JP2003249829A - 半導体集積回路装置 - Google Patents
半導体集積回路装置Info
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Abstract
路を備えた半導体集積回路装置を提供する。 【解決手段】 レール・ツー・レール回路で差動入力回
路を構成し、かかる差動入力回路と同様な回路を用いて
バイアス回路を構成し、かかるバイアス回路を構成する
差動回路の一対の出力端子を共通接続して中点に対応し
たバイアス電圧を形成し、上記差動入力回路の電流源M
OSFETのゲート及びカスコード接続のMOSFET
のゲート及び自身であるバイアス回路の対応する電流源
MOSFET及びカスコード接続のMOSFETのゲー
トに供給する。
Description
装置に関し、小振幅の入力信号が供給される半導体集積
回路装置の入力回路に利用して有効な技術に関するもの
である。
る必要のある入力回路には、一般的には差動入力回路が
用いられる。しかしながら、入力電圧Vinが、Vin
<2×Vth(差動MOSFET、電流源MOSFET
のしきい値電圧)のように低くなると、差動MOSFE
Tの共通ソースに設けられた電流源MOSFETの電流
が減り、正常動作が行えないという問題を有する。
は、入力信号が電源電圧あるいは回路の接地電位にシフ
トしても動作を行うことができるレール・ツー・レール
(rail to railは、米国モトラーラ社の登
録商標である)回路に着目した。図13は、この発明に
先立って検討されたレール・ツー・レール回路の回路図
が示されている。この回路は、バイアスP1,P2、N
1,N2及びDCP,DCNを必要とし、素子のプロセ
スバラツキ、例えばPチャネルMOSFETとNチャネ
ルMOSFETの相互コンダクタンス比のバラツキ、入
力電圧Vinのシフトを考慮すると、そのまま小振幅、
高速入力回路として使用するのが難しい。
3号公報によって提案されている自己バイアス型のレー
ル・ツー・レール回路の回路図が示されている。また、
雑誌「トランジスタ技術」2001年3月号第201頁
には、オペアンプにレール・ツー・レール回路を用いた
例が示されている。これらの回路は、オペアンプとして
用いることができても、その信号伝達速度が遅いため
に、高速動作が要求されるスタティック型RAM(ラン
ダム・アクセス・メモリ)のアドレス信号、クロック信
号、各種制御信号を入力するための入力回路としては不
向きである。
速動作が可能な入力回路を備えた半導体集積回路装置を
提供することにある。この発明の前記ならびにそのほか
の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面
から明らかになるであろう。
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記の通りである。第1入力端子にそれぞれゲートが接続
された第1導電型の第1差動MOSFET対及びその共
通ソースに設けられて動作電流を形成する第1導電型の
第1電流源MOSFETを第1増幅部とし、上記一対の
第1入力端子にそれぞれゲートが接続された第2導電型
の第2差動MOSFET対及びその共通ソースに設けら
れて動作電流を形成する第2導電型の第2電流源MOS
FETを第2増幅部とし、上記第1差動MOSFET対
に流れる電流を供給する第2導電型の第1MOSFET
対を含む第1出力部、上記第2差動MOSFET対に流
れる電流を供給する第1導電型の第2MOSFET対を
含む第2出力部を設けて増幅回路を構成し、かかる増幅
回路と同様な回路を用いてバイアス回路を構成し、その
一対の出力端子を共通接続して中点に対応したバイアス
電圧を形成し、上記増幅回路の第1ないし2電流源MO
SFETのゲート及び第1ないし第2MOSFETのゲ
ート及びバイアス回路の対応する電流源MOSFET及
びMOSFETのゲートに供給する。
積回路装置に設けられる入力回路の一実施例の回路図が
示されている。同図の各回路素子は、公知の半導体集積
回路の製造技術によって、単結晶シリコンのような1個
の半導体基板上において形成される。同図の回路は、N
チャネルMOSFETとPチャネルMOSFETとから
なるCMOS回路により構成され、PチャネルMOSF
ETは、そのバックゲート(チャネル)部に矢印を付す
ことによりNチャネルMOSFETと区別される。
ー・レイル回路が利用される。すなわち、Pチャネル型
の差動MOSFETQ1とQ2、その動作電流を形成す
るPチャネル型の電流源MOSFETQ3からなる第1
増幅部と、Nチャネルの差動MOSFETQ4とQ5、
その動作電流を流すNチャネル型の電流源MOSFET
Q6により第2増幅部が構成される。上記Pチャネル型
の電流源MOSFETQ3のソースは、電源電圧VDD
Qが与えられ、Nチャネル型の電流源MOSFETQ6
のソースには、回路の接地電位VSSが与えられる。
MOSFETQ1とQ4のゲートは、第1入力端子IN
に接続される。上記第1増幅部と第2増幅部の他方の差
動MOSFETQ2とQ5のゲートは、第2入力端子I
NBに接続される。これらの入力端子INとINBに
は、相補(非反転と反転)の入力信号が供給される。こ
こで、INBのBはバー(反転)信号であることを示し
ている。
SFETQ7〜Q10からなる第1出力部が設けられ、
上記第2差動部に対してPチャネルMOSFETQ11
〜Q14からなる第2出力部が設けられる。上記第1と
第2出力部の一方である上記MOSFETQ7,Q8及
びQ11,Q12が電源電圧VDDQと回路の接地電位
VSSとの間には、カスコード(直列)形態に接続さ
れ、上記第1と第2出力部の他方である上記MOSFE
TQ9,Q10及びQ13,Q14が電源電圧VDDQ
と回路の接地電位VSSとの間には、カスコード形態に
接続される。
Q2のドレイン電流は、上記第1出力部のMOSFET
Q8、Q10に流れるようにされる。同様に、第2増幅
部の差動MOSFETQ4,Q5のドレイン電流は、上
記第2出力部のMOSFETQ12,Q14に流れるよ
うにされる。上記第1出力部の一方のMOSFETQ7
と、第2出力部の一方のMOSFETQ11は、いわば
ソース入力、ゲート接地型の増幅MOSFETとして動
作し、ドレインが第1出力端子に接続される。同様に、
上記第1出力部の他方のMOSFETQ9と、第2出力
部の一方のMOSFETQ13も、上記同様に増幅MO
SFETとして動作してドレインが第2出力端子に接続
される。このような一対の出力端子のうち、特に制限さ
れないが、第1出力端子の信号outが出力増幅回路O
Aに伝えられて、CMOSレベルの内部信号とされる。
第2出力端子の信号を出力増幅回路に伝えてCMOSレ
ベルの内部信号とすることもできる。
をソースに接続することで第2と第4の差動MOSFE
TのNBT劣化を防ぐことができる。
SFETQ3とQ6、及び上記第1出力部と第2出力部
のMOSFETQ7〜Q14のゲートには、バイアス電
圧VBが共通に接続される。このように、電流源MOS
FETQ3、Q6及び及び上記第1出力部と第2出力部
のMOSFETQ7〜Q14のゲート共通のバイアス電
圧を供給する構成は、前記図14に示した自己バイアス
型のレイル・ツー・レイル回路と同様である。
回路において自身がバイアス電圧BIASを形成する構
成では、入力端子IN,INBの信号変化に対して負帰
還がかかり、出力信号の変化速度が遅くなってしまうと
いう問題を有する。つまり、本願発明にかかる半導体集
積回路装置のように、高速で低振幅の入力信号を受ける
入力回路には不向きなものとなる。
専用のバイアス回路VBGにより形成される。バイアス
回路VBGは、上記入力回路と同じ回路により構成され
る。つまり、Pチャネル型の差動MOSFETQ21と
Q22、その動作電流を形成するPチャネル型の電流源
MOSFETQ23からなる第3増幅部と、Nチャネル
の差動MOSFETQ24とQ25、その動作電流を流
すNチャネル型の電流源MOSFETQ26により第4
増幅部が構成される。
23のソースは、電源電圧VDDQが与えられ、Nチャ
ネル型の電流源MOSFETQ6のソースには、回路の
接地電位VSSが与えられる。上記第1増幅部と第2増
幅部の一方の差動MOSFETQ1とQ4のゲートは、
上記第1入力端子INに接続される。上記第1増幅部と
第2増幅部の他方の差動MOSFETQ2とQ5のゲー
トは、上記第2入力端子INBに接続される。
SFETQ27〜Q30からなる第3出力部が設けら
れ、上記第4差動部に対してPチャネルMOSFETQ
31〜Q34からなる第4出力部が設けられる。上記第
3と第4出力部の一方である上記MOSFETQ27,
Q28及びQ31,Q32が電源電圧VDDQと回路の
接地電位VSSとの間にカスコード形態に接続され、上
記第1と第2出力部の他方である上記MOSFETQ2
9,Q30及びQ33,Q34が電源電圧VDDQと回
路の接地電位VSSとの間にカスコード形態に接続され
る。
とQ22のドレイン電流は、上記第3出力部のMOSF
ETQ28、Q30に流れるようにされる。同様に、第
4増幅部の差動MOSFETQ24,Q25のドレイン
電流は、上記第4出力部のMOSFETQ32,Q34
に流れるようにされる。上記第3出力部の一方のMOS
FETQ27と、第4出力部の一方のMOSFETQ3
1のドレインは第3出力端子に接続される。同様に、上
記第1出力部の他方のMOSFETQ29と、第2出力
部の他方のMOSFETQ33も、上記同様にドレイン
が第4出力端子に接続される。このような一対の出力端
子は、相互に接続されてバイアス電圧VBを形成する。
入力端子INとINBに対応した出力信号のハイレベル
とロウレベルの中間電圧を形成し、それをバイアス電圧
VBとし、電流源MOSFETQ23とQ26のゲート
と、上記MOSFETQ27〜Q34のゲートに供給さ
れる。
端子INとINBに対応した相補の入力信号が形成さ
れ、かかる入力信号に対応した相補の出力信号を形成す
る出力端子同士を相互に接続することにより、相補出力
信号が一致するように電流源MOSFETQ23、Q2
6及びカスコード部のMOSFETQ27〜Q34のゲ
ートに供給されるバイアス電圧VBを形成します。この
電圧VBを入力回路を構成する上記電流源MOSFET
Q3、Q6及びカスコード部のMOSFETQ7〜Q1
4のゲートに供給することにより、入力回路において
は、入力端子INとINBに対応してハイレベル/ロウ
レベルに変化するような出力信号を形成する。そのうち
の一方の出力信号outをCMOSインバータ回路等の
出力増幅回路OAにより増幅してCMOSレベルの内部
信号を形成することができる。
決める信号伝達動作において、上記バイアス電圧VBを
形成するための負帰還動作を行わないから、入力端子I
NとINBから入力された入力信号に対応した出力信号
outを形成する信号伝達動作を高速に行うようにする
ことができる。
置に設けられる入力回路の他の一実施例の回路図が示さ
れている。この実施例の入力回路は、前記図1と同じ回
路が用いられる。ただし、一対の入力端子のうちの一方
の入力端子INには、入力信号が供給され、前記図1の
入力回路では反転の入力信号が供給される入力端子IN
Bに対応した入力端子は、上記入力信号のハイレベル/
ロウレベルを判定する参照電圧VREFが供給される参
照電圧端子とされる。
回路に供給されるバイアス電圧VBを形成するバイアス
回路VBGでは、一対の入力端子が共に参照電圧VRE
Fが供給される参照電圧端子とされる。素子にバラツキ
がなければ、同じ参照電圧VREFが供給されるので、
一対の出力信号も同じくなるはずであるが、実際には差
動ペア素子でのオフセット、出力MOSFETでも同様
なオフセットを持つので、かかるオセットを補償するよ
うなバイアス電圧VBが形成され、それが上記入力回路
の対応するMOSFETに供給される。これにより、シ
ングル構成の入力回路においても、動作の高速化と安定
化を実現することができる。
回路装置に設けられる入力回路の他の一実施例の回路図
が示されている。この実施例の入力回路は、前記図1の
実施例の改良に係るものであり、図1の実施例回路に対
してスイッチS1〜S11が付加されて、図3、図4の
実施例が構成される。このうち、図3には、半導体集積
回路装置が通常の動作を行うノーマルモード時のスイッ
チS1〜S11の状態が示され、図4には、半導体集積
回路装置が動作を行わないスタンバイモード時のスイッ
チS1〜S11の状態が示されている。
ード部が2つに分けられて、それぞれにスイッチS1、
S4と、スイッチS3とS6が設けられる。また、Pチ
ャネル型とNチャネル型の電流源MOSFETにもスイ
ッチS2、S5と、スイッチS11とS7が設けられ
る。上記スイッチS1〜S3は、電源電圧VDDQに選
択的に接続するために設けられ、スイッチS11は回路
の接地電位VSSに選択的に接続するために設けられ
る。そして、スイッチS4〜S6は、バイアス回路VB
Gで形成されたバイアス電圧VBを選択的に伝えるため
に設けられる。バイアス回路VBGにおいても、カスコ
ード部が2つに分けられて、それぞれにスイッチS8、
S9が設けられて、それぞれの出力端子と選択的に接続
される。2つのカスコード部のMOSFETの共通接続
されたゲートに対して、電源電圧VDDQに選択的に接
続するためのスイッチS10が設けられる。
〜S3、S11はオフ状態にされ、スイッチS4〜S7
はオン状態にされる。これにより、入力回路は、前記図
1の入力回路と同じ接続構成とされる。バイアス回路V
BGは、スイッチS8とS9がオン状態にされ、スイッ
チS10がオフ状態にされる。これにより、バイアス回
路VBGは、前記図1のバイアス回路と同じ接続構成と
される。この結果、図1の実施例と同様に動作して、バ
イアス回路VBGは入力端子INとINBに対応したバ
イアス電圧VBを形成する。入力回路は上記バイアス回
路で形成されたバイアス電圧VBにより動作し、入力端
子INとINBから供給される入力信号に対応した信号
outを形成する。
は逆に、スイッチS1〜S3、S11はオン状態にさ
れ、スイッチS4〜S7はオフ状態にされる。これによ
り、入力回路のカスコード部のMOSFETのゲートに
は、バイアス電圧VBに代えて電源電圧VDDQが供給
されてPチャネルMOSFETがオフ状態にされ、Pチ
ャネル電流源MOSFETには上記電源電圧VDDQが
供給されてオフ状態にされ、Nチャネル電流源MOSF
ETには回路の接地電位VSSが供給されてオフ状態に
される。したがって、入力回路においては、電源電圧V
DDQと回路の接地電位VSSとの間で電流経路が形成
されないので低消費電力となる。
と逆に、スイッチS8とS9がオフ状態にされ、スイッ
チS10がオン状態にされる。これにより、バイアス回
路VBGは、PチャネルMOSFETが全てオフ状態に
されるので、上記電源電圧VDDQによって、Nチャネ
ル電流源MOSFETがオン状態となり、カスコード部
のNチャネルMOSFETがオン状態となっても、電源
電圧VDDQと回路の接地電位VSSとの間で電流経路
が形成されないので低消費電力となる。このように、ス
タンバイモードでは、入力回路及びバイアス回路で直流
電流が発生しないから低消費電力となる。ただし、オフ
状態のPチャネルMOSFETに流れるリーク電流は無
視するものとする。
おいて、カスコード部の各MOSFETに対して電源電
圧VDDQを供給する構成は、PチャネルMOSFET
をオフ状態にさせるものであり、PチャネルMOSFE
Tをオン状態にさせるようにゲートと基板(チャネル
間)に電圧を供給した場合に生じるNBTI(Negative
Bias Temperature Instability)劣化を防止する上で効
果的である。また、差動MOSFETの基板(チャネ
ル)とソースとを接続する構成は、上記NBTI劣化を
防止する上で有益である。このため、差動MOSFET
は、それぞれが電気的に独立したウェル領域に形成され
る。
置に設けられる入力回路の更に他の一実施例の回路図が
示されている。この実施例の入力回路は、前記レイル・
ツー・レイル回路と、CMOS回路との2通りの入力動
作に切り換えることが可能な機能が付加される。前記図
3(図4)の回路において、入力端子INと、出力信号
を形成するカスコード部の各MOSFETのゲートとの
間に、スイッチ12が設けられる。同様に、他方のカス
コード部のMOSFETのゲートと、それに対応した入
力端子INBとの間にスイッチ13が設けられる。
されており、スイッチS 1、S3はオフ状態にされ、ス
イッチS2とS11はオン状態にされる。他のスイッチ
S4〜S10の状態は、前記図4のスタンバイモードの
ときと同様であり、バイアス回路は回路動作が停止され
て低消費電力状態になる。
流源MOSFETがそれぞれオフ状態にされて差動回路
には電流が流れなくされる。したがって、スイッチS1
2のオン状態により、入力端子INの入力信号は、カス
コード接続のMOSFETのゲートに共通に供給され
る。この構成は、2つのPチャネルMOSFETと2つ
のNチャネルMOSFETとが直列接続されており、そ
れらのゲートに入力信号が供給され、NチャネルMOS
FETとPチャネルMOSFETのドレイン接続点から
出力信号を得るので上記カスコード部は、CMOSイン
バータ回路と等価の動作を行うものとされる。
チS13を通して他方のカスコード接続のMOSFET
のゲートに共通に供給される。それ故、かかるカスコー
ド接続のMOSFETもCMOSインバータ回路と等価
となって、その出力端子から出力信号を形成し、図示し
ない内部回路に取り込んだ入力信号を伝えることができ
る。なお、入力端子INの入力信号に対して、入力端子
INBの入力信号が反転信号の場合には、わざわざ2つ
の入力回路(カスコード接続のMOSFET)を用い
て、それぞれを入力する必要はない。例えば、バー信号
の場合には、入力端子INBを用い、テュルー信号の場
合には入力端子INを用いるようにいずれか一方を選択
的に使用すればよい。
OSFETにより構成される。MOSFETの持つしき
い値電圧により、入力された電圧がそのまま出力できな
い場合には、PチャネルMOSFETとNチャネルMO
SFETを並列接続して、それらを制御信号に従ってオ
ン/オフさせるようにするCMOSスイッチを用いるよ
うにすればよい。
置に設けられる入力回路の更に他の一実施例の回路図が
示されている。この実施例は、前記図2の実施例と基本
的には同じである。この実施例では、入力回路のPチャ
ネル差動MOSFETQ1とQ2、カスコード部のPチ
ャネルMOSFETQ11〜Q14は、そのチャネル幅
がW4のように同一に形成される。また、入力回路のN
チャネル差動MOSFETQ4とQ5、カスコード部の
PチャネルMOSFETQ7〜Q10は、そのチャネル
幅がW3のように同一に形成される。
2の動作電流を形成するPチャネルMOSFETQ3
は、そのチャネル幅がW3のように同じPチャネルの前
記他のMOSFETQ1、Q2等のチャネル幅W4より
も小さく形成され、言い換えるならば、オン抵抗値が大
きく形成される。同様に、上記Nチャネル差動MOSF
ETQ4とQ5の動作電流を形成するPチャネルMOS
FETQ6は、そのチャネル幅がW2のように同じNチ
ャネルの前記他のMOSFETQ4、Q5等のチャネル
幅W3よりも小さく形成され、言い換えるならば、オン
抵抗値が大きく形成される。バイアス回路VBGにおい
ても、MOSFETQ21〜Q34は、対応する入力回
路の前記MOSFETQ1〜Q14と同じくチャネル幅
がW1〜W4のようにそれぞれ形成される。
Q3(Q23)及びQ6(Q26)のオン抵抗値を大き
くした理由は、それに対応した差動MOSFETQ1と
Q2(Q21とQ22)のドレイン電位の変化を小さく
するためである。つまり、Nチャネル差動MOSFET
Q4とQ5においては、そのドレイン電位の低電圧側へ
の落ち込みを制限し、Pチャネル差動MOSFETQ1
とQ2においては、そのドレイン電位の浮き上がりを制
限する。
変動を小さくすることにより、信号切り替わりを高速に
するものである。つまり、一般的な差動回路のように差
動MOSFETと、その動作電流を形成する電流源MO
SFETを同じサイズとした場合には、そのオン抵抗値
も同様となって、差動入力に対して相対的にオン状態に
せされるMOSFETのドレイン電位の落ち込み又は浮
き上がりが大きくなる。例えば、差動MOSFETQ4
がオン状態に、MOSFETQ5がオフ状態のときに上
記MOSFETQ4のドレイン電圧の落ち込みが大きい
と、入力信号が変化して出力レベルの切り換えを行うと
き、上記ドレイン電圧の落ち込みはカスコード部の電流
源MOSFETQ12でしか回復させることができな
く、このMOSFETQ12はカスコード部の増幅MO
SFETQ11へも電流を供給するので上記ドレイン電
圧の落ち込みの回復に時間がかかってしまう。
からオフ状態に切り換えられ、MOSFETQ12の電
流は増幅MOSFETQ11に供給されて、上記差動M
OSFETQ4がオン状態のときの反転信号を形成する
動作を行わなければならないのに、上記MOSFETQ
4のドレインの寄生容量を充電するためにも使われるこ
ととなって出力の切り換えを遅くしてしまう。
SFETQ1とQ2(Q4とQ5)に対して、電流源M
OSFETQ3(Q6)のオン抵抗値を大きくするとい
う単純な構成により、上記差動MOSFETQ1とQ2
(Q4とQ5)のドレイン電圧の変化幅を小さくでき、
結果として上記のような出力切り換えを高速に行うこと
が可能となる。つまり、入力信号の伝達速度を高速に行
うようにすることができる。
回路とにおいて、対応するMOSFETのサイズをW1
〜W4のように互いに等しくした場合を基準にし、入力
回路側の各MOSFETのサイズを(W1〜W4)×4
のようにそれぞれを4倍にすると、各MOSFETに流
れる電流も4倍となり、信号伝達速度を高速にすること
ができる。この場合には、入力回路側のみに大きな電流
が流れ、バイアス回路は少なくてよいのでノーマルモー
ドでの効率的に電流を使用することができる。
て、対応するMOSFETのサイズをW1〜W4のよう
に互いに等しくした場合を基準にし、入力回路側の各M
OSFETのサイズを(W1〜W4)×8のようにそれ
ぞれを8倍にすると、各MOSFETに流れる電流も8
倍となり、いっそうの信号伝達速度を高速にすることが
できる。この場合には、入力回路側のみに大きな電流が
流れ、バイアス回路は少なくてよいのでノーマルモード
での効率的に電流を使用することができる。
AMにおいて、クロック信号CLK,CLKBを入力す
る入力回路には、前記(W1〜W4)×8のようなMO
SFETを用い、制御信号S,WE,WEx等は前記
(W1〜W4)×4のようなMOSFETを用い、アド
レス信号A0〜A18・ASやDQ0〜DA35は、
(W1〜W4)×1のようにバイアス回路VBGと等倍
にするよう、それぞれの入力信号の要求される伝達速度
に対応した3段階の使い分けに利用できる。
置に設けられる入力回路の更に他の一実施例の回路図が
示されている。この実施例は、前記のようなレイル・ツ
ー・レイル回路ではなく、Nチャネル差動MOSFE
T、Nチャネル電流源MOSFET及びPチャネル負荷
MOSFETにより第1差動増幅回路を構成し、同様に
Pチャネル差動MOSFET、Pチャネル電流源MOS
FET及びNチャネル負荷MOSFETにより第2差動
増幅回路を構成し、上記第1と第2の差動増幅回路の入
力端子を共通にして入力端子CK,CKBに接続する。
と差動MOSFETの共通ソースとの間には、差動MO
SFETのドレイン出力をそれぞれのゲートに受け、並
列形態にされた2つのMOSFETが設けられる。これ
らのMOSFETは、出力信号の変動を小さくするよう
な負帰還動作を行うために設けられる。
に対して、それぞれ同様な第3及び第4差動増幅回路が
設けられ、Nチャネル差動MOSFETを持つ第1と第
3差動増幅回路とが縦列形態に接続され、Pチャネル差
動MOSFETを持つ第2と第4差動増幅回路とが縦列
形態に接続されて、それぞれにおいて2段増幅動作を行
うようにされる。
ネルの出力MOSFETのゲートに供給され、第4増幅
回路の出力信号はNチャネルの出力MOSFETのゲー
トに供給され、上記Pチャネル出力MOSFETとNチ
ャネル出力MOSFETとの相補の増幅信号の対応する
もの同士が直列形態に接続されて反転出力信号XBと非
反転出力信号XTを形成する。これらの出力信号XBと
XTは、CMOSインバータ回路を通して相補信号とし
て内部回路に取り込まれる。
れは、電流源MOSFETのゲートに供給されるバイア
ス電圧と、それと反対導電型の負荷MOSFETのゲー
トに供給されるバイアス電圧とが同電位にされる。これ
らのバイアス電圧は、次に説明するようなバイアス回路
により形成される。
イアス回路の一実施例の回路図が示されている。バイア
ス回路は、前記図7の第1ないし第4差動増幅回路の電
流源MOSFETと負荷MOSFETに供給される4通
りのバイアス電圧NB1、PB1、NB2,PB2を形
成する。
ル回路に設けられたバイアス回路と同様に、入力回路と
同じ回路構成のものが用いられる。つまり、前記図7の
入力回路の第1ないし第4差動増幅回路と同じ回路構成
にされた4つの差動増幅回路が用いられる。前段の2つ
の差動増幅回路には、それぞれ入力回路と同じく入力端
子CKとCKBに接続される。前段の差動増幅回路の差
動出力が後段の差動増幅回路の入力端子に接続されるま
では前記入力回路と同様である。
幅回路は、それぞれの差動MOSFETのドレイン出力
が共通に接続される。上記4つの差動増幅回路のそれぞ
れにおいては、相補の出力端子を相互に接続して等しい
電圧になるように、自身の負荷MOSFET及び電流源
MOSFETを制御しつつ、4通りのバイアス電圧NB
1、NB2、PB1、PB2を形成する。これにより、
Nチャネル差動MOSFETと、Pチャネル差動MOS
FETを用いて、電源電圧と回路の接地電位の範囲内で
変化する入力信号に応答できる入力回路の動作の高速化
と安定化を実現することができる。
ルMOSFETの一実施例の素子構造図が示されてい
る。図9(A)には平面構造が、図9(B)には断面構
造が示されている。PチャネルMOSFETは、N型ウ
ェルNWELにおいて、基板上に薄いゲート絶縁膜を介
して形成されたゲート電極FGを挟むようにソース,ド
レインを構成するP+型半導体領域Lが形成される。N
ウェルNWELには、ウェルバイアス電圧を供給するた
めにN+半導体領域が設けられる。ここで、前記図6で
示したゲート幅Wは、ゲート,ソース及びドレインが平
行に並ぶ方向のソース,ドレイン拡散層の長さをいう。
また、ゲート長Lgは、チャル電流が流れる長さであ
り、ソース,ドレインの間隔に対応している。
ネルMOSFETの一実施例の素子構造図が示されてい
る。図10(A)には平面構造が、図10(B)には断
面構造が示されている。NチャネルMOSFETは、P
型ウェルNWELにおいて、薄いゲート絶縁膜を介して
形成されたゲート電極FGを挟むようにソース,ドレイ
ンを構成するN+型半導体領域Lが形成される。Pウェ
ルPWELには、ウェルバイアス電圧を供給するために
P+半導体領域が設けられる。ゲート幅Wとゲート長L
gは、上記図9と同様である。
ロナスSRAM(以下、単にSSRMという)の一実施
例のブロック図が示されている。この実施例のシンクロ
ナスSRAMは、公知のCMOS集積回路の製造技術に
より、単結晶シリコンのような1つの半導体基板上にお
いて形成される。
A0〜A18とウェイセレクト用アドレスASからなる
20ビットによって約1M(メガ)のアドレス空間を持
つ。データ端子DQ0〜DQ35により36ビットずつ
パラレルに読み出しと書き込みが行われるから、メモリ
アレイMARYには約36Mビットの記憶容量をもつよ
うにされる。メモリアレイMARYは、スタティック型
メモリセルがワード線と相補のビット線との交点にマト
リクス配置されて構成される。
信号は、アドレスバッファADBを通してアドレスレジ
スタAG1に取り込まれる。非反転と反転からなる相補
のクロック信号CLK、CLKBはクロックバッファC
KBを通して取り込まれる。そして、リード/ライト制
御のための制御信号S,WE,WExはコントロールバ
ッファCOBを通して取り込まれる。また前記セレクト
信号ASもアドレスバッファADBを通してアドレスレ
ジスタAG2に取り込まれる。データ端子DQ0〜DQ
35からの書き込みデータに対応して入力バッファIB
が設けられる。
ら各種入力回路に適用される。特に、前記図6の実施例
において、アドレスバッファADBやデータ入力バッフ
ァIBは、図6の実施例回路が用いられ、コントロール
バッファCOBは、バイアス回路の対応するMOSFE
Tに対してゲート幅Wが4倍にされたMOSFETによ
り入力回路が構成される。更に、最高速が要求されるク
ロックバッファCKBは、バイアス回路に対してゲート
幅Wが8倍にされたMOSFETにより入力回路が構成
される。
のときにはセレクタSELAによりメモリアレイMAR
Yのデコーダに伝えられる。書き込み動作のときには、
書き込みアドレスレジスタWAR11、WAR21によ
って時間調整が行われてセレクタを通して上記デコーダ
に伝えられる。同様に、ウェイセレクト用のアドレスA
Sも、同様なレジスタWAR12、WAR22によって
時間調整が行われる。書き込み動作では、書き込みアド
レスとそれに対応した書き込みデータとに1サイクルの
ずれがあるので、上記書き込みアドレスレジスタによっ
てその調整が行われる。
Yは、上記アドレス信号A0〜A18によって、36×
2=72ビット分のデータがウェイ0(SA0)とウェ
イ1(SA1)によって読み出される。書き込みデータ
は、データレジスタDRG1,DRG2を通してメモリ
アレイMARYのライトアンプWA0,WA1に伝えら
れる。上記センスアンプSA0,SA1の読み出しデー
タと、データレジスタDRG2の書き込みデータとは、
セレクタにより選択され、さらにその出力とデータレジ
スタDRG1の書き込みデータとがセレクタにより選択
された出力レジスタOR0,OR1に伝えられる。
SLGにより形成される。この2つの出力レジスタOR
0とOR1に伝えられたデータのうち、一方が上記ウェ
イアドレスASに対応したウェイセレクト信号WSEL
により選択されて、出力バッファOBを通して出力され
る。選択制御回路SLGは、書き込みアドレスレジスタ
WAR11、WAR21の書き込みアドレスと、入力さ
れたアドレスとを比較するコンパレータCMP1,CM
P2の信号と、上記書き込みアドレスレジスタWAR1
2、WAR22のウェイセレクト用アドレスとを参照し
て上記選択信号を形成する。
一例を説明するためのタイミング図が示されている。セ
レクト信号SBのロウレベル(論理0)と、ライトイネ
ーブル信号WEBのハイレベル(論理1)によりリード
サイクルとされ、アドレス信号A0−A18によりアド
レスA0が取り込まれて前記2ウェイ分のデータが読み
出される。第2サイクルで同様にリードサイクルとさ
れ、アドレス信号A0−A18によりアドレスA1が取
り込まれ前記2ウェイ分のメモリセルの選択動作が行わ
れる。1サイクル遅れてウェイアドレスASのロウレベ
ル(論理0)が入力されてウェイ0が指定されると、デ
ータレジスタDR0に取り込まれているウェイ0に対応
したデータQ00が出力される。第3サイクルでセレク
ト信号SBのハイレベル(論理1)とすると、そのサイ
クルは非選択サイクルとされるが、そのときにウェイア
ドレスASのハイレベル(論理1)が入力されて、前記
アドレスA1に対応して読み出されているウェイ1に対
応したデータQ11が出力される。
ウレベル(論理0)と、ライトイネーブル信号WEBの
ロウレベル(論理0)によりライトサイクルとされ、ア
ドレス信号A0−A18によりアドレスA2とウェイア
ドレスASのロウレベル(論理0)が取り込まれる。第
6サイクル目で同様にライトサイクルとされ、アドレス
信号A0−A18によりアドレスA3とそれに対応した
ウェイアドレスASのハイレベル(論理1)が取り込ま
れ、上記アドレスA2とウェイアドレスの0に対応した
書き込みデータD20が入力される。上記ライトサイク
ルの間にもリードサイクルの挿入が可能とされ、その調
整のためにアドレスレジスタ、ライトデータレジスタ、
コンパレータ等が用いられる。
ル等は最小加工寸法によりMOSFETのゲート長Lg
が形成される。例えば、0.12μmプロセスの加工寸
法によりメモリセルを構成するMOSFETが形成され
る場合、前記入力回路(バイアス回路)のMOSFET
の寸法は、それよりも大きく形成される。この理由は、
上記のような最小加工寸法で形成した場合に、ゲート長
Lgのバラツキによる影響が大きくしきい値電圧の変動
幅も大きくなる。
SFETQ1,Q2(Q4,Q6)、電流源MOSFE
TQ3(Q6)及び負荷MOSFETQ8,Q10(Q
12,Q14)は、ゲート長Lgを最小加工寸法の約2
倍の0.25μmのように大きく形成される。そして、
カスケード部のMOSFETのうち、上記負荷(電流
源)としてのMOSFETQ8,Q10(Q12,Q1
4)は上記のように大きく形成されるが、増幅用のMO
SFETQ7,Q9(Q11,Q13)はゲート長Lg
が0.16μmのように小さく形成される。
13)のゲート長Lgを小さくすることにより、そのゲ
ート容量、つまりはゲート電極とチャネル間の容量を小
さくすることができる。これにより、カスコード部の出
力信号経路における寄生容量が小さくなり、寄生容量の
充放電によって形成される出力信号電圧outの変化を
高速にすることができる。
動MOSFETと電流源MOSFETのチャネル長Lg
は等しく形成されるが、図6の実施例のように差動MO
SFETQ1とQ2(Q4とQ5)のゲート幅W4(W
3)に対して、電流源MOSFETQ3(Q6)のゲー
ト幅W1(W2)のように小さく形成される。これによ
り、前記のように差動MOSFETのドレイン電圧の変
化幅を小さくでき、伝達信号の切り換えを高速に行うよ
うにすることができるものである。
VDDQを1.2Vのように低い電圧まで動作可能にす
る場合、入力回路やバイアス回路のMOSFETは0.
4Vのような低しきい値電圧に形成される。このような
低しきい値電圧にするために、図9、図10の素子構造
において、イオン打ち込み技術等によるゲート電極FG
下の半導体基板表面にウェルと反対導電型の不純物の導
入制御によって設定される。
ト長Lg、ゲート幅W設定は、前記実施例のレイル・ツ
ー・レイル回路の他に、前記図13や図14の示された
レイル・ツー・レイル回路にも適用することによって、
高速化や動作の安定化を図るようにすることができる。
力信号を受ける論理回路等においては、MOSFETの
オフ状態でのリーク電流又はスレッショルドリーク電流
を低減させるために、そのしきい値電圧は前記入力回
路、バイアス回路のMOSFETよりも大きく、例えば
0.6V程度の高しきい値電圧に設定される。このよう
に、半導体集積回路装置において2種類のしきい値電圧
を持つMOSFETを形成する場合、イオン打ち込み技
術等によるゲート電極FG下の半導体基板表面の不純物
の制御によって設定される。
基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限
定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種
々変更可能であることはいうまでもない。例えば、図2
の実施例において、各入力回路のそれぞれに対してバイ
アス回路を設けるもの他、1つの入力回路に代表させて
バイアス回路を動作させ、それにより形成されたバイア
ス電圧を複数の入力回路に供給する構成としてもよい。
個々の入力回路に一対一に対応してバイアス回路を設け
る構成は、それに供給される入力信号に対応した最適な
バイアス電圧を形成することができる反面、回路規模が
大きくなる。これに対して、図2のように参照電圧VR
EFは全入力回路において共通であるので、1つのバイ
アス回路で代表させて複数の入力回路に供給する構成
は、回路が簡素化できる。
zを超え、内部回路がCMOS構成の半導体集積回路装
置に有益なものとなる。入力信号の周波数が約1GHz
を超えるようになると、容量反射で入力信号の振幅が小
さくなり、データ有効時間も小さくなり、入力電位の中
心がずれてくる傾向にあるので、かかる入力信号を受け
る入力回路として前記実施例の入力回路は好適なものと
なる。あるいは、入力信号振幅がCMOS振幅よりも小
さい、内部回路がCMOS回路により構成される各種半
導体集積回路装置に適用して好適なものとなる。
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記の通りである。一対の第1入力端子にそれぞれゲート
が接続された第1導電型の第1差動MOSFET対及び
その共通ソースに設けられて動作電流を形成する第1導
電型の第1電流源MOSFETを第1増幅部とし、上記
一対の第1入力端子にそれぞれゲートが接続された第2
導電型の第2差動MOSFET対及びその共通ソースに
設けられて動作電流を形成する第2導電型の第2電流源
MOSFETを第2増幅部とし、上記第1差動MOSF
ET対に流れる電流を供給する第2導電型の第1MOS
FET対を含む第1出力部、上記第2差動MOSFET
対に流れる電流を供給する第1導電型の第2MOSFE
T対を含む第2出力部を設けて増幅回路を構成し、かか
る増幅回路と同様な回路を用イテバイアス回路を構成
し、その一対の出力端子を共通接続して中点に対応した
電圧を形成し、かかる電圧を上記増幅回路の第1ないし
2電流源MOSFETのゲート及び第1ないし第2MO
SFETのゲート及びバイアス回路の対応する電流源M
OSFET及びMOSFETのゲートに供給することに
より、電源電圧と回路の接地電位の範囲内で変化する入
力信号に応答できる入力回路の動作の高速化と安定化を
実現することができる。
入力回路の一実施例を示す回路図である。
入力回路の他の一実施例を示す回路図である。
入力回路の他の一実施例を示す回路図である。
入力回路の他の一実施例を示す回路図である。
入力回路の更に他の一実施例を示す回路図である。
入力回路の更に他の一実施例を示す回路図である。
入力回路の更に他の一実施例を示す回路図である。
実施例を示す回路図である。
の一実施例を示す素子構造図である。
Tの一実施例を示す素子構造図である。
を示すブロック図である。
ためのタイミング図である。
・レール回路の回路図である。
ル回路の回路図である。
子、OA…出力増幅回路、VBG…バイアス回路、PW
EL…P型ウェル、NWEL…N型ウェル、NISO…
分離領域、FG…ゲート電極、Psub…P型基板、S
1〜S13…スイッチ、AG1,AG2…アドレスレジ
スタ、WAR11〜WAR22…書き込みアドレスレジ
スタ、SEL…セレクタ、MARY…メモリアレイ、S
LG…選択制御回路、CMP1,CMP2…コンパレー
タ、DRG1,DRG2…データレジスタ、OR0,O
R1…出力レジスタ、IB…入力バッファ、OB…出力
バッファ、ADB…アドレスバッファ、COB…コント
ロールバッファ、CKB…クロックバッファ。
Claims (10)
- 【請求項1】 一対の第1入力端子にそれぞれゲートが
接続された第1導電型の第1差動MOSFET対及びそ
の共通ソースに設けられて上記第1差動MOSFET対
の動作電流を形成する第1導電型の第1電流源MOSF
ETを含む第1増幅部と、 上記一対の第1入力端子にそれぞれゲートが接続された
第2導電型の第2差動MOSFET対及びその共通ソー
スに設けられて上記第2差動MOSFET対の動作電流
を形成する第2導電型の第2電流源MOSFETを含む
第2増幅部と、 上記第1差動MOSFET対に流れる電流を供給する第
2導電型の第1MOSFET対を含む第1出力部と、 上記第2差動MOSFET対に流れる電流を供給する第
1導電型の第2MOSFET対を含む第2出力部とを含
む増幅回路と、 一対の第2入力端子にそれぞれゲートが接続された第1
導電型の第3差動MOSFET対及びその共通ソースに
設けられて上記第3差動MOSFET対の動作電流を形
成する第1導電型の第3電流源MOSFETを含む第3
増幅部と、 上記一対の第2入力端子にそれぞれゲートが接続された
第2導電型の第4差動MOSFET対及びその共通ソー
スに設けられて上記第4差動MOSFET対の動作電流
を形成する第2導電型の第4電流源MOSFETを含む
第4増幅部と、 上記第3差動MOSFET対に流れる電流を供給する第
2導電型の第3MOSFET対を含む第3出力部と、 上記第4差動MOSFET対に流れる電流を供給する第
1導電型の第4MOSFET対を含む第4出力部とを含
むバイアス回路とを備え、 上記バイアス回路は、上記一対の出力端子が共通接続さ
れてその中点に対応した電圧を形成し、かかる電圧を上
記第1ないし4電流源MOSFETのゲート及び第1な
いし第4MOSFETのゲートに供給してなることを特
徴とする半導体集積回路装置。 - 【請求項2】 請求項1において、 上記増幅回路は、 第1増幅部の第1差動MOSFET対のドレインと上記
第1出力部の第1MOSFET対のドレインとがそれぞ
れ接続され、 上記第2増幅部の第2差動MOSFET対のドレインと
上記第2出力部の第2MOSFET対のドレインとがそ
れぞれ接続され、 上記第1出力部の第1MOSFET対の一方と、上記第
2出力部の第2MOSFET対の一方との間に、第2導
電型の第5MOSFET及び第1導電型の第6MOSF
ETがそれぞれ設けられて第1出力端子に接続され、 上記第1出力部の第1MOSFET対の他方と、上記第
2出力部の第2MOSFET対の他方との間に、第2導
電型の第7MOSFET及び第1導電型の第8MOSF
ETがそれぞれ設けられて第2出力端子に接続され、 上記バイアス回路は、上記増幅回路の上記第5ないし第
8MOSFETに対応したMOSFET及び一対の第3
及び第4出力端子が設けられ、上記一対の第3と第4出
力端子とが接続されてなることを特徴とする半導体集積
回路装置。 - 【請求項3】 請求項2において、 上記一対の第1入力端子には、互いに相補の一対の入力
信号が供給され、上記一対の出力端子のうち一方から出
力信号が形成され、 上記一対の第2入力端子には上記相補の入力信号が供給
されてなることを特徴とする半導体集積回路装置。 - 【請求項4】 請求項2において、 上記一対の第1入力端子には、一方の入力端子に入力信
号が供給され、他方の入力端子にはそのレベルを判定す
る参照電圧が供給され、上記一対の出力端子のうち一方
から出力信号が形成され、 上記一対の第2入力端子には上記参照電圧が供給されて
なることを特徴とする半導体集積回路装置。 - 【請求項5】 請求項2において、 上記バイアス回路を構成するMOSFETのサイズを基
準にし、上記バイアス回路の各MOSFETに対応する
増幅回路を構成するMOSFETサイズを等しいか整数
倍に大きく形成してなることを特徴とする半導体集積回
路装置。 - 【請求項6】 請求項2において、 スタイバイモードを備え、 かかるスタンバイモードのときに、上記増幅回路とバイ
アス回路とを切り離す第1スイッチと、 上記増幅回路及びバイアス回路の第1ないし第4電流源
MOSFETをオフ状態にさせる第2スイッチと、 上記第1ないし第4出力部の第1ないし第4MOSFE
Tのゲートに電源電圧を供給する第3スイッチとをそれ
ぞれ設けてなることを特徴とする半導体集積回路装置。 - 【請求項7】 請求項6において、 動作モード設定信号を更に備え、 上記動作モード信号により上記第1スイッチにより増幅
回路とバイアス回路とを切り離し、第2スイッチにより
上記増幅回路及びバイアス回路の第1ないし第4電流源
MOSFETをオフ状態にさせ第4スイッチにより第1
入力端子の一方と第1出力部の第1MOSFETと第2
出力部の第3MOSFETを用いて入力回路を構成する
信号伝達経路をしてなることを特徴とする半導体集積回
路装置。 - 【請求項8】 一対の第1入力端子にそれぞれゲートが
接続された第1導電型の第1差動MOSFET対及びそ
の共通ソースに設けられて上記第1差動MOSFET対
の動作電流を形成する第1導電型の第1電流源MOSF
ETを含む第1増幅部と、 上記一対の第1入力端子にそれぞれゲートが接続された
第2導電型の第2差動MOSFET対及びその共通ソー
スに設けられて上記第2差動MOSFET対の動作電流
を形成する第2導電型の第2電流源MOSFETを含む
第2増幅部と、 上記第1差動MOSFET対に流れる電流を供給する第
2導電型の第1MOSFET対を含む第1出力部と、 上記第2差動MOSFET対に流れる電流を供給する第
1導電型の第2MOSFET対を含む第2出力部とを含
み、 上記第1増幅部の第1差動MOSFET対のドレインと
上記第1出力部の第1MOSFET対のドレインとがそ
れぞれ接続され、 上記第2増幅部の第2差動MOSFET対のドレインと
上記第2出力部の第2MOSFET対のドレインとがそ
れぞれ接続され、 上記第1出力部の第1MOSFET対の一方と、上記第
2出力部の第2MOSFET対の一方との間に、第2導
電型の第5MOSFET及び第1導電型の第6MOSF
ETがそれぞれ設けられて第1出力端子に接続され、 上記第1出力部の第1MOSFET対の他方と、上記第
2出力部の第2MOSFET対の他方との間に、第2導
電型の第7MOSFET及び第1導電型の第8MOSF
ETがそれぞれ設けられて第2出力端子に接続されてな
る増幅回路を備え、 上記第1差動対MOSFETに比べて第1電流源MOS
FETはオン抵抗値が大きくなるように形成され、 上記第2差動対MOSFETに比べて第2電流源MOS
FETはオン抵抗値が大きくなるように形成されてなる
ことを特徴とする半導体集積回路装置。 - 【請求項9】 請求項8において、 一対の第2入力端子にそれぞれゲートが接続された第1
導電型の第3差動MOSFET対及びその共通ソースに
設けられて上記第3差動MOSFET対の動作電流を形
成する第1導電型の第3電流源MOSFETを含む第3
増幅部と、 上記一対の第2入力端子にそれぞれゲートが接続された
第2導電型の第4差動MOSFET対及びその共通ソー
スに設けられて上記第4差動MOSFET対の動作電流
を形成する第2導電型の第4電流源MOSFETを含む
第4増幅部と、 上記第3差動MOSFET対に流れる電流を供給する第
2導電型の第3MOSFET対を含む第3出力部と、 上記第4差動MOSFET対に流れる電流を供給する第
1導電型の第4MOSFET対を含む第4出力部とを含
むバイアス回路を更に備え、 かかるバイアス回路は、 上記増幅回路の上記第5ないし第8MOSFETに対応
したMOSFET及び一対の第3及び第4出力端子が設
けられ、上記一対の第3及び第4出力端子が接続されて
中点に対応した電圧を形成し、かかる電圧を上記第1な
いし第4電流源MOSFETのゲート及び第1ないし第
4MOSFETのゲートに供給してなることを特徴とす
る半導体集積回路装置。 - 【請求項10】 請求項9において、 上記第5ないし第8MOSFETは、上記第1ないし第
4MOSFET対及び差動MOSFET対に比べてゲー
ト長が短く形成されてなることを特徴とする半導体集積
回路装置。
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