JP2002533971A - 過電圧保護i/oバッファ - Google Patents
過電圧保護i/oバッファInfo
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Abstract
Description
すなわち、その出力が、出力が活性状態で高い第1の状態、出力が活性状態で低
い第2の状態、および、出力が不活性状態で、この出力が外部に対して高いイン
ピーダンスを持つトライステートとも呼ばれる第3の状態の3つの状態の1つに
なり得るバッファに関する。
れたI/Oバッファに関する。
受け取られた論理レベルに応じて、論理HIGH/LOWのレベルを出力する。
この種のバッファの重要な仕事は、そのデータ信号を供給する前の回路には負荷
をかけないか、または殆ど負荷をかけないで、負荷に論理出力信号を供給するこ
とである。その時に、LOWまたは「0」は、VSSと示され一般に「接地」と
呼ばれる第1の電圧レベルに対応し、HIGHまたは「1」は、VDDと示され
一般に「電源電圧」と呼ばれるより高い第2の電圧レベルに対応する。
そのバスには、少なくとも1つの他の論理回路の少なくとも1つの入力が接続さ
れ、他の論理回路の1つまたは複数の出力も接続されている。そのようなバスシ
ステムで、バスの論理レベルは、常に、接続された論理回路の1つで決定される
。接続された回路は、その中の1つだけが活性状態のHIGH/LOWの状態で
あることができるように適当な制御回路によって制御される。その時に、その他
の回路はトライステートであるので、それらの出力はバスに対して高インピーダ
ンスを示し、したがって、前述した1つの回路で供給されるHIGH/LOWの
レベルに殆ど影響しないか、または影響しない。
5Vであるが、最近の回路はもっと低い電源電圧用に開発されている。そのよう
なより低い標準的な電源電圧の例は、3.0Vおよび3.3Vである。電源電圧
が低くなるほど電力消費が減少するので、これらの回路は、例えばラップトップ
のような電池電源供給システム用に特に開発されている。低電源電圧回路に向か
う傾向の別の理由は、絶えずより小型化に向かう傾向があることであり、このこ
とは、回路構成要素の寸法が常に減少していることを意味している。電源電圧が
同じである時には、回路構成要素は許容されないような高い電界強度に曝される
。
の論理回路が含まれる可能性がある。この理由は、例えば、特定の回路のより低
い電源電圧用のバージョンが未だ開発されていないこと、またはより高い電源電
圧のバージョンの性能がより優れていることである可能性がある。したがって、
実際には、I/Oバッファが接続されるバスが、このバッファの電源電圧よりも
高い電源電圧で動作する回路にもまた接続されることが起こる。バッファがトラ
イステートの状態にあり、バスの論理レベルはそのようなより高い電源電圧で動
作する回路によってHIGHになる状況が起こる可能性がある。その結果として
、I/Oバッファの出力端子に現れる電圧レベルは、その電源電圧レベルVDD よりも高くなる。そのような状態で、I/Oバッファの出力端子から電源電圧端
子に電流が流れるが、これは望ましくない。さらに、バッファの電源電圧VDD の電圧レベルは増加する可能性があり、これもまた望ましくない。したがって、
I/Oバッファは、そのような望ましくない電流を防ぐことができる保護回路を
含む。
9961に開示されている。前述した保護回路は、2個のPMOSトランジスタ
、1個のNMOSトランジスタ、およびインバータを含む。保護回路は、PMO
Sプルアップトランジスタのための制御信号で制御され、したがって、データ信
号から得られる。これには、いくつかの欠点がある。
路では、NANDゲートの論理ユニットで供給される。知られている回路で、こ
の論理ユニットは、PMOSプルアップトランジスタを制御するだけでなく、保
護回路も制御するように作用する。このことは、この論理ユニットは、比較的大
きな電流を供給することができなければならず、したがって、相対的に不釣り合
いに大きくしなければならないことを意味している。さらに、この論理ユニット
の出力は、PMOSプルアップトランジスタのスイッチング過渡事象だけでなく
、保護回路の過渡事象によっても、具体的には、PMOSプルアップトランジス
タと直列に配列されているPMOSブロッキングトランジスタの過渡事象の影響
を受ける。データ信号の周波数は一般にイネーブル信号の周波数よりもはるかに
高いが、この知られている回路では、PMOSプルアップトランジスタの制御信
号はイネーブル信号とデータ信号の両方に基づいて得られるので、このことは、
前述した論理ユニットが動作できる周波数に実際には制限が課せられることを意
味している。
うことは、保護回路がオン状態からオフ状態に比較的頻繁に切り換えられること
を意味している。これは、比較的大きな電力損失を伴う。さらに、このことは、
知られている回路は状態の変化に対する応答が比較的遅いことを意味し、これは
周波数範囲の限界を暗示している。
OSトランジスタによって制御される。この第2のPMOSトランジスタのゲー
トは、内部電源電圧VDDに接続されている。この回路の出力の電圧レベルが増
加し、内部電源電圧VDDのレベルよりもほんの僅かだけ高くなったときに、前
述した第2のPMOSトランジスタは完全導通にはならないで、PMOSブロッ
キングトランジスタを漏れ電流によりカットオフにする傾向がある。しかし、こ
れは完全には成功しないで、結果として、漏れ電流もまた、ブロッキングトラン
ジスタおよびプルアップトランジスタを経由して、出力から内部電源VDDに流
れる。これらのトランジスタは、第2のPMOSトランジスタよりも大きいので
、この漏れ電流もまた第2のPMOSトランジスタを通る漏れ電流よりも大きい
。全ての接続されたトライステートバッファについて、この大きな漏れ電流は現
在活性状態の回路で供給されなければならない。現在活性状態の回路がそのよう
に大きな漏れ電流を供給できない場合は、この状態は現在活性状態でそのレベル
をバスに加えた状態にしてはおけない。バスの電圧は、内部電源電圧VDDのレ
ベルにブロッキングトランジスタの閾値を加えた値よりも下がり、その結果とし
て、前記漏れ電流が常に維持されるようになる。
である。
提供することである。
とである。
られる保護回路を有するI/Oバッファを提供することである。
バッファの好ましい実施形態についての下記の図面を参照した説明によって明ら
かにする。図面では、同一または類似の要素は、同じ参照数字で示す。
示する。バッファ1は、ソース11、ドレイン12およびゲート13を有するP
MOSプルアップ電界効果トランジスタ10と、ソース21、ドレイン22およ
びゲート23を有するNMOSプルダウン電界効果トランジスタ20とを含む。
PMOSプルアップ電界効果トランジスタ10のドレイン12とNMOSプルダ
ウン電界効果トランジスタ20のドレイン22は、互いに接続され、出力信号X
を供給する出力端子4に接続されている。PMOSプルアップ電界効果トランジ
スタ10のソース11は電源電圧VDDに接続され、NMOSプルダウン電界効
果トランジスタ20のソース21は、以下でゼロレベルと呼ばれる基準電圧レベ
ルVSSに接続されている。
20は、2つの出力6と7を持つ制御装置5で制御されている。制御装置5の第
1の出力6は、PMOSプルアップ電界効果トランジスタ10のゲート13に接
続され、制御装置5の第2の出力7は、NMOSプルダウントランジスタ20の
ゲート23に接続されている。制御装置5は、データ信号Aを受け取る第1の入
力2を持ち、この入力をまたデータ入力と呼ぶ。制御装置5は、イネーブル信号
Eを受け取る第2の入力3を持ち、この入力をまたイネーブル入力と呼ぶ。イネ
ーブル信号の値によって、バッファ1の動作モードが「活性状態」か「トライス
テート」かが決定される。実施によって、バッファ1の活性状態モードは、HI
GHの値のイネーブル信号Eで定義することができるし、バッファ1のトライス
テートモードは、低い値のイネーブル信号Eで定義することができるし、または
、その逆にすることができる。
、2つの出力6と7にLOWの信号を生成するように構成されている。これによ
って、NMOSプルダウントランジスタ20はカットオフであるが、PMOSプ
ルアップトランジスタ10は導通になる。その結果、出力端子4の電圧は、VD D レベルに引き上げられる。
ードで、2つの出力6と7にHIGH信号を生成するように構成されている。こ
れによって、主PMOSトランジスタはカットオフであるが、NMOSプルダウ
ントランジスタ20は導通になる。この結果、出力端子4の出力電圧Xは、VS S レベルに引き下げられる。
に、第1の出力6にHIGH信号を供給し、第2の出力7にLOW信号を供給す
るように構成されている。その結果、プルアップトランジスタ10とプルダウン
トランジスタ20は両方ともオフになる。その時に、PMOSプルアップトラン
ジスタ10は、出力4と電源電圧VDDの間に高インピーダンスを形成し、一方
で、NMOSプルダウントランジスタ20は、出力4とゼロレベルVSSの間に
高インピーダンスを形成する。この状況で、バッファ1の出力4がバス30に接
続され、そのバス30が信号処理手段32の入力並びに第2の信号供給手段31
の出力にも接続されている場合は、出力4はバス30に対して高インピーダンス
を形成し、したがって、信号供給手段31の出力信号に負荷をかけないので、信
号供給手段31は、接続されたバッファ1に妨害されることもなく、何ら問題な
くその出力信号を信号処理手段32に供給することができる。
圧で動作する場合には、バス30の電圧レベルが電源電圧VDDよりも高くなる
ことが起こる可能性がある。外部的な原因のために、出力4の電圧が電源電圧V DD よりも高い場合は、すなわち、PMOSプルアップトランジスタ10のドレ
イン12の電圧がこのトランジスタのソース11の電圧よりも高い場合は、後で
説明するように、ドレイン12からソース11に、したがって、出力4からVD D に、望ましくない漏れ電流が生じる可能性がある。
れを図2に模式図的に、および機能的に図示する。ここで、基板を全体として参
照数字40で示す。基板40の表面部分に、N型ウェル41が形成される。N型
ウェル41に、2つのP+領域42と43が形成され、それらは、それぞれソー
ス端子52とドレイン端子53に接続される。ゲート電極54が、ソース端子5
2とドレイン端子53の間に配列され、N型ウェル41の表面の前記2つのP+
領域42と43の間にチャネル領域44を画定する。
される。Nウェル電極55は、電気接続56でソース電極52に接続される。
件で、そのようなPMOSトランジスタの構造は原理的に対称であり、その結果
、ソースとドレインの端子は原理的に回路で取り替えることができる。しかし、
Nウェル端子45がこれら2つのP+領域42と43の中の1つだけに接続され
ているので、N+型Nウェル端子45に接続されたP+領域をソースと呼ぶのが
普通になっている。
接合662が形成される。また、以下で、この接合を寄生ソース接合62と呼ぶ
。同様に、P+領域43とNウェル領域41の間の遷移で、寄生ドレイン接合6
3が形成される。
は、P+領域42、N+領域45およびNウェル領域41を含んだ全区域はVD D の電圧レベルにある。ドレイン端子53の電圧がVDDよりも高い場合は、寄
生ドレイン接合63は順方向にバイアスされる。ドレイン端子53の電圧とソー
ス端子52の電圧の間の差が、この寄生ドレイン接合63の閾値よりも大きい場
合は、ドレインからソースに、したがって、図1の例でバス30からVDDに、
電流が流れる。
ッファでは、過電圧保護回路110が、PMOSプルアップトランジスタ10の
ドレイン12と出力4の間に配列されている。この過電圧保護回路110は、P
MOSブロッキング電界効果トランジスタ120、PMOS型の第1の制御電界
効果トランジスタ130、およびNMOS型の第2の制御電界効果トランジスタ
140を含む。PMOSブロッキングトランジスタ120のドレイン122は、
PMOSプルアップトランジスタ10のドレイン12に接続され、そのソース1
21は出力4に接続されている。第1の(PMOS)制御トランジスタ130の
ドレイン132は、PMOSブロッキングトランジスタ120のゲート123に
接続され、そのソース131は出力4に接続されている。第2の(NMOS)制
御トランジスタ140のドレイン142は、PMOSブロッキングトランジスタ
120のゲート123に接続され、そのソース141は接地VSSに接続されて
いる。2個の制御トランジスタ130と140のそれぞれのゲート133と14
3は、イネーブル信号Aを受け取る。
NANDゲート151、ANDゲート152およびインバータ153を含む。N
ANDゲート151は、その2つのそれぞれの入力でデータ信号とイネーブル信
号Eを受け取り、その出力は、制御装置5の第1の出力6を形成し、したがって
、PMOSプルアップトランジスタ10のゲート13に接続されている。AND
ゲート152は、その2つのそれぞれの入力でイネーブル信号Eとインバータ1
53で反転されたデータ信号Aを受け取り、その結果として、その出力は、制御
装置5の第2の出力7を形成し、したがって、NMOSプルダウントランジスタ
20のゲート23に接続されている。
5の第1の出力6のレベルはHIGHであり、その結果、PMOSプルアップト
ランジスタ10はカットオフである。制御装置5の第2の出力7のレベルもまた
HIGHであり、その結果、MMOSプルダウントランジスタ20は導通する。
したがって、出力4はLOWである。
制御装置5の第1の出力6のレベルはLOWであり、その結果、PMOSプルア
ップトランジスタ10は導通している。制御装置5の第2の出力7のレベルもま
たLOWであり、その結果、MMOSプルダウントランジスタ20はカットオフ
である。その時、第2のNMOS制御トランジスタ140のゲート143のレベ
ルはHIGHであり、その結果、第2のNMOS制御トランジスタ140は導通
し、PMOSブロッキングトランジスタ120のゲート123はLOWレベルに
引っ張られる。その結果、このPMOSブロッキングトランジスタ120もまた
導通する。第1のPMOS制御トランジスタ130のゲート133のレベルはH
IGHであり、その結果、このトランジスタはカットオフである。その時、出力
4のレベルはHIGHである。
ルがHIGHであり、その結果、PMOSプルアップトランジスタ10はカット
オフである。制御装置5の第2の出力7のレベルはLOWであり、その結果、M
MOSプルダウントランジスタ20はカットオフである。その時、第2のNMO
S制御トランジスタ140のゲート143のレベルはLOWであり、その結果、
第2のNMOS制御トランジスタ140はカットオフである。第1のPMOS制
御トランジスタ130のゲート133のレベルはLOWであり、その結果、外部
供給源により出力4の電圧が増加する場合は、第1のPMOS制御トランジスタ
130はオンになる。その結果、ブロッキングトランジスタ120のゲート12
3のレベルは、ブロッキングトランジスタ120のソース121のレベルに引き
上げられるので、このブロッキングトランジスタ120はカットオフになり、出
力4の比較的高い電圧レベルはPMOSプルアップトランジスタ10に到達する
ことができない。
、プルアップおよびプルダウンのトランジスタ10と20を制御しさえすればよ
く、過電圧保護回路110の構成要素によって負荷をかけられないことである。
140のゲート133、143の制御電圧はイネーブル信号Eだけから得られて
いるので、過電圧保護回路110の構成要素のスイッチング状態がイネーブル信
号Eの状態だけに依存し、データ信号Aに依存しないことである。したがって、
バッファ101の過電圧保護回路110には、データ信号AのHIGH/LOW
遷移によってHIGH/LOWの出力状態が変化するときに、活性状態で、その
スイッチング状態が変わるような構成要素はなにも含まれていない。その結果、
バッファ101は、データ信号Aの変化に比較的高速に応答することができ、し
たがって、比較的高い周波数を処理することができる。
1のPMOS制御トランジスタ130のゲート133がイネーブル信号Eにより
常にLOWレベルに保たれていることであり、その結果、この第1のPMOS制
御トランジスタ130は、出力4の電圧が少し増加した場合に既にオンしている
ので、出力4の電圧の小さな増加に対しても、ブロッキングトランジスタ120
のゲート123は出力4の電圧レベルに引き上げられ、したがって、ブロッキン
グトランジスタ120は、出力4の小さな電圧増加に対してもうカットオフにな
っている。これは、出力の電圧レベルがVDDに第1の制御トランジスタの閾値
電圧を加えたものより大きくなるまで、ブロッキングトランジスタがカットオフ
しないWO94/29961から公知の回路と対照をなしている。
構成要素の数が非常に少ないこと、および、これらの構成要素は、追加の製造ス
テップを必要とせずに、バッファ101の製造中に特に簡単に実現することがで
きることである。
となく、添付の特許請求の範囲に定義されるような本発明の範囲から逸脱するこ
となしに、その様々な変更形態および修正形態が可能である。
業者には明らかであろう。
ドがE=LOWで特徴付けられる回路の場合に、上に述べた作用を達成するため
に、インバータおよび/またはOR/NANDの使用により、制御装置5を簡単
に修正できることは、当業者には明らかであろう。
その逆のときに、その出力がHIGHである反転バッファにも関係することは明
らかであろう。
V/5V環境だけでなく、他の電圧レベル環境でも使用することができる。さら
に、また、システムのターンオフ時に、電源ラインの電圧が出力の電圧よりも急
速に減少する場合に、本発明は有用である。
ル信号Eが非常に小さい場合に、これらの信号をバッファで増幅することができ
る。
Claims (7)
- 【請求項1】 論理データ信号を受け取るためのデータ入力、論理イネーブル信号を受け取る
ためのイネーブル入力、第1の制御出力および第2の制御出力を有する制御装置
と、 電源レベルラインおよび接地レベルラインと、 出力端子と、 前記出力端子および前記電源レベルラインの間に配列され、前記制御装置の前
記第1の制御出力に接続された制御端子を有する第1の電界効果トランジスタと
、 前記出力端子および前記接地レベルラインの間に配列され、前記制御装置の前
記第2の制御出力に接続された制御端子を有する第2の電界効果トランジスタと
、 前記第1の電界効果トランジスタおよび前記出力端子の間に配列された過電圧
保護回路とを備えるトライステートバッファであって、前記過電圧保護回路は、 前記第1の電界効果トランジスタと直列に配列された第3の電界効果トランジ
スタと、 制御端子を有すると共に前記第3の電界効果トランジスタの制御端子および前
記出力端子の間に接続された第4の電界効果トランジスタと、 制御端子を有すると共に前記第3の電界効果トランジスタの前記制御端子に接
続された第5の電界効果トランジスタとを備えており、 前記制御装置は、前記論理イネーブル信号が第1の値である場合、前記論理デ
ータ信号の値に応じて、前記第1の電界効果トランジスタをオンさせ且つ前記第
2の電界効果トランジスタをオフさせるか、または前記第2の電界効果トランジ
スタをオンさせ且つ前記第1の電界効果トランジスタをオフさせるように構成さ
れており、さらに前記論理イネーブル信号の値が第2の値である場合、前記第1
の電界効果トランジスタと前記第2の電界効果トランジスタの両方をオフさせる
ように構成されており、前記第1の電界効果トランジスタと前記第2の電界効果
トランジスタの両方がオフしている状況で、前記出力の電圧レベルが前記接地レ
ベルと前記第4の電界効果トランジスタの閾値電圧の和よりも高いときに、前記
過電圧保護回路が前記第4の電界効果トランジスタをオンさせるように構成され
ていること、および前記第4と第5の電界効果トランジスタの前記制御端子が、
それぞれ前記イネーブル信号のみから排他的に得られる制御信号で制御されるこ
とを特徴とする、トライステートバッファ。 - 【請求項2】 前記過電圧保護回路が、前記第1の電界効果トランジスタと前記第2の電界効
果トランジスタの両方がカットオフである状況で、前記第4の電界効果トランジ
スタを常に導通させるように構成されている、請求項1に記載のバッファ。 - 【請求項3】 前記第4の電界効果トランジスタと前記第5の電界効果トランジスタのそれぞ
れの制御端子が、相互に接続されている、請求項1または2に記載のバッファ。 - 【請求項4】 前記第4の電界効果トランジスタと前記第5の電界効果トランジスタのそれぞ
れの制御端子が、前記イネーブル信号それ自体で制御される、請求項1から3の
いずれかに記載のバッファ。 - 【請求項5】 前記第5の電界効果トランジスタが、前記第3の電界効果トランジスタの制御
端子と前記接地レベルラインの間に接続されている、請求項1から4のいずれか
に記載のバッファ。 - 【請求項6】 前記第1の電界効果トランジスタが、前記電源レベルラインに接続されたソー
スおよび前記制御装置の前記第1の出力に接続されたゲートを有するPMOSプ
ルアップ電界効果トランジスタであり、 前記第2の電界効果トランジスタが、前記接地レベルラインに接続されたソー
ス、前記出力に接続されたドレイン、および前記制御装置の前記第2の出力に接
続されたゲートを有するNMOSプルダウン電界効果トランジスタであり、 前記第3の電界効果トランジスタが、前記出力に接続されたソース、および前
記PMOSプルアップ電界効果トランジスタの前記ドレインに接続されたドレイ
ンを有するPMOSブロッキングトランジスタであり、 前記第4の電界効果トランジスタが、前記出力に接続されたソース、および前
記PMOSブロッキングトランジスタの前記ゲートに接続されたドレインを有す
る第1のPMOS制御トランジスタであり、 前記第5の電界効果トランジスタが、前記接地レベルラインに接続されたソー
ス、および前記PMOSブロッキングトランジスタの前記ゲートに接続されたド
レインを有する第2のNMOS制御トランジスタであり、さらに、 前記第1のPMOS制御トランジスタの前記ゲートおよび前記第2のNMOS
制御トランジスタの前記ゲート各々が、前記イネーブル信号から得られた制御信
号を受け取る、請求項1〜6のいずれかに記載のバッファ。 - 【請求項7】 前記第1のPMOS制御トランジスタの前記ゲートおよび前記第2のNMOS
制御トランジスタのゲートが相互に接続され、前記イネーブル信号を受け取る、
請求項6に記載のバッファ。
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