vref2 are each The signal voltage supplied to the chopper type voltage comparison circuit receiving the potential can be reduced to ¼, and the output results of the two chopper type voltage comparison circuits are combined to obtain a 10-bit A / D conversion output as a whole. be able to.
[0054]
In the local DAC of this embodiment, among the eight switches SW1 to SW8 corresponding to the upper 3-bit decode output, the analog switches as shown in FIG. The switches SW7 and SW8 for selecting are configured by P-channel MOSFETs, and the switches SW1 and SW2 for selecting low voltage are configured by N-channel MOSFETs. Although omitted in the figure, a low threshold voltage as shown in FIG. 8 is used to select an intermediate potential among CMOS switches that are switch-controlled by the lower bit and middle bit decode outputs. It is comprised by using this MOSFET.
[0055]
As described above, the low Vth MOS is used for selecting the intermediate potential among the CMOS switches that are switch-controlled by the lower bit side switch and the middle bit decode output. However, in this configuration, the low Vth MOS is always 1 / Since a voltage in the vicinity of 2 Vr is applied to the source / drain, the leakage current at the off time does not matter.
[0056]
FIG. 11 is a block diagram showing an embodiment of a single chip microcomputer to which the present invention is applied. Although not particularly limited, the single-chip microcomputer MCU of this embodiment is incorporated in an automobile or an industrial machine and functions as its control device.
[0057]
The microcomputer MCU shown in the figure is a central processing unit CPU of a so-called stored program system. Although not particularly limited, the central processing unit CPU is coupled with a flash memory FEEPROM, a random access memory RAM, an analog / digital conversion circuit ADC, a watchdog timer WDT, a timer circuit TIM, and a serial communication interface SCI via an internal bus IBUS. The A predetermined clock signal CLK is supplied from the clock generation circuit CLKG to each part of the microcomputer MCU including the central processing unit CPU, and the microcomputer MCU further controls the operation of the clock generation circuit CLKG. CLKC and a power-on reset circuit POR for resetting each part of the microcomputer MCU to the initial state when the power is turned on.
[0058]
The watchdog timer WDT is supplied with the internal signal PR from the central processing unit CPU, and its output signal, that is, the abnormality detection signal TD is supplied to the clock controller CLKC. One input terminal of the clock generation circuit CLKG is coupled to one electrode of the crystal oscillator XTAL via the external terminal EXTAL, and the clock output signal CG of the clock controller CLKC is supplied to the other input terminal. The other electrode of the crystal oscillator XTAL is coupled to the clock controller CLKC via the external terminal XTAL.
[0059]
The power-on reset circuit POR is supplied with the power supply voltage VCC and the ground potential VSS, which are the operation power supply of the single-chip microcomputer MCU, via the external terminals VCC and VSS, respectively. It is supplied to the controller CLKC. The clock controller CLKC is further supplied with an output signal RSTP of the complete stop control register RSTP and an output signal RCMD of the mode control register RCMD from the central processing unit CPU. The output signal, that is, the normal reset signal RS is sent to the central processing unit CPU. It is supplied to each part of the microcomputer MCU.
[0060]
The central processing unit CPU performs step operations according to a user program stored in the flash memory FEEPROM, executes predetermined arithmetic processing, and controls and supervises each part of the microcomputer. In this embodiment, the central processing unit CPU includes a complete stop control register and a mode control register which can be written by an instruction, and output signals RSTP and RCMD are supplied to the clock controller CLKC as described above. Further, the internal signal PR indicating the program execution status of the central processing unit CPU is constantly monitored by the watchdog timer WDT and used for detecting an abnormality of the microcomputer MCU.
[0061]
The flash memory FEEPROM stores programs and fixed data necessary for control of the central processing unit CPU. The random access memory RAM is composed of, for example, a static RAM having a predetermined storage capacity, and temporarily stores calculation results and control data of the central processing unit CPU.
[0062]
In such a single-chip microcomputer, the analog / digital conversion circuit ADC converts an analog input signal input from various sensors connected to the outside into a digital signal of a predetermined bit, and the central processing unit via the internal bus IBUS. It can be used for transmission to a CPU or the like. In this embodiment, the local DAC and the chopper type voltage comparison circuit as described above are used. The timer circuit TIM measures time according to the clock signal supplied from the clock generation circuit CPG, and the serial communication interface SCI is a high-speed connection between the serial input / output device coupled to the outside of the microcomputer and the random access memory RAM, for example. Support data transfer.
[0063]
The watchdog timer WDT monitors the internal signal PR output from the central processing unit CPU. In response to the fact that the internal signal PR is not formed over a predetermined time, in other words, the instruction fetch by the central processing unit CPU is long. In response to not being performed over a period of time, an abnormality of the central processing unit, that is, the microcomputer is detected, and its output signal, that is, the abnormality detection signal TD is selectively set to the high level. The power-on reset circuit POR monitors the potential of the power supply voltage VCC and the ground potential VSS supplied via the external terminals VCC and VSS, and when the operation power is turned on, its output signal, that is, the power-on reset signal POR. Is temporarily set to the high level for a predetermined period. The abnormality detection signal TD from the watchdog timer WDT and the power-on reset signal POR from the power-on reset circuit POR are supplied to the clock controller CLKC.
[0064]
As a result, in a single-chip microcomputer or the like incorporated in an automobile or industrial machine, the operation of the clock generation circuit is selectively stopped in response to detection of an abnormality by a watchdog timer or writing of a predetermined register by a command from the central processing unit. By providing a clock controller that can be released, this complete stop state can be released only by the power-on reset signal when the power is turned on again. When an abnormality occurs, the operating power is turned off and then turned on again. The operation of the computer or the like can be completely stopped.
[0065]
The above single-chip microcomputer is configured by using a manufacturing process of a flash memory FEEPROM. In other words, there are two types of MOSFETs: a high breakdown voltage and high threshold voltage MOSFET that constitutes the memory cell of the flash memory FEEPROM and its peripheral circuits, and a low threshold voltage MOSFET that constitutes a logic circuit such as the central processing unit CPU. The threshold voltage is constituted by a MOSFET. When the analog / digital conversion circuit ADC is configured in such a single chip microcomputer composed of two types of MOSFETs, a switch or CMOS used for the local DAC and chopper type voltage comparison circuit that configure the analog / digital conversion circuit ADC. By applying the present invention to the switch, the same thing as the low threshold voltage MOSFET of the above logic circuit is used to reduce the cost, while suppressing the leakage current in the analog / digital conversion circuit ADC and achieving high speed and high accuracy. An A / D conversion operation can be performed.
[0066]
According to the embodiment described above, it is possible to reduce the operable power supply voltage by using the low Vth MOS for the reset switch of the inverter circuit used in the chopper type voltage comparison circuit. In order to prevent accuracy degradation due to leakage current generated in the low Vth MOSFET, two reset switches of the first-stage inverter circuit are connected in series, and the intermediate node is set to an appropriate potential when the switch is turned off to prevent leakage current. can do. In addition, by eliminating the interstage capacitance, accuracy deterioration due to the leakage current of the reset switch of the inverter circuit after the second stage is prevented, and by removing the parasitic capacitance (bottom plate capacity) of the interstage capacitance that becomes the load of the inverter circuit High speed operation is possible.
[0067]
When removing the interstage capacitance, if there is a reset switch for the second-stage inverter circuit, the offset voltage of the first-stage inverter circuit will deviate from the original value at the time of reset. Remove the reset switch for the second-stage inverter circuit and remove it. Can be prevented. On the other hand, by leaving the third-stage (and subsequent) reset switch, the current consumption at the time of reset and comparison is almost equal, and the offset error is caused by the voltage drop (IR drop) caused by the parasitic resistance of the power supply wiring. It can be prevented from occurring.
[0068]
The invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the invention of the present application is not limited to the embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Nor. For example, the inverter circuit may have a low threshold voltage or a high threshold voltage. In the present invention, once the input signal is stored, various chopper type voltage comparison circuits for comparing the magnitudes of a plurality of different reference voltages, a local DAC, and a successive approximation A / D converter configured by combining them, or The present invention can be widely used in various semiconductor integrated circuit devices including a resistor string type DAC.
[0069]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows. First and second switch MOSFETs that are on / off controlled by the first voltage and the ground potential of the circuit between the input terminal and the output terminal of the first inverter circuit that operates based on the first voltage and the ground potential of the circuit. And a third switch MOSFET that is turned on when the first and second switch MOSFETs are controlled to be turned off between the interconnection point of the series circuit and the first voltage. In a state in which the first and second switch MOSFETs are turned on, an input signal is taken into the input of the first inverter circuit via a capacitor to constitute a chopper type amplifier circuit. An accurate and high-speed voltage comparison operation can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a chopper type voltage comparison circuit according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a reset switch according to the embodiment of FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram showing another embodiment of the chopper type voltage comparison circuit according to the present invention.
FIG. 4 is an element layout diagram showing one embodiment of an inverter circuit used in a chopper type voltage comparison circuit used in the present invention.
FIG. 5 is a device cross-sectional view showing one embodiment of the interstage capacitance of the embodiment of FIG. 1;
6 is a load circuit diagram of the inverter circuit of the embodiment of FIG. 1; FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram showing one embodiment of a CMOS switch used in the present invention.
FIG. 8 is a circuit diagram showing another embodiment of the CMOS switch used in the present invention.
FIG. 9 is a partial circuit diagram showing one embodiment of a local DAC according to the present invention.
FIG. 10 is a remaining partial circuit diagram showing an embodiment of a local DAC according to the present invention.
FIG. 11 is a block diagram showing an embodiment of a single chip microcomputer to which the present invention is applied.
FIG. 12 is a characteristic diagram of a MOSFET for explaining the present invention.
FIG. 13 is a measurement circuit diagram of a MOSFET for explaining the present invention.
FIG. 14 is a circuit diagram showing an example of a chopper type voltage comparison circuit studied prior to the present invention.
[Explanation of symbols]
Q1-Q11 ... MOSFET, S1, S2 ... Switch, A1-A3 ... Inverter circuit, M1-M6 ... Unit MOSFET, SW1-SW8 ... Analog switch, MCU ... Single-chip microcomputer, CPU ... Central processing unit, IBUS ... Internal bus , FEEPROM ... Flash memory, RAM ... Random access memory, ADC ... Analog / digital conversion circuit, WDT ... Watch dog timer, TIM ... Timer circuit, SCI ... Serial communication interface, POR ... Power on reset circuit, CLKC ... Clock controller, CLKG ... Clock generation circuit, XTAL ... Crystal oscillator.
Claims (8)
上記チョッパ型増幅回路は、
第1電圧と回路の接地電位とにより動作する第1インバータ回路と、
上記第1インバータ回路の入力端子と出力端子との間に直列形態に設けられ、上記第1電圧と回路の接地電位にされる第1制御信号によりオン/オフ制御される第1と第2スイッチMOSFETと、
上記第1インバータ回路の入力端子に一端が接続されて他端から第1及び第2入力信号が供給されるキャパシタと、
上記第1と第2スイッチMOSFETの接続点と上記第1電圧と同じ極性にされた第2電圧との間に設けられ、上記第1電圧と回路の接地電位にされる第2制御信号によりオン/オフ制御にされる第3スイッチMOSFETと、
上記第1インバータ回路の出力信号を増幅する第2インバータ回路とを含み、
上記第1制御信号により上記第1と第2スイッチMOSFETがオン状態にされるとき上記キャパシタの他端から上記第1入力信号が供給され、
上記第1制御信号により上記第1と第2スイッチMOSFETがオフ状態のとき上記キャパシタの他端から上記第2入力信号が供給され、
上記第1制御信号により上記第1と第2スイッチMOSFETがオフ状態にされた後に上記第2制御信号により上記第3スイッチMOSFETがオン状態にされ、
上記第1インバータ回路のロジックスレショルド電圧に上記第2入力信号を加えた電圧と上記第1入力信号との差電圧が、上記第1スイッチMOSFETのソースに印加された状態のときの上記第1スイッチMOSFETに流れるリーク電流が所望電流以下になるよう上記第1入力信号、第2入力信号及びロジックスレショルド電圧がそれぞれ設定され、
上記第1と第2スイッチMOSFETのしきい値電圧は、上記第1電圧に対応した第1しきい値電圧を有し、
上記第3スイッチMOSFETのしきい値電圧は、上記第1しきい値電圧よりも高くされ、
上記第1、第2インバータ回路は、上記第1しきい値電圧のMOSFETで構成されることを特徴とする半導体集積回路装置。 It has a chopper type amplifier circuit,
The chopper type amplifier circuit is
A first inverter circuit operating with a first voltage and a ground potential of the circuit;
First and second switches which are provided in series between an input terminal and an output terminal of the first inverter circuit and are on / off controlled by a first control signal which is set to the first voltage and the ground potential of the circuit. MOSFET,
A capacitor having one end connected to the input terminal of the first inverter circuit and supplied with first and second input signals from the other end;
Provided between the connection point of the first and second switch MOSFETs and a second voltage having the same polarity as the first voltage, and turned on by a second control signal that is set to the first voltage and the ground potential of the circuit. A third switch MOSFET which is controlled to be turned off ;
A second inverter circuit for amplifying the output signal of the first inverter circuit,
The first input signal is supplied from the other end of the capacitor when the first and second switch MOSFETs are turned on by the first control signal.
The second input signal is supplied from the other end of the capacitor when the first and second switch MOSFETs are turned off by the first control signal ,
After the first and second switch MOSFETs are turned off by the first control signal, the third switch MOSFET is turned on by the second control signal,
The first switch when a difference voltage between a voltage obtained by adding the second input signal to the logic threshold voltage of the first inverter circuit and the first input signal is applied to the source of the first switch MOSFET. The first input signal, the second input signal, and the logic threshold voltage are set so that the leakage current flowing through the MOSFET is less than or equal to a desired current,
The threshold voltages of the first and second switch MOSFETs have a first threshold voltage corresponding to the first voltage,
A threshold voltage of the third switch MOSFET is set higher than the first threshold voltage ;
The semiconductor integrated circuit device, wherein the first and second inverter circuits are constituted by MOSFETs having the first threshold voltage .
上記半導体集積回路装置は、電気的な消去と書込とが可能にされた不揮発性記憶回路を含み、
上記第3スイッチMOSFETは、上記不揮発性記憶回路に用いられる高耐圧用MOSFETを用いて構成され、
上記第1と第2スイッチMOSFETは、上記不揮発性記憶回路に用いられる低しきい値電圧にされたMOSFETで構成されてなることを特徴とする半導体集積回路装置。In claim 1,
The semiconductor integrated circuit device includes a nonvolatile memory circuit that can be electrically erased and written,
The third switch MOSFET is configured using a high voltage MOSFET used in the nonvolatile memory circuit,
The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the first and second switch MOSFETs are constituted by MOSFETs having a low threshold voltage used for the nonvolatile memory circuit.
上記キャパシタの他端には、上記第1入力信号を供給する第1アナログスイッチと、上記第2入力信号を供給する第2アナログスイッチとを更に備え、
上記第1入力信号は、アナログ入力電圧信号であり、
上記第2入力信号は、参照電圧であり、
上記チョッパ型増幅回路は、上記第1制御信号により上記第1と第2スイッチMOSFETがオフ状態のときに上記アナログ入力電圧信号と上記参照電圧との電圧比較動作を行うことを特徴とする半導体集積回路装置。In claim 2,
The other end of the capacitor, further comprising a first analog switch for supplying the first input signal, a second analog switch for supplying the second input signal,
The first input signal is an analog input voltage signal;
The second input signal is a reference voltage;
The chopper amplifier circuit performs a voltage comparison operation between the analog input voltage signal and the reference voltage when the first and second switch MOSFETs are turned off by the first control signal. Circuit device.
第3インバータ回路を更に備え、
上記第2インバータ回路の出力信号は、上記第3インバータ回路により増幅され、
上記第1インバータ回路の出力端子と上記第2インバータ回路の入力端子の間の配線容量と、第2入力インバータ回路の入力容量とが同等に設定され、
上記第2インバータ回路の出力端子と上記第3インバータ回路の入力端子の間の配線容量と、第3入力インバータ回路の入力容量とが同等に設定されることを特徴とする半導体集積回路装置。In claim 3,
A third inverter circuit;
The output signal of the second inverter circuit is amplified by the third inverter circuit ,
A wiring capacitance between the input terminals of the output terminal and the second inverter circuit of the first inverter circuit, the input capacitance of the second input inverter circuit is set to be equal to,
A semiconductor integrated circuit device, wherein a wiring capacitance between an output terminal of the second inverter circuit and an input terminal of the third inverter circuit and an input capacitance of the third input inverter circuit are set to be equal .
上記第3インバータ回路の入力端子と出力端子と並列に低しきい値電圧のMOSのスイッチが設けられたものであることを特徴とする半導体集積回路装置。In claim 3,
A semiconductor integrated circuit device characterized in that a low threshold voltage MOS switch is provided in parallel with an input terminal and an output terminal of the third inverter circuit.
上記第2アナログスイッチを通して入力される参照電圧は、上記電圧比較結果に対応して順次に切り換えられ、上記電圧比較結果と上記切り換えられた参照電圧との関係から上記アナログ入力電圧信号に対応したデジタル変換信号を得る回路を更に有することを特徴とする半導体集積回路装置。In claim 5,
The reference voltage input through the second analog switch is sequentially switched corresponding to the voltage comparison result, and a digital signal corresponding to the analog input voltage signal is obtained from the relationship between the voltage comparison result and the switched reference voltage. A semiconductor integrated circuit device further comprising a circuit for obtaining a conversion signal.
上記参照電圧は、接地電位を基準にし、上記第1電圧よりも低くされた定電圧を分圧した複数からなり、
回路の接地電位側の参照電圧を選択する第2アナログスイッチは、NチャネルMOSFETからなり、
上記定電圧側の参照電圧を選択する第2アナログスイッチは、PチャネルMOSFETからなり、
上記回路の接地電位と上記定電圧との間の中間電位の参照電圧を選択する第2アナログスイッチは、PチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETとが並列接続されたCMOSスイッチからなり、
上記Nチャネルの基板ゲートには、上記NチャネルMOSFETがオン状態のときにその基板に正のバイアス電圧を供給し、オフ状態のときに回路の接地電位を供給する第1バイアス切り換え回路又は上記PチャネルMOSFETの基板ゲートには、上記PチャネルMOSFETがオン状態のときにはその基板に正のバイアス電圧を供給し、オフ状態のときに上記第1電圧を供給する第2バイアス切り換え回路のいずれか一方が設けられるものであることを特徴とする半導体集積回路装置。In claim 6,
The reference voltage is composed of a plurality of voltages obtained by dividing a constant voltage that is lower than the first voltage with reference to the ground potential.
The second analog switch for selecting the reference voltage on the ground potential side of the circuit is composed of an N-channel MOSFET,
The second analog switch for selecting the reference voltage on the constant voltage side is composed of a P-channel MOSFET,
The second analog switch that selects an intermediate reference voltage between the ground potential of the circuit and the constant voltage is a CMOS switch in which a P-channel MOSFET and an N-channel MOSFET are connected in parallel,
A first bias switching circuit that supplies a positive bias voltage to the N-channel substrate gate when the N-channel MOSFET is in an on state and supplies a ground potential of the circuit when the N-channel MOSFET is in an off state, or the P One of the second bias switching circuits for supplying a positive bias voltage to the substrate gate of the channel MOSFET when the P-channel MOSFET is on and supplying the first voltage when the P-channel MOSFET is off. A semiconductor integrated circuit device, which is provided.
上記第1バイアス切り換え回路は、NチャネルMOSFETがオン状態のとには、上記参照電圧を上記基板ゲートに伝えるNチャネル型の第4スイッチMOSFETと、上記Nチャネルがオフ状態のときに上記接地電位を上記基板ゲートに伝えるNチャネル型の第5MOSFETからなり、
上記第2バイアス切り換え回路は、PチャネルMOSFETがオン状態のとには、上記参照電圧を上記基板ゲートに伝えるPチャネル型の第6スイッチMOSFETと、上記Pチャネルがオフ状態のときに上記第1電圧を上記基板ゲートに伝えるPチャネル型の第7MOSFETからなることを特徴とする半導体集積回路装置。In claim 7,
The first bias switching circuit includes an N-channel type fourth switch MOSFET that transmits the reference voltage to the substrate gate when the N-channel MOSFET is turned on, and the ground potential when the N-channel is turned off. Consisting of an N-channel fifth MOSFET that transmits the above to the substrate gate,
The second bias switching circuit includes a P-channel type sixth switch MOSFET that transmits the reference voltage to the substrate gate and a first P-channel MOSFET when the P-channel is in an OFF state. A semiconductor integrated circuit device comprising a seventh P-channel MOSFET for transmitting a voltage to the substrate gate.
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