JP2003264457A - Semiconductor integrated circuit having power reduction mechanism - Google Patents

Semiconductor integrated circuit having power reduction mechanism

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JP2003264457A JP2003011747A JP2003011747A JP2003264457A JP 2003264457 A JP2003264457 A JP 2003264457A JP 2003011747 A JP2003011747 A JP 2003011747A JP 2003011747 A JP2003011747 A JP 2003011747A JP 2003264457 A JP2003264457 A JP 2003264457A
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▲邦▼男 内山
Kiyoo Ito
清男 伊藤
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健 阪田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high speed/low power consumption semiconductor integrated circuit. <P>SOLUTION: The semiconductor integrated circuit is provided with a first inverter circuit (L<SB>41</SB>), latch circuits (L<SB>42</SB>, L<SB>43</SB>) to be connected with the first inverter circuit (L<SB>41</SB>) and a control circuit means (SC) to be connected with the first inverter circuit (L<SB>41</SB>). The control circuit means (SC) is connected with the first inverter circuit (L<SB>41</SB>), is supplied with a control signal, makes comparatively large current flow to the first inverter circuit (L<SB>41</SB>) by setting the control signal to be supplied to the control circuit means (SC) to a first state, and limits the current that flows to the first inverter circuit (SC) to a value smaller than the comparatively large current by setting the control signal to be supplied to the control circuit means (SC) to a second state different from the first state. The latch circuits (L<SB>42</SB>, L<SB>43</SB>) output a signal at a first level or a second level on the basis of a signal outputted by the first inverter circuit (L<SB>41</SB>) when the control signal is at the first state and outputs the signal at the first level when the control signal is at the second state. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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】本発明は微細MOSトランジ
スタで構成された半導体集積回路に係り、特に高速・低
電力動作に適した回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor integrated circuit composed of fine MOS transistors, and more particularly to a circuit suitable for high speed / low power operation.

【0002】[0002]

【従来の技術】非特許文献1に述べられているように、
MOSトランジスタが微細化されるにつれてその耐圧が
低下するために、その動作電圧を低くせざるを得ない。
特に、電池動作の携帯用機器などで用いられる半導体装
置では、低消費電力化のために、一層動作電圧が下げら
れる。
2. Description of the Related Art As described in Non-Patent Document 1,
Since the breakdown voltage of a MOS transistor is reduced as it is miniaturized, its operating voltage must be lowered.
In particular, in a semiconductor device used in a battery-operated portable device or the like, the operating voltage can be further reduced to reduce power consumption.

【0003】この場合に、高速動作を維持するために
は、動作電圧の低下に見合ってMOSトランジスタのし
きい電圧(VT)も低下させる必要がある。これは、動
作速度は、MOSトランジスタの実効ゲート電圧、すな
わち動作電圧からVTを差し引いた値で支配され、この
値が大きいほど高速だからである。例えば、上記文献に
よれば、チャネル長0.25μmで1.5V動作を行う
トランジスタのしきい電圧の標準値は、0.35Vと予
想される。周知のスケーリング則に従えば、動作電圧を
1Vとすれば、しきい電圧の標準値は0.24V程度に
なる。しかし、VTを0.4V程度以下にすると、以下
に述べるように、MOSトランジスタのサブスレッショ
ルド特性(テーリング特性)によって、トランジスタを
完全にオフすることはもはやできなくなり、直流電流が
流れるという現象が生ずる。したがって、1.5V以下
の動作では、この電流は実用上大きな問題となる。
In this case, in order to maintain high-speed operation, it is necessary to reduce the threshold voltage (V T ) of the MOS transistor in proportion to the decrease in operating voltage. This is because the operating speed is governed by the effective gate voltage of the MOS transistor, that is, the value obtained by subtracting V T from the operating voltage, and the higher this value, the higher the speed. For example, according to the above document, the standard value of the threshold voltage of a transistor operating at 1.5 V with a channel length of 0.25 μm is expected to be 0.35 V. According to a well-known scaling rule, if the operating voltage is 1V, the standard value of the threshold voltage is about 0.24V. However, when V T is set to about 0.4 V or less, as described below, due to the subthreshold characteristic (tailing characteristic) of the MOS transistor, it is no longer possible to completely turn off the transistor, and a direct current flows. Occurs. Therefore, in the operation of 1.5 V or less, this current poses a serious problem in practical use.

【0004】図49に示す従来のCMOSインバータに
ついて説明する。理想的には、入力信号INが低レベル
(=VSS)の時はNチャネルMOSトランジスタMN
オフ、INが高レベル(=VCC)の時はPチャネルMO
SトランジスタMPがオフになり、いずれにしても電流
が流れることはない。しかし、MOSトランジスタのV
Tが低くなると、サブスレッショルド特性を無視するこ
とができなくなる。
The conventional CMOS inverter shown in FIG. 49 will be described. Ideally, the N-channel MOS transistor M N is turned off when the input signal IN is at a low level (= V SS ), and the P-channel MO transistor is when the input signal IN is at a high level (= V CC ).
The S-transistor M P is turned off and no current flows in any case. However, V of MOS transistor
When T becomes low, the subthreshold characteristic cannot be ignored.

【0005】図50に示すように、サブスレッショルド
領域におけるドレイン電流IDSは、ゲート・ソース間電
圧VGSの指数関数に比例し、次式で表される。
As shown in FIG. 50, the drain current I DS in the subthreshold region is proportional to the exponential function of the gate-source voltage V GS and is represented by the following equation.

【0006】[0006]

【数1】 [Equation 1]

【0007】ただし、WはMOSトランジスタのチャネ
ル幅、I0、W0はVTを定義する際の電流値およびチャ
ネル幅、Sはテーリング係数(VGS-log IDS特性の傾
きの逆数)である。したがって、VGS=0でもサブスレ
ッショルド電流
Where W is the channel width of the MOS transistor, I 0 and W 0 are the current value and channel width when defining V T , and S is the tailing coefficient (the reciprocal of the slope of the V GS -log I DS characteristic). is there. Therefore, even if V GS = 0, the subthreshold current

【0008】[0008]

【数2】 [Equation 2]

【0009】が流れる。図49のCMOSインバータで
オフ状態のトランジスタはVGS=0であるから、非動作
時において高電源電圧VCCから接地電位である低電源電
圧VSSに向かって上記の電流ILが流れることになる。
Flows. Since the transistor in the off state in the CMOS inverter of FIG. 49 has V GS = 0, the above current I L flows from the high power supply voltage V CC toward the low power supply voltage V SS which is the ground potential in the non-operating state. Become.

【0010】このサブスレッショルド電流は、図50に
示すように、しきい電圧をVTからVT'に低下させる
と、ILからIL'に指数関数的に大きくなる。
[0010] The sub-threshold current, as shown in FIG. 50, 'Lowering the, I L from I L' V T the threshold voltage from V T exponentially increases in the.

【0011】数2の上式から明らかなように、サブスレ
ッショルド電流を低減するためには、VTを大きくする
かSを小さくすればよい。しかし、前者は実効ゲート電
圧の低下による速度の低下を招く。特に、耐圧の点から
微細化とともに動作電圧を低くしていくと、速度低下は
顕著になり、微細化の利点を生かせなくなるので好まし
くない。また後者は、室温動作を前提とする限り、次の
理由により困難である。
As is clear from the above equation of Equation 2, in order to reduce the subthreshold current, V T should be increased or S should be decreased. However, the former causes a decrease in speed due to a decrease in effective gate voltage. In particular, from the viewpoint of breakdown voltage, if the operating voltage is lowered along with the miniaturization, the speed decrease becomes remarkable, and the advantage of miniaturization cannot be utilized, which is not preferable. In addition, the latter is difficult for the following reasons as long as it is assumed to operate at room temperature.

【0012】テーリング係数Sは、ゲート絶縁膜の容量
OXとゲート下の空乏層の容量CDにより、次のように
表される。
The tailing coefficient S is expressed as follows by the capacitance C OX of the gate insulating film and the capacitance C D of the depletion layer under the gate.

【0013】[0013]

【数3】 [Equation 3]

【0014】ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温
度、qは素電荷である。上式から明らかなように、COX
およびCDの如何にかからわずS≧kT ln 10/qであ
り、室温では60mV以下にすることは困難である。
Here, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, and q is the elementary charge. As is clear from the above equation, C OX
S ≥ kT ln 10 / q regardless of whether C D or C D , and it is difficult to make it 60 mV or less at room temperature.

【0015】以上述べた現象のために、多数のMOSト
ランジスタで構成された半導体集積回路の実質的な直流
電流は著しく増大してしまう。すなわち、動作速度が一
定のもとでは、動作電圧を低くしていくほどVTも小さ
くしなければならないので、低電圧動作させるほど深刻
になる。特に高温動作時には、VTが低くSが大きくな
るため、この問題はさらに深刻になる。低電力化が重要
である今後のコンピュータ等のダウンサイジング時代に
おいては、このサブスレッショルド電流の増大は本質的
な問題である。特に、0.9〜1.6Vといった電池1
個で動作させたい電子装置などでも、この電流の増大に
対処することがきわめて重要である。
Due to the above-mentioned phenomenon, the substantial direct current of the semiconductor integrated circuit composed of a large number of MOS transistors remarkably increases. That is, in the original operating speed is constant, since V T must also be smaller gradually lower the operation voltage becomes serious enough to low-voltage operation. In particular, at high temperature operation, since V T is low and S is large, this problem becomes more serious. In the future downsizing era of computers and the like where low power consumption is important, the increase of the subthreshold current is an essential problem. In particular, battery 1 such as 0.9-1.6V
It is extremely important to deal with this increase in current even in electronic devices that are to be operated individually.

【非特許文献1】1989 インターナショナル シン
ポジウム オン ブイ・エル・エス・アイ テクノロジ
ー,システムズ アンド アプリケーションズ、プロシ
ーディングズ オブ テクニカル ペーパーズ(1989年
5月)第188頁から第192頁(1989 International
Symposium on VLSI Technology, Systems and Applicat
ions, Proceedings of Technical Papers, pp.188-192
(May 1989))
[Non-Patent Document 1] 1989 International Symposium OMBLS Technology, Systems and Applications, Proceedings of Technical Papers (1989
May) Pages 188 to 192 (1989 International
Symposium on VLSI Technology, Systems and Applicat
ions, Proceedings of Technical Papers, pp.188-192
(May 1989))

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、MO
Sトランジスタを微細化しても高速・低電力の半導体集
積回路を提供し、電池駆動などといった低電圧動作の電
子装置を低電流で実現することにある。
The object of the present invention is to provide an MO.
It is to provide a semiconductor integrated circuit of high speed and low power even if the S transistor is miniaturized, and to realize an electronic device of low voltage operation such as battery drive with low current.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、MOSトランジスタのソースと電源の
間に大電流と小電流との電流供給を制御する制御回路手
段を挿入し、用途に応じてこれらの電流を切り換えてM
OSトランジスタ回路に供給する。たとえば、高速動作
が要求される時は大電流を供給し、低消費電力が要求さ
れる時は小電流を供給する。
In order to achieve the above object, in the present invention, a control circuit means for controlling the supply of a large current and a small current is inserted between the source of a MOS transistor and a power supply, and the control circuit means is used. Switch these currents accordingly
Supply to the OS transistor circuit. For example, a large current is supplied when high speed operation is required, and a small current is supplied when low power consumption is required.

【0018】通常動作時には高速動作が要求されるの
で、上記電流供給手段から大電流をMOSトランジスタ
回路に供給し、高速動作を可能にする。この時、MOS
トランジスタ回路には前述のとおり直流電流が流れる
が、動作電流すなわち負荷の充放電電流に比べて普通十
分小さいので差し支えない。
Since high speed operation is required during normal operation, a large current is supplied from the current supply means to the MOS transistor circuit to enable high speed operation. At this time, MOS
Although a direct current flows through the transistor circuit as described above, it is acceptable because it is usually sufficiently smaller than the operating current, that is, the load charging / discharging current.

【0019】一方、待機時には低消費電力が要求される
ので、供給される電流を小電流に切り換え、サブスレッ
ショルド電流を抑える。この時、電流が制限されること
により、MOSトランジスタ回路の論理振幅は一般に大
電流供給時よりも小さくなるが、論理レベルを保証でき
る程度であれば差し支えない。
On the other hand, since low power consumption is required during standby, the supplied current is switched to a small current to suppress the subthreshold current. At this time, since the current is limited, the logic amplitude of the MOS transistor circuit is generally smaller than that at the time of supplying a large current, but it does not matter as long as the logic level can be guaranteed.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の具体
的な実施例を、より詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of the present invention will be described in more detail below with reference to the drawings.

【0021】〔実施例1〕まず、図1は本発明の原理を
説明するのに好適な実施例である。
[Embodiment 1] First, FIG. 1 is a preferred embodiment for explaining the principle of the present invention.

【0022】図1(a)は本発明の実施例によるインバ
ータの回路図である。図中、LはCMOSインバータで
あり、PチャネルMOSトランジスタMPとNチャネル
MOSトランジスタMNからなる。本発明は、後述のよ
うに、インバータだけでなくNAND、NORなどの論
理ゲートあるいは論理ゲート群にも適用できるが、ここ
では簡単のためインバータの場合について説明する。S
CおよびSSはスイッチ、RCおよびRSは抵抗であり、本
実施例の特徴は、インバータLの電源端子VCL、VSL
電源VCC、VSSの間にそれぞれスイッチSC、SSと抵抗
C、RSが並列に挿入されていることであり、これによ
り以下に説明するようにサブスレッショルド電流低減が
実現される。
FIG. 1A is a circuit diagram of an inverter according to an embodiment of the present invention. In the figure, L is a CMOS inverter, which is composed of a P-channel MOS transistor M P and an N-channel MOS transistor M N. As described later, the present invention can be applied to not only an inverter but also a logic gate or a logic gate group such as NAND and NOR. However, for simplicity, the case of an inverter will be described here. S
C and S S are switches, and R C and R S are resistors, and the feature of this embodiment is that switches S C and S are provided between the power supply terminals V CL and V SL of the inverter L and the power supplies V CC and V SS , respectively. The S and the resistors R C and R S are inserted in parallel, which realizes the reduction of the subthreshold current as described below.

【0023】高速動作が要求される時間帯には、スイッ
チSC、SSをオンにし、VCC、VSSを直接インバータL
に印加する(以下、高速動作モードという)。MP、MN
のしきい電圧(VT)を低く設定しておけば、高速動作
させることができる。この時、前述のようにインバータ
Lにはサブスレッショルド電流が流れるが、これは普
通、動作電流すなわち負荷の充放電電流に比べて十分小
さいので問題にならない。
During the time period when high speed operation is required, the switches S C and S S are turned on and V CC and V SS are directly connected to the inverter L.
(Hereinafter, referred to as high-speed operation mode). M P , M N
If the threshold voltage (V T ) is set low, high speed operation can be achieved. At this time, a subthreshold current flows through the inverter L as described above, but this is not a problem because it is usually sufficiently smaller than the operating current, that is, the load charging / discharging current.

【0024】一方、低消費電力が要求される時間帯に
は、スイッチSC、SSをオフにして、抵抗RC、RSを通
してインバータに電源を供給する(以下、低消費電力モ
ードという)。サブスレッショルド電流が抵抗を通して
流れることによる電圧降下により、VCLはVCCよりも低
下し、VSLはVSSよりも上昇する。図2に示すように、
この電圧降下により、次の2種の機構によってサブスレ
ッショルド電流が減少する。尚、入力信号INが低レベ
ル(VSS)の場合のMNについて説明するが、INが高
レベル(VCC)の場合のMPも同様である。
On the other hand, during a time period when low power consumption is required, the switches S C and S S are turned off, and power is supplied to the inverter through the resistors R C and R S (hereinafter referred to as low power consumption mode). . The voltage drop due to the subthreshold current flowing through the resistor causes V CL to fall below V CC and V SL to rise above V SS . As shown in FIG.
Due to this voltage drop, the subthreshold current is reduced by the following two mechanisms. The M N when the input signal IN is at the low level (V SS ) will be described, but the same applies to M P when the input signal IN is at the high level (V CC ).

【0025】(i)ソース電位VSLが上昇するため、バッ
クゲートバイアスVBS=VSS−VSL=−VMがかかり、
しきい電圧がVT0からVT1まで上昇する。しきい電圧の
上昇分は、
[0025] (i) because the source potential V SL rises, takes a back gate bias V BS = V SS -V SL = -V M,
The threshold voltage rises from V T0 to V T1 . The increase in the threshold voltage is

【0026】[0026]

【数4】 [Equation 4]

【0027】である。これにより、サブスレッショルド
電流はIL0からIL1まで減少する。減少率は、
It is This reduces the subthreshold current from I L0 to I L1 . The rate of decrease is

【0028】[0028]

【数5】 [Equation 5]

【0029】である。ここでKは基板効果係数である。
例えば、VM=0.3V、K=0.4√V、S=100mV/deca
de、2ψ=0.64Vならば、サブスレッショルド電流は21
%に低減される。
[0029] Here, K is a substrate effect coefficient.
For example, V M = 0.3V, K = 0.4√V, S = 100mV / deca
de, if 2ψ = 0.64V, the subthreshold current is 21
%.

【0030】(ii)ソース電位VSLが上昇するため、ゲー
ト・ソース間電圧VGS=VSS−VSL=−VMが負にな
る。これにより、サブスレッショルド電流はさらにIL1
からIL 2まで減少する。減少率は、
[0030] (ii) Since the source potential V SL rises, the gate-source voltage V GS = V SS -V SL = -V M is negative. As a result, the subthreshold current is further increased to I L1.
To I L 2 . The rate of decrease is

【0031】[0031]

【数6】 [Equation 6]

【0032】である。例えば、VM=0.3V、S=100m
V/decadeならば、サブスレッショルド電流は0.1%
に低減される。
It is For example, V M = 0.3V, S = 100m
If V / decade, the subthreshold current is 0.1%
Is reduced to.

【0033】(i)(ii)の効果を併せると、Combining the effects of (i) and (ii),

【0034】[0034]

【数7】 [Equation 7]

【0035】となる。例えば、VM=0.3Vならば0.02%
になる。ここで、VMは方程式
[0035] For example, if V M = 0.3V, 0.02%
become. Where V M is the equation

【0036】[0036]

【数8】 [Equation 8]

【0037】の解である。Is the solution of

【0038】尚、インバータLのMOSトランジスタM
P、MNのバックゲートはそれぞれのソース(VCL
SL)に接続してもよいが、(i)の効果を得るためには
図1(a)のようにVCC、VSSに接続する方が望まし
い。
The MOS transistor M of the inverter L
The back gates of P and M N are the respective sources (V CL ,
Although it may be connected to V SL ), in order to obtain the effect of (i), it is preferable to connect to V CC and V SS as shown in FIG.

【0039】図3にサブスレッショルド電流低減効果を
示す。ここでは、将来の超低電圧動作の超高集積LSI
を想定し、バックゲートバイアスが0のときのしきい電
圧V T0=0.05〜0.15V、LSI全体のオフ状態のトラン
ジスタのチャネル幅の総和W=100mである場合につい
て計算している。抵抗を大きくするほどVMが大きくな
り、効果が大きくなる。極端な場合として、抵抗が無限
大、すなわち抵抗を除去することもできる。
FIG. 3 shows the effect of reducing the subthreshold current.
Show. This section describes ultra-high-integrated LSI for future ultra-low voltage operation.
, And the threshold voltage when the back gate bias is 0
Pressure V T0= 0.05 to 0.15V, the off-state transformer of the entire LSI
Only when the total sum of the channel width of the transistor W = 100 m
Is calculated. The larger the resistance, the more VMIs big
And the effect will be greater. In extreme cases, the resistance is infinite
It is also possible to eliminate the large, that is, the resistance.

【0040】ただし、図1(b)に示すように、出力信
号OUTの論理振幅は入力信号INの論理振幅よりも小
さくなるので、多段接続の際は信号の電圧レベルに注意
しなければならないが、これについては後述する。
However, as shown in FIG. 1B, since the logical amplitude of the output signal OUT is smaller than the logical amplitude of the input signal IN, it is necessary to pay attention to the voltage level of the signal in the multi-stage connection. This will be described later.

【0041】また、本発明にはしきい電圧のバラツキを
自動的に補償する作用がある。すなわち、しきい電圧が
低くサブスレッショルド電流が大きいときは、抵抗によ
る電圧降下VMが大きくなり、しきい電圧が高くサブス
レッショルド電流が小さいときは、VMが小さくなる。
いずれの場合も、電流の変動が抑制される。図3から明
らかなように、サブスレッショルド電流の変動は抵抗値
が大きいほど小さい。例えば、抵抗値を3kΩ以上にす
れば、しきい電圧が±0.05Vばらついても、サブス
レッショルド電流ILの変動は±20%以内に抑えられ
る。
Further, the present invention has a function of automatically compensating for variations in threshold voltage. That is, when the threshold voltage subthreshold current is large low voltage drop V M due to resistance is increased, when the threshold voltage is high and the subthreshold current is small, V M becomes smaller.
In either case, fluctuations in current are suppressed. As is clear from FIG. 3, the fluctuation of the subthreshold current is smaller as the resistance value is larger. For example, if the resistance value is set to 3 kΩ or more, the variation of the subthreshold current I L can be suppressed within ± 20% even if the threshold voltage varies by ± 0.05V.

【0042】〔実施例2〕次に、実施例1で説明したス
イッチと抵抗の具体的な実現方法を示す。図4は、スイ
ッチと抵抗とをともにMOSトランジスタで実現した例
である。
[Embodiment 2] Next, a specific method of realizing the switch and the resistance described in Embodiment 1 will be described. FIG. 4 shows an example in which both the switch and the resistor are realized by MOS transistors.

【0043】スイッチ用のMOSトランジスタMC1とM
S1は、コンダクタンスの大きいMOSトランジスタであ
り、それぞれ図1のスイッチSC、SSに相当する。高速
動作モードの時は、信号φCを低レベル、φSを高レベル
にすることによって、MC1、MS1はオンになる。φC
φSの電圧レベルは、それぞれVSS、VCCでもよいが、
C1、MS1のコンダクタンスをより大きくするために、
φCをVSSよりも低く、φSをVCCよりも高くしてもよ
い。そのための電圧は、チップの外部から与えるか、E
EPROMやDRAMで周知のオンチップ昇圧回路で発
生させればよい。
Switch MOS transistors M C1 and M
S1 is a MOS transistor having a large conductance, which corresponds to the switches S C and S S of FIG. 1, respectively. In the high speed operation mode, the signal φ C is set to the low level and the signal φ S is set to the high level to turn on M C1 and M S1 . φ C ,
The voltage level of φ S may be V SS and V CC , respectively,
In order to increase the conductance of M C1 and M S1 ,
φ C may be lower than V SS and φ S may be higher than V CC . The voltage for that is given from the outside of the chip or E
It may be generated by a well-known on-chip booster circuit in EPROM or DRAM.

【0044】低消費電力モードのときは逆に、φCを高
レベル、φSを低レベルにすることによって、MC1、M
S1はオフになる。この時は、電流を確実に抑止できるよ
うにしなければならない。そのためには、次の2通りの
方法がある。第1の方法は、外部電圧またはオンチップ
昇圧回路によって、φCをVCCよりも高く、φSをVSS
りも低くすることである。第2の方法は、MC1、MS1
して、インバータLに用いられているものよりもしきい
電圧が高い(よりエンハンスメントの)トランジスタを
用いることである。第1の方法は、しきい電圧の異なる
トランジスタを作るための工程が不要であるという利点
がある。一方、第2の方法は、外部電圧を受ける端子あ
るいはオンチップ昇圧回路が不要であるから、面積の点
で有利である。
In the low power consumption mode, conversely, by setting φ C to a high level and φ S to a low level, M C1 , M
S1 turns off. At this time, the current must be surely suppressed. For that purpose, there are the following two methods. The first method is to make φ C higher than V CC and φ S lower than V SS by an external voltage or an on-chip boost circuit. The second method is to use, as M C1 and M S1 , transistors having a higher threshold voltage (more enhancement) than that used in the inverter L. The first method has an advantage that a step for producing transistors having different threshold voltages is unnecessary. On the other hand, the second method is advantageous in terms of area because it does not require a terminal for receiving an external voltage or an on-chip booster circuit.

【0045】MOSトランジスタMC2とMS2はコンダク
タンスの小さいMOSトランジスタであり、それぞれ図
1の抵抗RC、RSに相当する。これらのトランジスタ
は、ゲートがそれぞれVSS、VCCに接続されており、常
にオンである。これらのトランジスタはオフにする必要
がないので、そのしきい電圧は低くても差し支えない。
The MOS transistors M C2 and M S2 are MOS transistors having a small conductance and correspond to the resistors R C and R S of FIG. 1, respectively. The gates of these transistors are connected to V SS and V CC , respectively, and are always on. These transistors do not need to be turned off, so their threshold voltage can be low.

【0046】尚、MC2としてNチャネルMOSトランジ
スタを用い、MS2としてPチャネルMOSトランジスタ
を用いることもできる。例えば、MC2のNチャネルMO
Sトランジスタを例にとると、そのゲートとドレインを
互いに接続した端子をVCC端子に接続し、そのソースを
CL端子に結線した、いわゆるダイオード接続でも実効
的に抵抗を実現できる。該NチャネルMOSトランジス
タのチャネル幅としきい電圧を調整することによって、
たとえば待機時にはVCLの電圧をVCCから該Nチャネル
MOSトランジスタのしきい電圧だけ降下した電圧に設
定でき、サブスレッショルド電流を大幅に低減できる。
An N channel MOS transistor can be used as M C2 and a P channel MOS transistor can be used as M S2 . For example, M C2 N-channel MO
Taking an S-transistor as an example, a resistor can be effectively realized by so-called diode connection in which the terminal having its gate and drain connected to each other is connected to the V CC terminal and its source is connected to the V CL terminal. By adjusting the channel width and the threshold voltage of the N-channel MOS transistor,
For example, during standby, the voltage of V CL can be set to a voltage lower than V CC by the threshold voltage of the N-channel MOS transistor, and the subthreshold current can be greatly reduced.

【0047】次に、本発明が適用される時間帯について
述べる。図5に信号φC、φSのタイミングの例を示す。
Next, the time zone to which the present invention is applied will be described. FIG. 5 shows an example of the timing of the signals φ C and φ S.

【0048】図5(a)および(b)は、本発明をメモ
リLSIに適用した場合である。メモリLSIは、外部
からのクロック信号であるチップエネーブル信号CE ̄
(補信号)が低レベルのとき動作状態、高レベルのとき
待機状態になる。図5(a)の場合は、内部信号φ
Cは、CE ̄の立下りに同期して低レベルになり、CE
 ̄の立上りからやや遅れて高レベルになる。内部信号φ
Sはその逆である。従って、図中のaの時間帯は高速動
作モード、bの時間帯は低消費電力モードになる。一般
に多数のメモリLSIを用いたメモリ装置では、動作状
態にあるLSIは少数であり、大多数のLSIは待機状
態にある。従って、待機状態にあるLSIを本発明を用
いて低消費電力にすれば、メモリ装置全体の低消費電力
化に大きく寄与する。なお、CE ̄の立上りから低消費
電力モードに入るまでに遅延を設ける理由は、この間に
LSIの内部回路のリセットが行われるからである。
FIGS. 5A and 5B show a case where the present invention is applied to a memory LSI. The memory LSI is a chip enable signal CE which is a clock signal from the outside.
When (complementary signal) is at low level, it is in the operating state, and when it is at high level, it is in the standby state. In the case of FIG. 5A, the internal signal φ
C becomes low level in synchronization with the fall of CE, and CE
It goes to a high level slightly after the rise of  ̄. Internal signal φ
S is the opposite. Therefore, in the figure, the time zone a is in the high-speed operation mode, and the time zone b is in the low power consumption mode. Generally, in a memory device using a large number of memory LSIs, a small number of LSIs are in an operating state, and most LSIs are in a standby state. Therefore, by reducing the power consumption of the LSI in the standby state by using the present invention, it greatly contributes to the reduction of the power consumption of the entire memory device. The reason for providing the delay from the rise of CE to the low power consumption mode is that the internal circuit of the LSI is reset during this period.

【0049】図5(b)はさらに低消費電力化を図った
例である。ここでは、CE ̄が変化した直後のみを高速
動作モードにしている。すなわち、CE ̄が低レベルに
なった直後はデータの読出し/書込みが行なわれ、CE
 ̄が高レベルになった直後は内部回路のリセットが行な
われるので、これらの時間帯は本発明による高速動作モ
ードとし、その他の時間帯は本発明による低消費電力モ
ードにしている。なお、ここには記載されていないが、
アドレス信号が変化したときに高速動作モードに入るよ
うにしてもよい。
FIG. 5B shows an example in which the power consumption is further reduced. Here, the high speed operation mode is set only immediately after the change of CE. That is, immediately after CE goes low, data reading / writing is performed, and CE
Since the internal circuit is reset immediately after the high level, the high speed operation mode according to the present invention is set in these time zones, and the low power consumption mode according to the present invention is set in the other time zones. Although not listed here,
The high speed operation mode may be entered when the address signal changes.

【0050】図5(c)は本発明をマイクロプロセッサ
に適用した例である。通常動作状態では、クロックCL
Kが印加されている。このとき、信号φCは低レベル、
φSは高レベルであり、高速動作モードである。マイク
ロプロセッサが待機状態またはデータ保持状態になる
と、クロックCLKが停止し、信号BUが高レベルにな
る。これに同期して、φCは高レベル、φSは低レベルに
なり、低消費電力モードになる。これにより、マイクロ
プロセッサの消費電力が低減され、電池などの小容量の
電源で長時間バックアップすることが可能になる。
FIG. 5C shows an example in which the present invention is applied to a microprocessor. In the normal operation state, the clock CL
K is applied. At this time, the signal φ C is low level,
φ S is at a high level, which is a high speed operation mode. When the microprocessor enters the standby state or the data holding state, the clock CLK is stopped and the signal BU goes high. In synchronization with this, φ C becomes high level and φ S becomes low level, and the low power consumption mode is set. As a result, the power consumption of the microprocessor is reduced, and it becomes possible to back up for a long time with a small capacity power source such as a battery.

【0051】図6は、図4の回路を実現するためのデバ
イス構造の一例である。この図のポリシリコン130、
131、132、133がそれぞれ図4のMC2、MP
N、MS2のゲートに相当する(MC1、MS1はここには
記載されていない)。
FIG. 6 is an example of a device structure for realizing the circuit of FIG. Polysilicon 130 in this figure,
131, 132, and 133 are M C2 , M P , and
Corresponds to the gates of M N and M S2 (M C1 and M S1 are not listed here).

【0052】注意すべきことは、MC2とMPとが同一の
nウェル101(n+拡散層120を介してVCCに接続
されている)を共有していることである。MNとMS2
同様にp基板(VSSに接続されている)100を共有し
ている。これからわかるように、MOSトランジスタの
バックゲートをVCC、VSSに接続する方が、ソースに接
続する場合に比べて、前述の(i)の効果が得られるだけ
でなく、レイアウト面積の点でも有利である。
It should be noted that M C2 and M P share the same n-well 101 (connected to V CC through n + diffusion layer 120). M N and M S2 likewise share a p-substrate (connected to V SS ) 100. As can be seen, connecting the back gate of the MOS transistor to V CC and V SS not only achieves the effect of (i) above, but also in terms of layout area, compared to connecting it to the source. It is advantageous.

【0053】ここに示した例では、p基板中にnウェル
を形成しているが、逆にn基板中にpウェルを形成して
もよい。あるいは、アイ・エス・エス・シー・シー、ダ
イジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ、第248
頁から第249頁、1989年2月(ISSCC Digest of
Technical Papers, pp.248-249, Feb.1989)に記載され
ているような三重ウェル構造を用いてもよい。
In the example shown here, the n-well is formed in the p-substrate, but conversely, the p-well may be formed in the n-substrate. Alternatively, ISC SCI, Digest of Technical Papers, 248.
Pages 249, February 1989 (ISSCC Digest of
A triple well structure as described in Technical Papers, pp.248-249, Feb.1989) may be used.

【0054】〔実施例3〕図7にスイッチと抵抗の他の
実現方法を示す。本実施例の特徴は、カレントミラー回
路を用いていることである。すなわち、しきい電圧が同
じMOSトランジスタMC2とMC3は、ゲートとソースを
共有するいわゆるカレントミラー回路を成しており、M
C2には電流源I0に比例する電流が流れ、そのインピー
ダンスは大きい。MS2とMS3についても同様である。し
たがって、MC2、MS2は高抵抗とみなすことができる。
尚、電流源I0とMC3、MS3から成る回路CSを複数の
論理ゲートで共有してもよい。
[Embodiment 3] FIG. 7 shows another method of realizing a switch and a resistor. The feature of this embodiment is that a current mirror circuit is used. That is, the MOS transistors M C2 and M C3 having the same threshold voltage form a so-called current mirror circuit sharing a gate and a source.
A current proportional to the current source I 0 flows through C2 , and its impedance is large. The same applies to M S2 and M S3 . Therefore, M C2 and M S2 can be regarded as high resistance.
The circuit CS including the current source I 0 and M C3 and M S3 may be shared by a plurality of logic gates.

【0055】カレントミラー回路はここに示した回路だ
けでなく、他の回路でもよい。例えば、MOSトランジ
スタの代わりにバイポーラトランジスタを用いてもよ
い。
The current mirror circuit may be not only the circuit shown here but also other circuits. For example, a bipolar transistor may be used instead of the MOS transistor.

【0056】このように、スイッチと抵抗の実現方法
は、いろいろな変形がありうる。要は、高速動作が要求
される時間帯には大電流を、低消費電力が要求される時
間帯には小電流を流す手段であればよい。以下の図面で
は、簡単のため、図1のようにスイッチと抵抗で表すこ
とにする。
As described above, the method of realizing the switch and the resistor can be variously modified. In short, any means may be used as long as it allows a large current to flow during a time period when high speed operation is required and a small current during a time period when low power consumption is required. In the following drawings, for simplicity, the switches and resistors are used as shown in FIG.

【0057】〔実施例4〕インバータのMOSトランジ
スタのバックゲートは、VCC、VSSに限らず別の電源に
接続してもよく、その電圧を可変にしてもよい。図8に
その例を示す。ここでは、MP、MNのバックゲートをそ
れぞれ電源VWW、VBBに接続し、それらのバックゲート
電圧値を動作時と待機時とで変えている。VBBについて
言えば、高速動作が要求される時間帯にはVBBを浅くし
て(あるいは極端な場合わずかに正にして)MNのVT
低くして高速動作を可能にする。低消費電力が要求され
る時間帯にはVBBを深くしてMNのVTを高くして、サブ
スレッショルド電流を抑える。これにより、前記(i)の
効果がさらに大きくなる。以上VBBについて述べたが、
WWも電圧の極性が逆になるだけで同様である。なお、
この種のバックゲート電圧発生回路は、例えばアイ・エ
ス・エス・シー・シー、ダイジェスト・オブ・テクニカ
ル・ペーパーズ、第254頁から第255頁、1985
年2月(ISSCCDigest of Technical Papers, pp.254-25
5, Feb.1985)に記載されている。
[Embodiment 4] The back gate of the MOS transistor of the inverter is not limited to V CC and V SS , but may be connected to another power source, and its voltage may be variable. FIG. 8 shows an example thereof. Here, the back gates of M P and M N are connected to the power supplies V WW and V BB , respectively, and their back gate voltage values are changed during operation and during standby. As for V BB, the time zone in which high-speed operation is required by shallow V BB (or in extreme cases slightly positively) that enable high-speed operation by reducing the V T of M N. The time zone requiring low power consumption by increasing the V T of M N to deepen the V BB, suppress the subthreshold current. As a result, the effect of (i) above is further enhanced. The V BB has been described above,
V WW is the same except that the polarities of the voltages are reversed. In addition,
This type of back gate voltage generating circuit is disclosed in, for example, ISC SCI, Digest of Technical Papers, pages 254 to 255, 1985.
February (ISSCC Digest of Technical Papers, pp.254-25
5, Feb. 1985).

【0058】図9は、図8の回路を実現するためのデバ
イス構造の一例である。ここでは、前述の三重ウェル構
造を用いており、nウェル105(PチャネルMOSト
ランジスタのバックゲート)はn+拡散層120を介し
てVWWに、pウェル103(NチャネルMOSトランジ
スタのバックゲート)はp+拡散層127を介してV BB
に接続されている。
FIG. 9 shows a device for realizing the circuit of FIG.
It is an example of a chair structure. Here, the above-mentioned Mie well structure
N-well 105 (P-channel MOS transistor
The back gate of the transistor is via the n + diffusion layer 120.
VWW, P-well 103 (N-channel MOS transistor
Back gate of the transistor V) via the p + diffusion layer 127. BB
It is connected to the.

【0059】この三重ウェル構造は、Pチャネル、Nチ
ャネル共に回路ごとに独立したウェルに入れることがで
きるので、回路ごとにバックゲート電圧を設定できると
いう利点がある。例えば、1つのLSI内に動作状態に
ある回路と待機状態にある回路が混在する場合、前者の
バックゲート電圧を浅く、後者のバックゲート電圧を深
くすることができる。
This triple well structure has the advantage that the back gate voltage can be set for each circuit because both P-channel and N-channel can be placed in independent wells for each circuit. For example, when a circuit in the operating state and a circuit in the standby state coexist in one LSI, the back gate voltage of the former can be made shallow and the back gate voltage of the latter can be made deep.

【0060】〔実施例5〕次に、インバータを多段接続
したインバータ列の場合について述べる。簡単のため、
まず2段の場合で原理を説明する。
[Embodiment 5] Next, the case of an inverter array in which inverters are connected in multiple stages will be described. For simplicity,
First, the principle will be described in the case of two stages.

【0061】図10(a)は、CMOSインバータ
1、L2を接続した場合の回路図である。各段のインバ
ータごとに、スイッチSCi、SSiと抵抗RCi、RSi(i
=1,2)が挿入されている。
FIG. 10A is a circuit diagram when the CMOS inverters L 1 and L 2 are connected. Switches S Ci and S Si and resistors R Ci and R Si (i
= 1, 2) has been inserted.

【0062】高速動作モードでは、4個のスイッチをす
べてオンにし、VCC、VSSを直接インバータL1、L2
印加する。インバータのMOSトランジスタのしきい電
圧(VT)を低く設定しておけば、高速動作させること
ができる。一方、低消費電力モードでは、4個のスイッ
チをすべてオフにして、抵抗を通してインバータに電源
を供給する。サブスレッショルド電流が抵抗を通して流
れることによる電圧降下により、VCL1、VCL2はVCC
りも低下し、VSL1、VSL2はVSSよりも上昇する。
In the high speed operation mode, all four switches are turned on and V CC and V SS are directly applied to the inverters L 1 and L 2 . If the threshold voltage (V T ) of the MOS transistor of the inverter is set low, high speed operation can be achieved. On the other hand, in the low power consumption mode, all the four switches are turned off and power is supplied to the inverter through the resistors. Due to the voltage drop caused by the subthreshold current flowing through the resistor, V CL1 and V CL2 are lower than V CC , and V SL1 and V SL2 are higher than V SS .

【0063】第1段のインバータL1については、図1
の場合と同様に、前記(i)(ii)の機構によってサブスレ
ッショルド電流が減少する。しかし、図10(b)に示
すように、L1の出力N1の論理振幅は入力信号INの論
理振幅よりも小さい。すなわち、INが低レベル(=V
SS)の時はN1の電圧レベルはVCL1になり、INが高レ
ベル(=VCC)の時はN1の電圧レベルはVSL1になる。
これが第2段のインバータL2の入力となるから、L2
サブスレッショルド電流低減のためには、VCC>VCL1
>VCL2、VSS<VSL1<VSL2となるように抵抗値を設
定するのが望ましい。これにより、L2についても前記
(i)(ii)の機構によってサブスレッショルド電流が減少
する。VCL1=VCL2、VSL1=VSL2の時は、(i)による
効果は得られるが(ii)による効果は得られない。
The first stage inverter L 1 is shown in FIG.
Similar to the case, the subthreshold current is reduced by the mechanisms (i) and (ii). However, as shown in FIG. 10B, the logical amplitude of the output N 1 of L 1 is smaller than the logical amplitude of the input signal IN. That is, IN is at a low level (= V
When SS ), the voltage level of N 1 becomes V CL1 , and when IN is at a high level (= V CC ), the voltage level of N 1 becomes V SL1 .
Since this becomes the input of the second stage inverter L 2 , in order to reduce the subthreshold current of L 2 , V CC > V CL1
It is desirable to set the resistance values such that> V CL2 and V SS <V SL1 <V SL2 . As a result, L 2
The subthreshold current is reduced by the mechanisms (i) and (ii). When V CL1 = V CL2 and V SL1 = V SL2 , the effect (i) can be obtained but the effect (ii) cannot be obtained.

【0064】〔実施例6〕図11(a)に示す多段接続
の場合も上と同様で、VCC>VCL1>VCL2>……>V
CLk、VSS<VSL1<VSL2<……<VSLkとなるようにす
るのがよい。ただし、図11(b)に示すように、1段
ごとに論理振幅が小さくなるので、適宜レベル変換回路
を挿入して振幅を回復させる。この例では、k段のイン
バータの後にレベル変換回路LCを付加して、出力信号
OUTの論理振幅が入力信号INと同じになるようにし
ている。この種のレベル変換回路は、例えばシンポジウ
ム・オン・ブイ・エル・エス・アイ・サーキッツ、ダイ
ジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ、第82頁か
ら第83頁、1992年6月(Symposium on VLSI Circ
uits, Digest of Technical Papers, pp.82-83, June 1
992)に記載されている。
[Embodiment 6] The same applies to the case of the multistage connection shown in FIG. 11A, where V CC > V CL1 > V CL2 >...> V
CLk , V SS <V SL1 <V SL2 <... <V SLk is preferable. However, as shown in FIG. 11B, since the logical amplitude becomes smaller for each stage, a level conversion circuit is appropriately inserted to recover the amplitude. In this example, a level conversion circuit LC is added after the k-stage inverter so that the logical amplitude of the output signal OUT becomes the same as that of the input signal IN. This kind of level conversion circuit is described, for example, in Symposium on VLS L.S.K., Digest of Technical Papers, pages 82 to 83, June 1992 (Symposium on VLSI Circ).
uits, Digest of Technical Papers, pp.82-83, June 1
992).

【0065】レベル変換回路LCは高速動作時には不要
である。なぜなら、スイッチがすべてオンになっている
ので、VCL1=VCL2=……=VCLk=VCC、VSL1=V
SL2=……=VSLk=VSSであり、論理振幅の減少がない
からである。したがって、高速動作時には、スイッチS
LCをオンにしてレベル変換回路をバイパスさせることに
よって、遅延を避けることができる。
The level conversion circuit LC is unnecessary in high speed operation. Because all the switches are on, V CL1 = V CL2 = ... = V CLk = V CC , V SL1 = V
This is because SL2 = ... = V SLk = V SS and there is no decrease in logic amplitude. Therefore, when operating at high speed, the switch S
Delays can be avoided by turning on LC and bypassing the level translation circuit.

【0066】〔実施例7〕図12(a)に多段接続イン
バータ列の他の例を示す。この例では、スイッチSC
Sと抵抗RC、RSがすべてのインバータL1〜Lkによ
り共有されており、電圧VCL、VSLはL1〜Lkに共通で
ある。それゆえに、図10の説明で述べたように、前記
(i)の機構によるサブスレッショルド電流低減効果は得
られるが(ii)による効果は得られない。したがって、サ
ブスレッショルド電流低減効果は前実施例よりも小さく
なる。
[Embodiment 7] FIG. 12A shows another example of a multistage connected inverter array. In this example, the switch S C ,
S S and resistors R C and R S are shared by all the inverters L 1 to L k, and the voltages V CL and V SL are common to L 1 to L k . Therefore, as described in the explanation of FIG.
The effect of reducing the subthreshold current by the mechanism of (i) can be obtained, but the effect by (ii) cannot be obtained. Therefore, the effect of reducing the subthreshold current is smaller than that in the previous embodiment.

【0067】しかし、その反面スイッチと抵抗のレイア
ウト面積が節約できるという利点がある。また、図12
(b)に示すように、すべての信号(入出力信号を含め
て)の電圧レベルが同一であり、前実施例のような論理
振幅の減少がないという特長がある。そのため、レベル
変換回路は不要であり、また、NAND、NORなどの
論理が組みやすいという利点がある。
However, on the other hand, there is an advantage that the layout area of the switch and the resistor can be saved. In addition, FIG.
As shown in (b), the voltage levels of all signals (including input / output signals) are the same, and there is the feature that there is no decrease in logic amplitude as in the previous embodiment. Therefore, there is an advantage that a level conversion circuit is unnecessary and logic such as NAND and NOR can be easily assembled.

【0068】〔実施例8〕次に、本発明を一般の組合せ
論理回路に適用する場合について述べる。
[Embodiment 8] Next, the case where the present invention is applied to a general combinational logic circuit will be described.

【0069】例えば、図13に示す組合せ論理回路を考
える。これに本発明を適用するには、まず論理ゲートを
図13のようにグループ分けする。この例では、15個
の論理ゲートL1〜L15が3つのグループG1、G2、G3
に分けられている。グループ分けに当たっては、第i番
目のグループに含まれる論理ゲートの出力信号は、第
(i+1)番目以降のグループの論理ゲートにのみ入力
されるようにする。
For example, consider the combinational logic circuit shown in FIG. To apply the present invention to this, first, the logic gates are divided into groups as shown in FIG. In this example, 15 logic gates L 1 to L 15 are divided into three groups G 1 , G 2 and G 3.
It is divided into In grouping, the output signals of the logic gates included in the i-th group are input only to the logic gates of the (i + 1) th and subsequent groups.

【0070】次に、図14に示すように、各グループご
とに電源との間にスイッチと抵抗を挿入する。論理ゲー
トの出力信号の論理振幅は、図11の場合と同様に、1
段ごとに小さくなるから、図14に示すようにレベル変
換回路群GC1、GC2を挿入して振幅を回復させる。
尚、図示されていないが、高速動作時には図11の場合
と同様にレベル変換回路群GC1、GC2をパイパスさせ
てもよい。
Next, as shown in FIG. 14, a switch and a resistor are inserted between each group and the power source. The logic amplitude of the output signal of the logic gate is 1 as in the case of FIG.
Since each stage becomes smaller, the level conversion circuit groups GC 1 and GC 2 are inserted to restore the amplitude as shown in FIG.
Although not shown, the level conversion circuit groups GC 1 and GC 2 may be bypassed during high speed operation as in the case of FIG.

【0071】本実施例の特徴の1つは、同じグループに
含まれる論理ゲートは、スイッチと抵抗を共有している
ことである。図13の例で言えば、グループG1に含ま
れる3個のインバータは、スイッチSC1、SS1と抵抗R
C1、RS1を共有している。
One of the characteristics of this embodiment is that the logic gates included in the same group share the resistance with the switch. In the example of FIG. 13, the three inverters included in the group G 1 include the switches S C1 and S S1 and the resistor R 1.
C1 and R S1 are shared.

【0072】本実施例のもう1つの特徴は、レベル変換
回路の前後のグループでスイッチと抵抗を共有している
ことである。すなわち、グループG1とGk+1はスイッチ
C1、SS1および抵抗RC1、RS1を、グループG2とG
k+2はスイッチSC2、SS2および抵抗RC2、RS2を、…
…、グループGkとG2kはスイッチSCk、SSkおよび抵
抗RCk、RSkをそれぞれ共有している。
Another feature of this embodiment is that the groups before and after the level conversion circuit share the switch and the resistance. That is, the groups G 1 and G k + 1 include the switches S C1 , S S1 and the resistors R C1 , R S1 and the groups G 2 and G k , respectively.
k + 2 includes switches S C2 , S S2 and resistors R C2 , R S2 , ...
.., groups G k and G 2k share switches S Ck , S Sk and resistors R Ck , R Sk , respectively.

【0073】このように、複数の論理ゲートでスイッチ
と抵抗を共有することにより、LSI全体として見れば
スイッチと抵抗との数を低減でき、レイアウト面積を節
約できる。
By thus sharing the switch and the resistance with a plurality of logic gates, it is possible to reduce the number of the switch and the resistance as a whole LSI and save the layout area.

【0074】〔実施例9〕図15に本発明の他の実施例
を示す。図15の実施例がこれまでの実施例と相違する
のは、電圧リミッタ(降圧回路、昇圧回路)VC1、V
2、……、VCk、VS1、VS2、……、VSkを用い
ていることである。
[Embodiment 9] FIG. 15 shows another embodiment of the present invention. The embodiment of FIG. 15 differs from the previous embodiments in that voltage limiters (step-down circuit, step-up circuit) VC 1 , V
That is, C 2 , ..., VC k , VS 1 , VS 2 , ..., VS k are used.

【0075】低消費電力が要求される時には、スイッチ
C1〜TCk、TS1〜TSkを図示の側に切換え、電圧リミ
ッタによって論理ゲート群に電源を供給する。電圧リミ
ッタVC1、VC2、……、VCkは、電源電圧VCC側の
降圧回路として動作し、VCCよりも低くほぼ安定化され
た内部電圧VCL1、VCL2、……、VCLkをそれぞれ発生
する。一方、VS1、VS2、……、VSkは、接地VSS
側の昇圧回路として動作し、VSSよりも高くほぼ安定化
された内部電圧VSL1、VSL2、……、VSLkをそれぞれ
発生する。発生する電圧は前述の実施例と同様に、VCC
>VCL1>VCL2>……>VCLk、VSS<VSL1<VSL2
……<VSLkとするのがよい。尚、この種の電圧リミッ
タについては、特開平2−246516号公報に開示さ
れている。
When low power consumption is required, the switches T C1 to T Ck and T S1 to T Sk are switched to the illustrated side, and power is supplied to the logic gate group by the voltage limiter. The voltage limiters VC 1 , VC 2 , ..., VC k operate as a step-down circuit on the power supply voltage V CC side, and are lower than V CC and are almost stabilized internal voltages V CL1 , V CL2 , ..., V CLk. Occurs respectively. On the other hand, VS 1 , VS 2 , ..., VS k are connected to the ground V SS.
It operates as a booster circuit on the side and generates internal voltages V SL1 , V SL2 , ..., V SLk that are higher than V SS and are almost stabilized. The generated voltage is V CC as in the previous embodiment.
> V CL1 > V CL2 > …… > V CLk , V SS <V SL1 <V SL2 <
...... <V SLk is better. A voltage limiter of this type is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-246516.

【0076】逆に、高速動作が要求される時は、スイッ
チを図示されているのとは反対側に切換えて、VCC、V
SSを直接論理ゲート群に印加して、高速動作を可能にす
る。尚、この時は電圧リミッタは不要になるので、その
動作を停止させてもよい。
On the contrary, when a high speed operation is required, the switch is switched to the side opposite to that shown in the drawing, and V CC , V
Apply SS directly to the group of logic gates to enable high speed operation. At this time, the voltage limiter is not necessary, so the operation may be stopped.

【0077】〔実施例10、11〕これまでの実施例
は、インバータ列や組合せ論理回路といったフィードバ
ックのない回路であったが、本発明はフィードバックの
ある回路にも適用できる。一例として、図16(a)に
示す2個のNANDゲートを組合せたラッチ回路の場合
について説明する。
[Embodiments 10 and 11] In the above embodiments, circuits having no feedback such as inverter trains and combinational logic circuits were used, but the present invention can be applied to circuits having feedback. As an example, a case of a latch circuit shown in FIG. 16A in which two NAND gates are combined will be described.

【0078】図16(b)に回路図を示す。2個のNA
NDゲートL1、L2と電源Vccおよび接地Vssとの間
に、それぞれスイッチSC1、SS1、SC2、SS2および抵
抗RC1、RS1、RC2、RS2が挿入されている。VCL1
CL2がVCCよりも低下し、VSL 1、VSL2がVSSよりも
上昇し、前記(i)の機構によってサブスレッショルド電
流が低減される。
A circuit diagram is shown in FIG. 2 NA
Switches S C1 , S S1 , S C2 , S S2 and resistors R C1 , R S1 , R C2 , R S2 are inserted between the ND gates L 1 and L 2 and the power supply Vcc and the ground Vss, respectively. V CL1 ,
V CL2 falls below V CC , V SL 1 and V SL2 rise above V SS , and the mechanism (i) reduces the subthreshold current.

【0079】図17は、さらにサブスレッショルド電流
を低減するために、情報のラッチに用いられる4個のM
OSトランジスタMP12、MP22、MN12、MN22のしきい
電圧VTを他のMOSトランジスタMP11、MP21
N11、MN21のしきい電圧より高く(よりエンハンスメ
ントに)した例である。入力信号が印加される他のMO
SトランジスタMP11、MP21、MN11、MN21のしきい電
圧VTは低いままであるから、高速動作が可能である。
この場合、VSS側のスイッチと抵抗は不要である。なぜ
ならば、高しきい電圧のVSS側トランジスタMN12、M
N22によって電流を確実に抑止できるからである。
FIG. 17 shows four M's used to latch information in order to further reduce the subthreshold current.
The threshold voltage V T of the OS transistors M P12 , M P22 , M N12 , and M N22 is set to the other MOS transistors M P11 , M P21 ,
In this example, the threshold voltage is higher (more enhanced) than that of M N11 and M N21 . Another MO to which the input signal is applied
Since the threshold voltage V T of the S transistors M P11 , M P21 , M N11 and M N21 remains low, high speed operation is possible.
In this case, the switch and the resistor on the V SS side are unnecessary. This is because the high threshold voltage V SS side transistors M N12 , M
This is because the current can be reliably suppressed by N22 .

【0080】〔実施例12、13〕これまでの実施例
は、入力信号が低レベルでも高レベルでもサブスレッシ
ョルド電流を低減できるものであった。しかし実際のL
SIでは、サブスレッショルド電流低減が必要な時間
帯、例えば待機状態における特定の信号のレベルは予め
判っていることが多い。このような場合は、より簡単な
回路でサブスレッショルド電流を低減することができ
る。
[Embodiments 12 and 13] In the embodiments so far, the subthreshold current can be reduced regardless of whether the input signal is at a low level or a high level. But the actual L
In SI, the time zone in which the subthreshold current reduction is required, for example, the level of a specific signal in a standby state is often known in advance. In such a case, the subthreshold current can be reduced with a simpler circuit.

【0081】図18は、待機状態における入力信号IN
は低レベル(“L”)であると判っている場合のインバ
ータ列の回路例である。INが低レベルであるから、ノ
ードN1、N3、N5、……は高レベル、N2、N4、N6
……は低レベルになり、PチャネルMOSトランジスタ
のうちMP2、MP4、……がオフ、NチャネルMOSトラ
ンジスタのうちMN1、MN3、……がオフである。スイッ
チと抵抗は、これらのオフ状態のトランジスタのソース
にのみ挿入すれば十分である。サブスレッショルド電流
が流れるのはオフ状態のトランジスタだからである。
FIG. 18 shows the input signal IN in the standby state.
Is an example of a circuit of an inverter array when it is known to be at a low level (“L”). Since IN is low, nodes N 1 , N 3 , N 5 , ... Are high, N 2 , N 4 , N 6 ,.
... becomes low level, M P2 , M P4 , ... Of the P channel MOS transistors are off, and M N1 , M N3 , ... Of the N channel MOS transistors are off. It is sufficient to insert the switches and resistors only in the sources of these off-state transistors. The subthreshold current flows because it is a transistor in the off state.

【0082】また、図19に示すように、スイッチと抵
抗を複数のインバータで共有しても差し支えない。
As shown in FIG. 19, the switch and the resistor may be shared by a plurality of inverters.

【0083】これらの実施例は、入力信号のレベルが判
っていなければならないという制約はあるが、簡単な回
路でサブスレッショルド電流を低減できるという利点が
ある。図18、19を図11と比較してみれば明らかな
ように、スイッチと抵抗の数が少なくなり、レベル変換
回路が不要になる。
Although these embodiments have the restriction that the level of the input signal must be known, they have the advantage that the subthreshold current can be reduced with a simple circuit. As is clear from comparing FIGS. 18 and 19 with FIG. 11, the number of switches and resistors is reduced, and the level conversion circuit becomes unnecessary.

【0084】〔実施例14、15〕インバータだけでな
くNAND、NORなどの論理ゲートでも、待機状態に
おける入力信号のレベルが判っている場合は、より簡単
な回路でサブスレッショルド電流を低減することができ
る。
[Embodiments 14 and 15] If the level of the input signal in the standby state is known not only in the inverter but also in the logic gates such as NAND and NOR, the subthreshold current can be reduced by a simpler circuit. it can.

【0085】図20は2入力NANDゲート、図21は
2入力NORゲートの例である。2つの入力信号IN1
とIN2がいずれも低レベル、あるいはいずれも高レベ
ルの場合は、これらのゲートは実質的にインバータと等
価であるから、図18、図19で説明した方法が適用で
きる。問題は、図のように一方の入力が低レベル
(“L”)、他方の入力が高レベル(“H”)の場合で
ある。
FIG. 20 shows an example of a 2-input NAND gate, and FIG. 21 shows an example of a 2-input NOR gate. Two input signals IN 1
When IN and IN 2 are both low level or both are high level, these gates are substantially equivalent to the inverter, and therefore the method described with reference to FIGS. 18 and 19 can be applied. The problem is when one input is low level (“L”) and the other input is high level (“H”) as shown.

【0086】図20のNANDゲートの場合は、Pチャ
ネルMOSトランジスタMP12とNチャネルMOSトラ
ンジスタMN11がオフであるが、出力OUTは高レベル
であるから、サブスレッショルド電流が流れるのはM
N11である。従って、VSS側にスイッチと抵抗を挿入す
ればよい。図21のNORゲートの場合は逆に、サブス
レッショルド電流が流れるのはPチャネルMOSトラン
ジスタMP14である。従って、VCC側にスイッチと抵抗
を挿入すればよい。
In the case of the NAND gate of FIG. 20, the P-channel MOS transistor M P12 and the N-channel MOS transistor M N11 are off, but the output OUT is at a high level, so that the subthreshold current flows in M.
It is N11 . Therefore, it suffices to insert a switch and a resistor on the V SS side. On the contrary, in the case of the NOR gate in FIG. 21, it is the P-channel MOS transistor M P14 that the subthreshold current flows. Therefore, it suffices to insert a switch and a resistor on the V CC side.

【0087】図20、図21は本発明を2入力論理ゲー
トに適用した例であるが、3入力以上の論理ゲートでも
同様にできる。また、スイッチと抵抗は、他の論理ゲー
トと共有してもよいことはもちろんである。
20 and 21 show an example in which the present invention is applied to a 2-input logic gate, the same can be applied to a 3-input or higher logic gate. Of course, the switch and the resistor may be shared with other logic gates.

【0088】〔実施例16〕図22はクロックインバー
タにおいて、待機状態ではクロックCLK1は低レベ
ル、CLK2は高レベルであると判っている場合の回路
例である。この場合は、MOSトランジスタMP16、M
N16が共にオフであるから、出力OUTは高インピーダ
ンスになり、その電圧レベルはOUTに接続されている
他の回路(図示せず)によって決まる。電圧レベルによ
ってMOSトランジスタMP16、MN16のいずれにサブス
レッショルド電流が流れるかが決まるから、この場合
は、図のようにスイッチと抵抗をVCC側、VSS側の両方
に挿入すればよい。
[Embodiment 16] FIG. 22 shows an example of a circuit in the clock inverter when it is known that the clock CLK 1 is at a low level and the clock CLK 2 is at a high level in the standby state. In this case, the MOS transistors M P16 , M
Since both N16 are off, the output OUT will be high impedance and its voltage level will be determined by other circuitry (not shown) connected to OUT. Since the subthreshold current flows in which of the MOS transistors M P16 and M N16 depends on the voltage level, in this case, a switch and a resistor may be inserted on both the V CC side and the V SS side as shown in the figure.

【0089】〔実施例17〕一般の組合せ論理回路の場
合も、入力信号のレベルが予め判っている場合は、より
簡単な回路でサブスレッショルド電流を低減することが
できる。図13に示した組合せ論理回路を例にとりあげ
て説明する。
[Embodiment 17] Even in the case of a general combinational logic circuit, if the level of the input signal is known in advance, the subthreshold current can be reduced by a simpler circuit. The combinational logic circuit shown in FIG. 13 will be described as an example.

【0090】図23は、この回路の入力IN1〜IN6
すべて低レベルと判っている場合の回路構成例である。
インバータL1〜L3、L5、L6については、図18、図
19と同様に、L1〜L3のVSS側とL5、L6のVCC側に
スイッチと抵抗を挿入する。NORゲートL7は、入力
信号がいずれも低レベルであるから、実質的にインバー
タと等価である。従って、VSS側にスイッチと抵抗を挿
入すればよい。NORゲートL4は、入力信号の一方が
低レベル、他方が高レベルであるから、図21と同様
に、VCC側にスイッチと抵抗を挿入する。8個のNAN
Dゲートのうち、L12だけは3つの入力信号がすべて高
レベルであり、インバータと等価であるから、VCC側に
スイッチと抵抗を挿入する。他のNANDゲートは、入
力信号に低レベルのものと高レベルのものが混在するか
ら、図20と同様に、VSS側にスイッチと抵抗を挿入す
ればよい。
FIG. 23 shows an example of the circuit configuration when the inputs IN 1 to IN 6 of this circuit are all known to be low level.
For the inverters L 1 to L 3 , L 5 and L 6 , switches and resistors are inserted on the V SS side of L 1 to L 3 and the V CC side of L 5 and L 6 as in FIGS. 18 and 19. . The NOR gate L 7 is substantially equivalent to an inverter because all the input signals are low level. Therefore, it suffices to insert a switch and a resistor on the V SS side. Since one of the input signals of the NOR gate L 4 is at a low level and the other is at a high level, a switch and a resistor are inserted on the V CC side as in the case of FIG. 8 NANs
Of the D gates, only L 12 has all three input signals at high levels and is equivalent to an inverter. Therefore, a switch and a resistor are inserted on the V CC side. In other NAND gates, low level and high level input signals coexist, so that a switch and a resistor may be inserted on the V SS side as in FIG.

【0091】以上の説明から明らかなように、出力が高
レベルである論理ゲートにはVSS側に、出力が低レベル
である論理ゲートにはVCC側に、スイッチと抵抗を挿入
すればよい。図23に示すように、これらのスイッチと
抵抗を複数の論理ゲートで共有することにより、レイア
ウト面積を節約できる。
As is apparent from the above description, a switch and a resistor may be inserted on the side of V SS for the logic gate whose output is at the high level, and on the side of V CC for the logic gate whose output is at the low level. . As shown in FIG. 23, the layout area can be saved by sharing these switches and resistors among a plurality of logic gates.

【0092】〔実施例18〕フィードバックがある回路
についても、信号のレベルが予め判っている場合は、よ
り簡単な回路でサブスレッショルド電流を低減すること
ができる。図24は、図16(a)のラッチに適用した
例である。
[Embodiment 18] Even for a circuit having feedback, if the signal level is known in advance, the subthreshold current can be reduced by a simpler circuit. FIG. 24 shows an example applied to the latch of FIG. 16 (a).

【0093】この種のラッチは、待機状態においては普
通、入力信号IN1、IN2が共に高レベルであり、出力
信号OUT1、OUT2のうちの一方が低レベル、他方が
高レベルとなって1ビットの情報を保持している。図2
4は、OUT1が低レベル、OUT2が高レベルであると
判っている場合の回路構成例である。NANDゲートL
1は、2つの入力信号が共に高レベルであるから、イン
バータと等価であり、図18、図19と同様に、VCC
にスイッチと抵抗を挿入する。NANDゲートL2は、
入力信号の一方が低レベル、他方が高レベルであるか
ら、図20と同様に、VSS側にスイッチと抵抗を挿入す
ればよい。これらのスイッチと抵抗は、他の論理ゲート
と共有してもよいことはもちろんである。
In a latch of this type, in the standby state, both the input signals IN 1 and IN 2 are normally at a high level, one of the output signals OUT 1 and OUT 2 is at a low level, and the other is at a high level. Holds 1-bit information. Figure 2
4 is an example of a circuit configuration when it is known that OUT 1 is low level and OUT 2 is high level. NAND gate L
1 is equivalent to an inverter because the two input signals are both at high level, and a switch and a resistor are inserted on the V CC side as in FIGS. 18 and 19. NAND gate L 2 is
Since one of the input signals is at the low level and the other is at the high level, a switch and a resistor may be inserted on the V SS side as in the case of FIG. Of course, these switches and resistors may be shared with other logic gates.

【0094】〔実施例19〕図25は、本発明をメモリ
LSIなどで周知のデータ出力バッファに適用した例で
ある。待機状態においては、出力エネーブル信号OEが
低レベルであり、NANDゲートL21及びL22の出力は
高レベル、インバータL23の出力は低レベルである。従
って、出力段L24を構成する2個のMOSトランジスタ
P20およびMN20は共にオフであり、出力DOUTは高
インピーダンスである。
[Embodiment 19] FIG. 25 is an example in which the present invention is applied to a known data output buffer in a memory LSI or the like. In the standby state, the output enable signal OE is at low level, the outputs of the NAND gates L 21 and L 22 are at high level, and the output of the inverter L 23 is at low level. Therefore, the two MOS transistors M P20 and M N20 forming the output stage L 24 are both off, and the output DOUT has a high impedance.

【0095】論理ゲートL21〜L23については、図23
の説明で述べた方針に従って、VSS側もしくはVCC側に
スイッチと抵抗を挿入すればよい。出力段L24について
は、図22のクロックインバータの場合と同様に、スイ
ッチと抵抗をVCC側、VSS側の両方に挿入すればよい。
FIG. 23 shows the logic gates L 21 to L 23 .
In accordance with the policy described in the above description, the switch and the resistor may be inserted on the V SS side or the V CC side. For the output stage L 24 , switches and resistors may be inserted on both the V CC side and the V SS side, as in the case of the clock inverter of FIG.

【0096】〔実施例20〕図26は、本発明をメモリ
LSIなどで周知のデータ入力バッファに適用した例で
ある。図中、SBは待機状態のときに高レベルになる信
号である。インバータL31およびL32の出力は、図4お
よび図7に示したように、それぞれφS、φCとしてスイ
ッチの制御に用いることができる。L33はNANDゲー
トであり、その入力はφSとデータ入力信号DINであ
る。待機状態のときはφSは低レベルであるから、DIN
の如何にかかわらずL33の出力は高レベル、従ってイン
バータL34の出力dINの出力は低レベルになる。一方、
動作状態のときは、SBが低レベルであるから、dIN
INに追随する。
[Embodiment 20] FIG. 26 is an example in which the present invention is applied to a well-known data input buffer in a memory LSI or the like. In the figure, SB is a signal that goes high in the standby state. The outputs of the inverters L 31 and L 32 can be used for controlling the switches as φ S and φ C , respectively, as shown in FIGS. 4 and 7. L 33 is a NAND gate, the inputs of which are φ S and the data input signal D IN . Since φ S is at a low level in the standby state, D IN
Regardless of the above, the output of L 33 is high, and thus the output of the output d IN of the inverter L 34 is low. on the other hand,
In the operating state, SB is at a low level, so d IN follows D IN .

【0097】NANDゲートL33とインバータL34につ
いては、それぞれVSS側、VCC側にスイッチと抵抗を
挿入することにより、サブスレッショルド電流を低減で
きる。インバータL31とL32についてはこの手法は使え
ないが、MOSトランジスタのしきい電圧を高くするこ
とにより、サブスレッショルド電流を低減できる。待機
状態と動作状態の切り換えにはそれほど高速性は要求さ
れないことが多いから、しきい電圧の高いMOSトラン
ジスタを用いても差し支えない。
For the NAND gate L 33 and the inverter L 34 , the subthreshold current can be reduced by inserting a switch and a resistor on the V SS side and the VCC side, respectively. This method cannot be used for the inverters L 31 and L 32 , but the subthreshold current can be reduced by increasing the threshold voltage of the MOS transistor. Since switching between the standby state and the operating state does not often require high speed, a MOS transistor having a high threshold voltage may be used.

【0098】以上、データ入力バッファについて述べた
が、アドレス信号その他の信号の入力バッファも同様で
ある。
Although the data input buffer has been described above, the same applies to the input buffers for address signals and other signals.

【0099】図18〜25の実施例は、簡単な回路でサ
ブスレッショルド電流を低減できるという利点がある反
面、サブスレッショルド電流低減が必要な時間帯、例え
ば待機状態における信号レベルが判っていなければ適用
できないという制約がある。従って、このときには、L
SI内のできるだけ多くのノードのレベルが確定するよ
うにすることが望ましい。このための手段としては、図
26の入力バッファのような回路を用いることによっ
て、このときの信号dINのレベルを低レベルに確定させ
ることができる。このレベルを確定させる方法として
は、この他に、例えば「待機状態のときはデータ入力端
子DINは低レベル(または高レベル)にする」という仕
様を定めておく方法もある。
The embodiments of FIGS. 18 to 25 have the advantage that the subthreshold current can be reduced by a simple circuit, but are applied when the signal level in the time zone where the subthreshold current reduction is required, for example, in the standby state is not known. There is a constraint that you cannot do it. Therefore, at this time, L
It is desirable to have as many levels of nodes in the SI as established. As a means for this, by using a circuit such as the input buffer in FIG. 26, the level of the signal d IN at this time can be fixed at a low level. In addition to this, as a method of determining this level, there is also a method of defining a specification that "the data input terminal D IN is set to a low level (or a high level) in the standby state".

【0100】図18〜図26の実施例は、メモリLSI
に適用するのに好適である。メモリLSIでは、待機状
態の時に高レベルであるか低レベルであるかが判ってい
るノードが比較的多く、さらに図26の入力バッファを
用いることによってほとんどのノードのレベルを確定さ
せられるからである。
The embodiment of FIGS. 18 to 26 is a memory LSI.
It is suitable to be applied to. This is because, in the memory LSI, there are relatively many nodes whose high level or low level is known in the standby state, and the levels of most nodes can be fixed by using the input buffer of FIG. .

【0101】マイクロプロセッサのようなランダムロジ
ックLSIなどにおいては、内部のレジスタの出力を固
定したり、リセット機能付きフリップフロップ回路など
の論理を追加して、問題となるノードの電圧を強制的に
固定することも有効である。図35に、出力を固定でき
るラッチ回路の構成例を示す。この回路は、通常のラッ
チ回路中のインバータをNAND回路で置き換えただけ
の簡単な構成である。図36に示すように、φSが高レ
ベルの間は通常のラッチ回路とし動作し、φSが低レベ
ルの間(スリープモード)は出力信号Qのレベルを高レ
ベルに確定させる。ここで、スリープモードとは、消費
電流低減のために、LSI全体もしくは回路ブロック単
位の動作を停止させるモードである。なお、スリープモ
ードの間、φtを低レベル,φbを高レベルにしておけ
ば、ラッチ回路自身のサブスレッショルド電流も低減で
きる。このラッチ回路を用いた場合、φSが低レベルに
なることによりノードN41が強制的に高レベルになるた
め、スリープモードによりレジスタの情報が消去され
る。しかし、CPU中の必要な情報を主記憶へ退避して
おき、スリープモード後にリセット状態から再開するよ
うな使い方、例えばノートパソコンで入力が一定時間無
いときに待機状態にするレジューム機能などでは問題な
い。図37は出力を強制的に固定できるラッチ回路の別
な構成例である。図38に示すように、この回路も、φ
Sが高レベルの間は通常のラッチ回路とし動作し、φS
低レベルの間は出力信号Qのレベルを高レベルに確定さ
せる。このラッチ回路は、φSが低レベルになってもノ
ードN41に影響しないため、スリープモードの間も情報
を保持できる。スリープモード解除後にスリープモード
前の状態からそのまま再開でき、CPUがタスクを実行
している間でもスリープモードにできる。そのため、ス
リープモードから比較的短時間で復帰するような場合に
好適である。
In a random logic LSI such as a microprocessor, the output of an internal register is fixed, or logic such as a flip-flop circuit with a reset function is added to forcibly fix the voltage of a node in question. It is also effective to do. FIG. 35 shows a configuration example of a latch circuit whose output can be fixed. This circuit has a simple configuration in which an inverter in a normal latch circuit is replaced with a NAND circuit. As shown in FIG. 36, while φ S is at a high level, it operates as a normal latch circuit, and while φ S is at a low level (sleep mode), the level of output signal Q is fixed at a high level. Here, the sleep mode is a mode in which the operation of the entire LSI or the circuit block unit is stopped in order to reduce current consumption. By setting φt to a low level and φb to a high level during the sleep mode, the subthreshold current of the latch circuit itself can be reduced. When this latch circuit is used, the node N 41 is forcibly set to the high level when φ S is set to the low level, and the information in the register is erased in the sleep mode. However, there is no problem in a method of saving necessary information in the CPU in the main memory and resuming from the reset state after the sleep mode, for example, a resume function of putting the notebook computer in a standby state when there is no input for a certain time. . FIG. 37 shows another example of the configuration of the latch circuit that can forcibly fix the output. As shown in FIG. 38, this circuit also has φ
While S is at a high level, it operates as a normal latch circuit, and while φ S is at a low level, the level of the output signal Q is fixed at a high level. Since this latch circuit does not affect the node N 41 even when φ S becomes low level, it can retain information even during the sleep mode. After the sleep mode is released, the state before the sleep mode can be resumed as it is, and the sleep mode can be set even while the CPU is executing the task. Therefore, it is suitable for returning from the sleep mode in a relatively short time.

【0102】図25、26の実施例は、LSIチップの
外部端子に対する入出力回路としてだけでなく、例えば
マイクロプロセッサの内部バスに対するドライバ/レシ
ーバとしても用いることができる。
The embodiments of FIGS. 25 and 26 can be used not only as an input / output circuit for an external terminal of an LSI chip but also as a driver / receiver for an internal bus of a microprocessor, for example.

【0103】〔実施例21〕これまでは本発明をCMO
S回路に適用した実施例について述べてきたが、本発明
は、単一極性のMOSトランジスタで構成された回路に
も適用できる。図27にNチャネルMOSトランジスタ
のみで構成された回路の例を示す。図中、PCはプリチ
ャージ信号、IN1、IN2は入力信号である。
[Embodiment 21] Up to now, the present invention has been applied to CMO.
Although the embodiment applied to the S circuit has been described, the present invention can also be applied to a circuit composed of a single-polarity MOS transistor. FIG. 27 shows an example of a circuit composed of only N-channel MOS transistors. In the figure, PC is a precharge signal, and IN 1 and IN 2 are input signals.

【0104】待機時、すなわちプリチャージ状態では、
PCが高レベル、IN1とIN2は低レベルであり、出力
OUTは高レベル(=VCC−VT)にプリチャージされ
ている。動作時には、PCが低レベルになった後、IN
1とIN2は高レベルになるかあるいは低レベルにとどま
る。IN1とIN2のうち少なくとも一方が高レベルにな
れば、OUTは低レベルになり、両方共低レベルにとど
まれば、OUTは高レベルのままである。すなわち、こ
の回路はIN1とIN2のNORを出力する回路である。
In the standby state, that is, in the precharge state,
PC is at high level, IN 1 and IN 2 are at low level, and the output OUT is precharged to high level (= V CC -V T ). In operation, after the PC goes low, IN
1 and IN 2 go high or stay low. If at least one of IN 1 and IN 2 goes high, OUT goes low, and if both stay low, OUT remains high. That is, this circuit is a circuit that outputs NOR of IN 1 and IN 2 .

【0105】この回路では、待機時にオフになっている
トランジスタは、VSS側のMN41、MN42であり、これら
のトランジスタにサブスレッショルド電流が流れる。従
って、この回路に本発明を適用するには、図に示すよう
に、VSS側にスイッチと抵抗を挿入すればよい。VCC
には不要である。
In this circuit, the transistors that are turned off during standby are M N41 and M N42 on the V SS side, and a subthreshold current flows through these transistors. Therefore, to apply the present invention to this circuit, a switch and a resistor may be inserted on the V SS side as shown in the figure. It is not necessary on the V CC side.

【0106】尚、ランダムロジックLSIのように複雑
な動作をするLSI等においては、例えば待機状態での
チップ内部の各ノードの論理(電圧)状態をデザインオ
ートメーション(DA)の手法を用いて求め、その結果
に応じて、DAで上述したスイッチと抵抗を挿入する位
置を自動的に決めることができる。
In an LSI having a complicated operation such as a random logic LSI, for example, a logic (voltage) state of each node inside the chip in a standby state is obtained by using a design automation (DA) method. According to the result, the position where the above-mentioned switch and resistor are inserted can be automatically determined by DA.

【0107】以上説明したように、本発明は、MOSト
ランジスタ回路およびそれで構成された半導体集積回路
の低消費電力化にきわめて有効である。半導体集積回路
の低消費電力化に対する要求は、最近特に強く、例えば
日経エレクトロニクス1991年9月2日号、第106
頁から第111頁には、低電力バックアップモードを有
するマイクロプロセッサシステムについて記載されてい
る。バックアップモードでは、クロックを停止させた
り、不要な部分への電源の供給を停止したりして、低消
費電力化を図っている。しかし、サブスレッショルド電
流の低減についてまでは考慮されていない。これらのプ
ロセッサシステムは3.3〜5Vで動作するために、十
分に高いしきい電圧のトランジスタが使えるので、サブ
スレッショルド電流は問題にならないほど小さい。しか
し、将来動作電圧が2Vあるいは1.5Vと低くなり、
しきい電圧も低くせざるを得なくなると、従来のCMO
S回路を使うやり方ではもはや過大なサブスレッショル
ド電流は低減できなくなる。本発明を、例えばレジュー
ム用回路(バックアップモードでも電源が供給されてい
る)に適用すれば、さらに低消費電力化が実現できる。
As described above, the present invention is extremely effective in reducing the power consumption of a MOS transistor circuit and a semiconductor integrated circuit composed of the MOS transistor circuit. Recently, the demand for low power consumption of semiconductor integrated circuits is particularly strong, and for example, Nikkei Electronics September 2, 1991, No. 106.
Pages 111 to 111 describe a microprocessor system having a low power backup mode. In the backup mode, the power consumption is reduced by stopping the clock and stopping the power supply to unnecessary parts. However, even the reduction of the subthreshold current is not considered. Since these processor systems operate at 3.3-5V, sufficiently high threshold voltage transistors can be used so that the subthreshold current is small enough not to be a problem. However, in the future the operating voltage will drop to 2V or 1.5V,
If the threshold voltage has to be lowered, the conventional CMO
The method of using the S circuit can no longer reduce the excessive subthreshold current. If the present invention is applied to, for example, a resume circuit (power is supplied even in the backup mode), further lower power consumption can be realized.

【0108】以上の例では、論理振幅が段数の増加とと
もに低下したり、入力信号の電圧レベルが予め判ってい
ない場合にはやや複雑な設計が必要であるといった問題
がある。図28は、これらを解決するもので、論理出力
が確定するまでの所要時間帯は、これまで述べてきたよ
うにスイッチをオンにして、通常の高速動作をさせる。
それ以外の時間帯では、スイッチをオフにすることによ
って、論理回路(図はCMOSインバータの例)のサブ
スレッショルド電流経路を遮断するものである。ただ
し、スイッチがオフになると電源電圧の供給路が断たれ
るため、論理回路の出力はフローティングとなり、論理
出力は確定しなくなる。そこで、その出力に、電圧レベ
ルを保持する一種のラッチ回路(レベルホールド回路)
を設けていることが特長である。レベルホールド回路に
しきい電圧の高いトランジスタなどを使えば、レベルホ
ールド回路のサブスレッショルド電流は無視できるほど
小さくなり、全体としてはサブスレッショルド電流は小
さくできる。遅延時間は、レベルホールド回路の影響は
小さく、論理回路により定まる。論理回路に駆動能力の
大きい高速な回路を用いても、待機状態では論理回路を
通じて電流が流れないため、消費電流はレベルホールド
回路を通じて流れる電流だけである。レベルホールド回
路は、出力を保持するだけなので駆動能力が小さくて良
く、消費電流は小さくできる。スイッチをオフにして
も、レベルホールド回路により論理回路の出力が保持さ
れるので、出力が反転する恐れが無く、安定に動作す
る。したがって、低消費電力で高速に安定動作を行う半
導体装置を実現できる。本発明によれば、電圧レベルが
常にレベルホールド回路で一定値に保証されるので、論
理段数の増加とともに論理振幅が低下することはない。
また、論理入力によらず効力を発揮する。
In the above example, there are problems in that the logic amplitude decreases with an increase in the number of stages, and when the voltage level of the input signal is not known in advance, a slightly complicated design is required. FIG. 28 shows a solution to these problems. In the required time period until the logic output is determined, the switch is turned on as described above, and normal high speed operation is performed.
In other time zones, the switch is turned off to cut off the subthreshold current path of the logic circuit (the example of the CMOS inverter is shown). However, when the switch is turned off, the supply path of the power supply voltage is cut off, so that the output of the logic circuit becomes floating and the logic output becomes uncertain. Therefore, a kind of latch circuit (level hold circuit) that holds the voltage level at its output
Is the feature. If a transistor with a high threshold voltage is used in the level hold circuit, the subthreshold current of the level hold circuit becomes so small that it can be ignored, and the subthreshold current can be made small as a whole. The delay time is less affected by the level hold circuit and is determined by the logic circuit. Even if a high-speed circuit having a large driving capability is used as the logic circuit, current does not flow through the logic circuit in the standby state, so the consumption current is only the current flowing through the level hold circuit. Since the level hold circuit only holds the output, it may have a small driving ability and a small current consumption. Even if the switch is turned off, since the output of the logic circuit is held by the level hold circuit, there is no risk of the output being inverted, and stable operation is achieved. Therefore, it is possible to realize a semiconductor device with low power consumption and stable operation at high speed. According to the present invention, since the voltage level is always guaranteed to be a constant value by the level hold circuit, the logic amplitude does not decrease as the number of logic stages increases.
Moreover, it is effective regardless of the logic input.

【0109】図28を用いてさらに本実施例を説明す
る。論理回路LCが、スイッチSWH及びSWLを介し
て、高電位の電源線VHH及び低電位の電源線VLLに
接続される。ここでVHHならびにVLLは、これまで
述べてきたVCC、VSSにそれぞれ対応させることもでき
る。論理回路LCの出力端子OUTには、レベルホール
ド回路LHが接続される。スイッチSWHとSWLは、
制御パルスCKで制御され、同時にオン,オフする。論
理回路LCは、インバータ、NAND回路、NOR回路
などの論理ゲートやフリップフロップ回路、あるいはそ
れら複数個の組合せで構成される。レベルホールド回路
LHは、正帰還回路により構成できる。
This embodiment will be further described with reference to FIG. The logic circuit LC is connected to the high-potential power supply line VHH and the low-potential power supply line VLL via the switches SWH and SWL. Here, VHH and VLL can also correspond to V CC and V SS described above. The level hold circuit LH is connected to the output terminal OUT of the logic circuit LC. The switches SWH and SWL are
It is controlled by the control pulse CK and turned on and off at the same time. The logic circuit LC is composed of a logic gate such as an inverter, a NAND circuit, a NOR circuit, a flip-flop circuit, or a combination thereof. The level hold circuit LH can be composed of a positive feedback circuit.

【0110】論理回路LCの動作は、スイッチSWH及
びSWLをオンにして行う。論理回路LCの入力INに
応じた出力OUTが確定した後、スイッチSWH及びS
WLをオフにして、論理回路LCを介したVHHからV
SSへの電流経路を遮断し、論理回路LCの出力をレベ
ルホールド回路LHにより保持する。
The operation of the logic circuit LC is performed by turning on the switches SWH and SWL. After the output OUT according to the input IN of the logic circuit LC is determined, the switches SWH and S
Turn off WL to VHH through V via logic circuit LC
The current path to SS is cut off, and the output of the logic circuit LC is held by the level hold circuit LH.

【0111】回路の遅延時間には、レベルホールド回路
LHの影響は小さく、論理回路LCにより定まる。論理
回路LCに駆動能力の大きい回路を用いて遅延時間の短
い高速な動作を行うことができる。例えば待機状態では
論理回路LCを通じて電流が流れないため、消費電流は
レベルホールド回路LHを通じて流れる電流だけであ
る。レベルホールド回路LHは、駆動能力が小さくて良
いので、消費電流は小さくできる。しかも、レベルホー
ルド回路LHにより論理回路LCの出力OUTが維持さ
れるため、誤動作の恐れがない。したがって、低消費電
力で高速に安定動作を行う回路を実現できる。
The delay time of the circuit is little affected by the level hold circuit LH and is determined by the logic circuit LC. It is possible to perform a high-speed operation with a short delay time by using a circuit having a large driving capability for the logic circuit LC. For example, since no current flows through the logic circuit LC in the standby state, the current consumption is only the current flowing through the level hold circuit LH. Since the level hold circuit LH may have a small driving capability, the current consumption can be reduced. Moreover, since the output OUT of the logic circuit LC is maintained by the level hold circuit LH, there is no risk of malfunction. Therefore, it is possible to realize a circuit that operates stably at high speed with low power consumption.

【0112】本発明をCMOSインバータに適用した実
施例を、図29に示す。NMOSトランジスタMN1,
PMOSトランジスタMP1が、それぞれ図28でのス
イッチSWL,SWHとして動作する。オフにしたとき
のリーク電流を小さくするため、トランジスタMN1,
MP1のしきい値電圧は十分大きくする。オン抵抗が大
きくならないようにチャネル幅/チャネル長を定める。
NMOSトランジスタMN1のゲートには制御パルスC
Kが、PMOSトランジスタMP1のゲートには制御パ
ルスCKBが入力される。CKBはCKの相補信号であ
る。NMOSトランジスタMN2とPMOSトランジス
タMP2からなるCMOSインバータINVを、MN
1,MP1に接続する。低電圧動作で駆動能力を大きく
するため、トランジスタMN2,MP2のしきい値電圧
は小さくする。インバータINVの出力端子OUTに
は、NMOSトランジスタMN3,MN4とPMOSト
ランジスタMP3,MP4からなるレベルホールド回路
LHが接続される。出力を保持している間の貫通電流を
小さくするため、トランジスタMN3,MN4,MP
3,MP4のしきい値電圧を十分大きくし、チャネル幅
/チャネル長を十分小さくする。電源電圧としきい値電
圧の数値例を挙げる。VLLを接地電位0Vとし、VH
Hを外部電源電圧1Vとする。NMOSトランジスタの
しきい値電圧は、MN2は0.2V,MN1とMN3及
びMN4は0.4Vとする。PMOSトランジスタのし
きい値電圧は、MP2は−0.2V,MP1とMP3及
びMP4は−0.4Vとする。
FIG. 29 shows an embodiment in which the present invention is applied to a CMOS inverter. NMOS transistor MN1,
The PMOS transistor MP1 operates as the switches SWL and SWH in FIG. 28, respectively. In order to reduce the leakage current when turned off, the transistors MN1,
The threshold voltage of MP1 is made sufficiently large. Determine the channel width / channel length so that the on-resistance does not increase.
A control pulse C is applied to the gate of the NMOS transistor MN1.
K, and the control pulse CKB is input to the gate of the PMOS transistor MP1. CKB is a complementary signal of CK. The CMOS inverter INV composed of the NMOS transistor MN2 and the PMOS transistor MP2 is connected to the MN
1, connect to MP1. The threshold voltage of the transistors MN2 and MP2 is set to be small in order to increase the driving capability by the low voltage operation. A level hold circuit LH including NMOS transistors MN3 and MN4 and PMOS transistors MP3 and MP4 is connected to the output terminal OUT of the inverter INV. Transistors MN3, MN4, MP
3, the threshold voltage of MP4 is made sufficiently large, and the channel width / channel length is made sufficiently small. Numerical examples of power supply voltage and threshold voltage will be given. Set VLL to ground potential 0V and set VH
H is an external power supply voltage of 1V. The threshold voltage of the NMOS transistor is 0.2V for MN2 and 0.4V for MN1, MN3 and MN4. The threshold voltage of the PMOS transistor is -0.2V for MP2 and -0.4V for MP1, MP3 and MP4.

【0113】図30に示すタイミング図を用いて、動作
を説明する。まず、制御パルスCKをVHHに上げ、C
KBをVLLに下げて、トランジスタMN1,MP1を
オンにして、インバータINVをVHH,VLLに接続
する。入力信号INがVLLからVHHに上がることに
より、MP2がオフにMN2がオンになり、出力OUT
がVHHからVLLに放電される。トランジスタMN2
は飽和領域で導通を始め、MN2を流れる電流値はゲー
ト(入力端子IN)−ソース(ノードNL)間の電圧で
定まる。トランジスタMN1がノードNLとVLLとの
間に設けられているので、MN1のオン抵抗とMN2か
ら流れる電流によりノードNLの電位が一時的に上昇す
る。しかし、MN1のゲートはVHHとなっているの
で、しきい値電圧が大きくても、オン抵抗が十分小さく
なるように設計することができ、遅延時間に対する影響
を小さくできる。また、出力OUTがVLLに反転する
とき、レベルホールド回路LHは出力OUTをVHHに
保つように、MN4がオフにMP4がオンになってい
る。そのため、MN2がオンになることによりVHHか
らMP4,MN2を通じてVLLに貫通電流が流れる
が、MN2に比べてMP4の駆動能力を小さく設計する
ことにより、遅延時間や消費電流に対する影響は小さ
い。出力OUTが下がることにより、MN3がオフにM
P3がオンになり、レベルホールド回路内のノードNL
HがVLLからVHHに反転し、MN4がオンにMP4
がオフになって、レベルホールド回路LHは出力OUT
をVLLに保つように動作し、貫通電流は流れなくな
る。MP2はゲート,ソースが共にVHHなのでオフで
あるが、しきい値電圧が小さいため、リーク電流が大き
く貫通電流がインバータINVを通じて流れる。そし
て、制御パルスCKをVLLに下げ、CKBをVHHに
上げて、トランジスタMN1,MP1をオフにして、イ
ンバータINVをVHH,VLLから分離する。このと
き、MN1,MP1はゲート,ソースが等電位で、しき
い値電圧が大きいため完全にオフになる。レベルホール
ド回路LHの正帰還により、出力OUTはVHHに保た
れる。このとき、NMOSトランジスタMN2がオンな
ので、ノードNLはVLLに保たれる。一方、ノードN
Hから出力端子OUTへのPMOSトランジスタMP2
のリーク電流のため、ノードNHの電圧は低下し始め
る。そして、MP2はゲート電位よりもソース電位が下
がり完全にオフとなる。その結果、待機状態でインバー
タINVの貫通電流は流れない。そして、入力信号IN
が変化する前に、制御パルスCKをVHHに上げ、CK
BをVLLに下げて、トランジスタMN1,MP1をオ
ンにして、ノードNHをVHHにする。入力INがVH
HからVLLに反転することにより、出力OUTがVL
LからVHHに反転する。
The operation will be described with reference to the timing chart shown in FIG. First, the control pulse CK is raised to VHH, and C
KB is lowered to VLL, the transistors MN1 and MP1 are turned on, and the inverter INV is connected to VHH and VLL. When the input signal IN rises from VLL to VHH, MP2 turns off and MN2 turns on, and the output OUT
Is discharged from VHH to VLL. Transistor MN2
Starts conducting in a saturation region, and the current value flowing through MN2 is determined by the voltage between the gate (input terminal IN) and the source (node NL). Since the transistor MN1 is provided between the node NL and VLL, the potential of the node NL temporarily rises due to the ON resistance of MN1 and the current flowing from MN2. However, since the gate of MN1 is at VHH, the ON resistance can be designed to be sufficiently small even if the threshold voltage is large, and the influence on the delay time can be reduced. Further, when the output OUT is inverted to VLL, the level hold circuit LH keeps the output OUT at VHH so that MN4 is turned off and MP4 is turned on. Therefore, when MN2 is turned on, a through current flows from VHH to VLL through MP4 and MN2, but by designing the driving capability of MP4 to be smaller than that of MN2, the influence on the delay time and current consumption is small. The output OUT goes down, turning off MN3.
P3 turns on, and the node NL in the level hold circuit
H reverses from VLL to VHH and MN4 turns on MP4
Is turned off, and the level hold circuit LH outputs the output OUT.
So as to keep VLL at VLL, no through current flows. MP2 is off because the gate and the source are both VHH, but the threshold voltage is small, so the leak current is large and the through current flows through the inverter INV. Then, the control pulse CK is lowered to VLL, CKB is raised to VHH, the transistors MN1 and MP1 are turned off, and the inverter INV is separated from VHH and VLL. At this time, the gates and sources of MN1 and MP1 have the same potential and the threshold voltage is large, so that they are completely turned off. The output OUT is kept at VHH by the positive feedback of the level hold circuit LH. At this time, since the NMOS transistor MN2 is on, the node NL is kept at VLL. On the other hand, node N
PMOS transistor MP2 from H to output terminal OUT
Due to the leak current of the node NH, the voltage of the node NH starts to drop. Then, MP2 has a source potential lower than the gate potential and is completely turned off. As a result, the through current of the inverter INV does not flow in the standby state. Then, the input signal IN
Control pulse CK to VHH before CK changes
B is lowered to VLL, the transistors MN1 and MP1 are turned on, and the node NH is set to VHH. Input IN is VH
By inverting from H to VLL, the output OUT becomes VL
Invert from L to VHH.

【0114】インバータINVとレベルホールド回路L
Hを通じて貫通電流が流れる期間が短くなるように、レ
ベルホールド回路LHが出力OUTにすばやく追従する
のが望ましい。そのため、インバータINVとレベルホ
ールド回路LHは近接して配置し、配線遅延を小さくす
る。
Inverter INV and level hold circuit L
It is desirable that the level hold circuit LH quickly follow the output OUT so that the period during which the through current flows through H becomes short. Therefore, the inverter INV and the level hold circuit LH are arranged close to each other to reduce the wiring delay.

【0115】本実施例から明らかなように、スイッチと
して用いるMOSトランジスタのしきい値電圧を、従来
サブスレッショルド電流を小さくするために必要とされ
ている0.4V程度以上にすれば、待機状態の貫通電流
を増加させずに、論理回路中のMOSトランジスタのし
きい値電圧を小さくすることができる。動作電圧を1V
以下に低電圧化しても、MOSトランジスタのしきい値
電圧を0.25V以下にして駆動能力を確保できる。し
たがって、低電圧化による低消費電力化が実現できる。
また、従来のスケーリング則に基づき、素子のスケーリ
ングによる性能向上が実現できる。しかも、スイッチと
レベルホールド回路を負荷すること以外は、従来のCM
OS論理回路と同じ構成であるので、従来と同じ設計手
法を用いることができる。
As is apparent from this embodiment, when the threshold voltage of the MOS transistor used as a switch is set to about 0.4 V or more, which is conventionally required to reduce the subthreshold current, the standby state is set. The threshold voltage of the MOS transistor in the logic circuit can be reduced without increasing the through current. Operating voltage is 1V
Even if the voltage is lowered below, the driving capability can be secured by setting the threshold voltage of the MOS transistor to 0.25 V or less. Therefore, lower power consumption can be realized by lowering the voltage.
Further, based on the conventional scaling rule, performance improvement can be realized by scaling the element. Moreover, except for loading the switch and the level hold circuit, the conventional CM
Since the configuration is the same as that of the OS logic circuit, the same design method as the conventional one can be used.

【0116】図31は、本発明をCMOSインバータチ
ェーンに適用した実施例を示している。図29に示した
1段のインバータにスイッチ2個とレベルホールド回路
も設けた構成を多段接続すればインバータチェーンが実
現できるが、本実施例はスイッチやレベルホールド回路
を複数のインバータで共有して、素子数及び面積を小さ
くした例である。ここでは4段のインバータチェーンの
場合を例にとるが、他の段数の場合も同様に構成され
る。4個のインバータINV1,INV2,INV3,
INV4が直列接続される。最終段のインバータINV
4の出力端子OUTにレベルホールド回路LHが接続さ
れる。各インバータは、図29中のINVと同様にPM
OSトランジスタとNMOSトランジスタ1個ずつで構
成される。各インバータのトランジスタサイズは、同じ
であっても異なっていても良い。ドライバとしてよく用
いられるように、チャネル長を同じにして、一定の段間
でチャネル幅をINV1,INV2,INV3,INV
4の順に大きくしていくこともできる。各インバータの
PMOSトランジスタのソースはノードNHに、NMO
SトランジスタのソースはノードNLに接続される。ノ
ードNLと低レベルの電源VLLとの間にスイッチSW
Lが、ノードNHと高レベルの電源VHHとの間にスイ
ッチSWHが設けられる。スイッチSWLとSWHは制
御パルスCKにより制御され、同時にオン,オフする。
図29に示したように、スイッチSWLはNMOSトラ
ンジスタで、SWHはCKの相補信号をゲートに入力し
たPMOSトランジスタで実現される。
FIG. 31 shows an embodiment in which the present invention is applied to a CMOS inverter chain. An inverter chain can be realized by connecting a configuration in which two switches and a level hold circuit are provided to the one-stage inverter shown in FIG. 29 in multiple stages, but in this embodiment, the switch and the level hold circuit are shared by a plurality of inverters. In this example, the number of elements and the area are reduced. Here, the case of a four-stage inverter chain is taken as an example, but the case of other numbers of stages is similarly configured. Four inverters INV1, INV2, INV3
INV4 is connected in series. Final stage inverter INV
The level hold circuit LH is connected to the output terminal OUT of No. 4. Each inverter has a PM like the INV in FIG.
It is composed of one OS transistor and one NMOS transistor. The transistor size of each inverter may be the same or different. As is often used as a driver, the channel length is made the same and the channel width is set to INV1, INV2, INV3, INV at certain stages.
It can be increased in the order of 4. The source of the PMOS transistor of each inverter is connected to the node NH and the NMO
The source of the S transistor is connected to the node NL. A switch SW is provided between the node NL and the low level power supply VLL.
A switch SWH is provided between the node NH and the high-level power supply VHH. The switches SWL and SWH are controlled by the control pulse CK, and are turned on and off at the same time.
As shown in FIG. 29, the switch SWL is realized by an NMOS transistor, and the SWH is realized by a PMOS transistor whose gate receives a complementary signal of CK.

【0117】インバータチェーンの動作は、スイッチS
WL,SWHをオンにして行う。例えば、入力INが低
レベルVLLから高レベルVHHに反転すると、インバ
ータINV1によりノードN1がVHHからVLLに反
転し、INV2によりノードN2がVLLからVHHに
反転し、INV3によりノードN3がVHHからVLL
に反転し、INV4により出力端子OUTがVLLから
VHHに反転する。OUTがVHHに確定すると、レベ
ルホールド回路LHはOUTをVHHに保つように動作
する。待機状態では、スイッチSWL,SWHをオフに
することにより、インバータを介したVHHからVLL
への電流経路を遮断する。
The operation of the inverter chain is the switch S.
Perform by turning on WL and SWH. For example, when the input IN is inverted from the low level VLL to the high level VHH, the inverter INV1 inverts the node N1 from VHH to VLL, INV2 inverts the node N2 from VLL to VHH, and INV3 inverts the node N3 from VHH to VLL.
And the output terminal OUT is inverted from VLL to VHH by INV4. When OUT is set to VHH, the level hold circuit LH operates to keep OUT at VHH. In the standby state, by turning off the switches SWL and SWH, VHH to VLL via the inverter is turned on.
Cut off the current path to.

【0118】インバータチェーンに本発明を適用する場
合、本実施例の様にインバータチェーンをまとめて一つ
の論理回路として取扱うことにより、その出力端子にの
みレベルホールド回路を設ければ良い。また、スイッチ
SWL,SWHを複数のインバータで共有できる。スイ
ッチSWL、SWHの大きさは、流れるピーク電流の大
きさで決定される。複数個のインバータを流れる電流和
のピークは、各インバータのピーク電流での和よりも小
さくなる。例えば、段間比を3としてインバータチェー
ンを構成する場合、電流和のピークは最終段のピーク電
流にほぼ同じになる。したがって、複数のインバータで
スイッチを共有する方が、インバータごとにスイッチを
設ける場合に比べて、スイッチの面積が小さくて済む。
When the present invention is applied to the inverter chain, it is sufficient to provide the level hold circuit only at the output terminal by treating the inverter chain as one logic circuit as a whole as in the present embodiment. Further, the switches SWL and SWH can be shared by a plurality of inverters. The sizes of the switches SWL and SWH are determined by the size of the peak current that flows. The peak of the sum of the currents flowing through the plurality of inverters is smaller than the sum of the peak currents of the respective inverters. For example, when an inverter chain is configured with an interstage ratio of 3, the peak of the current sum is almost the same as the peak current of the final stage. Therefore, sharing the switch among a plurality of inverters requires a smaller switch area than a case where a switch is provided for each inverter.

【0119】図32は、本発明をインバータチェーンに
適用した別の実施例を示している。図31と同様に4段
のインバータチェーンの場合を例にとるが、他の段数の
場合も同様に構成される。4個のインバータINV1,
INV2,INV3,INV4が直列接続される。イン
バータINV3の出力端子でINV4の入力端子である
ノードN3とINV4の出力端子OUTに、それぞれレ
ベルホールド回路LH3,LH4が接続される。各イン
バータは、図29中のINVと同様にPMOSトランジ
スタとNMOSトランジスタ1個ずつで構成される。奇
数番目のインバータINV1,INV3はノードNL1
及びNH1に、偶数番目のインバータINV2,INV
4はノードNL2及びNH2に接続される。ノードNL
1,NL2と低レベルの電源VLLとの間にそれぞれス
イッチSWL1,SWL2が、ノードNH1,NH2と
高レベルの電源VHHとの間にそれぞれスイッチSWH
1,SWH2が設けられる。スイッチSWL1,SWL
2とSWH1,SWH2は制御パルスCKにより制御さ
れ、同時にオン,オフする。
FIG. 32 shows another embodiment in which the present invention is applied to an inverter chain. Similar to FIG. 31, the case of an inverter chain with four stages is taken as an example, but the case of other numbers of stages is similarly configured. 4 inverters INV1,
INV2, INV3, INV4 are connected in series. Level hold circuits LH3 and LH4 are connected to a node N3 which is an output terminal of the inverter INV3 and an input terminal of INV4 and an output terminal OUT of INV4, respectively. Each inverter is composed of one PMOS transistor and one NMOS transistor, similar to INV in FIG. The odd-numbered inverters INV1 and INV3 are connected to the node NL1.
And NH1 to even-numbered inverters INV2, INV
4 is connected to the nodes NL2 and NH2. Node NL
1, NL2 between the low level power supply VLL and the switches SWL1 and SWL2, and the high level power supply VHH between the nodes NH1 and NH2 and the switch SWH, respectively.
1, SWH2 are provided. Switches SWL1, SWL
2 and SWH1 and SWH2 are controlled by a control pulse CK and are turned on and off at the same time.

【0120】インバータの動作は、スイッチSWL1,
SWL2,SWH1,SWH2をオンにして行う。例え
ば、入力INが低レベルVLLから高レベルVHHに反
転すると、ノードN1がVHHからVLLに、ノードN
2がVLLからVHHに、ノードN3がVHHからVL
Lに、INV4により出力端子OUTがVLLからVH
Hに順次反転する。N3がVLLに確定すると、レベル
ホールド回路LH1はN3をVLLに保つように動作す
る。また、OUTがVHHに確定すると、レベルホール
ド回路LHはOUTをVHHに保つように動作する。た
とえば待機状態では、スイッチSWL1,SWL2,S
WH1,SWH2をオフにすることにより、インバータ
を介したVHHからVLLへの電流経路を遮断する。こ
のとき、ノードN3がレベルホールド回路LH3により
低レベルVLLに保たれるため、ノードNL1もインバ
ータINV3を通じてVLLに保たれる。さらに、イン
バータINV1を通じてノードN1がVLLに保たれ
る。同様に、出力端子OUTがレベルホールド回路LH
4により高レベルVHHに保たれることにより、ノード
NH2及びN2もVHHに保たれる。したがって、イン
バータ間を接続するノードがVHHとVLLのいずれか
に保たれる。
The operation of the inverter is the switch SWL1,
This is performed by turning on SWL2, SWH1, and SWH2. For example, when the input IN is inverted from the low level VLL to the high level VHH, the node N1 changes from VHH to VLL and the node N
2 from VLL to VHH, node N3 from VHH to VL
Output terminal OUT goes from VLL to VH by INV4
Invert to H sequentially. When N3 is determined to be VLL, the level hold circuit LH1 operates to keep N3 at VLL. When OUT is set to VHH, the level hold circuit LH operates to keep OUT at VHH. For example, in the standby state, the switches SWL1, SWL2, S
By turning off WH1 and SWH2, the current path from VHH to VLL via the inverter is cut off. At this time, since the node N3 is kept at the low level VLL by the level hold circuit LH3, the node NL1 is also kept at VLL through the inverter INV3. Further, the node N1 is kept at VLL through the inverter INV1. Similarly, the output terminal OUT has a level hold circuit LH.
By being kept at the high level VHH by 4, the nodes NH2 and N2 are also kept at VHH. Therefore, the node connecting the inverters is maintained at either VHH or VLL.

【0121】以上のように、スイッチを2組設け、奇数
番目のインバータと偶数番目のインバータとを違うスイ
ッチに接続し、奇数番目のインバータのいずれかの出力
端子と偶数番目のインバータのいずれかの出力端子と
に、それぞれレベルホールド回路を接続することによ
り、インバータ間のノードN1,N2,N3が全て高レ
ベルと低レベルのいずれかに保たれる。待機状態が長く
続いてもインバータの入力が中間レベルとならないため
安定に動作し、スイッチをオンにしたときに情報が反転
したり貫通電流が流れたりする恐れがない。
As described above, two sets of switches are provided, the odd-numbered inverters and the even-numbered inverters are connected to different switches, and any output terminal of the odd-numbered inverters and any one of the even-numbered inverters are connected. By connecting the level hold circuits to the output terminals, all the nodes N1, N2, N3 between the inverters are maintained at either the high level or the low level. Even if the standby state continues for a long time, the input of the inverter does not reach the intermediate level, so that the operation is stable, and there is no fear that information will be inverted or a through current will flow when the switch is turned on.

【0122】以上本発明を、CMOSインバータやイン
バータチェーンに適用した実施例を示しながら説明して
きたが、論理回路にスイッチとレベルホールド回路を負
荷して低消費電力で高速に安定動作を行うという本発明
の趣旨を逸脱しないかぎり、これまでに述べた実施例に
限定されるものではない。
The present invention has been described above with reference to the embodiments applied to the CMOS inverters and the inverter chains. However, a book in which a switch and a level hold circuit are loaded in a logic circuit to perform stable operation at low power consumption and at high speed The present invention is not limited to the embodiments described above without departing from the spirit of the invention.

【0123】例えば、本発明をCMOSインバータに適
用した別の実施例を図33に示す。図29に示した実施
例では、スイッチとして動作するトランジスタMN1,
MP2をCMOSインバータINVと電源VLL,VH
Hとの間に設けている。それに対して、本実施例ではN
MOSトランジスタとPMOSトランジスタとの間に設
ける。
For example, another embodiment in which the present invention is applied to a CMOS inverter is shown in FIG. In the embodiment shown in FIG. 29, the transistor MN1, which operates as a switch,
MP2 is a CMOS inverter INV and power supplies VLL and VH
It is provided between H and. On the other hand, in this embodiment, N
It is provided between the MOS transistor and the PMOS transistor.

【0124】2個のNMOSトランジスタMN2,MN
1と2個のPMOSトランジスタMP1,MP2が直列
に、低レベルの電源VLLと高レベルの電源VHHの間
に接続される。NMOSトランジスタMN1,PMOS
トランジスタMP1は、スイッチとして動作する。オフ
にしたときのリーク電流を小さくするため、トランジス
タMN1,MP1のしきい値電圧は大きくする。NMO
SトランジスタMN1のゲートには制御パルスCKが、
PMOSトランジスタMP1のゲートにはCKの相補信
号の制御パルスCKBが入力される。NMOSトランジ
スタMN2とPMOSトランジスタMP2は、ゲートが
入力端子INに接続され、CMOSインバータとして動
作する。低電圧動作で駆動能力を大きくするため、トラ
ンジスタMN1,MP1のしきい値電圧は小さくする。
出力端子OUTには、図29と同様に構成されたレベル
ホールド回路LHが接続される。
Two NMOS transistors MN2 and MN
One and two PMOS transistors MP1 and MP2 are connected in series between a low level power supply VLL and a high level power supply VHH. NMOS transistors MN1 and PMOS
The transistor MP1 operates as a switch. The threshold voltage of the transistors MN1 and MP1 is increased to reduce the leakage current when turned off. NMO
A control pulse CK is applied to the gate of the S transistor MN1,
The control pulse CKB of the complementary signal of CK is input to the gate of the PMOS transistor MP1. The gates of the NMOS transistor MN2 and the PMOS transistor MP2 are connected to the input terminal IN and operate as a CMOS inverter. The threshold voltage of the transistors MN1 and MP1 is set to be small in order to increase the driving capability in the low voltage operation.
The output terminal OUT is connected to the level hold circuit LH configured similarly to FIG.

【0125】図29に示した実施例と同様に、動作を行
う。制御パルスCK,CKBにより、トランジスタMN
1,MP1をオンにして、トランジスタMN2,MP2
をCMOSインバータとして動作させる。例えば、入力
INが低レベルVLLから高レベルVHHに反転する
と、それまでオフであったトランジスタMN2が導通し
始め飽和領域で動作する。このときMN2の電流値はゲ
ート−ソース間の電圧で定まる。本実施例では、トラン
ジスタMN1がMN2と出力端子OUTとの間に設けら
れているので、MN1のオン抵抗はMN2のドレインに
接続される。そのため、MN1のオン抵抗の、MN2の
電流値に対する影響は小さい。出力OUTが確定後、ト
ランジスタMN1,MP1をオフにして、貫通電流を防
止し、レベルホールド回路LHにより出力OUTを維持
する。
The operation is performed in the same manner as the embodiment shown in FIG. Transistor MN by control pulse CK, CKB
1, MP1 is turned on to turn on the transistors MN2 and MP2
To operate as a CMOS inverter. For example, when the input IN is inverted from the low level VLL to the high level VHH, the transistor MN2, which has been off until then, starts conducting and operates in the saturation region. At this time, the current value of MN2 is determined by the gate-source voltage. In this embodiment, since the transistor MN1 is provided between the MN2 and the output terminal OUT, the ON resistance of MN1 is connected to the drain of MN2. Therefore, the influence of the on-resistance of MN1 on the current value of MN2 is small. After the output OUT is determined, the transistors MN1 and MP1 are turned off to prevent a shoot-through current, and the level hold circuit LH maintains the output OUT.

【0126】本実施例のようにスイッチを論理回路の出
力端子側に挿入すると、スイッチを複数の論理ゲートで
共有することは出来ないが、スイッチのオン抵抗の影響
が小さい。スイッチとして用いるトランジスタが同じ場
合、図29に示した実施例の様にスイッチを論理回路の
電源側に設ける場合に比べて、遅延時間が短くなる。あ
るいは、遅延時間が同じになるように設計すると、スイ
ッチとして用いるトランジスタのチャネル幅/チャネル
長が小さくて済み、その面積を小さくできる。
When the switch is inserted into the output terminal side of the logic circuit as in the present embodiment, the switch cannot be shared by a plurality of logic gates, but the influence of the ON resistance of the switch is small. When the transistors used as switches are the same, the delay time becomes shorter than when the switches are provided on the power supply side of the logic circuit as in the embodiment shown in FIG. Alternatively, if the delay time is designed to be the same, the transistor used as a switch can have a small channel width / channel length, and the area thereof can be reduced.

【0127】図34は、レベルホールド回路の別な構成
例である。このレベルホールド回路を、図29に示した
実施例でNMOSトランジスタMN3,MN4とPMO
SトランジスタMP3,MP4で構成されているレベル
ホールド回路LHと置き換えて、用いた場合について説
明する。
FIG. 34 shows another configuration example of the level hold circuit. This level hold circuit is used for the NMOS transistors MN3, MN4 and PMO in the embodiment shown in FIG.
A case in which the level hold circuit LH configured by the S transistors MP3 and MP4 is replaced and used will be described.

【0128】このレベルホールド回路は、それぞれ3個
のNMOSトランジスタMN3,MN4,MN5とPM
OSトランジスタMP3,MP4,MP5で構成され
る。待機状態でのリーク電流を低減するため、各トラン
ジスタのしきい値電圧は大きくする。例えば、NMOS
トランジスタは0.4V,PMOSトランジスタは−
0.4Vとする。MN3,MP3はインバータを構成し
ており、MN4,MN5,MP4,MP5はスイッチン
グインバータを構成している。MN5のゲートには制御
パルスCKBが、MP5のゲートには制御パルスCKが
入力される。 動作タイミングは、図29に示したレベ
ルホールド回路LHを用いた場合と同じで、図30に示
したとおりである。制御パルスCKを高レベルVHHに
上げ、CKBを低レベルVLLに下げてインバータIN
Vを動作させる。この時、レベルホールド回路で、トラ
ンジスタMN5,MP5がオフとなる。そのため、出力
OUTが反転するときに、インバータINVとレベルホ
ールド回路を通じて貫通電流が流れることがなく、遅延
時間と消費電流が小さくて済む。待機状態では、制御パ
ルスCKを低レベルVLLに下げ、CKBを高レベルV
HHに上げてインバータINVを電源VLL,VHHか
ら切り離す。この時、レベルホールド回路で、トランジ
スタMN5,MP5がオンとなり、正帰還により出力O
UTが保持される。
This level hold circuit has three NMOS transistors MN3, MN4, MN5 and PM respectively.
It is composed of OS transistors MP3, MP4 and MP5. The threshold voltage of each transistor is increased in order to reduce the leak current in the standby state. For example, NMOS
Transistor 0.4V, PMOS transistor-
It is set to 0.4V. MN3 and MP3 form an inverter, and MN4, MN5, MP4 and MP5 form a switching inverter. The control pulse CKB is input to the gate of MN5, and the control pulse CK is input to the gate of MP5. The operation timing is the same as in the case of using the level hold circuit LH shown in FIG. 29, and is as shown in FIG. The control pulse CK is raised to the high level VHH, CKB is lowered to the low level VLL, and the inverter IN
Operate V. At this time, the transistors MN5 and MP5 are turned off in the level hold circuit. Therefore, when the output OUT is inverted, a through current does not flow through the inverter INV and the level hold circuit, and the delay time and current consumption can be reduced. In the standby state, the control pulse CK is lowered to the low level VLL and CKB is changed to the high level VLL.
It is raised to HH to disconnect the inverter INV from the power supplies VLL and VHH. At this time, in the level hold circuit, the transistors MN5 and MP5 are turned on, and the output O
The UT is retained.

【0129】このように、レベルホールド回路をインバ
ータとスイッチングインバータの組合せで構成すること
により、トランジスタが2個増えるが、論理回路とレベ
ルホールド回路が競合することが無くなり、遅延時間と
消費電流が小さくて済む。また、レベルホールド回路の
駆動能力を大きくしてもよく、出力端子でのリークが大
きい場合でも出力が変動する恐れがなく安定動作ができ
る。
By thus configuring the level hold circuit with the combination of the inverter and the switching inverter, the number of transistors is increased by two, but the logic circuit and the level hold circuit do not conflict with each other, and the delay time and current consumption are small. Complete. Further, the drive capability of the level hold circuit may be increased, and stable operation can be performed without fear of fluctuation of the output even when the leak at the output terminal is large.

【0130】図39は、2相クロックで論理動作を行う
論理回路に適用した実施例である。通常のマイクロプロ
セッサ等のLSIでは、チップ内の論理動作のほとんど
が2相クロックで同期をとって行なわれることが多い。
論理回路をLC1,LC2の二つに分け、各々の出力に
はクロックCK1b,CK2bで制御されるラッチ回路
LT1,LT2を付加する。本実施例では、ラッチ回路
LT1,LT2がレベルホールド回路の役割を果たす。
ここで、LC1,LC2は1個の論理ゲートもしくは複
数の論理ゲートからなる組合せ論理回路である。二つの
論理回路LC1,LC2はクロックに同期して交互に動
作を行うので、スイッチSWH1とSWL1,SWH2
とSWL2をクロックによって交互にオン,オフし、動
作を行わない論理回路のサブスレッショルド電流を遮断
する。本実施例を用いれば低動作電圧でしかもサブスレ
ッショルド電流の小さい低電力LSIが実現できる。
FIG. 39 shows an embodiment applied to a logic circuit which performs a logical operation with a two-phase clock. In a typical LSI such as a microprocessor, most of the logical operations in the chip are performed in synchronization with a two-phase clock.
The logic circuit is divided into two circuits LC1 and LC2, and latch circuits LT1 and LT2 controlled by clocks CK1b and CK2b are added to the respective outputs. In this embodiment, the latch circuits LT1 and LT2 function as a level hold circuit.
Here, LC1 and LC2 are combination logic circuits each including one logic gate or a plurality of logic gates. Since the two logic circuits LC1 and LC2 operate alternately in synchronization with the clock, the switches SWH1 and SWL1 and SWH2
And SWL2 are alternately turned on and off by a clock to cut off the subthreshold current of the logic circuit which does not operate. Using this embodiment, a low power LSI with a low operating voltage and a small subthreshold current can be realized.

【0131】図40に示す具体的回路例と、図41に示
すその制御クロックのタイミングを用いて、動作を説明
する。ここでは、簡単のため論理回路LC1,LC2と
してインバータ1個ずつを示している。また、ラッチ回
路LT1,LT2としては図34に示したレベルホール
ド回路を用いているが、図29に示した回路を用いても
良い。クロックCK1t,CK2tは互いに重なること
無く交互に高レベルになる。クロックCK1b,CK2
bは、それぞれCK1t,CK2tを反転させた信号で
ある。ここで、論理回路LC1,LC2を構成するMO
Sトランジスタのしきい電圧を低くしておけば高速動作
が可能である。一方、クロックがゲートに入力されるM
OSトランジスタは、オフ時にサブスレッショルド電流
を遮断できなければならない。そのためには、しきい電
圧を高くするか、あるいはクロックの高レベルをVHH
よりも高く,低レベルをVLLよりも低くすればよい。
The operation will be described with reference to the specific circuit example shown in FIG. 40 and the control clock timing shown in FIG. Here, for simplicity, one inverter is shown as each of the logic circuits LC1 and LC2. Further, although the level hold circuit shown in FIG. 34 is used as the latch circuits LT1 and LT2, the circuit shown in FIG. 29 may be used. The clocks CK1t and CK2t are alternately set to the high level without overlapping each other. Clocks CK1b and CK2
b is a signal obtained by inverting CK1t and CK2t. Here, the MO that constitutes the logic circuits LC1 and LC2.
High-speed operation is possible if the threshold voltage of the S transistor is kept low. On the other hand, the clock M is input to the gate.
The OS transistor must be able to cut off the subthreshold current when it is off. To do so, either increase the threshold voltage or set the high level of the clock to VHH.
Higher and lower levels lower than VLL.

【0132】動作モードでは、CK1tが高レベルの
間、論理回路LC1が動作を行う。このとき、CK2t
は低レベルなので、ラッチ回路LT2はLC1の入力と
なる情報を保持している。また、論理回路LC2は動作
を行わなくても良いので、トランジスタMP12及びM
N12をオフにしてサブスレッショルド電流を遮断す
る。CK2tが高レベルの間は逆に、LT2は情報を保
持し、LC2が動作を行うので、LC1のサブスレッシ
ョルド電流を遮断することができる。すなわち、常にL
C1とLC2のいずれか一方の電流を遮断できるので、
サブスレッショルド電流は従来の半分になる。
In the operation mode, the logic circuit LC1 operates while CK1t is at the high level. At this time, CK2t
Is low level, the latch circuit LT2 holds information to be input to LC1. In addition, since the logic circuit LC2 does not have to operate, the transistors MP12 and M
Turn off N12 to shut off the subthreshold current. On the contrary, while CK2t is at the high level, LT2 retains information and LC2 operates, so that the subthreshold current of LC1 can be cut off. That is, always L
Since the current of either one of C1 and LC2 can be cut off,
The subthreshold current is half that of the conventional one.

【0133】最近の3.3Vから5Vで動作するマイク
ロプロセッサでは、前述したように低電力化するため
に、低電力バックアップモード(スリープモード)など
では不必要な回路へのクロックの印加を停止させ充放電
電流を低減したりしている。本実施例では、図41に示
すように、スリープモードの間クロックCK1t,CK
2tをともに低レベルにすることにより、トランジスタ
MP11及びMN11,MP12及びMN12がいずれ
もオフになり、論理回路LC1,LC2の両方の貫通電
流が遮断される。そのため、スリープモードでは動作モ
ードよりも、サブスレッショルド電流を低減する効果が
さらに大きい。
In a recent microprocessor operating from 3.3V to 5V, in order to reduce the power consumption as described above, in a low power backup mode (sleep mode), application of a clock to an unnecessary circuit is stopped. It also reduces the charge / discharge current. In this embodiment, as shown in FIG. 41, the clocks CK1t and CK during the sleep mode are used.
By setting both 2t to a low level, the transistors MP11 and MN11, MP12 and MN12 are all turned off, and the through currents of both the logic circuits LC1 and LC2 are cut off. Therefore, the sleep mode is more effective in reducing the subthreshold current than the operation mode.

【0134】図42は、本発明の別の実施例を示す図で
あって、ゲートアレイに適用した例である。ゲートアレ
イはデジタル論理回路であるので、既に示した実施例を
適用してサブスレッショルド電流を低減することが可能
である。しかし、一般にゲートアレイでは、以下に述べ
るように、論理回路を構成する際、使用せずに不活性化
されるゲートが発生する。図42(A)は、2入力NANDを
基本セルにするゲートアレイの1回路ブロックに於て
(B)に示す論理を構成した例を示している。図中破線A00
1、A002、A003が基本NANDセルである。また、INN1およ
びOUT1はそれぞれこの論理回路ブロックの入力および出
力である。同図のようにNANDセルでインバータを構成す
る場合には、入力の一方であるA004やA005を高レベル(V
CC)に固定し、対応するゲートを不活性化することが一
般的に行われている。この不活性化されたゲートは、利
用可能なゲートの数十%にのぼることがしばしば起こる
ため、トランジスタのしきい電圧がスケーリングされた
低電圧ゲートアレイにおいては、不活性化ゲートを流れ
るサブスレッショルド電流も無視できない。図中に示す
ように、VCCからトランジスタMCおよび抵抗RCを介し
て分離された第2の電源線VCLにトランジスタMA01、MA03
のソースを接続し、省電力モードにおいてφCを高レベ
ルにしてMCをカットオフ状態にすれば、トランジスタM
A01、MA03のゲート・ソース間が逆バイアスされ深いカ
ットオフ状態になるので、不活性化ゲートのサブスレッ
ショルド電流を大幅に低減出来る。ただし、活性ゲート
に関しては、既に述べたと同様に、低消費電力が必要な
時間帯、例えば待機時における各ゲート出力の論理状態
(図中高レベル:“H&#34ないし低レベル:“L&#34)に対
応して、PチャネルトランジスタのソースはVCCないしV
CLに、NチャネルトランジスタのソースはVSLないしVSS
にそれぞれ接続すれば、やはりリーク電流を防止できる
ことは勿論である。なお、非活性ゲートについては、動
作時においてもトランジスタに電流を流す必要がないの
で、VCLではなく、最小配線幅で形成されたインピーダ
ンスの高い他の配線を用いても良く、そのような配線に
対しては、トランジスタMCは必ずしも必要ではなく、
抵抗RCのみとすることも可能である。
FIG. 42 shows another embodiment of the present invention, which is an example applied to a gate array. Since the gate array is a digital logic circuit, it is possible to reduce the subthreshold current by applying the embodiments already shown. However, in a gate array, as will be described below, when a logic circuit is configured, some gates are inactivated without being used. FIG. 42 (A) shows one circuit block of a gate array using a 2-input NAND as a basic cell.
An example of configuring the logic shown in (B) is shown. Broken line A00 in the figure
1, A002 and A003 are basic NAND cells. INN1 and OUT1 are the input and output of this logic circuit block, respectively. When configuring an inverter with NAND cells as shown in the figure, one of the inputs, A004 and A005, is set to high level (V
It is common practice to fix this to CC ) and deactivate the corresponding gate. This passivated gate often accounts for tens of percent of the available gates, so in low voltage gate arrays with transistor threshold voltages scaled, the subthreshold current through the passivated gates. Cannot be ignored. As shown in the figure, the transistors MA01 and MA03 are connected to the second power supply line V CL separated from V CC through the transistor M C and the resistor R C.
If the source of is connected and φ C is set to high level in the power saving mode and M C is cut off, the transistor M
Since the gate and source of A01 and MA03 are reverse-biased and a deep cut-off state is set, the subthreshold current of the inactivating gate can be greatly reduced. However, regarding the active gate, as already described, during low power consumption time zones, for example, the logic state of each gate output during standby (high level: “H &# 34 or low level:“ L &# 34 ”in the figure) Corresponding to, the source of the P-channel transistor is V CC or V
The source of the N-channel transistor is V SL or V SS to CL
Needless to say, the leak current can be prevented by connecting them to each other. Note that for the inactive gate, it is not necessary to pass a current through the transistor even during operation, so other wiring having a higher impedance formed with the minimum wiring width may be used instead of V CL. , The transistor M C is not always necessary,
It is also possible to use only the resistance R C.

【0135】図43は、本発明の別の実施例を示す図で
あって、2入力NORを基本セルにするゲートアレイにお
ける不活性ゲートに、本発明によるサブスレッショルド
電流防止を施した例を示す。同図は図43(B)に示した
論理をNORセルで構成した例を示している。図中破線A01
1、A012、A013が基本NORセルである。NORセルでインバ
ータを構成する場合には、入力の一方であるA014やA015
をLOW(VSS)に固定し、対応するゲートを不活性化するこ
とが一般的に行われている。このとき、トランジスタMA
11、MA13のソースをVSLに接続すれば、既に説明した動
作原理によりこれらトランジスタを深いカットオフ状態
にすることができ、サブスレッショルド電流を防止でき
る。
FIG. 43 is a diagram showing another embodiment of the present invention, showing an example in which a sub-threshold current prevention according to the present invention is applied to an inactive gate in a gate array using a 2-input NOR as a basic cell. . This figure shows an example in which the logic shown in FIG. 43 (B) is configured by NOR cells. Broken line in the figure A01
1, A012 and A013 are basic NOR cells. When configuring an inverter with NOR cells, one of the inputs, A014 and A015
It is common practice to fix a LOW (V SS ) and inactivate the corresponding gate. At this time, the transistor MA
If the sources of 11 and MA13 are connected to V SL , these transistors can be put into a deep cut-off state according to the operation principle already described, and the subthreshold current can be prevented.

【0136】また、LSIチップが大規模化するにつれ
て、チップ内部に他の回路群をテストするためのテスト
回路が内蔵されるのが普通になる。このテスト回路は、
テスト時以外の通常動作時には動作を停止させることが
できる。この場合にテスト回路のサブスレッショルド電
流を低減するためには、これまで述べた実施例が有効で
ある。
Further, as the size of the LSI chip increases, it is common that a test circuit for testing other circuit groups is built in the chip. This test circuit
The operation can be stopped during the normal operation other than the test. In this case, in order to reduce the subthreshold current of the test circuit, the embodiments described so far are effective.

【0137】以上述べた各実施例を、シングルチップ・
マイクロプロセッサに適用した例を以下に示す。まずこ
れまでの電力低減機構を持つマイクロプロセッサについ
て述べる。従来のマイクロプロセッサでは、チップ全体
を一度に制御することにより電力を制御していた。例え
ば、インテル社のi386SLでは、内部回路が完全ス
タティックになっているため、チップへのクロックの入
力を停止しても内部状態が保持され、再度クロックの入
力を再開すれば動作を再開できる。このように、クロッ
クの入力を停止することにより、チップ全体の動作を停
止させ、これによりシステム全体の電力を低減しようと
していた。しかしこれは、従来までのように電源電圧が
3.3V〜5Vと高い場合にのみ可能であった。CMO
S回路を構成するMOSトランジスタのしきい電圧が
0.4〜0.5V程度と高くとれるために、サブスレッ
ショルド電流が無視できるほど小さくできるためであ
る。しかし、前述したように、電源電圧が2V以下ある
いは0.9〜1.6V程度のような電池1個の電圧で動
作させる高速システムでは、もはやクロックを停止して
も低電力化はできない。一般に、ランダムゲートを主体
とした論理ゲートからなるLSIでは、チップ内の多数
の論理ゲートの中で、論理ゲートの入力電圧が変化する
論理ゲート数は全体の約2割程度といわれている。その
他の約8割の論理ゲートでは、その入力は変化しない。
幸いにして従来のCMOS回路ではしきい電圧が高かっ
たために、この8割の数の論理ゲートの電力がほとんど
無視できて、チップ全体を低電力にできていたわけであ
る。しかし、停電源電圧ではもはやこれは期待できなく
なる。以下、低電源電圧動作においてチップ全体が低電
力になるような電子装置の一例としてマイクロプロセッ
サを取り上げる。
Each of the embodiments described above is a single chip
An example applied to a microprocessor is shown below. First, we describe a microprocessor that has the power reduction mechanism used so far. In a conventional microprocessor, power is controlled by controlling the entire chip at once. For example, in the i386SL manufactured by Intel Corporation, since the internal circuit is completely static, the internal state is retained even if the input of the clock to the chip is stopped, and the operation can be resumed by restarting the input of the clock. As described above, by stopping the input of the clock, the operation of the entire chip is stopped, and the power of the entire system is reduced. However, this was possible only when the power supply voltage was as high as 3.3 V to 5 V as in the past. CMO
This is because the threshold voltage of the MOS transistors forming the S circuit can be as high as 0.4 to 0.5 V, and the subthreshold current can be made so small that it can be ignored. However, as described above, in a high-speed system that operates with a voltage of one battery such as a power supply voltage of 2 V or less or about 0.9 to 1.6 V, it is no longer possible to reduce the power consumption even if the clock is stopped. Generally, in an LSI composed of logic gates mainly composed of random gates, it is said that, out of a large number of logic gates in a chip, the number of logic gates in which the input voltage of the logic gate changes is about 20% of the whole. The input does not change in the other about 80% of the logic gates.
Fortunately, since the threshold voltage was high in the conventional CMOS circuit, the power of 80% of the logic gates could be almost ignored, and the entire chip could be made low in power. However, this can no longer be expected at the stop power supply voltage. Hereinafter, a microprocessor will be taken as an example of an electronic device in which the entire chip has low power in low power supply voltage operation.

【0138】図44に本発明の電力低減機構を内蔵する
シングルチップ・マイクロプロセッサを示す。以下に述
べるように、チップ内部でユニット別にアクティブ/ス
タンドバイをコントロールする機構を設けているのが特
長である。600がシングルチップのマイクロプロセッ
サである。このマイクロプロセッサ600上には、中央
処理部(以下、CPUと略す)601、コプロセッサA
(以下、COPAと略す)602、コプロセッサB(以
下、COPBと略す)603、ローカルメモリ(以下、
LMと略す)604、バス制御部(以下、BUSCと略
す)605が内蔵されている。これらの各ユニットはチ
ップ上の内部バス651によって接続されている。ま
た、チップ外部とはBUSC605を介して、外部バス
652と接続される。外部バス652にはメインメモリ
(以下、MSと略す)606、入出力デバイス(以下、
IOと略す)607等が接続される。CPG606はク
ロックジェネレータであり、チップ内部の各ユニットは
CPG606から生成されるクロック信号653に同期
して動作する。
FIG. 44 shows a single-chip microprocessor incorporating the power reduction mechanism of the present invention. As described below, the feature is that a mechanism for controlling active / standby for each unit is provided inside the chip. 600 is a single-chip microprocessor. A central processing unit (hereinafter abbreviated as CPU) 601 and a coprocessor A are provided on the microprocessor 600.
(Hereinafter, abbreviated as COPA) 602, coprocessor B (hereinafter, abbreviated as COPB) 603, local memory (hereinafter, abbreviated as COPA)
A LM (abbreviated as LM) 604 and a bus control unit (hereinafter, abbreviated as BUSC) 605 are incorporated. These units are connected by an internal bus 651 on the chip. The outside of the chip is connected to the external bus 652 via the BUSC 605. The external bus 652 has a main memory (hereinafter abbreviated as MS) 606, an input / output device (hereinafter,
607 and the like are abbreviated as IO. The CPG 606 is a clock generator, and each unit inside the chip operates in synchronization with a clock signal 653 generated from the CPG 606.

【0139】COPA602、COPB603、LM6
04は、それぞれ二つの動作状態を持っている。その一
つはスリープ状態である。この状態では、各ユニットの
動作は停止しており、消費される電力は極めて小さい。
他の一つはアクティブ状態である。この状態では、ユニ
ットがデータの読み出し/書き込み動作や演算処理動作
等の処理を実行している。このため、消費電力を極めて
小さく抑えることはしない。これらの各ユニットを構成
する論理回路は、例えば図18〜26、図28〜32、
図39〜41等の回路を使用している。これにより、ス
リープ状態の消費電力を低減できる。さらにアクティブ
状態においても、例えば図39〜41の回路を用いて、
2相クロックのフェーズごとにきめ細かく活性化状態を
コントロールすることにより、電力を低減できる。MS
606とIO607もアクティブ/スリープ状態を持
つ。マイクロプロセッサ600から出力される信号65
4及び655は、MS606とIO607がそれぞれア
クティブ状態になることを指示する信号である。
COPA602, COPB603, LM6
04 has two operating states, respectively. One of them is a sleep state. In this state, the operation of each unit is stopped and the consumed power is extremely small.
The other one is active. In this state, the unit is executing processing such as data read / write operation and arithmetic processing operation. Therefore, the power consumption is not kept extremely small. The logic circuits that make up these units are, for example, as shown in FIGS.
The circuits shown in FIGS. 39 to 41 are used. Thereby, power consumption in the sleep state can be reduced. Even in the active state, for example, using the circuits of FIGS.
Power can be reduced by finely controlling the activation state for each phase of the two-phase clock. MS
606 and IO607 also have an active / sleep state. Signal 65 output from microprocessor 600
4 and 655 are signals instructing that the MS 606 and the IO 607 are in the active state, respectively.

【0140】COPA602,COPB603は、基本
的に同種のユニットで、CPUで実行されたプログラム
中にCOPAあるいはCOPBの演算を要求する命令が
あるときだけ、指定された演算を実行する。この時だけ
アクティブとなり、他の期間はスリープで良い。通常の
プログラムでは、この演算要求の頻度はそれほど高くな
い。内部には、多量のレジスタファイル,トランジスタ
数の多い専用演算器を(時には複数個)もち、全体のト
ランジスタ数が多いのが特徴である。
The COPA 602 and COPB 603 are basically the same type of unit, and execute the designated operation only when the program executed by the CPU has an instruction requesting the operation of COPA or COPB. It is active only at this time, and it is good to sleep during other periods. In a normal program, the frequency of this calculation request is not so high. It has a large number of register files and a dedicated arithmetic unit with a large number of transistors (sometimes several) inside, and is characterized by a large number of transistors as a whole.

【0141】また、LM604は、CPUが必要とする
プログラムやデータが格納されているため、アクセス頻
度は高い。しかし、CPU内部にキャッシュメモリが内
蔵されているような場合には、CPU内部で閉じて処理
が行われるため、アクセス頻度が下がり、スリープ状態
の期間が長くなる、といった特徴がある。
Since the LM 604 stores the programs and data required by the CPU, it is frequently accessed. However, in the case where the cache memory is built in the CPU, the processing is performed by closing the inside of the CPU, so that the access frequency decreases and the sleep state period becomes long.

【0142】CPU601は、命令を実行し、データを
処理する部分で、常にプログラムを実行している(活性
化率100%)。CPU内部は汎用レジスタ,演算器な
ど通常のプロセッサの基本部分が含まれる。時には、キ
ャッシュメモリを含む場合もある。命令やデータは、L
M604あるいはMS606に格納されている。LM6
04は小容量であるが高速にアクセス可能なオンチップ
上のメモリで、頻繁にCPU601によって使われる命
令やデータが格納されている。それほど頻繁にアクセス
する必要のない命令やデータは大容量であるが中低速な
メモリのMS606に格納されている。CPU601は
内部バス651を介して直接LM604をアクセスする
ことができる。一方、MS606に対するアクセスは、
内部バス651、BUSC605、外部バス652を介
する。BUSC605は、32〜128ビット幅程度の
外部バス用バッファを含む。CPUがチップ外部のメモ
リやデバイスに対してアクセスするときだけ、アクティ
ブになれば良い。CPUが必要とするプログラムやデー
タがチップ内部に存在するときにはスリープ状態で良
い。
The CPU 601 is a part that executes instructions and processes data, and constantly executes programs (activation rate 100%). The inside of the CPU includes the basic parts of an ordinary processor such as general-purpose registers and arithmetic units. Sometimes it also includes cache memory. Instructions and data are L
It is stored in M604 or MS606. LM6
Reference numeral 04 is an on-chip memory that has a small capacity but can be accessed at high speed, and stores instructions and data that are frequently used by the CPU 601. Instructions and data that do not need to be accessed very often are stored in the MS 606, which has a large capacity but has a medium to low speed. The CPU 601 can directly access the LM 604 via the internal bus 651. On the other hand, access to MS606 is
Via an internal bus 651, a BUSC 605, and an external bus 652. The BUSC 605 includes an external bus buffer having a width of about 32 to 128 bits. It need only be active when the CPU accesses a memory or device outside the chip. When a program or data required by the CPU exists inside the chip, the sleep state may be set.

【0143】COPA602は乗算、除算、平方根、絶
対値の計算を実行するコプロセッサであり、これらの演
算を高速に処理する専用演算器を内蔵する。COPB6
03は三角関数、距離計算等の関数演算を実行するコプ
ロセッサであり、これらの演算を高速に処理する専用演
算器を内蔵する。CPU601は、内部バス651を経
由して、COPA602、COPB603内のコマンド
レジスタCMDA609、CMDB610に要求する演
算を指示するコマンドを書き込むことにより、各コプロ
セッサに演算の起動をかける。演算の起動がかかるま
で、各コプロセッサはスリープ状態にあり、電力をほと
んど消費しない。
The COPA 602 is a coprocessor for executing multiplication, division, square root, and absolute value calculation, and incorporates a dedicated arithmetic unit that processes these operations at high speed. COPB6
Reference numeral 03 denotes a coprocessor that executes functional operations such as trigonometric functions and distance calculations, and has a built-in dedicated arithmetic unit that processes these operations at high speed. The CPU 601 activates an operation in each coprocessor by writing a command instructing the requested operation to the command registers CMDA 609 and CMDB 610 in the COPA 602 and COPB 603 via the internal bus 651. Each coprocessor is in a sleep state and consumes almost no power until the operation is started.

【0144】図45はCOPA602の内部構成図であ
る。内部は二つのブロックITFA700とEXA70
1からなる。ITFA700は、コマンドレジスタCM
DA609、コマンドデコーダDEC706、オペラン
ドレジスタRA702,RB703,RC704、およ
び制御回路CNT705を持つ。EXA701は乗算、
除算、平方根、絶対値の計算を高速に処理する専用演算
器とそれを制御する制御回路が内蔵されている。内部バ
ス651経由で、CPU601から送られてきたコマン
ドはCMDA609に保持され、DEC706でそのコ
マンドがデコードされ、EXA701にそのコマンドで
指示された演算を実行させる。コマンドは乗算、除算、
平方根、絶対値の4種類がある。演算のためのオペラン
ドはRA702,RB703にCPU601から送られ
てきたソースオペランドが格納され、演算結果はEXA
701で演算終了後、RC704に格納され、CPU6
01から読み出される。EXA701は演算を行ってい
ないときには、スリープ状態である。DEC706でそ
のコマンドがデコードされると、EXA701にそのコ
マンドで指示された演算を実行させる信号が生成され、
EXA701が演算を開始する。演算実行中、EXA7
01はアクティブ状態になる。演算終了後、EXA70
1はRC704に結果を格納し、CMDA609をゼロ
クリアする。CMDA609の内容がゼロであることを
DEC706が検出し、SLEEP707信号がアサー
トされることにより、EXA701がスリープ状態に入
る。CNT705は各レジスタ609、702、70
3、704に対するリード/ライト、ゼロクリア等の動
作を制御する。ITFA700は、常にCPUからのコ
マンドを受け付けられるようにするために、常にアクテ
ィブ状態である。CPG606から生成されたクロック
信号653は、ITFA700で使用される。また、ゲ
ート回路709を介してEXA用クロック信号710が
出力され、これがEXA701のクロックとして使われ
る。SLEEP707がアサートされたときには、ゲー
ト回路709がEXA用クロック710を停止させ、E
XA701にクロックが供給されなくなる。これによ
り、スリープ状態では、EXA701のクロックも停止
状態になる。このSLEEP信号によって、例えば、図
18〜26あるいは図28〜32等の回路のスイッチが
制御され、スリープ状態でのサブスレッショルド電流が
低減される。
FIG. 45 is an internal block diagram of the COPA 602. Inside is two blocks ITFA700 and EXA70
It consists of 1. ITFA700 is a command register CM
It has a DA 609, a command decoder DEC 706, operand registers RA 702, RB 703, RC 704, and a control circuit CNT 705. EXA701 is multiplication,
It has a built-in dedicated computing unit that processes division, square root, and absolute value calculations at high speed, and a control circuit that controls it. The command sent from the CPU 601 via the internal bus 651 is held in the CMDA 609, the DEC 706 decodes the command, and the EXA 701 executes the operation instructed by the command. The commands are multiply, divide,
There are four types: square root and absolute value. As the operand for the operation, the source operand sent from the CPU 601 is stored in RA 702 and RB 703, and the operation result is EXA.
After the calculation is completed in 701, it is stored in RC 704 and the CPU 6
It is read from 01. The EXA 701 is in a sleep state when it is not performing a calculation. When the DEC 706 decodes the command, a signal that causes the EXA 701 to execute the operation instructed by the command is generated,
The EXA 701 starts the calculation. EXA7 during calculation
01 becomes active. After the calculation, EXA70
1 stores the result in RC 704 and clears CMDA 609 to zero. The DEC 706 detects that the content of the CMDA 609 is zero, and the SLEEP 707 signal is asserted, causing the EXA 701 to enter the sleep state. The CNT 705 has each register 609, 702, 70.
Controls operations such as read / write and zero clear for 3, 704. The ITFA 700 is always in an active state so that it can always receive commands from the CPU. The clock signal 653 generated from the CPG 606 is used by the ITFA 700. Further, the EXA clock signal 710 is output via the gate circuit 709, and this is used as the clock of the EXA 701. When SLEEP 707 is asserted, the gate circuit 709 stops the EXA clock 710 and E
The clock is no longer supplied to the XA 701. As a result, in the sleep state, the clock of the EXA 701 is also stopped. The SLEEP signal controls the switches of the circuits shown in FIGS. 18 to 26 or 28 to 32, and reduces the subthreshold current in the sleep state.

【0145】EXA701の内部には、専用の演算器と
ともに演算の途中結果を保持しておくレジスタや演算状
態を保持するレジスタ、演算制御のためのラッチなどが
含まれる。これらのレジスタやラッチには、例えば図3
5や図37の回路が使用される。図35の回路の場合
は、一旦スリープ状態に入るとラッチ内部の状態は破壊
される。一方、図37の回路の場合は、スリープ状態に
入ってもラッチ内部の状態は破壊されない。このため、
一旦スリープ状態に入った後、アクティブ状態に戻った
とき、途中で停止した演算動作を再開することができ
る。
The inside of the EXA 701 includes a dedicated arithmetic unit, a register for holding an intermediate result of an operation, a register for holding an operation state, a latch for operation control, and the like. These registers and latches are, for example, shown in FIG.
5 or the circuit of FIG. 37 is used. In the case of the circuit of FIG. 35, once the sleep state is entered, the state inside the latch is destroyed. On the other hand, in the case of the circuit of FIG. 37, the state inside the latch is not destroyed even when the sleep state is entered. For this reason,
When the sleep state is once entered and then the active state is returned to, it is possible to restart the arithmetic operation stopped in the middle.

【0146】COPB603は、三角関数、距離計算等
の関数演算を実行するコプロセッサであるが、その内部
構成および動作はCOPA602と同様である。
The COPB 603 is a coprocessor that executes functional operations such as trigonometric functions and distance calculations, but its internal structure and operation are the same as those of the COPA 602.

【0147】図46にLM604の内部構成を示す。M
EM901は命令/データ等の情報を格納しておくメモ
リ部である。MCNT902はCPU601からのアク
セス要求を受け取り、MEM901に格納されているデ
ータを読み出したり、MEM901にデータを書き込む
制御を行う。CPU601からアクセス要求があったと
きにMCNT902はMEM901をアクティブ状態に
する信号ACT903をアサートしてMEM901を動
作状態にする。アクセス要求がないときにはACT90
3がネゲートされているためMEM901はスリープ状
態にある。このACT信号によって、例えば図18〜2
6あるいは図28〜32等の回路のスイッチが制御さ
れ、スリープ状態でのサブスレッショルド電流が低減さ
れる。なお、この状態でもメモリには情報が保持されて
いる。MCNT902は、常にCPUからのアクセス要
求を受け付けられるようにするために、常にアクティブ
状態である。
FIG. 46 shows the internal structure of the LM 604. M
The EM 901 is a memory unit that stores information such as instructions / data. The MCNT 902 receives an access request from the CPU 601, controls reading of data stored in the MEM 901, and writing of data to the MEM 901. When there is an access request from the CPU 601, the MCNT 902 asserts a signal ACT 903 that makes the MEM 901 active, and puts the MEM 901 into an operating state. ACT90 when there is no access request
The MEM 901 is in the sleep state because 3 is negated. With this ACT signal, for example, FIGS.
6 or the switches of the circuits shown in FIGS. 28 to 32 are controlled to reduce the subthreshold current in the sleep state. Note that the information is retained in the memory even in this state. The MCNT 902 is always in the active state so that the access request from the CPU can be always accepted.

【0148】CPU601がMS606に命令やデータ
をアクセスする時は、内部バス651、BUSC60
5、外部バス652を介する。BUSC605はこのと
きだけアクティブ状態になる。図47にBUSC605
の内部構成を示す。BCNT800はCPU601の要
求に応じて外部バス652へのアクセスを制御する回路
である。OUTB801は内部バス651から外部バス
652へデータを流すときに外部バス652をドライブ
するドライバ回路であり、このときだけアクティブにな
る。INB802は外部バス652から内部バス651
へデータを流すときに内部バス651をドライブするド
ライバ回路であり、このときだけアクティブになる。B
CNT800はCPU601からチップ外部のMS60
6やIO607に対しての書き込み要求を受け取ると、
ACTW803をアサートしてOUTB801をアクテ
ィブにする。逆に、BCNT800はCPU601から
チップ外部のMS606やIO607からの読み出し要
求を受け取ると、ACTR804をアサートしてINB
802をアクティブにする。これらのとき以外、OUT
B801,INB802はスリープ状態にある。BCN
T800は、常にチップ外部に対するアクセス要求を受
け付けられるようにするために、常にアクティブ状態で
ある。BCNT800はMS606に対するアクティブ
支持信号654とIO607に対するアクティブ指示信
号655も出力する。CPU601がBCNT800に
たいし、MS606へアクセス要求した場合、BCNT
800はそれを検出し信号654をアサートし、MS6
06をアクティブ状態にする。信号655も同様の目的
で使われる。
When the CPU 601 accesses an instruction or data to the MS 606, the internal bus 651, the BUSC 60
5, via the external bus 652. BUSC 605 becomes active only at this time. BUSC 605 in FIG.
The internal structure of is shown. The BCNT 800 is a circuit that controls access to the external bus 652 in response to a request from the CPU 601. The OUTB 801 is a driver circuit that drives the external bus 652 when data is sent from the internal bus 651 to the external bus 652, and is active only at this time. INB 802 is from external bus 652 to internal bus 651
This is a driver circuit that drives the internal bus 651 when data is sent to and is active only at this time. B
CNT800 is CPU60 to MS60 outside the chip
6 and IO607 write request is received,
Assert ACTW 803 to activate OUTB 801. Conversely, when the BCNT 800 receives a read request from the MS 606 or IO 607 outside the chip from the CPU 601, it asserts ACTR 804 and INB
Activate 802. Other than these times, OUT
B801 and INB802 are in a sleep state. BCN
The T800 is always in the active state so that the access request to the outside of the chip can be always accepted. The BCNT 800 also outputs an active support signal 654 for the MS 606 and an active indication signal 655 for the IO 607. When the CPU 601 requests the BCNT 800 to access the MS 606, the BCNT
800 detects it and asserts signal 654, MS6
06 is activated. The signal 655 is also used for the same purpose.

【0149】OUTB801には、例えば図25の出力
バッファ回路が使われ、ACTW信号に従ってスイッチ
S、SCが制御される。OUTBは、大きな負荷(外部
バス652)を駆動するので、チャネル幅の大きなMO
Sトランジスタを、バス幅(例えば64ビット)の数だ
け必要とし、そのチャネル幅の合計は非常に大きい。し
たがって、OUTBのサブスレッショルド電流を低減す
ることは、システム全体の電流低減に大きく寄与する。
For OUTB801, for example, the output buffer circuit shown in FIG. 25 is used, and the switches S S and S C are controlled according to the ACTW signal. Since OUTB drives a large load (external bus 652), MO with a large channel width is used.
Only as many S-transistors as bus widths (eg 64 bits) are needed, and the total channel width is very large. Therefore, reducing the subthreshold current of OUTB greatly contributes to reducing the current of the entire system.

【0150】INB802には、例えば図26の入力バ
ッファ回路が使われ、ACTR信号がSB端子に供給さ
れる。これにより、スリープ状態のときの内部バス65
1の電圧レベルを確定させることができる。したがっ
て、このバスに接続されたユニットCOPA、COP
B、LMに、例えば図18〜25の回路を用いることが
でき、これらのユニットのサブスレッショルド電流低減
が容易になる。
The input buffer circuit of FIG. 26 is used for the INB 802, and the ACTR signal is supplied to the SB terminal. As a result, the internal bus 65 in the sleep state is
A voltage level of 1 can be established. Therefore, the units COPA, COP connected to this bus
The circuits of FIGS. 18 to 25 can be used for B and LM, and the subthreshold current of these units can be easily reduced.

【0151】MS606には、例えばDRAMが用いら
れる。DRAMとしては、普通のDRAMでもよいが、
アイ・イー・イー・イー・スペクトラム、第43頁から
第49頁、1992年10月(IEEE Spectrum, pp.43-4
9, Oct.1992)に記載されているシンクロナスDRAM
でもよい。シンクロナスDRAMでは、クロックエネー
ブル/ディスエーブル信号によってチップ内部へのクロ
ックの供給を制御できるので、この信号を活用すれば効
果的に消費電流を低減できる。すなわち、スリープ状態
のときはチップ内部へのクロックの供給を停止する。さ
らに、図26の回路をシンクロナスDRAMの入力バッ
ファとして用い、クロックエネーブル/ディスエーブル
信号をSB端子に印加することにより、内部回路のサブ
スレッショルド電流を低減できる。
A DRAM, for example, is used for the MS 606. As the DRAM, an ordinary DRAM may be used,
I E E Spectrum, pp. 43-49, October 1992 (IEEE Spectrum, pp.43-4
9, Oct. 1992) synchronous DRAM.
But it's okay. In the synchronous DRAM, since the clock supply to the inside of the chip can be controlled by the clock enable / disable signal, the current consumption can be effectively reduced by utilizing this signal. That is, in the sleep state, the supply of the clock to the inside of the chip is stopped. Further, by using the circuit of FIG. 26 as the input buffer of the synchronous DRAM and applying the clock enable / disable signal to the SB terminal, the subthreshold current of the internal circuit can be reduced.

【0152】図48はマイクロプロセッサ600全体の
動作例を示す。横軸は時刻を表し、斜線は各ユニット、
各ブロックがアクティブである状態を示す。この例で
は、CPU601は時刻T1にCOPA602に除算コ
マンドを発行し、これに従いCOPA602はT1から
T2まで除算を実行し、時刻T2に演算終了をCPU6
01に報告して再びスリープ状態に入る。その後、CP
U601は時刻T3にCOPB603に距離計算コマン
ドを発行し、これに従いCOPB603はT3からT4
まで距離計算を実行し、時刻T4に計算終了をCPU6
01に報告して再びスリープ状態に入る。LM604は
CPU601からデータのアクセス要求があるときだけ
アクティブになる。BUSC605もCPU601が外
部にたいしてアクセスするときだけアクティブになる。
このように、マイクロプロセッサ600内部できめ細か
く各ユニット、各ブロックのアクティブ/スリープ状態
を制御することによりマイクロプロセッサ600の消費
電力を大幅に低減することが可能になる。
FIG. 48 shows an operation example of the entire microprocessor 600. The horizontal axis represents the time, the diagonal lines each unit,
Indicates that each block is active. In this example, the CPU 601 issues a division command to the COPA 602 at time T1, and accordingly the COPA 602 executes division from T1 to T2, and at the time T2 the CPU 6 finishes the operation.
01 and goes to sleep again. Then CP
U601 issues a distance calculation command to COPB 603 at time T3, and accordingly COPB 603 causes T3 to T4.
Distance calculation is executed up to the end of calculation at time T4 by CPU6
01 and goes to sleep again. The LM 604 becomes active only when there is a data access request from the CPU 601. The BUSC 605 also becomes active only when the CPU 601 accesses the outside.
In this way, the power consumption of the microprocessor 600 can be significantly reduced by finely controlling the active / sleep state of each unit and each block inside the microprocessor 600.

【0153】本実施例は一つのチップ内部での本発明を
適用したケースであるが、これを複数のチップからな
る、計算機システムの実施例にも拡張することは自明で
ある。例えば、第44図における601から605の各
ユニットがそれぞれ別チップで構成されるケースで本発
明を適用することは容易である。
Although the present embodiment is a case in which the present invention is applied to one chip, it is obvious that this can be extended to an embodiment of a computer system having a plurality of chips. For example, it is easy to apply the present invention to the case where each unit of 601 to 605 in FIG. 44 is configured by a different chip.

【0154】[0154]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高速・低消費電力のMOSトランジスタ回路、およびそ
れで構成された半導体集積回路が実現できる。
As described above, according to the present invention,
It is possible to realize a high-speed and low-power-consumption MOS transistor circuit and a semiconductor integrated circuit configured by the MOS transistor circuit.

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

【図1】本発明の実施例1のインバータを示す図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing an inverter according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明によるサブスレッショルド電流低減の原
理を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a principle of reducing a subthreshold current according to the present invention.

【図3】本発明によるサブスレッショルド電流低減効果
を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a subthreshold current reduction effect according to the present invention.

【図4】本発明の実施例2のインバータの回路図であ
る。
FIG. 4 is a circuit diagram of an inverter according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の信号のタイミングを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the timing of signals of the present invention.

【図6】本発明のデバイス構造を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a device structure of the present invention.

【図7】本発明の実施例3のインバータの回路図であ
る。
FIG. 7 is a circuit diagram of an inverter according to a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施例4のインバータの回路図であ
る。
FIG. 8 is a circuit diagram of an inverter according to a fourth embodiment of the present invention.

【図9】本発明のデバイス構造を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a device structure of the present invention.

【図10】本発明の実施例5のインバータ列を示す図で
ある。
FIG. 10 is a diagram showing an inverter array according to a fifth embodiment of the present invention.

【図11】本発明の実施例6のインバータ列を示す図で
ある。
FIG. 11 is a diagram showing an inverter array according to a sixth embodiment of the present invention.

【図12】本発明の実施例7のインバータ列を示す図で
ある。
FIG. 12 is a diagram showing an inverter array according to a seventh embodiment of the present invention.

【図13】本発明が適用される組合せ論理回路のグルー
プ分けの例を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing an example of grouping of combinational logic circuits to which the present invention is applied.

【図14】本発明の実施例8の組合せ論理回路を示す図
である。
FIG. 14 is a diagram showing a combinational logic circuit according to an eighth embodiment of the present invention.

【図15】本発明の実施例9の組合せ論理回路を示す図
である。
FIG. 15 is a diagram showing a combinational logic circuit according to a ninth embodiment of the present invention.

【図16】本発明の実施例10のラッチを示す図であ
る。
FIG. 16 is a diagram showing a latch according to the tenth embodiment of the present invention.

【図17】本発明の実施例11のラッチの回路図であ
る。
FIG. 17 is a circuit diagram of a latch according to an eleventh embodiment of the present invention.

【図18】本発明の実施例12のインバータ列の回路図
である。
FIG. 18 is a circuit diagram of an inverter array according to a twelfth embodiment of the present invention.

【図19】本発明の実施例13のインバータ列の回路図
である。
FIG. 19 is a circuit diagram of an inverter array according to a thirteenth embodiment of the present invention.

【図20】本発明の実施例14のNANDゲートの回路
図である。
FIG. 20 is a circuit diagram of a NAND gate according to Example 14 of the present invention.

【図21】本発明の実施例15のNORゲートの回路図
である。
FIG. 21 is a circuit diagram of a NOR gate according to Embodiment 15 of the present invention.

【図22】本発明の実施例16のクロックインバータの
回路図である。
FIG. 22 is a circuit diagram of a clock inverter according to a sixteenth embodiment of the present invention.

【図23】本発明の実施例17の組合せ論理回路の回路
図である。
FIG. 23 is a circuit diagram of a combinational logic circuit according to a seventeenth embodiment of the present invention.

【図24】本発明の実施例18のラッチの回路図であ
る。
FIG. 24 is a circuit diagram of a latch according to an eighteenth embodiment of the present invention.

【図25】本発明の実施例19の出力バッファの回路図
である。
FIG. 25 is a circuit diagram of an output buffer according to a nineteenth embodiment of the present invention.

【図26】本発明の実施例20の入力バッファの回路図
である。
FIG. 26 is a circuit diagram of an input buffer according to a twentieth embodiment of the present invention.

【図27】本発明の実施例21のNMOSダイナミック
回路の回路図である。
FIG. 27 is a circuit diagram of an NMOS dynamic circuit according to a working example 21 of the invention.

【図28】概念的実施例を示す図である。FIG. 28 shows a conceptual example.

【図29】CMOSインバータに適用した実施例の回路
図である。
FIG. 29 is a circuit diagram of an embodiment applied to a CMOS inverter.

【図30】CMOSインバータに適用した実施例の動作
タイミング図である。
FIG. 30 is an operation timing chart of the embodiment applied to the CMOS inverter.

【図31】インバータチェーンに適用した実施例を示す
図である。
FIG. 31 is a diagram showing an embodiment applied to an inverter chain.

【図32】インバータチェーンに適用した別の実施例を
示す図である。
FIG. 32 is a diagram showing another embodiment applied to an inverter chain.

【図33】CMOSインバータに適用した別の実施例を
示す図である。
FIG. 33 is a diagram showing another embodiment applied to a CMOS inverter.

【図34】レベルホールド回路の別の構成例の回路図で
ある。
FIG. 34 is a circuit diagram of another configuration example of the level hold circuit.

【図35】出力を固定できるラッチ回路の回路図であ
る。
FIG. 35 is a circuit diagram of a latch circuit capable of fixing an output.

【図36】制御クロックのタイミング図である。FIG. 36 is a timing diagram of the control clock.

【図37】出力を固定できるラッチ回路の回路図であ
る。
FIG. 37 is a circuit diagram of a latch circuit that can fix an output.

【図38】制御クロックのタイミング図である。FIG. 38 is a timing diagram of the control clock.

【図39】2相クロック論理回路を示す図である。FIG. 39 is a diagram showing a two-phase clock logic circuit.

【図40】2相クロックで動作するインバータの回路図
である。
FIG. 40 is a circuit diagram of an inverter that operates with a two-phase clock.

【図41】制御クロックのタイミング図である。FIG. 41 is a timing diagram of the control clock.

【図42】本発明によるゲートアレイを示す図である。FIG. 42 is a diagram showing a gate array according to the present invention.

【図43】本発明によるゲートアレイを示す図である。FIG. 43 is a diagram showing a gate array according to the present invention.

【図44】本発明によるシングルチップ・マイクロプロ
セッサのブロック図である。
FIG. 44 is a block diagram of a single chip microprocessor according to the present invention.

【図45】コプロセッサの内部構成図である。FIG. 45 is an internal configuration diagram of a coprocessor.

【図46】ローカルメモリの内部構成図である。FIG. 46 is an internal configuration diagram of a local memory.

【図47】バス制御部の内部構成図である。FIG. 47 is an internal configuration diagram of a bus control unit.

【図48】マイクロプロセッサの動作タイミング図であ
る。
FIG. 48 is an operation timing chart of the microprocessor.

【図49】従来のCMOSインバータの回路図である。FIG. 49 is a circuit diagram of a conventional CMOS inverter.

【図50】MOSトランジスタのサブスレッショルド特
性を示す図である。
FIG. 50 is a diagram showing a subthreshold characteristic of a MOS transistor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

L、L1〜Lk……論理ゲート、G1〜Gk……論理ゲート
群、SC、SC1〜SCk、SS、SS1〜SSk……スイッチ、
C、RC1〜RCk、RS、RS1〜RSk……抵抗。
L, L 1 to L k ... Logic gate, G 1 to G k ... Logic gate group, S C , S C1 to S Ck , S S , S S1 to S Sk ... switch,
R C , R C1 to R Ck , R S , R S1 to R Sk, ... Resistors.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H03K 19/00 19/20 (72)発明者 伊藤 清男 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 阪田 健 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 青木 正和 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 河原 尊之 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Fターム(参考) 5F038 AV06 AV13 BB04 BG03 CA04 CD02 CD04 CD06 CD15 DF01 DF04 DF05 DF06 DF08 DT02 DT12 EZ09 EZ20 5F048 AA01 AA07 AB01 AB04 AC03 AC10 BB14 BE02 BE03 BE09 5J042 BA19 CA14 CA24 CA27 DA02 5J056 AA03 BB17 CC03 DD13 DD29 EE04 EE11 FF01 FF08 FF09 FF10 KK02 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI Theme Coat (reference) H03K 19/00 19/20 (72) Inventor Kiyoo Ito 1-280, Higashi Renegakubo, Kokubunji, Tokyo Inside the Central Research Laboratory (72) Inventor Ken Sakata 1-280, Higashi-Kengokubo, Kokubunji, Tokyo Inside Hitachi Central Research Laboratory (72) Inventor Masakazu Aoki 1-280, Higashi-Kengokubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside Central Research Center, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Takayuki Kawahara 1-280, Higashi Koigokubo, Kokubunji, Tokyo 5F038 AV06 AV13 BB04 BG03 CA04 CD02 CD04 CD06 CD15 DF01 DF04 DF05 DF06 DF08 DT02 DT12 EZ09 EZ20 5A0748 AA01 AB01 AB04 AC03 AC10 BB14 BE02 BE03 BE09 5J042 BA19 CA14 CA24 CA27 DA02 5J056 AA03 BB17 CC03 DD13 DD29 EE04 EE11 FF01 FF08 FF09 FF10 KK02

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1インバータ回路と、 上記第1インバータ回路に接続されるラッチ回路と、 上記第1インバータ回路に接続される制御回路手段とを
具備し、 上記第1インバータ回路は、第1MOSトランジスタ
と、そのソース・ドレイン経路が第1動作電位点と第2
動作電位点との間に上記第1MOSトランジスタのソー
ス・ドレイン経路と直列接続された第2MOSトランジ
スタとを有し、上記第1MOSトランジスタの上記ソー
ス・ドレイン経路と上記第2のMOSトランジスタの上
記ソース・ドレイン経路との共通接続点である出力ノー
ドから出力信号を得る如く構成され、 上記制御回路手段は、上記第1又は第2MOSトランジ
スタのいずれか一方に接続され、制御信号が供給され、
該制御回路手段に供給される上記制御信号を第1状態に
設定することにより、上記第1又は第2MOSトランジス
タの一方のソースに比較的大きな電流が流れることを許
容せしめ、上記制御回路手段に供給される上記制御信号
を上記第1状態と異なる第2状態に設定することによ
り、上記第1又は第2MOSトランジスタの上記一方のソ
ースに流れる電流を上記比較的大きな電流より小さな値
に制限し、 上記ラッチ回路は、上記制御信号が第1状態の場合は、
上記第1インバータ回路が出力する信号に基づいて第1
レベル又は第2レベルの信号を出力し、上記制御信号が
第2状態の場合は、上記第1レベルの信号を出力するこ
と特徴とする半導体集積回路。
1. A first inverter circuit, a latch circuit connected to the first inverter circuit, and control circuit means connected to the first inverter circuit, wherein the first inverter circuit is a first MOS circuit. The transistor and its source / drain path are connected to the first operating potential point and the second
A source / drain path of the first MOS transistor and a second MOS transistor connected in series between the source / drain path of the first MOS transistor and the source / drain path of the second MOS transistor; The control circuit means is configured to obtain an output signal from an output node that is a common connection point with the drain path, and the control circuit means is connected to either one of the first or second MOS transistor and is supplied with a control signal.
Setting the control signal supplied to the control circuit means to the first state allows a relatively large current to flow through one source of the first or second MOS transistor and supplies the control signal to the control circuit means. By setting the control signal to a second state different from the first state, the current flowing through the one source of the first or second MOS transistor is limited to a value smaller than the relatively large current, The latch circuit, when the control signal is in the first state,
A first inverter circuit based on a signal output from the first inverter circuit;
A semiconductor integrated circuit, which outputs a level or second level signal, and outputs the first level signal when the control signal is in the second state.
【請求項2】請求項1において、 上記ラッチ回路は、第2インバータ回路とNAND回路
とを有し、 上記NAND回路の第1入力は、上記第1インバータ回
路の出力及び上記第2インバータ回路の出力に接続さ
れ、 上記NAND回路の第2入力は、上記制御信号が入力さ
れ、 上記NAND回路の出力が、上記ラッチ回路の出力とな
ることを特徴とする半導体集積回路。
2. The latch circuit according to claim 1, wherein the latch circuit includes a second inverter circuit and a NAND circuit, and a first input of the NAND circuit is an output of the first inverter circuit and a second inverter circuit. A semiconductor integrated circuit connected to an output, wherein the control signal is input to a second input of the NAND circuit, and an output of the NAND circuit becomes an output of the latch circuit.
【請求項3】請求項1において、 上記ラッチ回路は、第2インバータ回路と、第3インバ
ータ回路と,NAND回路とを有し、 上記第2インバータ回路の入力は、上記第1インバータ
回路の出力及び上記第3インバータ回路の出力に接続さ
れ、 上記第3インバータ回路の入力は、上記第2インバータ
回路の出力に接続され、 上記NAND回路の第1入力は、上記第2インバータ回
路の出力に接続され、 上記NAND回路の第2入力は、上記制御信号が入力さ
れ、 上記NAND回路の出力が、上記ラッチ回路の出力とさ
れることを特徴とする半導体集積回路。
3. The latch circuit according to claim 1, further comprising a second inverter circuit, a third inverter circuit, and a NAND circuit, wherein an input of the second inverter circuit is an output of the first inverter circuit. And an output of the third inverter circuit, an input of the third inverter circuit is connected to an output of the second inverter circuit, and a first input of the NAND circuit is connected to an output of the second inverter circuit. The control signal is input to a second input of the NAND circuit, and an output of the NAND circuit is an output of the latch circuit.
【請求項4】請求項1から3の何れか一つにおいて、 上記第1インバータ回路及びNAND回路は、マイクロ
プロセッサに含まれることを特徴とする半導体集積回
路。
4. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the first inverter circuit and the NAND circuit are included in a microprocessor.
【請求項5】スリープモード時に出力を常に第1レベル
に固定するラッチ回路を有する半導体集積回路。
5. A semiconductor integrated circuit having a latch circuit for always fixing an output to a first level in a sleep mode.
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