电平转换器的制作方法

本发明涉及电平转换器。

背景技术：

在专利文献1中公开了将从车载电池供给的高电压转换为在发动机控制单元(ecu)等中能够使用的低电压的电平转换器。电平转换器包含电平转换器部。在该电平转换器部中若输入信号被输入，则从高电压被电平转换为低电压的输出信号被输出。

另外，在上述电平转换器中成为若输入信号被输入并达到恒定的阈值电压，则根据输入信号的切换而立即切换输出信号的构成。例如，输入信号从低电平被切换到高电平并达到阈值电压，则输出信号立即被从低电平切换到高电平。相反，若输入信号被从高电平向低电平切换并达到阈值电压，则输出信号立即被从高电平切换到低电平。

因此，当在输入信号中产生噪声时，存在根据噪声侵入的输入信号而错误地切换输出信号的问题。为了防止这样的电平转换器的误动作，存在改善的余地。

专利文献1：日本专利第5465548号公报

技术实现要素：

本发明提供一种考虑了上述事实，能够使噪声耐力提高而防止误动作的电平转换器。

本发明的第1实施方式的电平转换器具备：电平转换器部，其被第1电源电压驱动，并根据比第1电源电压低的电压的输入信号的切换，切换从第1电源电压被电平转换为比该第1电源电压低的电压的输出信号；以及阈值电压变动电路，其根据输入信号的切换方向，使输出信号相对于输入信号切换的阈值电压变动。

第1实施方式的电平转换器包含电平转换器部而构成。电平转换器部被第1电源电压驱动，并根据比第1电源电压低的电压的输入信号的切换，切换从第1电源电压电被平转换为比第1电源电压低的电压的输出信号。

这里，电平转换器除了电平转换器部之外，还具备阈值电压变动电路。阈值电压变动电路根据输入信号的切换方向，使输出信号相对于输入信号切换的阈值电压变动。

例如，若在输入信号从低电平向高电平切换时，通过阈值电压变动电路设定了第1阈值电压，输入信号达到第1阈值电压，则将输出信号从低电平向高电平切换。另外，若在输入信号从高电平向低电平切换时，通过阈值电压变动电路设定了比第1阈值电压低的第2阈值电压，输入信号达到第2阈值电压，则将输出信号从高电平向低电平切换。因此，在阈值电压变动电路中，能够将与输入信号所产生的噪声相应量的允许幅度(第1阈值电压-第2阈值电压)生成为阈值电压，因此能够防止在允许幅度内的输出信号的切换。

在本发明的第2实施方式的电平转换器中，在第1实施方式的电平转换器中，阈值电压变动电路是输出信号的电压变化相对于输入信号的电压变化具有自然极化特性的自然极化电路。

根据第2实施方式的电平转换器，能够使用自然极化电路简单地实现阈值电压变动电路。

本发明的第3实施方式的电平转换器中，在第1实施方式或者第2实施方式的电平转换器中，电平转换器部具备：差动放大电路及电流镜电路，该差动放大电路具有：第1晶体管，第1主电极与第1电源电压连接，第2主电极与比第1电源电压低的电压的第2电源电压连接，第1控制电极经由电阻与输入输入信号的输入端子连接；第2晶体管，第3主电极与第1电源电压连接，第4主电极与第2控制电极以及输出输出信号的输出端子连接；以及第1导电型的第3晶体管，第5主电极与第4主电极以及输出端子连接，第6主电极与第2电源电压连接，该电流镜电路具有：第3晶体管；以及第1导电型的第4晶体管，第7主电极与第1电源电压连接，第8主电极与第2电源电压连接，第3晶体管的第3控制电极与第4控制电极连接。

根据第3实施方式的电平转换器，电平转换器部通过差动放大电路、电流镜电路而被实现。

差动放大电路包含第1晶体管、第2晶体管以及第3晶体管而构成。在第1晶体管中，第1主电极与第1电源电压连接，第2主电极与低的电压的第2电源电压连接，第1控制电极经由电阻与输入端子连接。在第2晶体管中，第3主电极与第1电源电压连接，第4主电极与第2控制电极以及输出端子连接。在第3晶体管中，第5主电极与第4主电极以及输出端子连接，第6主电极与第2电源电压连接。第3晶体管由第1导电型构成。

电流镜电路包含第3晶体管以及第4晶体管而构成。在第4晶体管中，第7主电极与第1电源电压连接，第8主电极与第2电源电压连接，第4控制电极与第3晶体管的第3控制电极连接。第4晶体管由与第3晶体管相同的导电型构成。

本发明的第4实施方式的电平转换器中，在第3实施方式的电平转换器中，阈值电压变动电路具备：恒流电源，其输入与第1电源电压连接；第1导电型的第5晶体管，第9主电极与恒流电源的输出连接，第10主电极与第2电源电压连接，第5控制电极连接于第4主电极以及第5主电极与输出端子之间；以及与第1导电型相反的第2导电型的第6晶体管，第11主电极与第4主电极连接，第12主电极与第5主电极以及输出端子连接，第6控制电极连接于输出与第9主电极之间。

根据第4实施方式的电平转换器，阈值电压变动电路包含恒流电源、第5晶体管以及第6晶体管而构成。

在恒流电源中，输入与第1电源电压连接。

在第5晶体管中，第9主电极与恒流电源的输出连接，第10主电极与第2电源电压连接，第5控制电极连接于第4主电极以及第5主电极与输出端子之间。第5晶体管由第1导电型构成。

在第6晶体管中，第11主电极与第4主电极连接，第12主电极与第5主电极以及输出端子连接，第6控制电极连接于恒流电源的输出与第5晶体管的第9主电极之间。第6晶体管由与第1导电型相反的第2导电型构成。

因此，在阈值电压变动电路中，阈值电压的允许幅度(第1阈值电压与第2阈值电压的电压差)通过第5晶体管以及第6晶体管的通态电阻特性而被设定。由此，能够使允许幅度的差别变小，能够使输出信号的切换精度提高。

本发明的第5实施方式的电平转换器中，在第4实施方式的电平转换器中，恒流电源以及第6晶体管由偏置(offset)型晶体管构成，第5晶体管由垂直方向扩散型晶体管构成。

根据第5实施方式的电平转换器，偏置型晶体管、垂直方向扩散型晶体管均是高耐压晶体管。因此，例如，能够将搭载于汽车等车辆的车载电池的高电压电源电平转换为ecu等能够使用的低电压。

本发明的第6实施方式的电平转换器是在第1实施方式～第5实施方式的任一个电平转换器中，还具备限制输出信号的振幅的钳位部。

根据第6实施方式的电平转换器，电平转换器部具备钳位部，在钳位部中对输出信号的振幅进行限制。因此，能够防止电平转换器部的下段电路的损伤、破坏，能够实现动作可靠性高的电平转换器。

本发明的电平转换器具有能够使噪声耐力提高并防止误动作这样优异的优效果。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的电平转换器的电路图。

图2是构成图1所示的电平转换器的电平转换器部的一部分以及阈值电压变动电路的各元件的纵剖面结构图。

图3是图1所示的电平转换器的缓冲部的与图2对应的纵剖面结构图。

图4是表示图1所示的电平转换器的输出信号相对于输入信号的特性图。

附图标记的说明

1…电平转换器；2…电平转换器部；3…缓冲部；21…差动放大电路；22…电流镜电路；23…钳位部；24…阈值电压变动电路；31…第1逆变器；32…第2逆变器；40…半导体基板；43、44…井区域；t1～t10…晶体管；r…电阻。

具体实施方式

以下，使用图1～图4对本发明的一实施方式的电平转换器进行说明。此外，在实施方式中，对基于相同功能或者实际上相同功能的构成要素赋予相同附图标记，并省略重复的说明。

(电平转换器的电路构成)

如图1所示，本实施方式的电平转换器1被从车载电池供给的高电压的第1电源电压vbb驱动。电平转换器1包含电平转换器部2、缓冲部3而构成。在电平转换器1中，根据比第1电源电压vbb低的电压的输入信号sin，从第1电源电压vbb被电平转换为比其低的电压的sout1以及sout2被输出。

第1电源电压vbb例如是8v～18v。输入信号sin例如是从0v(低电平)到6v(高电平)的上升沿信号，或者从6v到0v的下降沿信号。输出信号sout1、sout2例如是从0v(低电平)到5v(高电平)的上升沿信号，或者从5v到0v的下降沿信号。输出信号sout2是输出信号sout1的反转信号。这里，第2电源电压vss是0v。

电平转换器1的电平转换器部2作为主要构成具备差动放大电路21、电流镜电路22、钳位部23。并且，电平转换器部2具备阈值电压变动电路24。

差动放大电路21包含第1晶体管t1、第2晶体管t2、第3晶体管t3而构成。第1晶体管t1由pnp型双极晶体管构成。在第1晶体管t1中，作为第1主电极的发射极电极经由恒流电源ir1与第1电源电压vbb连接，作为第2主电极的集电极电极与第2电源电压vss连接。第1晶体管t1的作为第1控制电极的基极电极经由电阻(输入电阻)r与输入端子in连接。输入端子in被输入输入信号sin。

第2晶体管t2由与第1晶体管t1相同结构的pnp型双极晶体管构成。在第2晶体管t2中，作为第3主电极的发射极电极经由恒流电源ir1与第1电源电压vbb连接。第2晶体管t2的作为第4主电极的集电极电极与第2晶体管t2的作为第2控制电极的基极电极以及电平转换器部2的输出端子out连接，并且经由第3晶体管与第2电源电压vss连接。向输出端子out输出从第1电源电压vbb被电平转换为比其低的电压的电平转换器部2的输出信号soutm。

第3晶体管t3由作为第1导电型的n沟道导电型的绝缘栅场效应晶体管(igfet：insulatedgatefieldeffecttransistor)构成。若进一步详细地说明，则为在本实施方式中，第3晶体管t3由具有高耐压结构的垂直方向扩散型的金属/氧化膜/半导体场效应晶体管(vdmosfet：verticaldiffusedmetaloxidesemiconductorfiledeffecttransistor)构成。该第3晶体管t3的纵剖面结构将在后述。

在第3晶体管t3中，作为第5主电极的漏极电极与第2晶体管t2的集电极电极以及输出端子out连接，作为第6主电极的源极电极与第2电源电压vss连接。

电流镜电路22包含第3晶体管t3、第4晶体管而构成。

第4晶体管t4由与第3晶体管t3相同结构的n沟道导电型igfet构成。在第4晶体管t4中，作为第7主电极的漏极电极经由恒流电源ir2与第1电源电压vbb连接，作为第8主电极的源极电极与第2电源电压vss连接。第4晶体管t4的作为第4控制电极的栅电极与第3晶体管t3的作为第3控制电极的栅电极连接。

钳位部23由npn型双极晶体管构成。在该双极晶体管中，作为一方的主电极的集电极电极与第3电源电压vcc连接。第3电源电压vcc是从第1电源电压vbb被电平转换而得到的低的电压，例如是5v。作为另一方的主电极的发射极电极以及作为控制电极的基极电极连接于第2晶体管t2的集电极电极以及第3晶体管t3的漏极电极与输出端子out之间。钳位部23被设为对输出信号soutm的振幅进行限制，例如限制在5.6v以下，对成为下段电路的缓冲部3不施加超过限制的振幅的构成。

阈值电压变动电路24被安装在电平转换器部2的内部，包含恒流电源ir3、第5晶体管t5、第6晶体管t6而构成。该阈值电压变动电路24由输出信号soutm的电压变化相对于输入信号sin的电压变化具有自然极化特性的自然极化电路构成。关于自然极化特性将后述。

恒流电源ir3的输入与第1电源电压vbb连接。恒流电源ir3由与其他的恒流电源ir1、ir2的各个相同结构构成，由作为第2导电型的p沟道导电型的igfet构成。若进一步详细说明，则为在本实施方式中，igfet由具有高耐压结构的偏置型的金属/氧化膜/半导体场效应晶体管(offsetmosfet：offsetmetaloxidesemiconductorfiledeffecttransistor)构成。该igfet的纵剖面结构将后述。

第5晶体管t5由与第3晶体管t3相同结构的n沟道导电型igfet，更详细而言为vdmosfet构成。在第5晶体管t5中，作为第9主电极的漏极电极与恒流电源ir3的输出连接，作为第10主电极的源极电极与第2电源电压vss连接。第5晶体管t5的作为第5控制电极的栅电极连接于第2晶体管t2的集电极电极以及第3晶体管t3的漏极电极与输出端子out之间。

第6晶体管t6由与恒流电源ir3相同结构的p沟道导电型igfet，更详细而言为offsetmosfet构成。在第6晶体管t6中，作为第11主电极的源极电极与第2晶体管t2的集电极电极连接，作为第12主电极的漏极电极与第3晶体管t3的漏极电极以及输出端子out连接。第6晶体管t6的作为第6控制电极的栅电极连接于恒流电源ir3的输出与第5晶体管t5的漏极电极之间。

缓冲部3在本实施方式中包含以串联的方式电连接的2段的第1逆变器31以及第2逆变器32而构成。第1逆变器31包含第7晶体管t7以及第8晶体管t8而构成。

若详细地说明，则第7晶体管t7由p沟道导电型igfet构成。第7晶体管t7的作为一方的主电极的源极电极与第3电源电压vcc连接，作为另一方的主电极的漏极电极与缓冲部3的输出端子out2连接。作为控制电极的栅电极与电平转换器部2的输出端子out连接。

第8晶体管t8由n沟道导电型igfet构成。第8晶体管t7的作为一方的主电极的源极电极与第2电源电压vss连接，作为另一方的主电极的漏极电极与输出端子out2连接。作为控制电极的栅电极与输出端子out连接。

在第1逆变器31中，相对于输出端子out输出的电平转换器部2的输出信号soutm，反转后的输出信号sout2从输出端子out2输出。

第2逆变器32包含第9晶体管t9以及第10晶体管t10而构成。

第9晶体管t9由与第7晶体管t7相同结构的p沟道导电型igfet构成。第9晶体管t9的作为一方的主电极的源极电极与第3电源电压vcc连接，作为另一方的主电极的漏极电极与输出端子out1连接。作为控制电极的栅电极与前段的第1逆变器31的输出连接。

第10晶体管t10由与第8晶体管t8相同结构的n沟道导电型igfet构成。第10晶体管t10的作为一方的主电极的源极电极与第2电源电压vss连接，作为另一方的主电极的漏极电极与输出端子out1连接。作为控制电极的栅电极与第1逆变器31的输出连接。

在第2逆变器32中，相对于第1逆变器31的输出信号sout2，反转后的输出信号sout1从输出端子out1输出。

(电平转换器的设备构成)

本实施方式的电平转换器1作为半导体集成电路(半导体装置)而构成。如图2以及图3所示，电平转换器1将半导体基板40作为基板而形成。在本实施方式中，作为半导体基板40使用n型硅单结晶基板。

如图2所示，电平转换器部2的第1晶体管t1～第4晶体管t4、钳位部23的npn型双极晶体管的各个半导体元件被形成于在半导体基板40的主面上形成的外延生长层41。各个半导体元件在外延生长层41中，被形成于被元件分离区域42围起周围的区域内。

第1晶体管t1包含被形成于外延生长层41的p型井区域43、被形成于p型井区域43的主面部的n型基极区域45、被形成于n型基极区域45的主面部的p型半导体区域48而构成。p型井区域43作为集电极电极使用。p型井区域43经由与p型井区域43相比高杂质密度的作为井接触的p型半导体区域48与第2电源电压vss连接。n型基极区域45作为基极电极使用。n型基极区域45经由与n型基极区域45相比高杂质密度的作为基极接触的n型半导体区域47与电阻r的一端连接。p型半导体区域48作为发射极电极使用，经由图1所示的恒流电源ir1与第1电源电压vbb连接。

第2晶体管t2由与第1晶体管t1相同的纵剖面结构构成。

电阻r由被形成于n型井区域44的主面部的p型半导体区域48构成。n型井区域44被形成于外延生长层41。电阻r的一端与第1晶体管t1的基极电极连接。电阻r的另一端与输入端子in连接。

第3晶体管t3在本实施方式中由vdmosfet构成。若详细地说明，则为如图2所示，第3晶体管t3包含一方的主电极(第6主电极)、沟道形成区域、另一方的主电极(第5主电极)、栅极绝缘膜50、栅电极51而构成。一方的主电极包含n型井区域44而构成。n型井区域44的杂质密度被设定为比半导体基板40的杂质密度低。沟道形成区域在栅电极51的端部被形成于在n型井区域44的主面部形成的p型基极区域46的主面部。p型基极区域46与杂质密度比该p型基极区域46高的p型半导体区域46p连接。另一方的主电极由被形成于p型基极区域46的主面部的n型半导体区域47构成，与输出端子out连接。栅电极51与第4晶体管t4的栅电极51连接。

第4晶体管t4由与第3晶体管t3相同的纵剖面结构构成。

钳位部23的双极晶体管包含n型井区域44、被形成于n型井区域44的主面部的p型基极区域46、被形成于p型基极区域46的主面部的n型半导体区域47而构成。n型井区域44作为集电极电极使用。n型井区域44经由作为井接触的n型半导体区域47与第3电源电压vcc连接。p型基极区域46作为基极电极使用。p型基极区域46经由作为基极接触的p型半导体区域48与输出端子out连接。n型半导体区域47作为发射极电极使用，与输出端子out连接。

另一方面，如图3所示，构建缓冲部3的第1逆变器31的第7晶体管t7在被元件分离区域42围起周围的区域内，被形成于n型井区域44的主面部。第7晶体管t7包含作为沟道形成区域的n型井区域44、作为一方的主电极以及另一方的主电极的一对p型半导体区域48、栅极绝缘膜50、栅电极51而构成。作为一方的主电极的p型半导体区域48与第3电源电压vcc连接。作为另一方的主电极的p型半导体区域48与输出端子out2以及下段的第2逆变器32的栅电极51连接。

构建第1逆变器31的第8晶体管t8在被元件分离区域42围起周围的区域内，被形成于p型井区域43的主面部。第8晶体管t8包含作为沟道形成区域的p型井区域43、作为一方的主电极以及另一方的主电极的一对n型半导体区域47、栅极绝缘膜50、栅电极51而构成。作为一方的主电极的n型半导体区域47与第2电源电压vss连接。作为另一方的主电极的n型半导体区域47与输出端子out2以及下段的第2逆变器32的栅电极51连接。

构建第2逆变器32的第9晶体管t9由与第7晶体管t7相同结构构成。构建第2逆变器32的第10晶体管t10由与第8晶体管t8相同结构构成。第9晶体管t9、第10晶体管t10的各自另一方的主电极与输出端子out1连接。

构建如图1所示的阈值电压变动电路24的第5晶体管t5在这里由与图2所示的第3晶体管t3相同的纵剖面结构的vdmosfet构成。由于是相同结构，因此省略第5晶体管t5的说明。

构建阈值电压变动电路24的第6晶体管t6在这里，由如图2所示那样的offsetmosfet构成。第6晶体管t6在被元件分离区域42围起周围的区域内，被形成于n型井区域44的主面部。第6晶体管t6包含作为沟道形成区域的n型井区域44、作为一方的主电极(第11主电极)以及另一方的主电极(第12主电极)的一对p型半导体区域48、栅极绝缘膜50、栅电极51而构成。另一方的主电极相对于栅电极51将p型半导体区域48配置在偏移位置，在该p型半导体区域48的沟道形成区域侧且栅电极51下形成有比p型半导体区域48的杂质密度低的杂质密度的p型半导体区域49。

并且，构建阈值电压变动电路24的恒流电源ir3由与第6晶体管t6相同的纵剖面结构的offsetmosfet构成。这里，图1所示的电平转换器部2的恒流电源ir1、ir2的各个由与恒流电源ir3相同的纵剖面结构的offsetmosfet构成。

(本实施方式的作用以及效果)

本实施方式的电平转换器1包含如图1所示那样的电平转换器部2而构成。电平转换器部2被第1电源电压vbb驱动，根据比第1电源电压vbb低的电压的输入信号sin的切换，切换从第1电源电压vbb被电平转换为比第1电源电压vbb低的电压的输出信号soutm。

这里，电平转换器1除了电平转换器部2之外，还具备阈值电压变动电路24。阈值电压变动电路24根据输入信号sin的切换方向，使相对于输入信号sin而切换输出信号soutm的阈值电压变动。

图4表示了基于阈值电压变动电路24的相对于输入信号sin的输出信号soutm。横轴是输入信号sin的电压“v”。纵轴是输出信号soutm的电压“v”。

在向电平转换器部2的输入端子in输入的输入信号sin从0v向6v切换时，由阈值电压变动电路24设定了3v的第1阈值电压。由此，若输入信号sin达到第1阈值电压，则输出信号从0v向5v切换。

另一方面，在向输入端子in输入的输入信号sin从6v向0v切换使，由阈值电压变动电路24设定了比2.8v的第1阈值电压低的第2阈值电压。由此，若输入信号sin达到第2阈值电压，则输出信号从5v向0v切换。

因此，在阈值电压变动电路24中，能够将与输入信号sin产生的噪声相应量的允许幅度(第1阈值电压-第2阈值电压)生成为阈值电压，因此能够防止允许宽度内的输出信号soutm的切换。在上述例示中，允许宽度是0.2v，只要在该范围内，即使在输入信号sin中产生噪声，输出信号soutm也不被切换。

因此，在本实施方式的电平转换器1中，能够使噪声耐力提高而防止误动作。

另外，在本实施方式的电平转换器1中，如图4所示，阈值电压变动电路24是输出信号soutm的电压变化相对于输入信号sin的电压变化具有自然极化特性的自然极化电路。即，阈值电压变动电路24能够使用自然极化电路而简易地实现。

并且，如图1所示，在本实施方式的电平转换器1中，阈值电压变动电路24包含恒流电源ir3、第5晶体管t5以及第6晶体管t6而构成。

在恒流电源ir3中，输入与第1电源电压vbb连接。

在第5晶体管t5中，第9主电极与恒流电源ir3的输出连接，第10主电极与第2电源电压vss连接，第5控制电极连接于第2晶体管t2的第4主电极以及第3晶体管t3的第5主电极与输出端子out之间。第5晶体管t5由n沟道导电型构成。

在第6晶体管t6中，第11主电极与第2晶体管t2的第4主电极连接，第12主电极与第3晶体管t3的第5主电极以及输出端子out连接，第6控制电极连接于恒流电源ir3的输出与第5晶体管t5的第9主电极之间。第6晶体管t6由p沟道导电型构成。

因此，在阈值电压变动电路24中，阈值电压的允许幅度(第1阈值电压与第2阈值电压的电压差)通过第5晶体管t5以及第6晶体管t6的通态电阻特性设定。由此，能够使允许宽度的差别变少，能够使输出信号soutm的切换精度提高。

另外，在本实施方式的电平转换器1中，恒流电源ir3以及第6晶体管t6由偏置型晶体管(offsetmosfet)构成，第5晶体管t5由垂直方向扩散型晶体管(vdmosfet)构成。它们均是高耐压晶体管。因此，能够从被搭载于汽车等车辆的车载电池的高电压电源(第1电源电压vbb)电平转换为ecu等能够使用的低电压(第3电源电压vcc)。

并且，本实施方式的电平转换器1在电平转换器部2的输出端子out的前段具备钳位部23，钳位部23限制输出信号soutm的振幅。例如，钳位部23将输出信号soutm限制在5.6v以下。因此，能够防止电平转换器部2的下段电路(缓冲部3)的损伤、破坏，能够实现动作可靠性高的电平转换器1。

另外，在本实施方式的电平转换器1中，阈值电压变动电路24的恒流电源ir3以及第6晶体管t6与电平转换器部2的恒流电源ir1、ir2的各个由相同结构构成。相同地，阈值电压变动电路24的第5晶体管t5与电平转换器部2的第3晶体管t3以及第4晶体管t4由相同结构构成。

因此，不需要新的晶体管，利用在电平转换器部2中已经使用的晶体管来构建阈值电压变动电路24，因此能够简单地构建阈值电压变动电路24。

[上述实施方式的补充说明]

本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离其要旨的范围内能够进行变更。例如，在本发明电平转换器1中，作为构建电平转换器部2、阈值电压变动电路24的各个晶体管，能够使用横方向扩散结构的ldmosfet(lateraldiffusedmosfet)。

并且，上述缓冲部的电路构成并不限于前述的实施方式。例如，在缓冲部3的第1逆变器31中也可将第8晶体管t8设为电阻。