JP2001358577A - Cmos inverter circuit - Google Patents

Cmos inverter circuit

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JP2001358577A
JP2001358577A JP2000180001A JP2000180001A JP2001358577A JP 2001358577 A JP2001358577 A JP 2001358577A JP 2000180001 A JP2000180001 A JP 2000180001A JP 2000180001 A JP2000180001 A JP 2000180001A JP 2001358577 A JP2001358577 A JP 2001358577A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a CMOS inverter circuit in which off-leak current of individual transistors is prevented, while achieving power consumption, by sensing an input signal and controlling the substrate potential of a transistor forming a CMOS invertet section in real time. SOLUTION: The CMOS inverter circuit comprises a CMOS inverter section 1 comprising a PMOS.Q1 and an NMOS.Q2, and a substrate potential control section 2 being connected between the substrates of Q1 and Q2. The control section 2 comprises a PMOS.Q3, an NMOS.Q4, and a capacitive element Cd wherein off-leak is prevented by increasing the threshold voltage of the transistor Q1 or Q2 on the turn off side.

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CMOSインバータ
回路に関し、特に低電源電圧デバイスなどの基板電位を
制御するCMOSインバータ回路に関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a CMOS inverter circuit, and more particularly to a CMOS inverter circuit for controlling a substrate potential such as a low power supply voltage device.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、プロセスの微細化によりLSIの
高速化、大規模化とともに、高性能化が進む反面、デバ
イスの消費電力が問題視されている。
2. Description of the Related Art In recent years, the performance and performance of LSIs have been increased due to the miniaturization of processes, and the performance has been improved. However, power consumption of devices has been regarded as a problem.

【0003】特に、海外ではLSIのパワーマネージメ
ントに対する関心が高く、各方面で消費電力に対する対
策を施している。その一例として、北米の大手CPUメ
ーカーのモバイルPC用CPUは、電池駆動時にそのC
PUの電源電圧や動作周波数を低下させ、デバイスの充
放電電流を低く抑えることにより、消費電力を低減して
いる。このように、LSIの高速化が進む中、低消費電
力化は重要な課題となっている。
[0003] In particular, interest in LSI power management is high overseas, and measures are being taken against power consumption in various fields. As an example, a CPU for a mobile PC of a major CPU manufacturer in North America is
The power consumption is reduced by lowering the power supply voltage and operating frequency of the PU and keeping the charge / discharge current of the device low. As described above, as the speed of LSIs increases, reducing power consumption has become an important issue.

【0004】また、プロセスの微細化、高速化に伴い、
デバイスの低電圧化が急速に進み、トランジスタのしき
い値(Vt)が急激に低くなっている。例えば、0.1
8μmプロセスでは、電源電圧が1.8V以下となり、
前述したVtが0.3V付近になるため、プロセス的に
最早トランジスタ単体では完全にOFFしきれない状態
となっている。つまり、Vt低下により、オフリーク電
流が問題視されている。
[0004] Further, as the process becomes finer and faster,
The device voltage has been rapidly reduced, and the threshold value (Vt) of the transistor has been rapidly reduced. For example, 0.1
In the 8 μm process, the power supply voltage becomes 1.8 V or less,
Since the above-mentioned Vt is close to 0.3 V, the transistor can no longer be completely turned off in the process. That is, the off-leak current is regarded as a problem due to the decrease in Vt.

【0005】本来、デバイスの低電圧化により、低消費
電力の恩恵を受けるはずが、オフリーク電流により逆に
低消費電力化そのものが危ぶまれている。
[0007] Originally, the power consumption of the device should be reduced due to the reduction in the voltage of the device. However, the power consumption itself is in danger due to the off-leak current.

【0006】さらに、デバイスの高集積化(7Mゲー
ト)と高速動作(1GHz)により消費電力は数Wと益
々大きくなっている。このため、オフリークを防止する
と同時に、消費電力を低減することは、マイグレーショ
ン等の信頼性からも重要な問題となっている。
Further, power consumption is increasing to several watts due to high integration (7M gate) and high speed operation (1 GHz) of devices. For this reason, reducing the power consumption while preventing off-leakage is an important issue from the viewpoint of reliability such as migration.

【0007】このようなオフリーク対策を施したCMO
S回路としては、例えば特開平7−95032号公報な
どで知られている。
A CMO with such an off-leak measure
The S circuit is known, for example, from Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-95032.

【0008】図4はかかる従来の一例を示すCMOSイ
ンバータ回路図である。図4に示すように、従来のCM
OSインバータ回路は、電源電圧VDDと接地電圧GN
D間に、ソースおよび基板を接続したPチャネルMOS
トランジスタQ5と、NチャネルMOSトランジスタQ
6をこの順に接続するとともに、それぞれのゲートを入
力端子INに且つ各ドレインを出力端子OUTに接続し
ている。また、このインバータ回路には、ドレインおよ
び基板を接続し、ソースをGNDに且つゲートを入力端
子に接続したNチャネルMOSトランジスタQ7と、N
チャネルMOSトランジスタQ6,Q7のゲートおよび
基板間に接続した結合容量素子Csとを設けている。な
お、CLは負荷容量素子である。
FIG. 4 is a CMOS inverter circuit diagram showing an example of such a conventional device. As shown in FIG.
The OS inverter circuit includes a power supply voltage VDD and a ground voltage GN.
P channel MOS with source and substrate connected between D
Transistor Q5 and N-channel MOS transistor Q
6 are connected in this order, each gate is connected to the input terminal IN, and each drain is connected to the output terminal OUT. The inverter circuit further includes an N-channel MOS transistor Q7 having a drain and a substrate connected, a source connected to GND, and a gate connected to an input terminal;
A coupling capacitance element Cs connected between the gates of the channel MOS transistors Q6 and Q7 and the substrate is provided. Note that CL is a load capacitance element.

【0009】このCMOSインバータ回路は、入力端子
INに供給される入力電圧VINがNチャネルMOSト
ランジスタQ7のしきい値電圧(Vt)よりも下がった
ときに、結合容量素子CsによってNチャネルMOSト
ランジスタQ6の基板に負の基板電圧を印加するように
したものである。
In this CMOS inverter circuit, when input voltage VIN supplied to input terminal IN falls below threshold voltage (Vt) of N-channel MOS transistor Q7, N-channel MOS transistor Q6 is activated by coupling capacitance element Cs. A negative substrate voltage is applied to the substrate.

【0010】以下に、このCMOSインバータ回路の動
作を説明する。なお、VDDは1.8V、GNDは0
V、各MOSトランジスタのVtは、つぎの値であると
仮定する。なお、Vbsはバックバイアス電圧である。
The operation of this CMOS inverter circuit will be described below. VDD is 1.8 V, GND is 0
It is assumed that V and Vt of each MOS transistor have the following values. Vbs is a back bias voltage.

【0011】Q5:−0.3V(Vbs=0V) Q6:+0.3V(Vbs=0V),+0.6V(Vb
s=−0.3V) Q7:+0.3V(Vbs=0V) 今、CMOSインバータ回路の入力電圧VINが0.3
Vまで下がると、NチャネルMOSトランジスタQ7が
オフとなるので、NチャネルMOSトランジスタQ7の
基板であるPウエルはGNDから切り離され、フローテ
ィング状態になる。そして、入力電圧VINが0.3V
よりさらに下がると、NチャネルMOSトランジスタQ
6のゲート容量C6と、NチャネルMOSトランジスタ
Q7のゲート容量C7および結合容量Csとの容量結合
により、Pウエルの電圧が下がり、基板バイアス効果に
よりNチャネルMOSトランジスタQ6のVtが上昇す
る。これにより、NチャネルMOSトランジスタQ6の
弱反転領域でのソース・ドレイン間リーク電流が低減す
る。
Q5: -0.3 V (Vbs = 0 V) Q6: +0.3 V (Vbs = 0 V), +0.6 V (Vb
s = -0.3V) Q7: + 0.3V (Vbs = 0V) Now, the input voltage VIN of the CMOS inverter circuit is 0.3
When the voltage drops to V, the N-channel MOS transistor Q7 is turned off, so that the P-well, which is the substrate of the N-channel MOS transistor Q7, is disconnected from GND and enters a floating state. And the input voltage VIN is 0.3V
When the voltage drops further, the N-channel MOS transistor Q
6 and the capacitance of the gate capacitance C7 and the coupling capacitance Cs of the N-channel MOS transistor Q7, the voltage of the P-well decreases, and the Vt of the N-channel MOS transistor Q6 increases due to the substrate bias effect. Thereby, the source-drain leakage current in the weak inversion region of N-channel MOS transistor Q6 is reduced.

【0012】図5は図4における出力端子およびB点の
電圧レベル特性図である。図5に示すように、VOHお
よびVOLはそれぞれ出力端子OUTのハイレベル電位
およびロウレベル電位であり、VBはNチャネルMOS
トランジスタQ6の基板電位である。入力端子INに対
する入力電位の供給開始後、50μSで基板電位にマイ
ナス0.19Vの負電圧を発生させているが、51μS
を過ぎたあたりからその負電位が上昇し、94μSにな
るとほぼ0Vに近いマイナス0.03V程度になってい
る。すなわち、前述した図4のような回路では、時間が
経つにつれて基板電位VBが上昇してしまい、Nチャネ
ルMOSトランジスタQ6のしきい値Vtが本来の値に
戻ってしまう。
FIG. 5 is a voltage level characteristic diagram of the output terminal and the point B in FIG. As shown in FIG. 5, VOH and VOL are a high-level potential and a low-level potential of the output terminal OUT, respectively, and VB is an N-channel MOS.
This is the substrate potential of the transistor Q6. After the supply of the input potential to the input terminal IN is started, a negative voltage of minus 0.19 V is generated in the substrate potential at 50 μS.
, The negative potential rises from about the point where the voltage drops to about 0.03 V near 94 V at 94 μS. That is, in the circuit shown in FIG. 4 described above, the substrate potential VB increases with time, and the threshold value Vt of the N-channel MOS transistor Q6 returns to the original value.

【0013】図6は図4におけるMOSトランジスタの
オフリーク電流スパイス・シュミレーション波形図であ
る。図6に示すように、上述したCMOSインバータ回
路において、シュミレーションによって求めたオフリー
ク電流Iofは、ほぼ−0.420μAである。
FIG. 6 is a waveform diagram of spice simulation of off-leak current of the MOS transistor in FIG. As shown in FIG. 6, in the above-described CMOS inverter circuit, the off-leak current Iof obtained by simulation is approximately -0.420 μA.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のCMO
Sインバータ回路は、基板電位に負電位を発生すること
はできるが、途中から負電位が上昇し、0V付近になる
ため、トランジスタのしきい値が本来の値にもどってし
まう。このため、CMOSインバータ回路におけるトラ
ンジスタのオフリーク電流を完全に防止することは困難
であると同時に、スタンバイ時の消費電力を低減するこ
とも出来ないという問題がある。
SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned conventional CMO
The S inverter circuit can generate a negative potential as the substrate potential, but since the negative potential rises halfway and becomes close to 0 V, the threshold value of the transistor returns to the original value. Therefore, it is difficult to completely prevent the off-leak current of the transistor in the CMOS inverter circuit, and at the same time, there is a problem that the power consumption during standby cannot be reduced.

【0015】また、従来のCMOSインバータ回路では
負電位しか発生出来ないので、NチャネルMOSトラン
ジスタQ6がOFFしているハイレベル出力時はオフリ
ーク電流に短時間だけ効果があるが、PチャネルMOS
トランジスタQ5がOFFしている時には対応できな
い。従って、オフリーク対策効果が半減し、LSIの約
半分の回路しか消費電力を低減出来ないという問題があ
る。
Further, since only a negative potential can be generated in the conventional CMOS inverter circuit, the off-leak current is effective only for a short time when the N-channel MOS transistor Q6 is turned off at a high level.
This cannot be handled when the transistor Q5 is off. Therefore, there is a problem that the effect of off-leakage countermeasures is reduced by half, and the power consumption can be reduced only by about half the circuit of the LSI.

【0016】本発明の目的は、入力信号を感知してリア
ルタイムにインバータ部を形成しているトランジスタの
基板電位を制御し、トランジスタ個々のオフリーク電流
を防止するとともに、低消費電力化を実現するCMOS
インバータ回路を提供することにある。
It is an object of the present invention to control a substrate potential of a transistor forming an inverter section in real time by sensing an input signal, thereby preventing an off-leak current of each transistor and realizing a low power consumption CMOS.
An inverter circuit is provided.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明のCMOSインバ
ータ回路は、電源およびグランド間に第1のPチャネル
MOSトランジスタおよび第1のNチャネルMOSトラ
ンジスタを接続するとともに、双方のトランジスタの共
通接続したゲートに入力信号を供給し且つ双方のトラン
ジスタの共通接続したドレインから出力を取り出すCM
OSインバータ部と、前記第1のPチャネルMOSトラ
ンジスタおよび前記第1のNチャネルMOSトランジス
タの基板間に接続する基板電位制御部とを有し、前記第
1のPチャネルMOSトランジスタあるいは前記第1の
NチャネルMOSトランジスタのOFFしている側のト
ランジスタのしきい値電圧を上昇させ、オフリークを防
止するように構成される。
According to the CMOS inverter circuit of the present invention, a first P-channel MOS transistor and a first N-channel MOS transistor are connected between a power supply and a ground, and the gates of both transistors are commonly connected. CM that supplies an input signal to the input terminal and extracts an output from a commonly connected drain of both transistors
An OS inverter unit, and a substrate potential control unit connected between the substrates of the first P-channel MOS transistor and the first N-channel MOS transistor, wherein the first P-channel MOS transistor or the first The threshold voltage of the off-side transistor of the N-channel MOS transistor is raised to prevent off-leakage.

【0018】また、本発明のCMOSインバータ回路に
おける前記CMOSインバータ部は、前記第1のPチャ
ネルMOSトランジスタおよび前記第1のNチャネルM
OSトランジスタの基板を独立して形成される。
Further, in the CMOS inverter circuit according to the present invention, the CMOS inverter unit includes the first P-channel MOS transistor and the first N-channel MOS transistor.
The substrate of the OS transistor is formed independently.

【0019】また、本発明のCMOSインバータ回路に
おける前記基板電位制御部は、ソースを電源に且つドレ
インを前記第1のPチャネルMOSトランジスタの基板
にそれぞれ接続し、ゲートに前記入力信号を供給する第
2のPチャネルMOSトランジスタと、ソースをグラン
ドに且つドレインを前記第1のNチャネルMOSトラン
ジスタの基板にそれぞれ接続し、ゲートに前記入力信号
を供給する第2のNチャネルMOSトランジスタと、前
記第2のPチャネルMOSトランジスタおよび前記第N
のPチャネルMOSトランジスタのドレイン間に接続す
る容量素子とで形成される。
In the CMOS inverter circuit according to the present invention, the substrate potential control section connects a source to a power supply and a drain to the substrate of the first P-channel MOS transistor, and supplies the input signal to a gate. A second P-channel MOS transistor, a second N-channel MOS transistor having a source connected to the ground and a drain connected to the substrate of the first N-channel MOS transistor, and supplying the input signal to a gate; P-channel MOS transistor and the N-th
And a capacitor connected between the drains of the P-channel MOS transistors.

【0020】また、本発明における前記第2のPチャネ
ルMOSトランジスタおよび前記第2のNチャネルMO
Sトランジスタは、それぞれドレインおよび基板間を接
続して形成される。
In the present invention, the second P-channel MOS transistor and the second N-channel MOS transistor
The S transistor is formed by connecting the drain and the substrate.

【0021】また、本発明における前記第1,第2のP
チャネルMOSトランジスタおよび前記第1,第2のN
チャネルMOSトランジスタは、それぞれ基板電位を等
しくし、前記基板電位制御部で発生する昇圧電圧および
降圧電圧を前記容量素子により保持するように形成され
る。
In the present invention, the first and second P
Channel MOS transistor and the first and second N
The channel MOS transistors are formed such that the substrate potentials are made equal and the boosted voltage and the step-down voltage generated in the substrate potential control section are held by the capacitance element.

【0022】さらに、本発明における前記基板電位制御
部は、前記CMOSインバータ部の電源と同じ電源電圧
を用い、前記第1のPチャネルMOSトランジスタおよ
び前記第1のNチャネルMOSトランジスタ双方のオフ
リークを防止するように形成される。
Further, the substrate potential control section in the present invention uses the same power supply voltage as the power supply of the CMOS inverter section to prevent off-leakage of both the first P-channel MOS transistor and the first N-channel MOS transistor. It is formed so that.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】本実施の形態は、電源と接地間に
接続した第1のPチャネルMOSトランジスタと第1の
NチャネルMOSトランジスタを備えるとともに、双方
のゲートを入力端子に且つ双方のドレインを出力端子に
接続した通常のCMOSインバータ部と、このCMOS
インバータ部における第1の各MOSトランジスタの基
板電位を制御する制御部とを有して構成される。しか
も、この制御部は、ソースを電源に、ドレインおよび基
板を接続し且つゲートを入力端子に接続した第2のPチ
ャネルMOSトランジスタと、ソースを接地し、ドレイ
ンおよび基板を接続し且つゲートを入力端子に接続した
第2のNチャネルMOSトランジスタと、これら第2の
PチャネルMOSトランジスタおよび第2のNチャネル
MOSトランジスタのドレイン間に接続した結合容量素
子とを有している。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS This embodiment includes a first P-channel MOS transistor and a first N-channel MOS transistor connected between a power supply and a ground, and has both gates as input terminals and both drains. Is connected to an output terminal, a normal CMOS inverter section, and this CMOS
And a control unit for controlling the substrate potential of each first MOS transistor in the inverter unit. In addition, the control unit includes a second P-channel MOS transistor having the source connected to the power supply, the drain and the substrate connected to each other, and the gate connected to the input terminal, the source connected to the ground, the drain connected to the substrate and the gate connected to the input terminal. A second N-channel MOS transistor connected to the terminal; and a coupling capacitance element connected between the drains of the second P-channel MOS transistor and the second N-channel MOS transistor.

【0024】以下、本発明の実施の形態について図面を
参照して説明する。図1は本発明の一実施の形態を示す
CMOSインバータ回路図である。図1に示すように、
本実施の形態は、通常のCMOSインバータ部1に対
し、基板電位(A点,B点の電位)を制御するにあた
り、制御部2のPチャネルMOSトランジスタQ3とN
チャネルMOSトランジスタQ4各々のドレイン間に接
続した容量素子Cdによりスイッチングを行う。この
際、容量素子CdはPチャネルMOSトランジスタQ3
およびNチャネルMOSトランジスタQ4のゲート、す
なわち入力端子INと基板間の電位差を保持するため、
制御部2で発生する昇圧電位および降圧電位を長時間保
持することができる。そして、通常のCMOSインバー
タ部1におけるPチャネルMOSトランジスタQ1とN
チャネルMOSトランジスタQ2の基板に、上述した昇
圧電位および降圧電位を印加し、OFFしているPチャ
ネルMOSトランジスタQ1又はNチャネルMOSトラ
ンジスタQ2のしきい値Vtを制御することにより、オ
フリーク電流を防止する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a CMOS inverter circuit diagram showing one embodiment of the present invention. As shown in FIG.
In the present embodiment, the P-channel MOS transistors Q3 and N3 of the control unit 2 are used to control the substrate potential (potential at points A and B) for the normal CMOS inverter unit 1.
Switching is performed by the capacitive element Cd connected between the drains of the channel MOS transistors Q4. At this time, the capacitance element Cd is a P-channel MOS transistor Q3
And the potential difference between the gate of N-channel MOS transistor Q4, that is, input terminal IN and the substrate,
The step-up potential and the step-down potential generated by the control unit 2 can be held for a long time. Then, the P-channel MOS transistors Q1 and N in the normal CMOS inverter section 1
The above-described boost potential and step-down potential are applied to the substrate of the channel MOS transistor Q2 to control the threshold Vt of the P-channel MOS transistor Q1 or the N-channel MOS transistor Q2 which is turned off, thereby preventing an off-leak current. .

【0025】ここで、CMOSインバータ部1は、Pチ
ャネルMOSトランジスタQ1およびNチャネルMOS
トランジスタQ2の基板は分離独立して形成されてお
り、またCMOSインバータ部1と基板電位制御部2の
電源は同一の電源電圧VDDを用いている。
Here, CMOS inverter unit 1 includes a P-channel MOS transistor Q1 and an N-channel MOS transistor Q1.
The substrate of the transistor Q2 is formed separately and independently, and the power supplies of the CMOS inverter unit 1 and the substrate potential control unit 2 use the same power supply voltage VDD.

【0026】以下、図1に基づいて、具体的実施例を説
明する。本実施例は、電源電圧VDDと接地電圧GND
の間に、PチャネルMOSトランジスタQ1とNチャネ
ルMOSトランジスタQ2とをこの順に接続し、各ゲー
トに入力端子INを接続し且つ各ドレインを出力端子O
UTに接続してなるCMOS型インバータ部1と、ゲー
トが入力端子INに且つソースがVDDにそれぞれ接続
され、ドレインおよび基板がCMOS型インバータ部1
のPチャネルMOSトランジスタQ1の基板に接続され
たPチャネルMOSトランジスタQ3と,ゲートが入力
端子INに且つソースがGNDにそれぞれ接続され、ド
レインおよび基板がCMOS型インバータ部1のNチャ
ネルMOSトランジスタQ2の基板に接続されたNチャ
ネルMOSトランジスタQ4と,PチャネルMOSトラ
ンジスタQ3のドレインとNチャネルMOSトランジス
タQ4のドレイン間に接続された結合容量素子Cdとを
設けた基板電位制御部2とを有している。かかるCMO
Sインバータ回路において、入力端子INに供給される
入力電圧VINがNチャネルMOSトランジスタQ4の
しきい値電圧Vtよりも下がった時に、容量結合によっ
てCMOSインバータ部1のNチャネルMOSトランジ
スタQ2の基板に負の基板電圧を印加する。また、入力
端子INにおける入力電圧VINがPチャネルMOSト
ランジスタQ3のVtよりも上がったときに、容量結合
によってCMOSインバータ部1のPチャネルMOSト
ランジスタQ1の基板にVDDよりも高い基板電圧を印
加するようにしたものである。
Hereinafter, a specific embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, the power supply voltage VDD and the ground voltage GND
, A P-channel MOS transistor Q1 and an N-channel MOS transistor Q2 are connected in this order, each gate is connected to an input terminal IN, and each drain is connected to an output terminal O
A CMOS inverter 1 connected to the UT, a gate connected to the input terminal IN, a source connected to VDD, and a drain and substrate connected to the CMOS inverter 1
A P-channel MOS transistor Q3 connected to the substrate of the P-channel MOS transistor Q1, a gate connected to the input terminal IN and a source connected to GND, and a drain and a substrate connected to the N-channel MOS transistor Q2 of the CMOS inverter unit 1. It has an N-channel MOS transistor Q4 connected to the substrate, and a substrate potential control section 2 provided with a drain of the P-channel MOS transistor Q3 and a coupling capacitance element Cd connected between the drains of the N-channel MOS transistor Q4. I have. Such CMO
In the S-inverter circuit, when the input voltage VIN supplied to the input terminal IN falls below the threshold voltage Vt of the N-channel MOS transistor Q4, the substrate of the N-channel MOS transistor Q2 of the CMOS inverter unit 1 becomes negative due to capacitive coupling. Is applied. When the input voltage VIN at the input terminal IN rises above Vt of the P-channel MOS transistor Q3, a substrate voltage higher than VDD is applied to the substrate of the P-channel MOS transistor Q1 of the CMOS inverter unit 1 by capacitive coupling. It was made.

【0027】次に、このCMOSインバータ回路の具体
的動作を説明する。なお、ここではVDDは1.8V、
GNDは0Vとし、各MOSトランジスタのしきい値電
圧は、つぎに示す値であると仮定する。
Next, a specific operation of the CMOS inverter circuit will be described. Here, VDD is 1.8 V,
It is assumed that GND is 0 V, and the threshold voltage of each MOS transistor has the following value.

【0028】Q1:−0.3V(Vbs=0V),−
0.6V(Vbs=+0.3V) Q2:+0.3V(Vbs=0V),+0.6V(Vb
s=−0.3V) Q3:−0.3V(Vbs=0V) Q4:+0.3V(Vbs=0V) 今、CMOSインバータ回路の入力電圧VINが0.3
Vまで下がると、NチャネルMOSトランジスタQ4が
オフし、NチャネルMOSトランジスタQ4の基板であ
るPウェルは、GNDから切り離されてフローティング
状態となる。そして、入力電圧VINがさらに下がる
と、NチャネルMOSトランジスタQ2のゲート容量
(以下、C2と称す)と、NチャネルMOSトランジス
タQ4のゲート容量(以下、C4と称す)と、容量素子
Cdとの容量結合により、Pウェルの電圧が下がる。こ
の結果、基板バイアス効果により、NチャネルMOSト
ランジスタQ2のしきい値Vtが上昇する。これによ
り、NチャネルMOSトランジスタQ2の弱反転領域で
のソース・ドレイン間リーク電流、すなわちオフリーク
電流は低減する。
Q1: -0.3V (Vbs = 0V),-
0.6V (Vbs = + 0.3V) Q2: + 0.3V (Vbs = 0V), + 0.6V (Vb
s = -0.3V) Q3: -0.3V (Vbs = 0V) Q4: + 0.3V (Vbs = 0V) Now, the input voltage VIN of the CMOS inverter circuit is 0.3.
When the voltage drops to V, the N-channel MOS transistor Q4 is turned off, and the P-well serving as the substrate of the N-channel MOS transistor Q4 is disconnected from GND and enters a floating state. When the input voltage VIN further decreases, the gate capacitance of the N-channel MOS transistor Q2 (hereinafter, referred to as C2), the gate capacitance of the N-channel MOS transistor Q4 (hereinafter, referred to as C4), and the capacitance of the capacitance element Cd The coupling lowers the voltage on the P-well. As a result, the threshold value Vt of N-channel MOS transistor Q2 increases due to the substrate bias effect. Thereby, the leak current between the source and the drain in the weak inversion region of N-channel MOS transistor Q2, that is, the off-leak current is reduced.

【0029】逆に、入力電圧VINが1.5Vまで上が
った場合には、PチャネルMOSトランジスタQ1のゲ
ート容量(以下、C1と称す)と、PチャネルMOSト
ランジスタQ3のゲート容量(以下、C3と称す)と、
容量素子Cdとの容量結合により、Nウェルの電圧が上
がる。この結果、基板バイアス効果により、Pチャネル
MOSトランジスタQ1の基板電圧が上昇し、同様にソ
ース・ドレイン間リーク電流が低減する。
Conversely, when the input voltage VIN rises to 1.5 V, the gate capacitance of the P-channel MOS transistor Q1 (hereinafter referred to as C1) and the gate capacitance of the P-channel MOS transistor Q3 (hereinafter referred to as C3) )
Due to the capacitive coupling with the capacitive element Cd, the voltage of the N well increases. As a result, the substrate voltage of P-channel MOS transistor Q1 increases due to the substrate bias effect, and the source-drain leakage current similarly decreases.

【0030】図2は図1における出力端子とA,B点の
電圧レベル特性図である。図2に示すように、VOHお
よびVOLはそれぞれ出力端子OUTのハイレベル電位
およびロウレベル電位であり、VAはPチャネルMOS
トランジスタQ1の基板電位、VBはNチャネルMOS
トランジスタQ2の基板電位である。入力端子INに対
する入力電位の供給が開始されても、すなわち時間が経
っても、同一区間内(例えば、時間0.1〜0.15m
S区間、あるいは0.15〜0.2mS区間)では、基
板電位VA,VBが変化しない。ここでは、一例として
VA=2.09V、VB=0.22Vの場合を示してい
る。このことは、基板電位制御部2によって昇圧および
降圧を可能にしているので、PチャネルMOSトランジ
スタQ1,NチャネルMOSトランジスタQ2がオフし
ている時にも、オフリーク電流を防止することができ
る。このように、本実施例では、時間が経っても、同一
区間内であれば、基板電位が変化しないため、各トラン
ジスタのしきい値Vtを上げ続けることができ、したが
ってオフリーク電流を防止することができる。
FIG. 2 is a diagram showing the output terminal and voltage level characteristics at points A and B in FIG. As shown in FIG. 2, VOH and VOL are a high level potential and a low level potential of the output terminal OUT, respectively, and VA is a P-channel MOS.
The substrate potential of the transistor Q1, VB is an N-channel MOS
This is the substrate potential of the transistor Q2. Even if the supply of the input potential to the input terminal IN is started, that is, even if the time elapses, the same section (for example, the time of 0.1 to 0.15 m
In the S section or the 0.15 to 0.2 mS section), the substrate potentials VA and VB do not change. Here, a case where VA = 2.09 V and VB = 0.22 V is shown as an example. This allows the substrate potential control unit 2 to raise and lower the voltage, so that the off-leak current can be prevented even when the P-channel MOS transistor Q1 and the N-channel MOS transistor Q2 are off. As described above, in the present embodiment, the threshold voltage Vt of each transistor can be continuously increased because the substrate potential does not change within the same section even after a lapse of time, and therefore, the off-leak current can be prevented. Can be.

【0031】また、図2からも明らかなように、VAお
よびVBの電位は100nSを超え50μSの時間が経
っても降圧した電位および昇圧した電位を保持出来るた
め、動作していない回路やLSIがスタンバイ時の消費
電力を低減することが出来る。
As is clear from FIG. 2, the potentials of VA and VB exceed 100 nS and can maintain the reduced potential and the boosted potential even after a lapse of 50 μS. Power consumption during standby can be reduced.

【0032】図3図1におけるMOSトランジスタのオ
フリーク電流スパイス・シュミレーション波形図であ
る。図3に示すように、上述したCMOSインバータ回
路において、ハイレベル時の出力電圧レベルVOHは
1.8Vであり、シュミレーションによって求めたオフ
リーク電流Iofは、ほぼ−0.110μAである。こ
のため、前述した図6の従来例(Iofはほぼ−0.4
2μA)と比較すると、本実施の形態における回路によ
れば、約74%も低減することができる。
FIG. 3 is a spice simulation waveform diagram of an off-leak current of the MOS transistor in FIG. As shown in FIG. 3, in the above-described CMOS inverter circuit, the output voltage level VOH at the time of the high level is 1.8 V, and the off-leak current Iof obtained by the simulation is approximately −0.110 μA. For this reason, the above-described conventional example of FIG.
Compared with 2 μA), according to the circuit of the present embodiment, it can be reduced by about 74%.

【0033】また、本実施の形態では、個々の機能ブロ
ック(ファンクション・ブロック)毎にしきい値電圧の
制御が可能であるので、従来のようなLSI(Vt−C
MOSタイプ)が動作していないスタンバイ時のみのオ
フリークを防止する回路とは異なり、スタンバイ時は勿
論、LSI使用時でも動作していないトランジスタのオ
フリークを防止することが出来、LSIの使用時及びス
タンバイ時の消費電力を低減することができる。かかる
LSIの使用時でも、常に動作しているトランジスタ
は、約30から40%と言われており、また0.18μ
mプロセスでゲート幅が10μmのトランジスタのオフ
リーク電流が約0.4μAと大きい事を考えると、近年
益々大規模、高集積になるLSIへの効果は絶大であ
る。
In this embodiment, since the threshold voltage can be controlled for each function block (function block), the conventional LSI (Vt-C
Unlike a circuit that prevents off-leak only at the standby time when the MOS type is not operating, it is possible to prevent off-leakage of the transistor that is not operating not only at the time of standby but also at the time of using the LSI. Power consumption at the time can be reduced. Even when such an LSI is used, it is said that about 30 to 40% of the transistors always operate, and that 0.18 μm
Considering that the off-leak current of a transistor having a gate width of 10 μm in the m process is as large as about 0.4 μA, the effect on an LSI which is becoming larger and more integrated in recent years is enormous.

【0034】さらに、本実施の形態では、一般的に考え
られているVt−CMOSタイプと異なり、オフリーク
電流を防止するための特別な電源を必要とせず、LSI
動作に必要な単一電源でオフリーク電流を防止すること
ができる。
Further, unlike the Vt-CMOS type which is generally considered, the present embodiment does not require a special power supply for preventing off-leak current, and
An off-leak current can be prevented with a single power supply required for operation.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明のCMOS
インバータ回路は、入力信号を感知してリアルタイムに
インバータ部を形成しているトランジスタの基板電位を
制御し、トランジスタ個々のオフリーク電流を防止する
とともに、低消費電力化を実現できるという効果があ
る。
As described above, the CMOS of the present invention is used.
The inverter circuit senses an input signal and controls the substrate potential of the transistor forming the inverter section in real time, thereby preventing off-leak current of each transistor and realizing low power consumption.

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

【図1】本発明の一実施の形態を示すCMOSインバー
タ回路図である。
FIG. 1 is a CMOS inverter circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図2】図1における出力端子とA,B点の電圧レベル
特性図である。
FIG. 2 is a diagram showing output terminal and voltage level characteristics at points A and B in FIG. 1;

【図3】図1におけるMOSトランジスタのオフリーク
電流スパイス・シュミレーション波形図である。
FIG. 3 is a waveform diagram of spice simulation of off-leak current of the MOS transistor in FIG. 1;

【図4】従来の一例を示すCMOSインバータ回路図で
ある。
FIG. 4 is a CMOS inverter circuit diagram showing an example of the related art.

【図5】図4における出力端子およびB点の電圧レベル
特性図である。
FIG. 5 is a voltage level characteristic diagram of an output terminal and a point B in FIG.

【図6】図4におけるMOSトランジスタのオフリーク
電流スパイス・シュミレーション波形図である。
6 is a waveform diagram of spice simulation of off-leak current of the MOS transistor in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 CMOSインバータ部 2 制御部 Q1,Q3 PチャネルMOSトランジスタ Q2,Q4 NチャネルMOSトランジスタ Cd 結合容量素子 VOH 出力ハイレベル電位 VOL 出力ロウレベル電位 VA,VB 基板電位 Iof オフリーク電流 Reference Signs List 1 CMOS inverter unit 2 Control unit Q1, Q3 P-channel MOS transistor Q2, Q4 N-channel MOS transistor Cd coupling capacitance element VOH output high-level potential VOL output low-level potential VA, VB substrate potential Iof off-leakage current

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電源およびグランド間に第1のPチャネ
ルMOSトランジスタおよび第1のNチャネルMOSト
ランジスタを接続するとともに、双方のトランジスタの
共通接続したゲートに入力信号を供給し且つ双方のトラ
ンジスタの共通接続したドレインから出力を取り出すC
MOSインバータ部と、前記第1のPチャネルMOSト
ランジスタおよび前記第1のNチャネルMOSトランジ
スタの基板間に接続する基板電位制御部とを有し、前記
第1のPチャネルMOSトランジスタあるいは前記第1
のNチャネルMOSトランジスタのOFFしている側の
トランジスタのしきい値電圧を上昇させ、オフリークを
防止することを特徴とするCMOSインバータ回路。
1. A first P-channel MOS transistor and a first N-channel MOS transistor are connected between a power supply and a ground, an input signal is supplied to a commonly connected gate of both transistors, and both transistors are commonly used. Extract output from connected drain C
A MOS inverter unit, and a substrate potential control unit connected between the substrates of the first P-channel MOS transistor and the first N-channel MOS transistor, wherein the first P-channel MOS transistor or the first
A threshold voltage of an off-side transistor of the N-channel MOS transistor is increased to prevent off-leakage.
【請求項2】 前記CMOSインバータ部は、前記第1
のPチャネルMOSトランジスタおよび前記第1のNチ
ャネルMOSトランジスタの基板を独立して形成した請
求項1記載のCMOSインバータ回路。
2. The CMOS inverter unit according to claim 1, wherein:
2. The CMOS inverter circuit according to claim 1, wherein the substrates of said P-channel MOS transistor and said first N-channel MOS transistor are formed independently.
【請求項3】 前記基板電位制御部は、ソースを電源に
且つドレインを前記第1のPチャネルMOSトランジス
タの基板にそれぞれ接続し、ゲートに前記入力信号を供
給する第2のPチャネルMOSトランジスタと、ソース
をグランドに且つドレインを前記第1のNチャネルMO
Sトランジスタの基板にそれぞれ接続し、ゲートに前記
入力信号を供給する第2のNチャネルMOSトランジス
タと、前記第2のPチャネルMOSトランジスタおよび
前記第NのPチャネルMOSトランジスタのドレイン間
に接続する容量素子とで形成した請求項1記載のCMO
Sインバータ回路。
A second P-channel MOS transistor having a source connected to a power supply and a drain connected to a substrate of the first P-channel MOS transistor, and supplying the input signal to a gate; , The source to ground and the drain to the first N-channel MO.
A second N-channel MOS transistor connected to the substrate of the S transistor and supplying the input signal to the gate; and a capacitor connected between the drains of the second P-channel MOS transistor and the N-th P-channel MOS transistor 2. The CMO according to claim 1, wherein the CMO is formed with an element.
S inverter circuit.
【請求項4】 前記第2のPチャネルMOSトランジス
タおよび前記第2のNチャネルMOSトランジスタは、
それぞれドレインおよび基板間を接続した請求項3記載
のCMOSインバータ回路。
4. The second P-channel MOS transistor and the second N-channel MOS transistor,
4. The CMOS inverter circuit according to claim 3, wherein the drain and the substrate are connected to each other.
【請求項5】 前記第1,第2のPチャネルMOSトラ
ンジスタおよび前記第1,第2のNチャネルMOSトラ
ンジスタは、それぞれ基板電位を等しくし、前記基板電
位制御部で発生する昇圧電圧および降圧電圧を前記容量
素子により保持する請求項3記載のCMOSインバータ
回路。
5. The first and second P-channel MOS transistors and the first and second N-channel MOS transistors have equal substrate potentials, respectively, and a boosted voltage and a reduced voltage generated by the substrate potential control unit. 4. The CMOS inverter circuit according to claim 3, wherein the voltage is held by the capacitance element.
【請求項6】 前記基板電位制御部は、前記CMOSイ
ンバータ部の電源と同じ電源電圧を用い、前記第1のP
チャネルMOSトランジスタおよび前記第1のNチャネ
ルMOSトランジスタ双方のオフリークを防止する請求
項3記載のCMOSインバータ回路。
6. The first potential control section uses the same power supply voltage as the power supply of the CMOS inverter section, and
4. The CMOS inverter circuit according to claim 3, wherein off-leakage of both a channel MOS transistor and said first N-channel MOS transistor is prevented.
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