CN100370478C - 半导体集成电路装置及非接触型ic卡 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包括接收电路的半导体集成电路装置(IC)和非接触型IC卡，该接收电路可以对叠加在来自读写器装置的交流信号上的信息信号进行稳定解调。IC内的接收电路形成以下结构：包括天线端子(LA、LB)、电源电路(B12)、滤波电路(B13)，将通过滤波电路而除去了高频分量的信息信号经由电容(C3)输入到运算放大电路(A1)的反转输入端子，在非反转输入端子上输入基准电压(V2)，经由反馈路径(B14)反馈到运算放大电路(A1)的非反转输入端子，从而放大所述信息信号，通过二值电路(B15)对该放大的信息信号进行二值化，从而对从读写器发送的数据进行解调。非接触型IC卡形成包括了配有这种接收电路的IC和天线线圈的结构。

Description

半导体集成电路装置及非接触型IC卡

技术领域

本发明涉及半导体集成电路装置及非接触型IC卡，特别涉及非接触型IC卡(以下，简称为“IC卡”)和装载于其上的半导体集成电路装置的接收电路。

背景技术

卡内部装载了半导体集成电路装置及天线的所谓IC卡，在读写器装置和半导体集成电路装置之间进行信息的交换，实现用于发送IC卡保持的数据和保持从读写器发送的数据等各种功能。

装载于IC卡上的半导体集成电路装置用装载于非接触型IC卡上的天线来接收从读写器装置供给的高频信号，对天线两端产生的电压进行整流及平滑，并形成内部电路的动作所需的内部电压。

近年来，对这种IC卡的高功能化要求在提高。例如，具有非接触接口和用于输入输出的端子的两用型(dual type)IC卡具有代表性。随着这样的IC卡的高功能化，装载于IC卡中的半导体集成电路装置的消耗电流增大。由此，在非接触接口方式的动作中，更加难以扩大与读写器的通信距离。

另一方面，在从读写器向非接触型IC卡进行数据发送时，以IS014443规格为代表，采用使上述高频信号的振幅产生变化的振幅偏移调制方式即ASK(Amplitude Shift Keying；移幅键控)。

以往，作为用于这种非接触芯片卡的解调器，已知由包括天线的检测电路、对检测出的信号进行整流的整流电路、使整流后的信号产生低频信号和高频信号的带通滤波器、施加这种低频信号和高频信号并相互比较的比较器级、以及记录比较器级的比较结果的存储器构成(例如，参照专利文献1)。

此外，作为用于解调器且具有滞后特性的比较电路(施密特电路)，已知在对接收信号的包络线的变化点进行检测且判定所述变化点的变化方向在正方向或负方向的哪个方向上变化而对数据进行解调时，将用于对施加在输入输出端子上的信号的电位变化进行检测的动作点设定得比基准电位大规定的电位的电路结构(例如，参照专利文献2)。

[专利文献1]专利第3177502号公报(日本)

[专利文献2]特开平11-214960号公报(日本)

在图1中，表示用配置在IC卡中的天线来接收从读写器以电磁波的形态供给的功率，从上述天线的两侧端子输出的电流-电压特性。在图1中，纵轴的V是电压，横轴的I是电流。特性曲线VL表示与具有输出电阻Ro的电压源Vo是等效的。这里，Vo是假设为连接到天线端子的负载中完全不流过电流的情况下的天线端子电压，在连接到天线端子间的负载中流过电流的情况下，天线端子间电压变小。即，上述电流-电压特性的斜率为上述输出电阻Ro。

图2中表示一例配有电源电路的半导体集成电路装置(IC)，在图3中表示图2所示的各部的工作波形。该IC具有整流电路B1和电源电路，整流电路由连接到天线端子LA、LB间的天线L1和电容C1、二极管D1～D4构成，而电源电路由电源端子间电容C2、电源间负载B2构成。这里，设由图2所示的天线可获得图1所示的特性曲线VL。

在图3中，图3(A)表示读写器发送的数据，图3(B)表示叠加了读写器输出的数据的交流信号，图3(C)表示整流电路B1的输出电压V1，图3(D)表示电源间负载B2的消耗电流I1，图3(E)表示电源端子间电容C2中流过的电流I2，图3(F)表示整流电路B1的输出电流I3，图3(G)表示天线端子LA及LB中产生的天线端子间电压。

在来自读写器的发送数据从“1”变化为“0”的变化点X中，电源端子间电压由电源端子间电容C2保持，从而在构成整流电路B1的二极管上没有施加足够的正向电压，没有获得整流电路B1的输出电流I3。在此期间，电源间负载B2通过积蓄在电源端子间电容C2中的电荷而动作。因此，积蓄在电源端子间电容C2中的电荷因电源间负载B2的消耗电流I1而减少，输出电压V1下降。由此，在构成整流电路B1的二极管上缓慢地施加正向电压，整流电路B1的输出电流I3增加。

相反，在读写器发送的数据从“0”变化为“1”的变化点Y中，由于输出电压因上述动作而下降，所以在构成整流电路B1的二极管上施加足够的正向电压，整流电路B1的输出电流I3增大。电源间负载B2因该输出电流I3而动作，同时在电源端子间电容C2中积蓄电荷。以上的动作在来自读写器的发送数据变化的变化点中反复进行。

这表示整流电路B1的输出电流I3因受到电源间负载B2及电源端子间电容C2的影响而变化，随着这种变化，天线端子LA、LB间流过的电流变化。根据该天线端子中流过的电流的变化和图1所示的输出电阻Ro，天线端子间电压如图3(G)所示那样变化。

即，通过增大电源间负载，用于降低电源端子间电压波动的电源间电容增大，由此，呈现从读写器发送的数据产生的ASK信号的高频分量被除去。

另一方面，在从读写器向非接触型IC卡发送数据时，采用了上述ASK调制方式的情况下在接收电路中使用的解调电路，如上述专利文献1和专利文献2公开的那样，用微分电路来检测接收信号的包络线的变化点，通过由具有滞后特性的比较电路来判定向正方向和负方向的变化点，从而对数据进行解调。因此，如在图1及图2中所述，在数据信号的高频分量因电源间负载等的影响而被除去的情况下，数据的变化点中的包络线的变化量极小。因此，不能检测出数据的向正方向和负方向的变化点，产生不能接收来自读写器的发送数据的问题。

关键在于，在IC卡中，因IC卡中配置的整流电路的特性、以及按整流电路的输出电压动作的内部电路的消耗电流的影响，叠加在从读写器装置供给的交流信号上的信息信号的高频分量会被除去，存在不能对从读写器装置发送的数据进行解调的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有接收电路的半导体集成电路装置及非接触型IC卡，在IC卡中，可以对从读写器装置供给的ASK调制的信号进行稳定解调，而不受IC卡中配置的其他功能及电路的消耗电流、电源端子间包括的电源端子间电容等的影响。

如果简单地说明本申请中公开的本发明中代表性的发明的概要，则如下那样。即，本发明的半导体集成电路装置包括对叠加在通过天线接收的交流信号上的信息信号进行解调的接收电路，其特征在于，所述接收电路包括：连接于所述天线的天线端子；对从所述天线提供给所述天线端子的所述交流信号进行整流平滑的整流电路；除去所述整流电路的输出信号中的高频分量的滤波电路；电容；将第1基准电压输入到非反转输入上的运算放大电路；由反向并联连接的第1二极管和第2二极管构成的反馈路径；以及二值电路，所述滤波电路的输出信号经由所述电容被输入到所述运算放大电路的反转输入端子上，所述运算放大电路的输出信号经由所述反馈路径被反馈到所述运算放大电路的所述反转输入端子上并且被输入到所述二值电路中。

此外，本发明的非接触型IC卡的特征在于，包括构成天线的线圈和上述半导体集成电路装置，所述天线被连接到构成所述半导体集成电路装置的接收电路的所述天线端子。

如果简单地说明通过公开的本发明中代表性的发明所获得的效果，则如下那样。

装载于本发明的半导体集成电路装置中的接收电路，可以对叠加在从天线供给到天线端子的交流信号上的信息信号进行稳定解调，而不受整流电路的特性、以及由整流电路的输出电压进行动作的内部电路的消耗电流的影响。

此外，包括该半导体集成电路装置和天线线圈的非接触型IC卡，可以对从读写器供给的ASK调制的信号稳定解调，而不受IC卡内具有的其他功能和电路的消耗电流、以及连接于电源端子间的电容等的影响。

附图说明

图1是用于说明本发明的课题的读写器和天线的电流-电压特性图。

图2是表示一例配置了电源电路的半导体集成电路装置的电路构成图。

图3是表示一例图2所示的各部的工作波形的图。

图4是本发明的半导体集成电路装置及非接触型IC卡的实施例1的基本结构图。

图5是表示具有天线和本发明的半导体集成电路装置的非接触型IC卡的布线基板及读写器的立体图。

图6是装载于实施例1的半导体集成电路装置中的接收电路的基本电路结构图。

图7是表示一例图6所示的各部的工作波形的图。

图8是表示图6所示的反馈路径的另一结构的电路图。

图9是表示图6所示的反馈路径的又一结构的电路图。

图10是表示图6所示的反馈路径的又一结构的电路图。

图11是表示本发明的半导体集成电路装置的接收电路的另一结构的方框图。

图12是表示一例图11所示的接收电路的各部的工作波形的图。

图13是表示构成图6和图11所示的接收电路的二值电路的另一结构的电路图。

图14是表示一例图13所示的各部的工作波形的图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的半导体集成电路装置及IC卡。

[实施例1]

图4是表示本发明的半导体集成电路装置及非接触型IC卡的实施例1的基本结构的方框图。在图4中，B4是非接触型IC卡，B5及L1分别是装载于IC卡B4中的半导体集成电路装置和天线。天线L1和与之并联连接的电容C1构成谐振电路。半导体集成电路装置B5具有电源电路B6、内部电路B7、以及用于连接天线L1的天线端子LA和LB。

图5表示IC卡B4的构造。IC卡B4通过树脂模塑的印刷布线基板T1而形成卡的形态。接受来自外部的读写器T4的电磁波的天线L1，通过印刷布线基板T1的布线形成的螺旋状的线圈T2而构成。半导体集成电路装置B5由一个IC芯片T3构成，被安装在印刷布线基板T1上。在IC芯片T3中连接作为天线的线圈T2。

本发明典型地应用于在IC卡表面上不具有与外部之间的输入输出端子的非接触型IC卡。当然，也可以用于与非接触接口具有用于输入输出的端子的两用型IC卡。虽然没有特别限定，但半导体集成电路装置B5通过公知的半导体集成电路装置的制造技术而形成在单晶硅等那样的一个半导体衬底上。

接收了来自读写器T4的电磁波的天线L1向天线端子LA及LB输出高频的交流信号。交流信号通过信息信号被部分地调制。

在图4中，电源电路B6由整流电路、平滑电容构成。整流电路对配置于IC卡中的天线L1接收的交流信号进行整流及平滑，获得输出电压V1。此外，也可以设置进行控制的调整电路，以使输出电压V1小于规定的电压。

电源电路B6的输出电压V1被作为内部电路B7的工作电压而供给。内部电路B7由接收电路B8、发送电路B9、控制部B10、存储器B11构成。接收电路B8对叠加在由IC卡中配置的天线L1接收的交流信号上的信息信号进行解调，作为数字信息信号供给控制部B10。发送电路B9接受从控制部B10输出的数字信号的信息信号，将天线L1接收的交流信号根据信息信号进行调制。读写器T4接受来自天线L1的电磁波的反射因上述调制而产生的变化，接收来自控制部B10的信息信号。再有，存储器B11用于与控制部之间解调的信息数据和发送数据的记录等。

图6表示装载于本实施例的半导体集成电路装置中的接收电路B8的基本电路结构图，图7表示各部的工作波形的一例。

在图7中，图7(A)表示读写器发送的数据，图7(B)表示天线端子LA和LB中产生的天线端子间电压，图7(C)表示整流电路B12的输出信号，图7(D)表示滤波电路B13的输出信号，图7(E)表示基准电压V2和输入到运算放大电路A1的反转输入端子(-)上的信号S1及运算放大电路A1的输出信号S2，图7(F)表示输出到端子P1上的解调数据。这里，设图7(B)所示的天线端子间电压输入了图3(G)所示的天线端子间电压。

再有，基准电压V2是恒定电压，具有将从电源电路供给的电压V1例如由电阻或二极管等进行降压或分压后获得的所需的电压值。后述的实施例5和实施例6的基准电压V3、V6、V7也是同样。当然，也可以通过公知的其他电路结构来生成基准电压。

接收电路B8由对交流信号进行整流的整流电路B12、除去高频分量的滤波电路B13、电容C3、运算放大电路A1、反馈路径B14、二值电路B15构成。在滤波电路B13和运算放大电路A1的反转输入端子(-)之间连接电容C3，在运算放大电路A1的输出端子和反转输入端子(-)之间连接反馈路径B14。反馈路径B14由反向并联连接的二极管D5和D6构成。在运算放大电路A1的非反转输入端子(+)上，输入基准电压V2。

再有，在图6中示出了在接收电路中设有整流电路B12的情况，但也可以与构成在装载了本实施例的半导体集成电路装置的IC卡中包括的电源电路的整流电路共用。

二值电路部15由电压比较电路A2构成，对运算放大电路A1的输出信号和基准电压V2进行比较，如果运算放大电路A1的输出信号比基准电压V2大，则输出“0”，如果运算放大电路A1的输出信号比基准电压V2小，则输出“1”。

滤波电路B13以除去载波造成的高频分量为主要目的，一般由低通滤波器构成，但也可以是带通滤波器。但是，为了不除去数据的频带，需要设定滤波电路B13的通过频带。

由于运算放大电路A1的输入阻抗非常大而可以忽略，在来自读写器T4的发送数据从“1”变化为“0”的变化点X中，向负方向的变化不衰减地被输入到运算放大电路A1。因此，如图7(E)所示，随着运算放大电路A1的反转输入端子(-)输入信号S1的电位低于非反转输入端子(+)的电位V2，运算放大电路A1的输出信号S2产生反转。如果运算放大电路A1的输出信号S2的电位与反转输入端子(-)输入信号S1的电位相比大于构成反馈路径的二极管D5的正向电压，则在二极管D5中流过电流，产生负反馈。通过这种负反馈动作，在反转输入端子(-)和非反转输入端子(+)上以具有二极管D5的1/A倍的偏置的状态来稳定。

相反，在来自读写器的发送数据从“0”变化为“1”的变化点Y中，向正向的变化不衰减地被输入到运算放大电路A1。由此，随着运算放大电路A1的反转输入端子(-)的输入信号S1的电位超过非反转输入端子(+)的电位V2，运算放大电路A的输出信号产生反转。如果运算放大电路A1的输出信号电位与反转输入端子(-)的输入信号S1的电位相比低于构成反馈路径的二极管D6的正向电压，则二极管D6中流过电流，产生负反馈，通过该负反馈动作，在反转输入端子(-)和非反转输入端子(+)上以具有二极管D6的1/A倍的偏置的状态来稳定。

如果由二值电路B15对通过运算放大电路A1和二极管D5及D6而被放大的输出信号进行二值化，则可以对读写器T4发送的数据进行解调。

这里，从运算放大电路A1的输出端子向反转输入端子(-)的反馈路径B14由二极管D5及D6构成。在将该反馈路径置换为电阻的情况下，由电容C和运算放大电路A1、以及反馈路径B14构成的电路作为微分电路而成为已知的电路。这种情况下，从滤波电路B13获得的输出信号的低频分量被除去，而不能将其放大。即，通过由二极管D5和D6构成反馈路径，可以不除去从滤波电路B13获得的输出信号的低频分量，将其放大。

通过以上的动作，即使在连接到电源端子间的负载增大，来自读写器的发送数据的高频分量被除去的情况下，由于可进行数据信号的放大，所以后级的二值化容易，可以生成正常的解调数据。

[实施例2]

图8是表示构成图1所示的半导体集成电路装置的接收电路的反馈路径的另一结构的电路图。本实施例的反馈路径是将分别串联连接了多个二极管的两组二极管串在反方向上相互并联连接的结构。在图8中，作为一例，将两组串联连接了两个二极管D7、D8的二极管串与串联连接了两个二极管D9、D10的二极管串反向并联连接。

图6的运算放大电路A1的输出信号具有以基准电压V2为中心的PN结二极管的正向电压的大约2倍的振幅。另一方面，根据本实施例的结构，由于运算放大电路A1的输出信号的振幅更大，所以连接到后级的二值电路的动作容易。

[实施例3]

图9是表示构成实施例1所示的半导体集成电路装置的接收电路的反馈路径另一结构的电路图。

运算放大电路A1的输出电压以基准电压V2为中心产生变化，所以图6的接收电路的最低工作电压可以用基准电压V2的电压值和二极管D5的正向电压VF之和来表示。

本实施例是用肖特基势垒二极管D11、D12来构成用于构成图6的反馈路径B14的PN结二极管D5及D6。一般地，与PN结二极管的正向电压相比，肖特基势垒二极管的正向电压小。因此，通过用肖特基势垒二极管取代PN结二极管，可以降低接收电路的最低工作电压。

[实施例4]

图10是表示构成实施例1所示的半导体集成电路装置的接收电路的反馈路径另一结构的电路图。

在本实施例中，是使用连接了MOS晶体管M1及M2的漏极端子和栅极端子的MOS晶体管(以下，称为‘MOS二极管’)的结构。在半导体制造工序中，不容易调整PN结二极管的正向电压，而通过调整MOS晶体管的阈值电压，例如通过调整MOS晶体管的栅极长度或栅极宽度，可进行正向电压的微调。即，通过使用MOS晶体管来取代构成图6的反馈路径B14的二极管D5及D6，由于可以调整阈值电压，所以可微调MOS二极管的正向电压。特别是在要减小正向电压的情况下，与图9的实施例同样，也可以降低最低工作电压。

MOS晶体管的阈值电压的调整，除了上述以外，在半导体制造工艺中，通过控制对MOS晶体管的沟道区的离子注入的剂量，就可以容易地调整。

此外，与在同一半导体衬底上形成肖特基势垒二极管的情况相比，容易调整MOS晶体管的阈值电压，并且，由于可以与其他MOS晶体管同等地配置，所以还可以减小芯片面积。

[实施例5]

图11是表示本发明的半导体集成电路装置的接收电路的另一结构的方框图。在图12中，表示一例各部的工作波形。再有，装载了本实施例的半导体集成电路装置的非接触型IC卡的结构与实施例1的图5相同。

在图12中，图12(A)表示读写器发送的数据，图12(B)表示天线端子LA及LB上产生的天线端子间电压，图12(C)表示整流电路B12的输出信号，图12(D)表示滤波电路B13的输出信号，图12(E)表示基准电压V2、V3和输入到运算放大电路A1的反转输入端子(-)的信号S1及运算放大电路A1的输出信号S2，图12(F)表示输出端子P1上获得的解调数据。

图11是在图6的反馈路径B14中，采用由连接了图10所示的漏极端子和栅极端子的MOS二极管M1及M2构成的反馈路径的情况。

在来自读写器的发送数据从“1”变化为“0”的变化点X中，与图6及图7同样，运算放大电路A1的输出信号产生反转，通过MOS二极管产生负反馈。此时，MOS晶体管M1的源极端子为运算放大电路A1的非反转输入端子(-)，MOS晶体管M1的源极电位成为与基准电压V2大致相同的电位。

而在来自读写器的发送数据从“0”变化为“1”的变化点Y中，通过MOS二极管M2产生负反馈。此时，MOS晶体管M2的源极端子成为运算放大电路A1的输出端子，MOS晶体管M2的源极电位与基准电压V2相比成为低于MOS晶体管M2的栅极-源极间电压的电位。

通过这些动作，由于在MOS二极管M1导通(ON)时和MOS二极管M2导通时源极电位有所不同，所以根据MOS晶体管的衬底效应，阈值电压有所不同。因此，运算放大电路A的反转输入端子(-)和输出端子的电位差V4及V5有所不同，在图6所示的二值电路B15中，数据的占空率偏移，有可能不能正常地接收。

因此，如图11所示，在构成二值电路B15的电压比较电路A2上，输入基准电压V3，如果运算放大电路A1的输出信号比基准电压V3大，则输出“0”，如果运算放大电路A1的输出信号比基准电压V3小，则输出“1”，从而可对MOS晶体管M1及M2的衬底效应造成的数据的占空率进行校正。

[实施例6]

图13是表示构成实施例1的图6和实施例5的图11所示的半导体集成电路装置的接收电路的二值电路B15的另一结构的电路图。在图14中，表示一例各部的工作波形。

在图14中，图14(A)表示输入到输入端子P2的输入信号、基准电压V6及V7，图14(B)表示电压比较电路A3的输出信号，图14(C)表示电压比较电路A4的输出信号，图14(D)表示输出到端子P3的解调数据。

在图13中，二值电路B15由电压比较电路A3及A4、触发电路B16构成。在电压比较电路A3中，输入被输入到输入端子P2的输入信号和基准电压V6，如果输入信号比基准电压V6大，则输出“1”，如果输入信号比基准电压V6小，则输出“0”。

在电压比较电路A4中，输入被输入到输入端子P2的输入信号和基准电压V7，如果输入信号比基准电压V7大，则输出“0”，如果输入信号比基准电压V7小，则输出“1”。在触发电路B16的置位端子S上，输入电压比较电路A4的输出信号，在复位端子R上，输入电压比较电路A3的输出信号。

通过将从电压比较电路A4的输出信号从“0”变化为“1”的时间起到电压比较电路A3的输出信号从“0”变化为“1”的时间止作为发送数据的“0”，将从电压比较电路A3的输出信号从“0”变化为“1”的时间起到电压比较电路A4的输出信号从“0”变化为“1”的时间止作为发送数据的“1”，从而从输出端子P3获得解调数据。这样，通过使用两个基准电压来设置滞后，可以降低数据的占空率的偏移。此外，滞后的宽度可通过设定基准电压V6及V7而自由地设定。

以上，根据实施例具体地说明了本发明人的发明，但本发明不限定于上述实施例，不言而喻，在不脱离其主要精神的范围内可进行各种设计变更。例如，通过将多个肖特基势垒二极管串联连接，也可以微调正向电压。

此外，在图4的非接触型IC卡中，也可以由多个半导体集成电路装置来构成电源电路、接收电路、发送电路、控制部、存储器。本发明可广泛应用于对交流电压进行整流及平滑而形成内部电压的半导体集成电路装置及装载了这种半导体集成电路装置的非接触型IC卡。

Claims (7)

1.一种半导体集成电路装置，包括对叠加在通过天线接收的交流信号上的信息信号进行解调的接收电路，其特征在于，所述接收电路包括：

连接于所述天线的天线端子；

对从所述天线提供给所述天线端子的所述交流信号进行整流平滑的整流电路；

除去所述整流电路的输出信号中的高频分量的滤波电路；

电容；

将第1基准电压输入到非反转输入上的运算放大电路；

由反向并联连接的第1二极管和第2二极管构成的反馈路径；以及

二值电路，

所述滤波电路的输出信号经由所述电容被输入到所述运算放大电路的反转输入端子上，

所述运算放大电路的输出信号经由所述反馈路径被反馈到所述运算放大电路的所述反转输入端子上并且被输入到所述二值电路中。

2.如权利要求1所述的半导体集成电路装置，其特征在于：

所述第1和第2二极管是肖特基势垒二极管。

3.如权利要求1所述的半导体集成电路装置，其特征在于：

所述第1二极管和第2二极管由漏极端子和栅极端子相连接的MOS晶体管构成。

4.如权利要求1至3中任何一项所述的半导体集成电路装置，其特征在于：

所述二值电路包括输入了所述第1基准电压和所述运算放大电路的输出信号的电压比较电路。

5.如权利要求1至3中任何一项所述的半导体集成电路装置，其特征在于：

所述二值电路包括输入了第2基准电压和所述运算放大电路的输出电压的电压比较电路。

6.如权利要求1至3中任何一项所述的半导体集成电路装置，其特征在于，所述二值电路包括：输入了第3基准电压和所述运算放大电路的输出电压的第1电压比较电路；输入了第4基准电压和所述运算放大电路的输出电压的第2电压比较电路；以及根据所述第1电压比较电路的输出信号和所述第2电压比较电路的输出信号而改变输出端子的电压电平的触发电路。

7.一种非接触型IC卡，其特征在于，装载了构成天线的线圈和权利要求1至6中任何一项所述的半导体集成电路装置，其中，所述线圈被连接到所述半导体集成电路装置的天线端子上。

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