JP2003273723A - 半導体集積回路 - Google Patents
半導体集積回路Info
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Abstract
して入力側電圧がかなり低い場合であっても安定且つ高
速に動作するレベル変換回路を提供することを目的とす
る。 【解決手段】半導体集積回路は、第1の電圧範囲の入力
信号によりオン/オフ状態が制御される第1及び第2の
電界効果トランジスタと、第1及び第2の電界効果トラ
ンジスタのオン/オフ状態に応じて制御される第3及び
第4の電界効果トランジスタと、第1乃至第4の電界効
果トランジスタのオン・オフ状態に応じて第2の電圧範
囲の出力信号が出力される端子と、第1の電界効果トラ
ンジスタの基板電位を入力信号により制御する制御回路
を含む。
Description
路に関し、詳しくは低電圧で安定且つ高速に動作するレ
ベル変換回路に関する。
レベルに変換するためにレベル変換回路が用いられる。
一般的なレベル変換回路としては、例えば特開平6−3
7624に示されるものが知られている。
示す回路図である。
ジスタ11及び12、NMOSトランジスタ13及び1
4、及びインバータ15を含む。入力信号INは、NM
OSトランジスタ14のゲートに入力されると共に、イ
ンバータ15により反転されてNMOSトランジスタ1
3のゲートに入力される。この入力信号INがHIGH
(VL)の場合には、NMOSトランジスタ13及び1
4はオフ及びオンとなり、PMOSトランジスタ11及
び12はオン及びオフになる。従って、出力信号OUT
は0Vとなる。また入力信号INがLOW(0V)の場
合には、NMOSトランジスタ13及び14はオン及び
オフとなり、PMOSトランジスタ11及び12はオフ
及びオンになる。従って、出力信号OUTはVHとな
る。このような動作により、0からVLである入力電位
レベルを0からVHに変換する。
を制御・駆動するトランジスタ11乃至14は、0から
VHの電位レベルで動作する高電圧動作用のトランジス
タである。一般に、高速な信号変化を実現するために、
技術の進歩に合わせて入力信号INの動作電位レベルを
より低い電位に設定することが行われる。このような場
合、トランジスタ13及び14は変換後の高電位レベル
に対応する高電圧用のものであるので、低電位のHIG
HであるVLでは、トランジスタを充分な速度でオン・
オフさせることが出来ない。また場合によっては、トラ
ンジスタを充分なオン状態にすることさえ出来ない可能
性がある。
タの動作電圧に比較して入力側電圧がかなり低い場合で
あっても安定且つ高速に動作するレベル変換回路を提供
することを目的とする。
回路は、第1の電圧範囲の入力信号によりオン/オフ状
態が制御される第1及び第2の電界効果トランジスタ
と、該第1及び第2の電界効果トランジスタのオン/オ
フ状態に応じて制御される第3及び第4の電界効果トラ
ンジスタと、該第1乃至第4の電界効果トランジスタの
オン・オフ状態に応じて第2の電圧範囲の出力信号が出
力される端子と、該第1の電界効果トランジスタの基板
電位を該入力信号により制御する制御回路を含むことを
特徴とする。
界効果トランジスタの基板電位を入力信号により制御す
ることで、第1の電界効果トランジスタがオンする際に
その基板電位を高く設定して閾値電圧を低下させる。こ
のように閾値電圧を低下させることにより、入力信号の
信号レベルが低い場合であっても、第1の電界効果トラ
ンジスタのオン動作を高速に実行することが可能とな
り、出力信号を安定且つ高速に変化させることが出来
る。
図面を用いて詳細に説明する。
1の実施例を示す回路図である。
ランジスタ21及び22、NMOSトランジスタ23及
び24、インバータ25、及びNMOSトランジスタ2
6を含む。入力信号INは、NMOSトランジスタ24
のゲートに入力されると共に、インバータ25により反
転されてNMOSトランジスタ23のゲートに入力され
る。この入力信号INがHIGH(VL)の場合には、
NMOSトランジスタ23及び24はオフ及びオンとな
り、PMOSトランジスタ21及び22はオン及びオフ
になる。従って、出力信号OUTは0Vとなる。また入
力信号INがLOW(0V)の場合には、NMOSトラ
ンジスタ23及び24はオン及びオフとなり、PMOS
トランジスタ21及び22はオフ及びオンになる。従っ
て、出力信号OUTはVHとなる。このような動作によ
り、0からVLである入力電位レベルを0からVHに変
換する。
0にNMOSトランジスタ26が設けられている。この
NMOSトランジスタ26は、NMOSトランジスタ2
4のウエルに第1端(ドレイン或いはソース)が接続さ
れており、また入力信号INに第2端(ソース或いはド
レイン)とゲートとが共通に接続されている。
ランジスタ24の導通開始動作時、即ち入力信号INが
LOWからHIGHに変化し出力波形OUTが立ち下が
ろうとする際、NMOSトランジスタ26のゲートがL
OWからHIGHに電位上昇する。NMOSトランジス
タ26の閾値電圧を超えたゲートレベルが入力されると
NMOSトランジスタ26がオンし、ドレイン・ソース
間に電流が流れ、NMOSトランジスタ24のウエルに
接続される第1端の電位は、第2端の入力信号INの電
位に近づく。NMOSトランジスタ26の第2端はゲー
トと同じ接続であるので、第1端の電位が第2端の電位
にある程度近づくとNMOSトランジスタ26はオフ状
態となる。これによりNMOSトランジスタ26の第1
端は、所定の電位に維持される。
MOSトランジスタ24のウエルに接続されているの
で、NMOSトランジスタ24のソース−基板間電位V
bs(ウエル電位)はグランドから上昇した状態で所定
の電位に設定される。
時、即ち入力信号INがHIGHからLOWに変化し出
力波形が立ち上がろうする際、NMOSトランジスタ2
4のウエルに接続されたNMOSトランジスタ26は、
第1端にある電位を保ちながらオフする。NMOSトラ
ンジスタ24のウエルはNMOSトランジスタ26の第
1端と接続されているので、ソース−基板間電位Vbs
は所定の電位を維持することになる。
4の基板電位は所定の電位に維持されるフローティング
状態となり、常に閾値電圧が下げられた状態となる。
を示している。出力波形OUTの立ち下がり時におい
て、第2端をゲートと同電位にしている為、ソース−基
板間電位Vbsは低電圧電源VLまでは上昇しない。図
3において、出力波形OUTの立ち上がり時及び立ち下
り時のソース−基板間電位Vbs波形に示されるよう
に、ソース−基板間電位Vbsは常にある電位を維持し
ている。このようにソース−基板間電位Vbsが常に正
方向に印加されているので、NMOSトランジスタ24
の閾値電圧を常時下げる効果がある。従って、出力信号
OUTを従来回路よりも高速に出力することが出来る。
なお図3において、実線の波形が図2の本発明の第1の
実施例の場合であり、比較対象として図1の従来の場合
の波形を破線で示す。
路20の出力信号波形を示す図である。図4に示される
ように、破線で示される従来の出力信号波形と比較し
て、実線で示される本発明の出力信号波形は、高速な信
号変化を示している。なお図3のソース−基板間電位V
bs波形及び図4の出力信号波形は、回路シミュレータ
によるシミュレーション波形であり、以降参照する波形
も全て同様に回路シミュレータに基づくものである。
2の実施例を示す回路図である。図5において、図2と
同一の構成要素は同一の番号で参照し、必要でない場合
にその説明は省略する。
1の実施例の構成に対して、NMOSトランジスタ27
を新たに設けてある。NMOSトランジスタ27は、N
MOSトランジスタ23のウエルに第1端が接続されて
おり、またインバータ25の出力である入力信号INの
反転信号に第2端とゲートとが共通に接続されている。
OUTを引き下げるNMOSトランジスタ24の閾値電
圧を下げることで、出力信号OUTの立ち下りの信号変
化を高速にしている。それに加えて図5の第2の実施例
においては、出力信号OUTを引き上げるPMOSトラ
ンジスタ22を駆動するNMOSトランジスタ23の閾
値電圧を下げることで、出力信号OUTの立ち下りだけ
でなく立ち上がりにおいても信号変化を高速にしてい
る。
路20Aの出力信号波形を示す図である。図6に示され
るように、破線で示される従来の出力信号波形と比較し
て、実線で示される本発明の出力信号波形は、信号立ち
上がりと信号立ち下りとの両方において高速な信号変化
を示している。
3の実施例を示す回路図である。図7において、図2と
同一の構成要素は同一の番号で参照し、必要でない場合
にその説明は省略する。
1の実施例の構成に対して、NMOSトランジスタ26
をNMOSトランジスタ26Bで置き換えてある。NM
OSトランジスタ26Bは、NMOSトランジスタ26
とは第2端の接続が異なるだけである。第3の実施例に
おいては、NMOSトランジスタ26Bの第2端は、イ
ンバータ25の出力に接続されている。
LOWからHIGHになると、若干の遅延時間をおいて
HIGHからLOWになる。従って、NMOSトランジ
スタ26Bのゲートが入力信号INによりHIGHに上
昇する時には、NMOSトランジスタ26Bの第2端は
まだHIGHの状態である。従って、インバータ25の
遅延時間の間だけ閾値電圧が低下して高速にスイッチン
グする。その後にインバータ25の出力はLOWになる
ので、NMOSトランジスタ26Bの第1端に接続され
るNMOSトランジスタ24のウエルの電位はLOWに
落とされる。これにより、NMOSトランジスタ24が
導通状態である間には、基板バイアスゼロの状態の閾値
電圧に戻すことで、過剰な貫通電流が流れることを防
ぐ。
路20Bの出力信号波形を示す図である。図8に示され
るように、破線で示される従来の出力信号波形と比較し
て、実線で示される本発明の出力信号波形は、信号立ち
下りにおいて高速な信号変化を示している。また出力信
号がLOWである間は基板バイアスゼロの状態の閾値電
圧に戻すことで、信号の立ち上がりにおいてNMOSト
ランジスタ24を迅速にオフすることが可能となり、第
1の実施例に対して信号立ち上がりの速度を向上させる
ことが出来る。
4の実施例を示す回路図である。図9において、図7と
同一の構成要素は同一の番号で参照し、必要でない場合
にその説明は省略する。
3の実施例の構成に対して、NMOSトランジスタ27
Cを新たに設けてある。NMOSトランジスタ27C
は、NMOSトランジスタ23のウエルに第1端が接続
されており、またインバータ25の出力である入力信号
INの反転信号に第2端とゲートとが共通に接続されて
いる。
OUTを引き下げるNMOSトランジスタ24の閾値電
圧を下げることで、出力信号OUTの立ち下りの信号変
化を高速にしている。それに加えて図9の第4の実施例
においては、出力信号OUTを引き上げるPMOSトラ
ンジスタ22を駆動するNMOSトランジスタ23の閾
値電圧を下げることで、出力信号OUTの立ち下りだけ
でなく立ち上がりにおいても信号変化を高速にしてい
る。
回路20Cの出力信号波形を示す図である。図10に示
されるように、破線で示される従来の出力信号波形と比
較して、実線で示される本発明の出力信号波形は、信号
立ち上がりと信号立ち下りとの両方において高速な信号
変化を示している。
第5の実施例を示す回路図である。図11において、図
2と同一の構成要素は同一の番号で参照し、必要でない
場合にその説明は省略する。
第1の実施例の構成に対して、NMOSトランジスタ2
6をNMOSトランジスタ26Dで置き換えてある。N
MOSトランジスタ26Dは、NMOSトランジスタ2
6とは第2端の接続が異なるだけである。第3の実施例
においては、NMOSトランジスタ26Dの第2端(ソ
ース)は、グランド電位Vssに接続されている。
力信号OUTが立ち上がろうする際、即ちNMOSトラ
ンジスタ24がオフしようとする時、ウエルに接続され
たNMOSトランジスタ26Dはオフ動作を開始する。
この結果、NMOSトランジスタ24のウエル内に正の
電荷(正孔:ホール)が溜り、ウエル電位(ソース−基
板間電位Vbs)が上昇する。従って、NMOSトラン
ジスタ26Dが完全にオフした状態では、NMOSトラ
ンジスタ24のソース−基板間電位Vbsは上昇した状
態であり、閾値電圧は通常よりも下がっている。
Hに変化し出力信号OUTが立ち下がる時には、NMO
Sトランジスタ24の閾値電圧はそれまで下がった状態
に維持されているので、従来よりも出力信号が高速に変
化する。この後、NMOSトランジスタ26Dが導通す
ると、ドレイン電位がグランド電位に繋がったソース電
位まで落ちる。従ってNMOSトランジスタ24におい
て、基板バイアスゼロの状態の閾値電圧に戻して、過剰
な貫通電流が流れることを防ぐ。
ース−基板間電位Vbsの一例を示している。出力波形
OUTの立ち上がり時においては、それまでNMOSト
ランジスタ26Dが導通状態にあったので、ソース−基
板間電位Vbsはゼロである。従って、この場合の閾値
電圧は高く、入力信号INがHIGHからLOWに変化
すると、高速にNMOSトランジスタ24をオフするこ
とが出来る。また出力波形OUTの立ち下り時において
は、それまでNMOSトランジスタ26Dは非導通状態
にあり、ソース−基板間電位Vbsは上昇した状態にあ
る。従って、この場合の閾値電圧は低く、入力信号がL
OWからHIGHに変化すると、高速にNMOSトラン
ジスタ24をオンすることが出来る。
回路20Dの出力信号波形を示す図である。図13に示
されるように、破線で示される従来の出力信号波形と比
較して、実線で示される本発明の出力信号波形は、信号
立ち上がりと信号立ち下りとの両方において高速な信号
変化を示している。
第6の実施例を示す回路図である。図14において、図
11と同一の構成要素は同一の番号で参照し、必要でな
い場合にその説明は省略する。
の第5の実施例の構成に対して、NMOSトランジスタ
27Eを新たに設けてある。NMOSトランジスタ27
Eは、NMOSトランジスタ23のウエルにドレインが
接続されており、グランド電位にソースが接続され、更
にインバータ25の出力である入力信号INの反転信号
にゲートが接続されている。
号OUTを引き下げるNMOSトランジスタ24の閾値
電圧を下げることで、出力信号OUTの立ち下りの信号
変化を高速にしている。それに加えて図14の第6の実
施例においては、出力信号OUTを引き上げるPMOS
トランジスタ22を駆動するNMOSトランジスタ23
の閾値電圧を下げることで、出力信号OUTの立ち下り
だけでなく立ち上がりにおいても信号変化を高速にして
いる。
回路20Eの出力信号波形を示す図である。図15に示
されるように、破線で示される従来の出力信号波形と比
較して、実線で示される本発明の出力信号波形は、信号
立ち上がりと信号立ち下りとの両方において高速な信号
変化を示している。
第7の実施例を示す回路図である。図16において、図
2と同一の構成要素は同一の番号で参照される。
は、NMOSトランジスタ24のウエルは、入力信号I
Nに直接に接続されている。このように入力信号の電圧
を直接に基板に印加すると、NMOSトランジスタ24
が破壊される可能性があり、慎重に回路を構成する必要
がある。しかし入力信号INの電位VLがスケーリング
により充分低下した場合には、図16の構成のようにN
MOSトランジスタ24のウエルを入力信号INに直接
に接続し基板電位をブーストすることで、NMOSトラ
ンジスタ24がオンする際の閾値電圧を下げて、出力信
号の高速な信号変化を実現することが可能になる。
回路20Fの出力信号波形を示す図である。図17に示
されるように、破線で示される従来の出力信号波形と比
較して、実線で示される本発明の出力信号波形は、出力
信号の立ち下り時において高速な信号変化を示してい
る。
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特
許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能であ
る。
は、レベル変換回路のNMOSトランジスタの基板電位
を入力信号により制御することで、NMOSトランジス
タがオンする際にその基板電位を高く設定して閾値電圧
を低下させる。このように閾値電圧を低下させることに
より、入力信号の信号レベルが低い場合であっても、N
MOSトランジスタのオン動作を高速に実行することが
可能となり、出力信号を安定且つ高速に変化させること
が出来る。
ある。
示す回路図である。
波形を示す図である。
示す回路図である。
波形を示す図である。
示す回路図である。
波形を示す図である。
示す回路図である。
号波形を示す図である。
を示す回路図である。
電位の一例を示す図である。
号波形を示す図である。
を示す回路図である。
号波形を示す図である。
を示す回路図である。
号波形を示す図である。
Claims (10)
- 【請求項1】第1の電圧範囲の入力信号によりオン/オ
フ状態が制御される第1及び第2の電界効果トランジス
タと、 該第1及び第2の電界効果トランジスタのオン/オフ状
態に応じて制御される第3及び第4の電界効果トランジ
スタと、 該第1乃至第4の電界効果トランジスタのオン・オフ状
態に応じて第2の電圧範囲の出力信号が出力される端子
と、 該第1の電界効果トランジスタの基板電位を該入力信号
により制御する制御回路を含むことを特徴とする半導体
集積回路。 - 【請求項2】該制御回路は、該第1の電界効果トランジ
スタの基板電位に接続される第1端と該入力信号に接続
される第2端と該入力信号に接続されるゲートとを有す
るNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項
1記載の半導体集積回路。 - 【請求項3】該第2の電界効果トランジスタの基板電位
に接続される第1端と該入力信号の反転信号に接続され
る第2端と該入力信号の反転信号に接続されるゲートと
を有するNMOSトランジスタを更に含むことを特徴と
する請求項2記載の半導体集積回路。 - 【請求項4】該制御回路は、該第1の電界効果トランジ
スタの基板電位に接続される第1端と該入力信号の反転
信号に接続される第2端と該入力信号に接続されるゲー
トとを有するNMOSトランジスタであることを特徴と
する請求項1記載の半導体集積回路。 - 【請求項5】該第2の電界効果トランジスタの基板電位
に接続される第1端と該入力信号の反転信号に接続され
る第2端と該入力信号の反転信号に接続されるゲートと
を有するNMOSトランジスタを更に含むことを特徴と
する請求項4記載の半導体集積回路。 - 【請求項6】該制御回路は、該第1の電界効果トランジ
スタの基板電位に接続されるドレイン端とグランド電位
に接続されるソース端と該入力信号に接続されるゲート
とを有するNMOSトランジスタであることを特徴とす
る請求項1記載の半導体集積回路。 - 【請求項7】該第2の電界効果トランジスタの基板電位
に接続されるドレイン端と該グランド電位に接続される
ソース端と該入力信号の反転信号に接続されるゲートと
を有するNMOSトランジスタを更に含むことを特徴と
する請求項6記載の半導体集積回路。 - 【請求項8】該制御回路は、該第1の電界効果トランジ
スタの基板電位を該入力信号に直接に接続する信号線で
あることを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路。 - 【請求項9】該第1及び第2の電界効果トランジスタは
NMOSトランジスタであり、該第3及び第4の電界効
果トランジスタはPMOSトランジスタであることを特
徴とする請求項1記載の半導体集積回路。 - 【請求項10】該入力信号の反転信号を生成するインバ
ータを更に含み、該第1の電界効果トランジスタは該入
力信号に接続されるゲートとグランドに接続されるソー
スとを有する第1のNMOSトランジスタであり、該第
2の電界効果トランジスタは該インバータの出力に接続
されるゲートと該グランドに接続されるソースとを有す
る第2のNMOSトランジスタであり、該第3の電界効
果トランジスタは該第1のNMOSトランジスタのドレ
インに接続されるドレインと該第2のNMOSトランジ
スタのドレインに接続されるゲートと電源電圧に接続さ
れるソースを有する第1のPMOSトランジスタであ
り、該第4の電界効果トランジスタは該第2のNMOS
トランジスタのドレインに接続されるドレインと該第1
のNMOSトランジスタのドレインに接続されるゲート
と該電源電圧に接続されるソースを有する第2のPMO
Sトランジスタであることを特徴とする請求項1記載の
半導体集積回路。
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