JP2001274674A - Multi-stage level shift circuit and semiconductor device using it - Google Patents

Multi-stage level shift circuit and semiconductor device using it

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JP2001274674A
JP2001274674A JP2000084877A JP2000084877A JP2001274674A JP 2001274674 A JP2001274674 A JP 2001274674A JP 2000084877 A JP2000084877 A JP 2000084877A JP 2000084877 A JP2000084877 A JP 2000084877A JP 2001274674 A JP2001274674 A JP 2001274674A
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level shift
signal terminal
mosfet
power supply
shift circuit
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve problems that a conventional level shift circuit converting signals with different power supplies in a semiconductor integrated circuit employing many kinds of power supplies is deteriorated in characteristics such as the response and low current consumption at a low voltage or at a high voltage difference among different power supplies and has had a difficulty of the configuration by means of combinations of transistors(TRs) of the same size such as a gate array. SOLUTION: The level shift circuit employs basic level shift circuits, receives different voltages from a MOS diode power supply circuit, converts voltages of a reasonable range and obtains a voltage signal with a final objective voltage through the repetitive conversions as above. Since the respective conversions are conducted within the rational voltage range not causing contention, the level shift circuit with high response and a low consumed current can be realized even at a low voltage and a high voltage difference. Since no contention takes place and the circuit can easily be configured even with combinations of the identical TRs, the circuit of this invention can easily cope with various specifications even through the use of existing gate arrays on market.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は多電源が混載する半
導体集積回路において、異なる電源間の信号を変換する
回路、特に異なる電源系間の電位差が大きい場合や、例
えばゲートアレイ半導体装置やマスタースライス半導体
装置において、異なる仕様に容易に対応する多段レベル
シフト回路および半導体装置の構成に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a circuit for converting signals between different power supplies in a semiconductor integrated circuit in which multiple power supplies are mixed, particularly when a potential difference between different power supply systems is large, for example, in a gate array semiconductor device or a master slice. In a semiconductor device, the present invention relates to a configuration of a multi-stage level shift circuit and a semiconductor device which easily correspond to different specifications.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のレベルシフト回路の代表的な回路
を図5,図6に示す。図5は西独国特許公開21548
77(DE,A)の回路図であり、図6は日本国特開昭
57−59690号の回路図である。図5、図6の回路
はともに電源電圧E1系の信号を電源電圧E2系の信号へ
変換する構成となつている。また、様々な仕様に配線工
程で対応するゲートアレイにレベルシフト回路を入出回
路セルに搭載した例としては特開平02−089345
号がある。また、ゲートアレイ内部のベーシックセルの
トランジスタを配線で直並列に用いて工夫することによ
り、等価的に仕様に必要なP、Nの絶縁ゲート電界効果
型トランジスタ(以下MOSFETと略す)のそれぞれ
のコンダクタンス定数であるβおよびβ比を作りだして
いる例を図7に示す。
2. Description of the Related Art Typical circuits of a conventional level shift circuit are shown in FIGS. FIG. 5 shows West German Patent Publication 21548.
77 (DE, A). FIG. 6 is a circuit diagram of Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-59690. 5, the circuit of Figure 6 is configured and summer for both converting a signal of the power supply voltage E 1 system to the power source voltage E 2 system signal. Japanese Patent Application Laid-Open No. 02-089345 discloses an example in which a level shift circuit is mounted on an input / output circuit cell in a gate array corresponding to various specifications in a wiring process.
There is a number. Also, by devising the transistors of the basic cells in the gate array in series and parallel with wiring, the conductance of each of the P and N insulated gate field effect transistors (hereinafter abbreviated as MOSFETs) equivalently required for the specification. FIG. 7 shows an example in which the constants β and β ratio are created.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】さて、前述した従来の
回路はE1とE2の電位差があまり大きくない場合には実
用的な回路である。しかしながら、E1とE2の電位差が
大きくなるにつれ、P型MOSFETのβPとN型MO
SFETのβNの比を非常に大きくとる必要が生じ、動
作が極端に低下したり、消費電流が多大となったり、レ
イアウトの形状に無理が生ずるという課題があった。特
に近年、集積回路に用いるMOSFET等の素子が微細
化され、耐圧が低下するとともに、低電圧電源化が避け
られなくなってきた。また、携帯機器に対する低消費電
力化、低電圧化の要求が強まるなかで集積回路の内部は
低電圧で動作させ、外部ではある程度高い電圧で動作す
る部品との間で、前述したE1とE2の電位差が大きい場
合でも特性のよいレベルシフト回路が求められている。
[SUMMARY OF THE INVENTION Now, the conventional circuit described above is a practical circuit if the potential difference between E 1 and E 2 is not so large. However, as the potential difference between E 1 and E 2 increases, β P of the P-type MOSFET and the N-type
Very large it becomes necessary to take the ratio of beta N of SFET, operation is lowered extremely, the current consumption or a great deal, there is a problem that excessive occurs in the shape of the layout. In particular, in recent years, elements such as MOSFETs used for integrated circuits have been miniaturized, the withstand voltage has been reduced, and a low-voltage power supply has become inevitable. In addition, as the demand for lower power consumption and lower voltage for portable devices has increased, the above-described E 1 and E 1 have been applied between components operating at a low voltage inside the integrated circuit and components operating at a relatively high voltage outside. There is a need for a level shift circuit having good characteristics even when the potential difference of 2 is large.

【0004】また、異なる電源系間の信号を変換するレ
ベルシフト回路はゲートアレイ等の配線層のみの変更で
様々な仕様に対応する半導体装置にも要求される。個々
の仕様にそれぞれ固有に対応するカスタム設計の機種で
は要求される仕様に応じてMOSFETの形状やP、N
型間のβ比を自由に設計できるが、ゲートアレイ等では
特開平02−089345号に見られるように専用のレ
ベルシフト回路を内蔵しても、仕様が変わると、最適な
レベルシフトの特性はそれに応じて変わるので数多くの
様々な仕様には対応できないという課題があった。
Further, a level shift circuit for converting signals between different power supply systems is also required for a semiconductor device corresponding to various specifications by changing only a wiring layer such as a gate array. For custom-designed models that uniquely correspond to individual specifications, the MOSFET shape, P, N
The β ratio between the molds can be freely designed. However, even if a gate array or the like includes a dedicated level shift circuit as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 02-089345, if the specifications change, the optimum level shift characteristics will be reduced. There was a problem that it was not possible to cope with many different specifications because it changed accordingly.

【0005】また、ゲートアレイにおいてベーシックセ
ル内のMOSFETを直列、もしくは並列に用いて図
5、図6等における従来回路の等価的に必要なβ比を確
保する方法は、低電圧かつ、変換する間の電位差が非常
に大きい場合には、膨大な数のMOSFETが必要とな
り、レイアウト上、また他の電気特性上望ましくないと
いう課題があった。
In the gate array, the MOSFETs in the basic cells are used in series or in parallel to secure the equivalently required β ratio of the conventional circuit shown in FIGS. 5 and 6 and the like. When the potential difference between them is very large, a huge number of MOSFETs are required, which is undesirable in terms of layout and other electrical characteristics.

【0006】そこで本発明はこのような課題を解決する
もので、その目的とするところは、低電圧化した場合、
あるいは異なる電源系の電位差が非常に大きい場合にも
応答速度が速く、消費電流が少なく、レイアウトもしや
すい多段レベルシフト回路を提供することにある。
Therefore, the present invention solves such a problem, and an object of the present invention is to reduce the voltage when the voltage is reduced.
Another object of the present invention is to provide a multistage level shift circuit which has a high response speed even when the potential difference between different power supply systems is very large, consumes little current, and is easy to layout.

【0007】また、ゲートアレイ装置等の同一セル、同
一形状のMOSFETの配線層による組み合わせによっ
て、様々に異なる仕様の数多くのレベルシフト回路を構
成しなければならない場合にも容易に対応できる半導体
装置を提供することを目的とする。
Further, a semiconductor device which can easily cope with the case where a number of level shift circuits having various different specifications must be constituted by a combination of the same cell and the same shape of MOSFET wiring layer such as a gate array device. The purpose is to provide.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の多段レベルシフ
ト回路は、第1の極性の第1の電位をもつ第1電源と、
第1の極性の第2の電位を持つ第2電源と、第2の極性
の第3電源を有する半導体集積回路装置であって、入力
信号端子と反転入力信号端子、及び出力信号端子と反転
出力信号端子とを有し、低い電圧系の入力信号を前記入
力信号端子と反転入力信号端子とで受け、高い電圧系の
信号として前記出力信号端子と反転出力信号端子とに出
力するレベル変換機能を持ち、かつ絶縁ゲート電界効果
型トランジスタ(以下MOSFETと略す)の組み合わ
せからなるN(Nは2以上の整数)個の基本レベルシフ
ト回路と、第1の極性のMOSFETのゲート電極とド
レイン電極とを互いに接続したMOSダイオード(N−
1)個を直列に接続し、各ドレイン電極から、それぞれ
電位をとりだしているMOSダイオード電源回路とから
なり、前記N個の基本レベルシフト回路の1番目の基本
レベルシフト回路の電源側には前記MOSダイオード電
源回路(N−1)個の前記MOSダイオードが縦列接続
されたドレイン電極が接続され、かつ、入力信号端子に
は第1の電源系の信号が接続し、反転入力信号端子には
前記信号の反転信号が接続され、また、K番目(2≦K
≦N−1)の基本レベルシフト回路の電源側には前記M
OSダイオード電源回路の(N−K)個の前記MOSダ
イオードが縦列接続されたドレイン電極が接続され、入
力信号端子には(K−1)番目の基本レベルシフト回路
の出力信号端子が接続され、反転入力信号端子には前記
(K−1)番目の基本レベルシフト回路の反転出力信号
端子が接続され、また、N番目の基本レベルシフト回路
の電源側には第2電源が接続され、入力信号端子には
(N−1)番目の基本レベルシフト回路の出力信号端子
が接続され、反転入力信号端子には前記(N−1)番目
の基本レベルシフト回路の反転出力信号端子が接続さ
れ、N番目の基本レベルシフト回路の出力信号端子及び
反転出力信号端子が、それぞれ最終の出力信号端子、反
転出力信号端子となっていることを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a multi-stage level shift circuit comprising: a first power supply having a first potential of a first polarity;
A semiconductor integrated circuit device having a second power supply having a second potential of a first polarity and a third power supply of a second polarity, comprising: an input signal terminal, an inverted input signal terminal, an output signal terminal, and an inverted output. A level conversion function of receiving a low-voltage input signal at the input signal terminal and the inverted input signal terminal, and outputting a low-voltage input signal to the output signal terminal and the inverted output signal terminal as a high-voltage signal. N (where N is an integer of 2 or more) basic level shift circuits comprising a combination of insulated gate field effect transistors (hereinafter abbreviated as MOSFETs), and a gate electrode and a drain electrode of the MOSFET of the first polarity. MOS diodes (N-
1) a MOS diode power supply circuit connected in series and taking a potential from each drain electrode, and the power supply side of the first basic level shift circuit of the N basic level shift circuits is A MOS diode power supply circuit is connected to a drain electrode in which (N-1) MOS diodes are cascade-connected, an input signal terminal is connected to a signal of a first power supply system, and an inverted input signal terminal is connected to an inverted input signal terminal. The inverted signal of the signal is connected, and the K-th signal (2 ≦ K
≦ N−1) on the power supply side of the basic level shift circuit.
A drain electrode in which (NK) MOS diodes of the OS diode power supply circuit are connected in cascade is connected, an input signal terminal is connected to an output signal terminal of the (K-1) th basic level shift circuit, The inverted input signal terminal is connected to the inverted output signal terminal of the (K-1) th basic level shift circuit, and the Nth basic level shift circuit is connected to the second power supply at the power supply side. The terminal is connected to the output signal terminal of the (N-1) th basic level shift circuit, the inverted input signal terminal is connected to the inverted output signal terminal of the (N-1) th basic level shift circuit, The output signal terminal and the inverted output signal terminal of the first basic level shift circuit are the final output signal terminal and the inverted output signal terminal, respectively.

【0009】すなわち、基本レベルシフト回路を複数個
と、また、MOSダイオードを直列に接続したMOSダ
イオード電源回路とから適度に電圧降下させた電源を用
意し、まず、変換すべき信号電圧と変換時に競合しない
充分に低い電源電圧とで、やや高い電圧の出力信号を作
る。同様に、順に少しずつ高い電源電圧を前記MOSダ
イオード電源回路からそれぞれ供給されている複数個の
基本レベルシフト回路で、これを繰り返しながらレベル
変換を序々に無理なくを行い、最終的に高い電圧の出力
信号を作ることを特徴とする。
[0009] That is, a power supply whose voltage is appropriately lowered from a plurality of basic level shift circuits and a MOS diode power supply circuit in which MOS diodes are connected in series is prepared. With a sufficiently low power supply voltage that does not compete, an output signal of a slightly higher voltage is generated. Similarly, a plurality of basic level shift circuits, each of which is supplied with a slightly higher power supply voltage from the MOS diode power supply circuit in order, sequentially and smoothly perform level conversion while repeating this, and finally obtain a higher voltage. Producing an output signal.

【0010】また、前記基本レベルシフト回路が、第1
の極性の第1のMOSFETと第1の極性の第2のMO
SFETと第2の極性の第3のMOSFETとが直列に
接続され、第1の極性の第4のMOSFETと第1の極
性の第5のMOSFETと第2の極性の第6のMOSF
ETとが直列に接続され、前記第1のMOSFETと前
記第4のMOSFETのソース電極は互いに接続され
て、第1の極性の電源系となり、前記第3のMOSFE
Tと前記第6のMOSFETのソース電極とは互いに接
続されて、第2の極性の電源系となり、前記第2のMO
SFETと前記第3のMOSFETのゲート電極とは互
いに接続されて、入力信号端子となり、前記第5のMO
SFETと前記第6のMOSFETのゲート電極とは互
いに接続されて、反転入力信号端子となり、前記第2の
MOSFETと前記第3のMOSFETのドレイン電極
とは互いに接続されて、反転出力信号端子となり、前記
第5のMOSFETと前記第6のMOSFETのドレイ
ン電極とは互いに接続されて、出力信号端子となり、前
記第1のMOSFETのゲート電極は前記出力信号端子
に接続され、前記第4のMOSFETのゲート電極は前
記反転出力信号端子に接続されている構成であってもよ
い。
Further, the basic level shift circuit comprises a first
Polarity first MOSFET and first polarity second MO
An SFET and a third MOSFET of a second polarity are connected in series, a fourth MOSFET of a first polarity, a fifth MOSFET of a first polarity, and a sixth MOSFET of a second polarity.
ET are connected in series, the source electrodes of the first MOSFET and the fourth MOSFET are connected to each other to form a power supply system of a first polarity, and the third MOSFET
T and the source electrode of the sixth MOSFET are connected to each other to form a power supply system of a second polarity, and the second MO
The SFET and the gate electrode of the third MOSFET are connected to each other to serve as an input signal terminal, and
The SFET and the gate electrode of the sixth MOSFET are connected to each other to form an inverted input signal terminal, and the second MOSFET and the drain electrode of the third MOSFET are connected to each other to form an inverted output signal terminal. The drain electrode of the fifth MOSFET and the drain electrode of the sixth MOSFET are connected to each other to form an output signal terminal, and the gate electrode of the first MOSFET is connected to the output signal terminal, and the gate of the fourth MOSFET is The electrode may be connected to the inverted output signal terminal.

【0011】更に、前記基本レベルシフト回路の使用個
数Nと、該基本レベルシフト回路およびMOSダイオー
ドに用いられている第1の極性のMOSFETのスレッ
ショルド電圧との積が前記第2電源の電位と第1電源の
電位の差より大きい構成であってもよい。
Further, the product of the number N of the basic level shift circuits used and the threshold voltage of the MOSFET of the first polarity used in the basic level shift circuit and the MOS diode is the potential of the second power supply and the second power supply. The configuration may be larger than the difference between the potentials of one power supply.

【0012】また、前記基本レベルシフト回路、及び前
記MOSダイオード電源回路が、ゲートアレイ半導体装
置、もしくはマスタースライス半導体装置に内蔵された
ベーシックセルの同一サイズで構成されているP型、も
しくはN型MOSFETを用いて実現されていることを
特徴とする半導体装置として構成してもよい。
Further, the basic level shift circuit and the MOS diode power supply circuit are P-type or N-type MOSFETs having the same size as a basic cell built in a gate array semiconductor device or a master slice semiconductor device. May be configured as a semiconductor device characterized by being realized by using a semiconductor device.

【作用】本発明の上記の構成によれば、適度に電圧降下
をさせた電源で基本レベルシフト回路を用い、かつ基本
レベルシフト回路の変換動作時においてP、NのMOS
FETが競合しない範囲で変換を行い、この無理のない
変換を繰り返し行って最終目的の出力電圧の信号を得る
ので、この変換過程において、速やかに動作が遂行さ
れ、かつ競合の短絡電流もないので消費電流も少ない。
According to the above construction of the present invention, the basic level shift circuit is used with a power supply having an appropriate voltage drop, and the P and N MOS transistors are used during the conversion operation of the basic level shift circuit.
The conversion is performed within a range where the FETs do not compete, and this reasonable conversion is repeatedly performed to obtain a signal of the final target output voltage. In this conversion process, the operation is quickly performed, and there is no competitive short-circuit current. Low current consumption.

【0013】また、前述の構成で基本レベルシフト回路
の変換動作時においてP、NのMOSFETは競合しな
いので、駆動能力に影響するMOSFETのトランジス
タの形状は実質的に無関係である。したがって、ゲート
アレイ装置のベーシックセルの同一MOSFETの組み
合わせであっても動作にまつたく支障がなく変換動作が
行われる。
In addition, in the above-described configuration, the P and N MOSFETs do not compete during the conversion operation of the basic level shift circuit, so that the shape of the MOSFET transistors which affect the driving capability is substantially irrelevant. Therefore, even with a combination of the same MOSFETs of the basic cells of the gate array device, the conversion operation is performed without any trouble in the operation.

【0014】また、変換する電圧系間の仕様が様々であ
つても、それにより、基本レベルシフト回路の個数であ
る段数と、MOSダイオード電源回路のMOSダイオー
ドの直列の個数を変更すればよいので、ゲートアレイ装
置でも様々な仕様に対して配線変更のみで対応できる。
Even if the specifications between the voltage systems to be converted are various, the number of stages, which is the number of basic level shift circuits, and the number of series MOS diodes in the MOS diode power supply circuit may be changed. The gate array device can respond to various specifications only by changing the wiring.

【0015】また、前述したように回路動作に無理がな
いので、低電圧かつ、変換する間の電位差が非常に大き
い仕様であって、かつ、マスタースライスもしくはゲー
トアレイにおけるベーシックセルのMOSFETで半導
体装置を構成する場合でも合理的なMOSFETの個数
で実現できる。
Further, since the circuit operation is natural as described above, the semiconductor device is designed to have a low voltage, a very large potential difference during conversion, and a basic cell MOSFET in a master slice or gate array. Can be realized with a reasonable number of MOSFETs.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、実施例により本発明の詳細
を示す。図1は本発明の第1の実施例を示す回路図であ
る。図1において一点鎖線で囲まれた101、102、
103、104はそれぞれ基本レベルシフト回路であ
る。これらの基本レベルシフト回路が本発明において重
要かつ基本的な役目を果たしているので先に説明をす
る。これらの基本レベルシフト回路のみを拡大して示し
た回路図が図2である。図2の回路は従来例で示した図
6でも内部に使用されていて、よく知られたレベルシフ
ト回路であるが、以下に簡単に構成と動作を説明する。
図2において、P型MOSFET201のソース電極は
正極の電源V2に接続され、ドレイン電極はP型MOS
FET202のソース電極に接続されている。P型MO
SFET202のドレイン電極とN型MOSFET20
3のドレイン電極は互いに接続され反転出力信号端子2
10となっている。N型MOSFET203のソース電
極は負極の電源212(0電位)に接続されている。P
型MOSFET204のソース電極は正極の電源V2
接続され、ドレイン電極はP型MOSFET205のソ
ース電極に接続されている。P型MOSFET205の
ドレイン電極とN型MOSFET206のドレイン電極
は互いに接続され出力信号端子209となっている。N
型MOSFET206のソース電極は負極の電源212
に接続されている。P型MOSFET202のゲート電
極とN型MOSFET203のゲート電極は互いに接続
され入力信号端子207に接続されている。P型MOS
FET205のゲート電極とN型MOSFET206の
ゲート電極は互いに接続され反転入力信号端子208に
接続されている。P型MOSFET201のゲート電極
は出力信号端子209に接続され、P型MOSFET2
04のゲート電極は反転出力信号端子210に接続され
ている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 101 and 102 surrounded by a dashed line.
103 and 104 are basic level shift circuits, respectively. Since these basic level shift circuits play important and basic roles in the present invention, they will be described first. FIG. 2 is an enlarged circuit diagram showing only these basic level shift circuits. The circuit shown in FIG. 2 is a well-known level shift circuit which is also used internally in FIG. 6 shown in the conventional example, and its configuration and operation will be briefly described below.
In FIG. 2, a source electrode of a P-type MOSFET 201 is connected to a positive power supply V 2 , and a drain electrode is a P-type MOSFET.
It is connected to the source electrode of the FET 202. P-type MO
Drain electrode of SFET 202 and N-type MOSFET 20
3 are connected to each other and the inverted output signal terminal 2
It is 10. The source electrode of the N-type MOSFET 203 is connected to a negative power supply 212 (zero potential). P
The source electrode of the MOSFET 204 is connected to the positive power supply V 2 , and the drain electrode is connected to the source electrode of the P-type MOSFET 205. The drain electrode of the P-type MOSFET 205 and the drain electrode of the N-type MOSFET 206 are connected to each other to form an output signal terminal 209. N
The source electrode of the MOSFET 206 is a negative power supply 212.
It is connected to the. The gate electrode of the P-type MOSFET 202 and the gate electrode of the N-type MOSFET 203 are connected to each other and to the input signal terminal 207. P-type MOS
The gate electrode of the FET 205 and the gate electrode of the N-type MOSFET 206 are connected to each other and to the inverted input signal terminal 208. The gate electrode of the P-type MOSFET 201 is connected to the output signal terminal 209, and the P-type MOSFET 2
The gate electrode 04 is connected to the inverted output signal terminal 210.

【0017】さて、入力信号端子207とその反転信号
である反転入力信号端子208はV 1系の電源で動作
し、出力信号端子209と反転出力信号端子210には
2系の電位が出力される。当初、入力信号端子207
が0(Low)、反転入力信号端子208がV1(Hi
gh)であったとすると、出力信号端子209は0の電
位、反転出力信号端子210はV2の電位である。次に
入力信号端子207がV1(High)、反転入力信号
端子208が0(Low)に変わったとすると、P型M
OSFET202はソース電位がほぼV2、ゲート電位
がV1となる。このとき、P型MOSFETのスレッシ
ョルド電圧をVTPとすれば、 V2−V1−VTP<0 であればオフ(OFF)となり、 V2−V1−VTP>0 であれば弱いオン(ON)状態となる。いずれにしろゲ
ート電位が当初0であったときより、オフに近い状況と
なる。また、N型MOSFET203はオンとなる。ま
た、P型MOSFET205はオンとなり、N型MOS
FET206はオフとなる。したがって、N型MOSF
ET203がP型MOSFET202の駆動能力を上回
れば反転出力信号端子210はLow電位に近づくので
P型MOSFET204はオンし、P型MOSFET2
05にV2系の電源電位が供給され、出力信号端子20
9がV2電位となるとともにP型MOSFET201の
ゲート電極にV2の電位が供給され、P型MOSFET
201がオフする。したがって出力信号端子209はV
2の電位、反転出力信号端子210は0の電位に最終的
に安定する。更に、入力信号端子が再び0(Low)、
反転入力信号端子208がV1(High)となったと
すると、P型MOSFET204が201、P型MOS
FET205が202、N型MOSFET206がN型
MOSFET203と入れ替わった時と同じことが起こ
り、最終的に出力信号端子209は0電位、反転出力信
号端子210はV2電位に最終的に安定する。以上か
ら、V1系の入力信号から、V2系の出力信号へ変換され
る。
Now, the input signal terminal 207 and its inverted signal
The inverted input signal terminal 208 1Works with system power supply
The output signal terminal 209 and the inverted output signal terminal 210
VTwoThe system potential is output. Initially, the input signal terminal 207
Is 0 (Low) and the inverted input signal terminal 208 is V1(Hi
gh), the output signal terminal 209 is at 0
Output signal terminal 210 is VTwoPotential. next
Input signal terminal 207 is V1(High), inverted input signal
If the terminal 208 changes to 0 (Low), the P-type M
The OSFET 202 has a source potential of approximately VTwo, Gate potential
Is V1Becomes At this time, the threshold of the P-type MOSFET
Voltage to VTPThen, VTwo-V1-VTPIf <0, it is turned off (OFF), and VTwo-V1-VTPIf> 0, it is in a weak ON state. Either way
When the heat potential is closer to off than when it was initially 0,
Become. Further, the N-type MOSFET 203 is turned on. Ma
In addition, the P-type MOSFET 205 is turned on and the N-type MOS
The FET 206 turns off. Therefore, N-type MOSF
ET203 exceeds driving capability of P-type MOSFET 202
Then, the inverted output signal terminal 210 approaches the Low potential,
The P-type MOSFET 204 turns on and the P-type MOSFET 2
05 to VTwoSystem power supply potential is supplied to the output signal terminal 20
9 is VTwoPotential and the P-type MOSFET 201
V to the gate electrodeTwoPotential is supplied to the P-type MOSFET
201 turns off. Therefore, the output signal terminal 209 is at V
TwoAnd the inverted output signal terminal 210 is finally set to a potential of 0.
To be stable. Further, the input signal terminal is again 0 (Low),
When the inverted input signal terminal 208 is at V1(High)
Then, the P-type MOSFET 204 is 201 and the P-type MOS is
FET 205 is 202, N-type MOSFET 206 is N-type
The same thing happens when MOSFET 203 is replaced.
Finally, the output signal terminal 209 has 0 potential and the inverted output signal.
No. terminal 210 is VTwoThe potential finally stabilizes. Or more
V1From the input signal of the system, VTwoSystem output signal
You.

【0018】さて、図1に戻る。図1において116は
正極の電源で第1の電位E1を持っている。117は正
極の電源で第2の電位E2を持っている。ここで、E2
1である。118は負極の電源で共通のグランドとな
つている。一点鎖線で囲まれた101、102、10
3、104は前述したように基本レベルシフト回路であ
る。一点鎖線で囲まれた105はMOSダイオード電源
回路であり、P型MOSFET106、107、108
はそれぞれゲ−ト電極とドレイン電極が接続され、それ
ぞれMOSダイオードを構成するとともに直列に接続さ
れていて、スレツショルド電圧の整数倍の電圧降下を起
こした電位を供給する役目をしている。111はE1
の入力信号端子でP型MOSFET109とN型MOS
FET110によるCMOSインバータ回路によって反
転入力信号を作りだしている。
Returning to FIG. In FIG. 1, reference numeral 116 denotes a positive power supply having a first potential E1. Reference numeral 117 denotes a positive power supply having a second potential E2. Where E 2 >
It is E 1. Reference numeral 118 denotes a negative power supply, which is a common ground. 101, 102, 10 surrounded by a chain line
Reference numerals 3 and 104 denote basic level shift circuits as described above. Reference numeral 105 denotes a MOS diode power supply circuit surrounded by an alternate long and short dash line, and P-type MOSFETs 106, 107, and 108.
Are connected to a gate electrode and a drain electrode, respectively, constitute a MOS diode and are connected in series, and serve to supply a potential having a voltage drop which is an integral multiple of a threshold voltage. 111 P-type MOSFET109 and N-type MOS input signal terminal of the E 1 series
An inverted input signal is created by a CMOS inverter circuit using the FET 110.

【0019】基本レベルシフト回路101は負極の電源
118とMOSダイオード電源回路105のP型MOS
FET108のドレイン電極の出力を正極の電源として
いる。入力信号端子112には前述したE1系の入力信
号端子111が接続され、反転入力信号端子113には
P型MOSFET109とN型MOSFET110によ
るCMOSインバータ回路の出力が接続されている。
The basic level shift circuit 101 includes a negative power supply 118 and a P-type MOS of a MOS diode power supply circuit 105.
The output of the drain electrode of the FET 108 is used as a positive power supply. The input signal terminal 112 is connected to the input signal terminal 111 of the E 1 system described above, the inverted input signal terminal 113 is connected the output of the CMOS inverter circuit according to a P-type MOSFET109 and N-type MOSFET110 is.

【0020】基本レベルシフト回路102は負極の電源
118とMOSダイオード電源回路105のP型MOS
FET107のドレイン電極の出力を正極の電源として
いる。基本レベルシフト回路102の入力信号端子、及
び反転入力信号端子には前述した基本レベルシフト回路
101の出力信号端子と反転出力信号端子がそれぞれ接
続されている。
The basic level shift circuit 102 includes a negative power supply 118 and a P-type MOS of the MOS diode power supply circuit 105.
The output of the drain electrode of the FET 107 is used as a positive power supply. The output signal terminal and the inverted output signal terminal of the basic level shift circuit 101 are connected to the input signal terminal and the inverted input signal terminal of the basic level shift circuit 102, respectively.

【0021】基本レベルシフト回路103は負極の電源
118とMOSダイオード電源回路105のP型MOS
FET106のドレイン電極の出力を正極の電源として
いる。基本レベルシフト回路103の入力信号端子、及
び反転入力信号端子には前述した基本レベルシフト回路
102の出力信号端子と反転出力信号端子がそれぞれ接
続されている。
The basic level shift circuit 103 includes a negative power supply 118 and a P-type MOS of the MOS diode power supply circuit 105.
The output of the drain electrode of the FET 106 is used as a positive power supply. The input signal terminal and the inverted input signal terminal of the basic level shift circuit 103 are connected to the output signal terminal and the inverted output signal terminal of the basic level shift circuit 102, respectively.

【0022】基本レベルシフト回路104は負極の電源
118と第2の電位E2を正極の電源としている。基本
レベルシフト回路104の入力信号端子、及び反転入力
信号端子には前述した基本レベルシフト回路103の出
力信号端子と反転出力信号端子がそれぞれ接続されてい
る。基本レベルシフト回路104の出力信号端子114
と反転出力信号端子115が本発明の多段レベルシフト
回路としての出力信号端子、及び反転出力信号端子とな
っている。
The basic level shift circuit 104 uses the negative power supply 118 and the second potential E 2 as the positive power supply. The input signal terminal and the inverted input signal terminal of the basic level shift circuit 104 are connected to the output signal terminal and the inverted output signal terminal of the basic level shift circuit 103, respectively. Output signal terminal 114 of basic level shift circuit 104
And the inverted output signal terminal 115 are an output signal terminal and an inverted output signal terminal as a multi-stage level shift circuit of the present invention.

【0023】以上の構成により、0とE1の電圧間で動
作するE1系の信号は基本レベルシフト回路 101、1
02、103、104を経て、序々に出力信号の電圧を
高くしていき、最終的に0とE2の電圧間で動作する信
号に変換する。なお、この場合、基本レベルシフト回路
の使用個数と、該基本レベルシフト回路およびMOSダ
イオードに用いられている第1の極性のMOSFETの
スレッショルド電圧との積は、第2電源の電位の電位と
第1電源の電位の差よりも大きい。
[0023] With the above configuration, 0 and E 1 system signal operating at voltages of E 1 is the basic level shift circuit 101,1
Through 02,103,104, gradually to continue to increase the voltage of the output signal is finally converted into a signal operating at voltages of 0 and E 2. In this case, the product of the number of basic level shift circuits used and the threshold voltage of the first polarity MOSFET used in the basic level shift circuit and the MOS diode is the potential of the second power supply and the potential of the second power supply. It is larger than the difference between the potentials of one power supply.

【0024】以上の回路の機能、効果をより解りやすく
する為に実際の数値例を以下に示す。
In order to make it easier to understand the functions and effects of the above circuit, actual numerical examples are shown below.

【0025】低電圧側の電源電圧をE1=0.9
[V]、高電圧側の電源電圧をE2=3.0[V]、P
型およびN型MOSFETのスレッショルド電圧をそれ
ぞれVTP、V TNとしてVTP=0.6[V]、VTN=0.
6[V]とする。するとP型MOSFET106、10
7、108のMOSダイオードの3段による電圧降下は
1.8[V](0.6×3)となるので基本レベルシフ
ト回路101の正極の電源電位は1.2[V](3.0
−1.8)となる。したがって入力信号端子112にH
ighの信号である0.9[V]が加わったとき、図2
のP型MOSFET202に相当するP型MOSFET
のゲートは0.9[V]、ソース電極はほぼ1.2
[V]となるので VGS−VTH=(1.2−0.9)−0.6<0 となっている。したがってP型MOSFET202に相
当するP型MOSFETは無条件にオフしている。これ
はゲート電位が低い(0.9[V])のでソース電位を
も低く(1.2[V])した効果である。勿論、このと
きN型MOSFET203に相当するN型MOSFET
はソース電極が0電位でゲート電位が0.9[V]であ
り、かつ、VTN=0.6[V]であるので VGS−VTH=(0.9−0)−0.6>0 となり、無条件にオンする。したがって、P型MOSF
ETとN型MOSFETとが競合することなく、無理な
く入力信号の変化に応じて出力信号が変化していく。そ
して出力信号端子および反転出力信号端子に1.2
[V]もしくは0[V]を出力する。
The power supply voltage on the low voltage side is E1= 0.9
[V], the power supply voltage on the high voltage side is ETwo= 3.0 [V], P
Threshold voltage of N-type and N-type MOSFETs
Each VTP, V TNAs VTP= 0.6 [V], VTN= 0.
6 [V]. Then, the P-type MOSFET 106, 10
The voltage drop due to the three stages of MOS diodes 7 and 108 is
1.8 [V] (0.6 × 3), so the basic level shift
The power supply potential of the positive electrode of the gate circuit 101 is 1.2 [V] (3.0
-1.8). Therefore, H
When 0.9 [V] which is a high signal is applied, FIG.
P-type MOSFET corresponding to the P-type MOSFET 202
Is 0.9 [V] and the source electrode is approximately 1.2.
[V], so VGS-VTH= (1.2−0.9) −0.6 <0. Therefore, the P-type MOSFET 202
The corresponding P-type MOSFET is unconditionally turned off. this
Is the source potential because the gate potential is low (0.9 [V]).
Is also lower (1.2 [V]). Of course,
N-type MOSFET equivalent to N-type MOSFET 203
Indicates that the source electrode has 0 potential and the gate potential has 0.9 [V].
And VTN= 0.6 [V], so VGS-VTH= (0.9-0) -0.6> 0, and the relay is unconditionally turned on. Therefore, the P-type MOSF
ET and N-type MOSFET do not compete,
The output signal changes according to the change of the input signal. So
To the output signal terminal and the inverted output signal terminal.
[V] or 0 [V] is output.

【0026】次に基本レベルシフト回路102について
であるが、P型MOSFET106、107のMOSダ
イオードの2段による電圧降下は1.2[V](0.6
×2)となるので基本レベルシフト回路 102の正極
の電源電位は1.8[V](3.0−1.2)となる。
したがって入力信号端子に基本レベルシフト回路 10
1の出力信号のHighの信号である1.2[V]が加
わったとき、図2のP型MOSFET202に相当する
P型MOSFETのゲートは1.2[V]、ソース電極
はほぼ1.8[V]となるので VGS−VTH=(1.8−1.2)−0.6≦0 となっている。したがってP型MOSFET202に相
当するP型MOSFETはオフする。勿論、このときN
型MOSFET203に相当するN型MOSFETはソ
ース電極が0電位でゲート電位が1.2[V]であるの
で無条件にオンする。したがって、P型MOSFETと
N型MOSFETが競合することなく、無理なく1.2
[V]系の入力信号を1.8[V]系の出力信号に変換
する。
Regarding the basic level shift circuit 102, the voltage drop due to the two stages of the MOS diodes of the P-type MOSFETs 106 and 107 is 1.2 [V] (0.6
× 2), the power supply potential of the positive electrode of the basic level shift circuit 102 becomes 1.8 [V] (3.0-1.2).
Therefore, the basic level shift circuit 10 is connected to the input signal terminal.
When 1.2 [V] which is a High signal of the output signal of No. 1 is applied, the gate of the P-type MOSFET corresponding to the P-type MOSFET 202 in FIG. 2 is 1.2 [V], and the source electrode is almost 1.8. [V], so that V GS −V TH = (1.8−1.2) −0.6 ≦ 0. Therefore, the P-type MOSFET corresponding to the P-type MOSFET 202 is turned off. Of course, at this time N
The N-type MOSFET corresponding to the N-type MOSFET 203 is unconditionally turned on because the source electrode has 0 potential and the gate potential is 1.2 [V]. Therefore, the P-type MOSFET and the N-type MOSFET do not compete with each other, and
The input signal of the [V] system is converted into an output signal of the 1.8 [V] system.

【0027】次に基本レベルシフト回路103について
であるが、P型MOSFET106のMOSダイオード
の1段による電圧降下は0.6[V](0.6×1)と
なるので基本レベルシフト回路103の正極の電源電位
は2.4[V](3.0−0.6)となる。したがって
入力信号端子に基本レベルシフト回路102の出力信号
のHighの信号である1.8[V]が加わったとき、
図2のP型MOSFET202に相当するP型MOSF
ETのゲートは1.8[V]、ソース電極はほぼ2.4
[V]となるので VGS−VTH=(2.4−1.8)−0.6≦0 となっている。したがってP型MOSFET202に相
当するP型MOSFETはオフする。勿論、このときN
型MOSFET203に相当するN型MOSFETはソ
ース電極が0電位でゲート電位が1.8[V]であるの
で無条件にオンする。したがって、P型MOSFETと
N型MOSFETが競合することなく、無理なく1.8
[V]系の入力信号を2.4[V]系の出力信号に変換
する。
Next, regarding the basic level shift circuit 103, the voltage drop by one stage of the MOS diode of the P-type MOSFET 106 is 0.6 [V] (0.6 × 1). The power supply potential of the positive electrode is 2.4 [V] (3.0-0.6). Therefore, when 1.8 [V] which is a High signal of the output signal of the basic level shift circuit 102 is applied to the input signal terminal,
P-type MOSF corresponding to P-type MOSFET 202 in FIG.
The gate of ET is 1.8 [V], and the source electrode is almost 2.4.
[V], so that V GS -V TH = (2.4-1.8) -0.6 ≦ 0. Therefore, the P-type MOSFET corresponding to the P-type MOSFET 202 is turned off. Of course, at this time N
The N-type MOSFET corresponding to the N-type MOSFET 203 is unconditionally turned on since the source electrode has 0 potential and the gate potential is 1.8 [V]. Therefore, the P-type MOSFET and the N-type MOSFET do not compete with each other and are reasonably 1.8.
The input signal of [V] system is converted into an output signal of 2.4 [V] system.

【0028】次に基本レベルシフト回路104について
であるが、基本レベルシフト回路104の正極には3.
0[V]が加えられている。したがって入力信号端子に
基本レベルシフト回路 103の出力信号のHighの
信号である2.4[V]が加わったとき、図2のP型M
OSFET202に相当するP型MOSFETのゲート
は2.4[V]、ソース電極は3.0[V]となるので VGS−VTH=(3.0−2.4)−0.6≦0 となっている。したがってP型MOSFET202は相
当するP型MOSFETオフする。勿論、このときN型
MOSFET203に相当するN型MOSFETはソー
ス電極が0電位でゲート電位が2.4[V]であるので
無条件にオンする。したがって、P型MOSFETとN
型MOSFETとが競合することなく、無理なく2.4
[V]系の入力信号を3.0[V]系の出力信号に変換
する。
Next, with respect to the basic level shift circuit 104, the positive electrode of the basic level shift circuit 104 has 3.
0 [V] is applied. Therefore, when 2.4 [V] which is a High signal of the output signal of the basic level shift circuit 103 is applied to the input signal terminal, the P-type M of FIG.
Since the gate of the P-type MOSFET corresponding to the OSFET 202 is 2.4 [V] and the source electrode is 3.0 [V], V GS −V TH = (3.0−2.4) −0.6 ≦ 0 It has become. Therefore, the corresponding P-type MOSFET 202 is turned off. Of course, at this time, the N-type MOSFET corresponding to the N-type MOSFET 203 is unconditionally turned on because the source electrode has 0 potential and the gate potential is 2.4 [V]. Therefore, the P-type MOSFET and N
2.4 without competing with the MOSFET
The input signal of the [V] system is converted into an output signal of the 3.0 [V] system.

【0029】以上の回路において、従来のレベルシフト
回路においてはP型MOSFET202とN型MOSF
ET203が競合するような設計をしていたのに対し、
P型MOSFETとN型MOSFETとが競合すること
なく変換動作をするように正極側の電圧を下げ、その
分、段数を増やし、変換を繰り返すことによって所望の
電圧の出力信号を作りあげている。その結果として、高
速にかつ、低消費電流となる。この効果を従来例の図
6、もしくは図2の回路でE1=0.9[V]から一気
に3.0[V]に引き上げる場合を次にあげ比較する。
簡単の為、図2のP型MOSFET201、202、2
04、205はすべて同一のコンダクタンス定数βP
スレッショルド電圧VTPを持っているものとする。ま
た、N型MOSFET203、206はすべて同一のコ
ンダクタンス定数βNとスレッショルド電圧VTNを持っ
ているものとする。このとき動作上、問題となるのは入
力信号端子207がLow(0)からHigh(E1
0.9[V])に変わったとき、N型MOSFET20
3がオンするのは勿論であるが、P型MOSFET20
2が VGS−VTH=(3.0−0.9)−0.6>0 であるためにオフとならないことである。このときP型
MOSFETとN型MOSFETが競合する事態が生じ
る。この競合を信号の変化した当初の状態で以下のよう
にN型とP型側のMOSFETの駆動能力の差の比較と
して考えてみる。このときN型MOSFET203は飽
和領域の動作であるので等価抵抗RN1は RN1=2E2/βN(E1−VTN2 また、P型MOSFET202は不飽和領域の動作であ
るので等価抵抗RP2は RP2=1/βP(E2−E1−VTP) となる。なお、ここで(E2−E1−VTP)=(3.0−
0.9−0.6)>0である。また、P型MOSFET
201は不飽和領域の動作であるので、等価抵抗RP3は RP3=1/βP(E2−0−VTP)=1/βP(E2
TP) と表される。ここで、レベルシフト回路が正常に動作す
るか否かの限界は一般的にはかなり、難解であるが、こ
こでは簡単化して評価の目安をN型MOSFET側とP
型MOSFETの駆動能力の比較でみるが、駆動能力と
反比例の関係にある等価抵抗に置き換えて比較する。限
界の判定式を以下のように考える。
In the above circuit, in the conventional level shift circuit, a P-type MOSFET 202 and an N-type MOSFET
While the ET203 was designed to compete,
The voltage on the positive electrode side is reduced so that the P-type MOSFET and the N-type MOSFET perform a conversion operation without competing with each other, the number of stages is increased accordingly, and the conversion is repeated to produce an output signal of a desired voltage. As a result, high speed and low current consumption are achieved. Next, the case where this effect is increased from E 1 = 0.9 [V] to 3.0 [V] at once by the circuit of FIG. 6 or FIG.
For simplicity, the P-type MOSFETs 201, 202, 2 in FIG.
04 and 205 all have the same conductance constant β P and threshold voltage V TP . Further, it is assumed that all N-type MOSFETs 203 and 206 have the same conductance constant β N and threshold voltage V TN . At this time, a problem in operation is that the input signal terminal 207 changes from low (0) to high (E 1 =
0.9 [V]), the N-type MOSFET 20
Of course, the P-type MOSFET 20 is turned on.
2 is not turned off because V GS −V TH = (3.0−0.9) −0.6> 0. At this time, a situation occurs in which the P-type MOSFET and the N-type MOSFET compete with each other. Consider this competition as a comparison of the difference between the driving capabilities of the N-type and P-type MOSFETs in the initial state where the signal has changed, as follows. At this time, since the N-type MOSFET 203 operates in the saturation region, the equivalent resistance R N1 is R N1 = 2E 2 / β N (E 1 −V TN ) 2. R P2 becomes R P2 = 1 / β P (E 2 −E 1 −V TP ). Here, (E 2 −E 1 −V TP ) = (3.0−
0.9-0.6)> 0. Also, P-type MOSFET
Since 201 is an operation in the unsaturated region, the equivalent resistance R P3 is R P3 = 1 / β P (E 2 −0−V TP ) = 1 / β P (E 2
V TP ). Here, the limit of whether or not the level shift circuit operates normally is generally quite difficult.
A comparison of the driving capability of the type MOSFETs will be made by replacing the driving capability with an equivalent resistance that is inversely proportional to the driving capability. The judgment formula of the limit is considered as follows.

【0030】RN1 < RP2+RP3 とすれば、以上の関係式を代入して解けば A=2E2(E2−E1−VTP)・(E2−VTP) B=(E1−VTN2・{2(E2−VTP)−E1} とおいて βN/βP > A/B がレベルシフト回路が正常に動作するか否かの限界の判
定式となる。
[0030] R N1 <R P2 + if R P3, or if the solved by substituting the equation A = 2E 2 (E 2 -E 1 -V TP) · (E 2 -V TP) B = (E 1 −V TN ) 2 · {2 (E 2 −V TP ) −E 1 }, β N / β P > A / B is a determination formula of the limit of whether or not the level shift circuit operates normally. .

【0031】さて、E1=0.9[V]、E2=3.0
[V]、VTP=0.6[V]、VTN=0.6[V]とす
れば、 βN/βP > 61.5 となる。また、製造上において、スレツショルド電圧は
0.1[V]程度は通常ばらつくので最悪条件を考慮し
て、E1=0.9[V]、E2=3.0[V]、VTP
0.7[V]、VTN=0.7[V]とすれば、 βN/βP > 130.5 にもなる。通常の同一形状のN型MOSFETとP型M
OSFETとのβ比は3程度であるから、以上のβ比を
達成するにはP型MOSFETとN型MOSFETでは
20〜40倍程度形状を変えて、駆動能力に差をつける
必要がある。本来、CMOS回路を構成する際にP型M
OSFETとN型MOSFETとは駆動能力にバランス
がとれている方が高速の応答性や低消費電流の特性に望
ましい。したがつて、MOSFETの形状を自由に設計
できるカスタム設計などでは形状は確保できるものの、
前述したβ比のアンバランスがあると応答性や消費電流
の特性に悪影響がでる。また、ゲートアレイの場合で前
述の異常なβ比を図7のようにP型MOSFETを直列
に接続して達成する手法では図7の701、702、7
04、705の各部においてP型MOSFETが20〜
40個必要であることを意味している。したがって、図
7の方式では4個所で直列接続が必要となるので、P型
MOSFETが80〜160個、N型MOSFETが3
個必要とする。一方、本発明の図1の回路方式ではP型
MOSFETが20個、N型MOSFET9個で達成し
ている。したがって、ゲートアレイ方式でこの例の仕様
のレベルシフト回路を実現するには、従来方式より、本
発明の回路方式の方が圧倒的に少ないMOSFET数で
達成できることが解る。また、図7の従来方式はMOS
FETを多数個、必要とするばかりでなく、信号遷移の
過渡期に競合が起こる。したがって、本発明の回路方式
の方が応答性や低消費電流の特性が良い。また、本発明
では競合が起こらないので、特性が安定していて、製造
上のバラツキにも強い回路であることが解る。
Now, E 1 = 0.9 [V] and E 2 = 3.0.
If [V], V TP = 0.6 [V], and V TN = 0.6 [V], β N / β P > 61.5. Also, in manufacturing, the threshold voltage usually fluctuates about 0.1 [V], so that the worst conditions are taken into account, so that E 1 = 0.9 [V], E 2 = 3.0 [V], and V TP =
If 0.7 [V] and V TN = 0.7 [V], then β N / β P > 130.5. Normally identical N-type MOSFET and P-type M
Since the β ratio with the OSFET is about 3, to achieve the above β ratio, it is necessary to change the shape of the P-type MOSFET and the N-type MOSFET by about 20 to 40 times to make a difference in the driving capability. Originally, a P-type M
It is desirable that the OSFET and the N-type MOSFET have a good balance in drive capability for high-speed response and characteristics of low current consumption. Therefore, although the shape can be secured by custom design that can freely design the shape of the MOSFET,
If the β ratio is unbalanced, the response and the characteristics of current consumption are adversely affected. Also, in the case of a gate array, in which the above-mentioned abnormal β ratio is achieved by connecting P-type MOSFETs in series as shown in FIG. 7, 701, 702, 7 in FIG.
P-type MOSFETs 20 to
This means that 40 are required. Therefore, in the system shown in FIG. 7, series connection is required at four locations, so that 80 to 160 P-type MOSFETs and 3 N-type MOSFETs are required.
Need. On the other hand, in the circuit system of FIG. 1 of the present invention, 20 P-type MOSFETs and 9 N-type MOSFETs are used. Therefore, in order to realize the level shift circuit of the specification of this example in the gate array system, it can be understood that the circuit system of the present invention can be achieved with an overwhelmingly small number of MOSFETs as compared with the conventional system. The conventional method shown in FIG.
Not only does a large number of FETs be required, but also competition occurs during the transition of the signal transition. Therefore, the circuit system of the present invention has better responsiveness and characteristics of low current consumption. In addition, since no competition occurs in the present invention, it can be seen that the circuit has stable characteristics and is resistant to manufacturing variations.

【0032】図3は本発明の第2の実施例を示す回路図
である。図2において図1と異なるのは一点鎖線で囲ま
れたMOSダイオード電源回路305の構成である。図
1においては3個直列に接続したMOSダイオード回路
から、各基本レベルシフト回路の電源をそれぞれ取り出
していたが、図3では段数の異なる直列MOSダイオー
ド318、319、320をそれぞれ別に設け、各基本
レベルシフト回路に別々に電源電位を供給している点で
ある。図3の回路方式はMOSFETの数が若干、増加
するものの、MOSダイオード電源回路としての電流供
給能力が高まるので、より高速の応答性を追求する場合
には有効な回路方式である。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention. FIG. 2 differs from FIG. 1 in the configuration of a MOS diode power supply circuit 305 surrounded by a chain line. In FIG. 1, the power supply of each basic level shift circuit is taken out from three MOS diode circuits connected in series. In FIG. 3, however, serial MOS diodes 318, 319 and 320 having different numbers of stages are provided separately, The point is that the power supply potential is separately supplied to the level shift circuit. Although the number of MOSFETs is slightly increased in the circuit system of FIG. 3, the current supply capability of the MOS diode power supply circuit is increased, and thus the circuit system is effective when pursuing higher-speed response.

【0033】図4は本発明の第3の実施例を示す回路図
である。図3において図1と異なるのは多電源側の極性
であり、その為、P型MOSFETとN型MOSFET
の構成を図1と逆の構成にしている。構成は逆であるが
動作原理や効果は同様である。なお、図1の実施例で、
従来回路で同様のことを行う場合を数値例で示したが、
図4を従来例で同様のことを行うとして、従来方式のレ
ベルシフト回路が正常に動作するか否かの限界の判定式
を考えると、−E1=−0.9[V]、−E2=−3.0
[V]、VTP=0.6[V]、VTN=0.6[V]とす
れば、 βP/βN > 61.5 となる。また、製造上において、スレツショルド電圧は
0.1[V]程度は通常ばらつくので最悪条件を考慮す
れば、−E1=−0.9[V]、−E2=−3.0
[V]、VTP=0.7[V]、VTN=0.7[V]とす
れば、 βP/βN > 130.5 である。ここでは不等式の右辺の数値は図1の計算例と
同じであるが、左辺のβ PとβNの間において分母と分子
の関係が入れ替わっている。前述したように通常の同一
形状のN型MOSFETとP型MOSFETとのβ比は
3程度であるから、この場合、以上のβ比を達成するに
はP型MOSFETとN型MOSFETでは180〜3
60倍程度形状を変えて、駆動能力に差をつける必要が
あり、格差が広がる。したがって本発明は図4のように
変換すべき信号電圧が負の場合には更に効果的であるこ
とが解る。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a third embodiment of the present invention.
It is. 3 differs from FIG. 1 in the polarity on the multiple power supply side.
Therefore, P-type MOSFET and N-type MOSFET
Is reverse to that of FIG. The configuration is the opposite,
The operating principle and effects are the same. In the embodiment of FIG.
Numerical examples show cases where the same is done with conventional circuits.
Assuming that FIG. 4 is the same as the conventional example,
Judgment formula for limit of whether or not bell shift circuit operates normally
Given that -E1= -0.9 [V], -ETwo= -3.0
[V], VTP= 0.6 [V], VTN= 0.6 [V]
Then βP/ ΒN > 61.5. In manufacturing, the threshold voltage is
About 0.1 [V] usually varies, so consider the worst conditions.
Then -E1= -0.9 [V], -ETwo= -3.0
[V], VTP= 0.7 [V], VTN= 0.7 [V]
Then βP/ ΒN > 130.5. Here, the numerical value on the right side of the inequality is the same as the calculation example in FIG.
Same but β on the left PAnd βNDenominator and numerator between
The relationship has been reversed. Normal same as above
Β ratio of N-type MOSFET and P-type MOSFET
In this case, about 3 is required to achieve the above β ratio.
Is 180 to 3 for P-type MOSFET and N-type MOSFET
It is necessary to change the shape by about 60 times to make a difference in driving capacity
Yes, the disparity widens. Therefore, the present invention as shown in FIG.
It is more effective when the signal voltage to be converted is negative.
I understand.

【0034】また、図1、図3、図4では基本レベルシ
フト回路が4個の例を示したが、仕様によって段数は3
段以下の場合も、5段以上が望ましい場合もある。
Although FIGS. 1, 3 and 4 show an example in which there are four basic level shift circuits, the number of stages is three depending on the specifications.
In some cases, the number of stages is less than or equal to five.

【0035】また、図1、図3、図4では図2の基本レ
ベルシフト回路を用いる例を示したが、本発明の本質は
無理のない電圧間の変換を繰り返すことにあるので、基
本レベルシフト回路の構成は必ずしも図2に拘わらな
い。従来例に図5を挙げた如く、基本レベルシフト回路
は他の回路も多くあり、かつ有効である。
Although FIGS. 1, 3 and 4 show examples in which the basic level shift circuit of FIG. 2 is used, the essence of the present invention is to repeat a reasonable conversion between voltages. The configuration of the shift circuit is not necessarily limited to FIG. As shown in FIG. 5 in the conventional example, the basic level shift circuit has many other circuits and is effective.

【0036】また、図1,図3、図4ではE1系の入力
信号端子111の反転信号を作るインバータ回路を示し
たが、もともと入力信号とその反転信号が一対で供給さ
れる場合には必ずしも必要ではない。
Further, FIGS. 1, 3, when showed inverter circuit to make an inverted signal of the input signal terminal 111 of the E 1 series in Figure 4, the inverted signal thereof is supplied by a pair originally input signal A It is not necessary.

【0037】また、図1の実施例では信号の遷移の際に
完全に競合が起こらない場合を説明したが、本発明の回
路方式のMOSダイオード電源回路によって適度に電圧
降下が起きていれば、多少の競合が起きたとしても従来
回路よりは遙かに良い特性が期待できる。
Further, in the embodiment of FIG. 1, the case where no contention occurs completely at the time of signal transition has been described. However, if a moderate voltage drop occurs due to the MOS diode power supply circuit of the circuit system of the present invention, Even if some competition occurs, much better characteristics than the conventional circuit can be expected.

【0038】また、図1、図3、図4ではMOSダイオ
ード電源回路をゲートとドレインを接続したMOSFE
TによるMOSダイオード回路を多段に直列接続するこ
とで構成し、電圧降下を生じさせる方式をとっている
が、MOSダイオード電源回路の機能の本質は適度な電
圧降下をさせるのが目的であるので、他のMOSFET
の組み合わせでも可能である。また、抵抗手段で実現し
てもよい。
In FIGS. 1, 3 and 4, a MOS diode power supply circuit is a MOSFE having a gate and a drain connected.
It is configured by connecting MOS diode circuits by T in series in multiple stages, and adopts a method of causing a voltage drop. However, the essence of the function of the MOS diode power supply circuit is to cause an appropriate voltage drop. Other MOSFET
Is also possible. Further, it may be realized by resistance means.

【0039】また、図1,図3、図4の実施例では完全
に競合が起こらない場合を説明しているのでMOSFE
Tの形状には実質的には関係なく既存のゲートアレイに
適用できる。
In the embodiments shown in FIGS. 1, 3 and 4, the case where no conflict occurs completely is described.
The shape of T can be applied to existing gate arrays irrespective of the shape.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上、述べたように本発明によれば低電
圧かつ、変換する電位差が大きくても高速かつ、低消費
電流のレベルシフト回路が提供できるという効果があ
る。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a level shift circuit having a low voltage, a high speed even with a large potential difference to be converted, and a low current consumption.

【0041】また、変換動作時において、P、NのMO
SFET間で競合しない回路構成であるのでゲートアレ
イのような既成のMOSFETの組み合わせでも容易に
構成できるという効果がある。
During the conversion operation, the P and N MOs are changed.
Since the circuit configuration does not compete between the SFETs, there is an effect that a combination of existing MOSFETs such as a gate array can be easily configured.

【0042】したがって、既成のゲートアレイでもレベ
ルシフト回路を内蔵できて、多電源に対応できるという
効果がある。
Therefore, there is an effect that a level shift circuit can be built in even an existing gate array, and it is possible to cope with multiple power supplies.

【0043】また、既成のゲートアレイで実現できる回
路方式であるので、様々な仕様に対して配線層の変更の
みで対応できるという効果がある。
Further, since the circuit system can be realized by an existing gate array, there is an effect that various specifications can be dealt with only by changing the wiring layer.

【0044】また、従来回路方式でゲートアレイで対応
する場合に比較して、非常に少ないトランジスタ数と、
良い特性のレベルシフト回路を提供できるという効果が
ある。
Further, as compared with a case where a gate array is used in a conventional circuit system, the number of transistors is extremely small,
There is an effect that a level shift circuit having good characteristics can be provided.

【0045】また、変換動作時において、P、NのMO
SFET間で競合しない回路構成であるので、動作が安
定しており、製造上のバラツキに強いという効果があ
る。
During the conversion operation, the P and N MOs
Since the circuit configuration does not compete between the SFETs, the operation is stable, and there is an effect of being resistant to manufacturing variations.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明に用いる基本レベルシフト回路の回路図
である。
FIG. 2 is a circuit diagram of a basic level shift circuit used in the present invention.

【図3】本発明の第2の実施例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第3の実施例を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a third embodiment of the present invention.

【図5】従来のレベルシフト回路の回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram of a conventional level shift circuit.

【図6】従来のレベルシフト回路の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a conventional level shift circuit.

【図7】従来のレベルシフト回路の回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram of a conventional level shift circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101、102、103、104、401、402、4
03、404 ・・・基本レベルシフト回路 105、305、318、319、320 ・・・ M
OSダイオード電源回路 106、107、108、109、201、202、2
04、205、410・・・ P型MOSダイオード 110、203、206、405、406、407、4
08、409 ・・・N型MOSFET 111、112、207、411、413 ・・・ 入
力信号端子 113、208、412 ・・・ 反転入力信号端子 114、209、415 ・・・ 出力信号端子 115、210、414 ・・・ 反転出力信号端子 116、416 ・・・ 第1電源 117、211、417 ・・・ 第2電源 118、212、418 ・・・ グランド(第3電
源) 701、702、704、705 ・・・ 直列接続し
たP型MOSFET群
101, 102, 103, 104, 401, 402, 4
03, 404... Basic level shift circuit 105, 305, 318, 319, 320.
OS diode power supply circuit 106, 107, 108, 109, 201, 202, 2
04, 205, 410 ... P-type MOS diodes 110, 203, 206, 405, 406, 407, 4
08, 409: N-type MOSFETs 111, 112, 207, 411, 413: Input signal terminals 113, 208, 412: Inverted input signal terminals 114, 209, 415: Output signal terminals 115, 210 , 414 ... inverted output signal terminals 116, 416 ... first power supply 117, 211, 417 ... second power supply 118, 212, 418 ... ground (third power supply) 701, 702, 704, 705 ... P-type MOSFETs connected in series

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1の極性の第1の電位をもつ第1電源
と、第1の極性の第2の電位を持つ第2電源と、第2の
極性の第3電源とを有する多段レベルシフト回路であっ
て、 入力信号端子と反転入力信号端子、及び出力信号端子と
反転出力信号端子とを有し、低い電圧系の入力信号を前
記入力信号端子と反転入力信号端子とで受け、高い電圧
系の信号として前記出力信号端子と反転出力信号端子と
に出力するレベル変換機能を持ち、かつ絶縁ゲート電界
効果型トランジスタ(Metal Oxide Sem
iconductor Field Effect T
ransistor(以下、MOSFETと略す))の
組み合わせからなるN(Nは2以上の整数)個の基本レ
ベルシフト回路と、 第1の極性のMOSFETのゲート電極とドレイン電極
とを互いに接続したMOSダイオード(N−1)個を直
列に接続し、各ドレイン電極から、それぞれ電位をとり
だしているMOSダイオード電源回路とからなり、 前記N個の基本レベルシフト回路の1番目の基本レベル
シフト回路の電源側には前記MOSダイオード電源回路
における(N−1)個の前記MOSダイオードが縦列接
続されたドレイン電極が接続され、かつ、入力信号端子
には第1の電源系の信号が接続し、反転入力信号端子に
は前記信号の反転信号が接続され、また、K番目(2≦
K≦N−1)の基本レベルシフト回路の電源側には前記
MOSダイオード電源回路における(N−K)個の前記
MOSダイオードが縦列接続されたドレイン電極が接続
され、入力信号端子には(K−1)番目の基本レベルシ
フト回路の出力信号端子が接続され、反転入力信号端子
には前記(K−1)番目の基本レベルシフト回路の反転
出力信号端子が接続され、また、N番目の基本レベルシ
フト回路の電源側には第2電源が接続され、入力信号端
子には(N−1)番目の基本レベルシフト回路の出力信
号端子が接続され、反転入力信号端子には前記(N−
1)番目の基本レベルシフト回路の反転出力信号端子が
接続され、N番目の基本レベルシフト回路の出力信号端
子及び反転出力信号端子が、それぞれ最終の出力信号端
子、反転出力信号端子となっていることを特徴とする多
段レベルシフト回路。
1. A multi-level having a first power supply having a first potential of a first polarity, a second power supply having a second potential of a first polarity, and a third power supply of a second polarity. A shift circuit having an input signal terminal and an inverted input signal terminal, and an output signal terminal and an inverted output signal terminal; receiving a low-voltage input signal at the input signal terminal and the inverted input signal terminal; It has a level conversion function of outputting a voltage signal to the output signal terminal and the inverted output signal terminal, and has an insulated gate field effect transistor (Metal Oxide Sem).
Icon Field Effect T
N (where N is an integer of 2 or more) basic level shift circuits, each of which is composed of a combination of transistors (hereinafter abbreviated as MOSFETs), and a MOS diode (hereinafter, referred to as a MOSFET) in which a gate electrode and a drain electrode of the first polarity MOSFET are connected to each other. N-1) MOS diode power supply circuits connected in series and taking out potentials from respective drain electrodes, respectively. The power supply side of the first basic level shift circuit of the N basic level shift circuits Is connected to a drain electrode in which (N-1) MOS diodes in the MOS diode power supply circuit are connected in cascade, a signal of a first power supply system is connected to an input signal terminal, and an inverted input signal terminal Is connected to the inverted signal of the above signal, and the K-th signal (2 ≦
The drain side of the MOS diode power supply circuit in which (N−K) MOS diodes are connected in cascade is connected to the power supply side of the basic level shift circuit of (K ≦ N−1). The output signal terminal of the (-1) th basic level shift circuit is connected, the inverted output signal terminal of the (K-1) th basic level shift circuit is connected to the inverted input signal terminal, and the Nth basic level shift circuit is connected. The second power supply is connected to the power supply side of the level shift circuit, the output signal terminal of the (N-1) th basic level shift circuit is connected to the input signal terminal, and the (N-
The inverted output signal terminal of the 1) th basic level shift circuit is connected, and the output signal terminal and the inverted output signal terminal of the Nth basic level shift circuit are the final output signal terminal and the inverted output signal terminal, respectively. A multistage level shift circuit characterized by the above-mentioned.
【請求項2】 請求項1記載の多段レベルシフト回路に
おいて、 前記基本レベルシフト回路が、 第1の極性の第1のMOSFETと第1の極性の第2の
MOSFETと第2の極性の第3のMOSFETとが直
列に接続され、第1の極性の第4のMOSFETと第1
の極性の第5のMOSFETと第2の極性の第6のMO
SFETとが直列に接続され、前記第1のMOSFET
と前記第4のMOSFETのソース電極は互いに接続さ
れて、第1の極性の電源系となり、前記第3のMOSF
ETと前記第6のMOSFETのソース電極とは互いに
接続されて、第2の極性の電源系となり、前記第2のM
OSFETと前記第3のMOSFETのゲート電極とは
互いに接続されて、入力信号端子となり、前記第5のM
OSFETと前記第6のMOSFETのゲート電極とは
互いに接続されて、反転入力信号端子となり、前記第2
のMOSFETと前記第3のMOSFETのドレイン電
極とは互いに接続されて、反転出力信号端子となり、前
記第5のMOSFETと前記第6のMOSFETのドレ
イン電極とは互いに接続されて、出力信号端子となり、
前記第1のMOSFETのゲート電極は前記出力信号端
子に接続され、前記第4のMOSFETのゲート電極は
前記反転出力信号端子に接続されている構成であること
を特徴とする多段レベルシフト回路。
2. The multi-level level shift circuit according to claim 1, wherein said basic level shift circuit comprises: a first MOSFET having a first polarity, a second MOSFET having a first polarity, and a third MOSFET having a second polarity. And a fourth MOSFET having a first polarity and a first MOSFET connected in series.
And the fifth MOSFET having the second polarity and the sixth MO having the second polarity.
SFET and the first MOSFET are connected in series.
And the source electrode of the fourth MOSFET are connected to each other to form a power supply system of a first polarity, and
ET and the source electrode of the sixth MOSFET are connected to each other to form a second polarity power supply system, and the second M
The OSFET and the gate electrode of the third MOSFET are connected to each other to serve as an input signal terminal, and the fifth M
The OSFET and the gate electrode of the sixth MOSFET are connected to each other to become an inverted input signal terminal,
And the drain electrode of the third MOSFET are connected to each other to form an inverted output signal terminal, and the drain electrode of the fifth MOSFET and the sixth MOSFET are connected to each other to form an output signal terminal.
A multi-stage level shift circuit, wherein a gate electrode of the first MOSFET is connected to the output signal terminal, and a gate electrode of the fourth MOSFET is connected to the inverted output signal terminal.
【請求項3】 請求項1または請求項2記載の多段レベ
ルシフト回路において、前記基本レベルシフト回路の使
用個数Nと、該基本レベルシフト回路およびMOSダイ
オードに用いられている第1の極性のMOSFETのス
レッショルド電圧との積が前記第2電源の電位と第1電
源の電位の差より大きいことを特徴とする多段レベルシ
フト回路。
3. The multi-stage level shift circuit according to claim 1, wherein a number N of said basic level shift circuits used, and a MOSFET of a first polarity used for said basic level shift circuit and a MOS diode. Wherein the product of the threshold voltage and the threshold voltage is larger than the difference between the potential of the second power supply and the potential of the first power supply.
【請求項4】 請求項1記載の多段レベルシフト回路に
おける基本レベルシフト回路、及び前記MOSダイオー
ド電源回路が、ゲートアレイ半導体装置、もしくはマス
タースライス半導体装置に内蔵されたベーシックセルの
同一サイズで構成されているP型、もしくはN型MOS
FETを用いて実現されていることを特徴とする半導体
装置。
4. The basic level shift circuit and the MOS diode power supply circuit in the multi-stage level shift circuit according to claim 1, each having the same size as a basic cell built in a gate array semiconductor device or a master slice semiconductor device. P-type or N-type MOS
A semiconductor device characterized by being realized using an FET.
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