JP2003298409A - ダイナミック回路 - Google Patents

ダイナミック回路

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JP2003298409A
JP2003298409A JP2002104418A JP2002104418A JP2003298409A JP 2003298409 A JP2003298409 A JP 2003298409A JP 2002104418 A JP2002104418 A JP 2002104418A JP 2002104418 A JP2002104418 A JP 2002104418A JP 2003298409 A JP2003298409 A JP 2003298409A
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power supply
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Osamu Taketoshi
修 竹歳
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電荷再分配の影響を受けることなく高速動作
を実現し、またノイズ耐性を向上させたダイナミック回
路を提供する。 【解決手段】 プリチャージ用トランジスタ100およ
びキーパー用トランジスタ104には、出力用インバー
タ105に供給される第1の電源電圧VDDよりも高い
第2の電源電圧VDDHが供給される。また、ディスチ
ャージ用トランジスタ103および複数の評価用トラン
ジスタ101、102の閾値電圧を、プリチャージ用ト
ランジスタ100およびキーパー用トランジスタ104
の閾値電圧の絶対値よりも高く設定することで、リーク
電流を低減し、ノイズ耐性を更に向上させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロプロセッ
サ、メモリ等のデコーダやコンパレータとして使用され
るANDゲート、ORゲート等のダイナミック回路に関
し、特に低電圧で動作するダイナミック回路に関する。
【0002】
【従来の技術】図8は、従来の代表的なダイナミック回
路の構成例を示す回路図である。図8において、100
はプリチャージ用のpチャネルトランジスタであり、ノ
ードXをプリチャージ期間中に電源電位VDDによりプ
リチャージする。101、102は評価回路であり、n
チャネルトランジスタで構成されている。103はディ
スチャージ用のnチャネルトランジスタであり、評価期
間中のみオンする。104はノードXの電位を保持する
キーパー用のpチャネルトランジスタである。105は
出力用のインバータであり、ダイナミック回路の評価結
果を出力するとともに、出力信号OUTをトランジスタ
104のゲートへフィードバックすることで、ノードX
の倫理「H」状態を保持する役目をする。
【0003】このように構成された従来のダイナミック
回路の動作について、図8に加えて、図9Aおよび図9
Bも参照して説明する。
【0004】図9Aは、評価期間中にトランジスタ10
1、102がともにオンする場合における図8のダイナ
ミック回路の動作タイミングを示す図で、図9Bは、評
価期間中にトランジスタ101、102のうちいずれか
一方しかオンしない場合における図8のダイナミック回
路の動作タイミングを示す図である。なお、図9Aおよ
び図9Bにおいて、Preはプリチャージ期間を、Ev
aは評価期間を表す。
【0005】ダイナミック回路の動作は大きく分けて、
プリチャージ期間とディスチャージ期間に分けられる。
プリチャージ期間中には、論理「L」レベルのクロック
信号CKにより、pチャネルトランジスタ100をオン
するとともに、ディスチャージを行わないように、nチ
ャネルトランジスタ103をオフにして、接地電位VS
Sへの電流パスを切っておく。
【0006】次に、評価期間では、論理「H」レベルの
クロック信号CKにより、pチャネルトランジスタ10
0をオフに、またnチャネルトランジスタ103をオン
にすることで、接地電位VSSへのディスチャージの電
流パスを用意する。図9Aのように、評価回路への信号
A、Bがともに論理「H」レベルであった場合、図8の
回路では、ノードXから接地電位VSSまでの電流パス
が形成されるため、ノードXは論理「L」レベルとな
る。したがって、出力信号OUTはその反転である論理
「H」レベルとなる。
【0007】この評価期間では、はじめにnチャネルト
ランジスタ101から103、キーパー用のpチャネル
トランジスタ104が一時的に全てオンする状態ができ
てしまうが、キーパー用のpチャネルトランジスタ10
4の駆動能力を小さく作っているため、ノードXは接地
電位VSSまで引き下げられ、かつインバータ105の
出力信号OUTをゲートで受けているため、キーパー用
のpチャネルトランジスタ104はオフする。
【0008】次に、図9Bのように、評価回路への信号
A、Bのどちらかが論理「L」レベル、もしくはともに
論理「L」レベルである場合、評価期間に入ってもノー
ドXの電位は論理「H」レベルのままで、出力信号OU
Tは論理「L」レベルとなる。評価期間中、トランジス
タ104は、ノードXがハイインピーダンスにならない
ように、ノードXの電位を論理「H」に固定するように
働く。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、LSIプロセスの微細化、それに伴う電
源電圧の低電圧化によるノイズマージンの低下、ノイズ
の影響が問題となっている。図10は、ノイズの影響を
考慮した図8のダイナミック回路の動作タイミングを示
す図である。
【0010】入力信号Aが論理「H」レベルで、入力信
号Bが論理「L」レベルである場合、本来ならば、図9
Bに示すように、評価期間中でもノードXは論理「H」
レベルのままであり、出力信号OUTも論理「L」レベ
ルのままである。しかしながら実際には、論理「H」レ
ベルの入力信号Aがゲートに印加されるnチャネルトラ
ンジスタ101がオンすれば、ノードYにおけるトラン
ジスタ101、102のソース−基板接合容量、ドレイ
ン−基板接合容量が影響するため、ノードXの電位は、
ノードXにおける寄生容量106ならびにノードYにお
けるトランジスタの接合容量107での電荷再分配によ
り決定される。すなわち、電源電圧をVDD、ノードX
の寄生容量をCx、ノードYの接合容量をCyとする
と、電荷再分配が生じた結果、ノードXの電位Vxは、
Vx=VDD×Cx/(Cx+Cy)となり電位の低下
を起こす。
【0011】この電荷再配分によるノードXの電位低下
がインバータ105の論理閾値を下回らない場合、キー
パー用のトランジスタ104により、ノードXの電位
は、図10の点線のように元の電位に回復する。しか
し、ノードXの電位低下がインバータ105の論理閾値
を下回った場合、図10の実線のように論理は反転し、
ノードXの電位は完全に論理「L」レベルとなり、誤っ
た値をこのダイナミック回路は出力する。
【0012】これを回避する方法として、キーパー用の
トランジスタ104の電荷供給能力を上げて電荷再分
配、ノイズによるノードXの電位の影響を抑える方法が
あるが、今度は、ノードXの電位変化が遅くなってしま
い、ダイナミック回路自身の速度が低下してしまう。
【0013】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
で、その目的は、電荷再分配の影響を受けることなく高
速動作を実現し、またノイズ耐性を向上させたダイナミ
ック回路を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係るダイナミック回路は、クロック信号に
より駆動制御されるプリチャージ用トランジスタと、ク
ロック信号により、プリチャージ用トランジスタとは反
転論理で駆動制御されるディスチャージ用トランジスタ
と、プリチャージ用トランジスタとディスチャージ用ト
ランジスタとの間に直列に接続され、複数の入力信号に
よりそれぞれ駆動制御される複数の評価用トランジスタ
と、プリチャージ用トランジスタからの出力信号を受
け、その論理を反転した信号を出力する出力用インバー
タと、プリチャージ用トランジスタと並列に接続され、
インバータからの出力信号により駆動制御され、プリチ
ャージ用トランジスタの出力ノードにおける電位を保持
するキーパー用トランジスタとを備え、プリチャージ用
トランジスタおよびキーパー用トランジスタには、出力
用インバータに供給される第1の電源電圧(VDD)よ
りも高い第2の電源電圧(VDDH)が供給されること
を特徴とする。
【0015】この構成によれば、高速動作を保証し、か
つノイズマージンの拡大によりノイズ耐性を向上させる
ことができる。
【0016】本発明に係るダイナミック回路において、
ディスチャージ用トランジスタおよび複数の評価用トラ
ンジスタの閾値電圧は、プリチャージ用トランジスタの
閾値電圧の絶対値よりも高くなるように製造工程で設定
されることが好ましい。
【0017】この構成によれば、リーク電流の低減とノ
イズ耐性をさらに向上させることができる。
【0018】または、本発明に係るダイナミック回路
は、ディスチャージ用トランジスタおよび複数の評価用
トランジスタの基板電位を可変設定する手段(セレク
タ)を備えることが好ましい。この場合、セレクタは、
基板電位として接地電位と正のバイアス電位のいずれか
を選択する。
【0019】この構成によれば、回路の高速化とリーク
電流によるノイズに対するノイズ耐性の更なる向上をシ
ステム仕様に合わせて選択することができる。また、バ
イアス電位VBの値を変えることで、回路動作に最適な
閾値電圧を設定することができ、プロセスばらつきによ
る閾値電圧の変動も補償することができる。
【0020】本発明に係るダイナミック回路は、クロッ
ク信号および複数の入力信号の論理「H」レベルを第1
の電源電圧のレベルから第2の電源電圧のレベルに変換
するレベルシフタを備えることが好ましい。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照して説明する。
【0022】(第1の実施形態)図1は、本発明の第1
の実施形態に係るダイナミック回路の一構成例を示す回
路図である。なお、図1において、従来のダイナミック
回路の構成を示す図8と同じ部分については、同一の符
号を付して説明を省略する。
【0023】本実施形態は、従来のダイナミック回路に
対して、クロック信号CK、入力信号A、Bの論理
「H」レベルを、システムの電源電圧VDDよりも高い
電源電圧VDDHにまで引き上げるレベルシフタ210
を追加し、インバータ105以外のダイナミック回路、
およびレベルシフタ210に電源電圧VDDHを供給す
る構成をとる。なお、インバータ105には、従来と同
様、システムの電源電圧VDDが供給される。
【0024】本実施形態では、電源電圧VDDHを例え
ば2.0Vとし、ダイナミック回路が搭載されているシ
ステムの電源電圧VDDを例えば1.5Vとする。そし
て、常に電圧レベルはVDDH>VDDの関係を満た
す。
【0025】レベルシフタ210により、クロック信号
CK、入力信号A、Bの論理“H”レベルをダイナミッ
ク回路の電源電圧VDDHにまで引き上げることで、ダ
イナミック回路中のpチャネルトランジスタ100を評
価時に完全にオフに、nチャネルトランジスタ101、
102を評価時に完全にオンに、そしてnチャネルトラ
ンジスタ103をプリチャージ時に完全にオフにさせ
る。
【0026】次に、本実施形態によるダイナミック回路
の動作について、図1に加えて、図2を参照して説明す
る。
【0027】図2は、図1のダイナミック回路の動作タ
イミングを示す図である。なお、図2の論理状態は、ダ
イナミック回路のノードYにおける寄生容量107への
電荷の再配分が起きる場合、つまり入力信号Aが論理
「H」レベルで、入力信号Bが論理「L」である場合を
示している。
【0028】前述のように、ダイナミック回路が搭載さ
れているシステムの電源電圧VDDが、例えば1.5V
である場合、電源電圧VDDHはシステムの電源電圧V
DDよりも高い、例えば2.0Vに設定される。したが
って、ダイナミック回路には2.0Vが供給される。
【0029】まず、プリチャージ期間(Pre)におい
て、クロック信号CK、入力信号A、Bは、レベルシフ
タ210により、その論理「H」レベルがVDDからV
DDHまで引き上げられる。プリチャージ期間におい
て、クロック信号CKは論理「L」レベルとなり、プリ
チャージ用のpチャネルトランジスタ100がオンし、
ディスチャージ用のnチャネルトランジスタ103はオ
フする。したがって、プリチャージ期間中、ノードXは
VDDHまでチャージされる。
【0030】次に、評価期間(Eva)において、クロ
ック信号CKは論理「H」レベルとなり、プリチャージ
用のpチャネルトランジスタ100がオフし、ディスチ
ャージ用のnチャネルトランジスタ103がオンする。
入力信号Aが論理「H」レベルであり、nチャネルトラ
ンジスタ101はオンするが、入力信号Bは論理「L」
レベルであるため、nチャネルトランジスタ102オフ
となる。これにより、ノードXに対する電荷のディスチ
ャージパスが存在しないため、ノードXの電位はVDD
Hのままのはずである。
【0031】従来例では、nチャネルトランジスタ10
1がオンし、nチャネルトランジスタ102がオフした
場合、ノードXの寄生容量106とノードYの接合容量
107により電荷の再配分が起きるため、ノードXの電
位が低下してしまい、出力信号OUTが論理「H」レベ
ルになってしまう問題があった。しかしながら、本実施
形態では、ダイナミック回路の電源電圧をシステムの電
源電圧VDD(1.5V)からVDDH(2.0V)に
引き上げることにより、ノイズマージンを拡大し、ノー
ドXの電位を確実にインバータ105の論理閾値以上の
電位にすることができる。
【0032】以上のように、本実施形態によれば、ダイ
ナミック回路に供給する電源電圧を引き上げることによ
り、高速動作を確保しつつ、ノイズマージンを拡大し、
更にノイズ耐性を向上させることができる。
【0033】なお、本実施形態では、ダイナミック回路
の評価回路として、nチャネルトランジスタ101、1
02だけを例示したが、より多くのトランジスタの組み
合わせても、本実施形態の利点が得られることはいうま
でもない。
【0034】また、本実施形態では、電源電圧VDDH
を2.0Vとしたが、この値はシステム仕様に合わせて
最適な値に設定すればよい。
【0035】(第2の実施形態)図3は、本発明の第2
の実施形態に係るダイナミック回路の一構成例を示す回
路図である。
【0036】本実施形態は、第1の実施形態のダイナミ
ック回路におけるnチャネルトランジスタ101、10
2、103をnチャネルの高閾値トランジスタ201、
202、203に変更した構成をとる。高閾値トランジ
スタ201、202、203は、プロセス工程でその閾
値電圧が高い側にシフトするよう作り込まれたトランジ
スタである。なお、図3において、第1の実施形態を示
す図1と同じ部分については、同一の符号を付して説明
を省略する。
【0037】図4は、図3のダイナミック回路の動作タ
イミングを示す図である。本実施形態によるダイナミッ
ク回路の動作は、基本的には、第1の実施形態の動作と
同じである。しかし、本実施形態の利点としては、nチ
ャネルトランジスタ201、202、203の閾値電圧
が高く(例えば、第1の実施形態におけるnチャネルト
ランジスタ101、102、103の閾値電圧を0.5
Vとすると、nチャネルトランジスタ201、202、
203の閾値電圧は1.0V)なるように構成すること
で、リーク電流を抑え、そのゲートにノイズが乗った場
合における影響を低減し(図3のΔV1に比べて、図4
のΔV2の方が小さい)、ノードXの電位をさらに確実
にインバータ105の論理閾値以上の電位にすることが
できる点にある。
【0038】以上のように、本実施形態によれば、ダイ
ナミック回路のディスチャージパスのトランジスタを高
閾値トランジスタで構成することで、リーク電流を低減
し、ノイズ耐性を更に向上させることができる。
【0039】なお、本実施形態では、ダイナミック回路
の評価回路として、nチャネルトランジスタ201、2
02だけを例示したが、より多くのトランジスタの組み
合わせても、本実施形態の利点が得られることはいうま
でもない。
【0040】また、本実施形態では、電源電圧VDDH
を2.0Vとしたが、この値はシステム仕様に合わせて
最適な値に設定すればよい。
【0041】さらに、本実施形態では、高閾値トランジ
スタ201、202、203の閾値電圧を1.0Vとし
たが、この値は回路の動作速度に合わせて最適な値に設
定すればよい。
【0042】(第3の実施形態)図5は、本発明の第3
の実施形態に係るダイナミック回路の一構成例を示す回
路図である。
【0043】本実施形態は、第1の実施形態のダイナミ
ック回路に対して、nチャネルトランジスタ301、3
02、303の閾値電圧を制御する機構を追加した構成
をとる。なお、図5において、第1の実施形態を示す図
1と同じ部分については、同一の符号を付して説明を省
略する。
【0044】310は、nチャネルトランジスタ30
1、302、303の基板電位を選択するセレクタであ
り、制御信号CNTにより、nチャネルトランジスタ3
01、302、303に印加する基板電位を、接地電位
VSSか正のバイアス電位VBに切り替える。セレクタ
310により、基板電位が接地電位VSSに選択された
場合、nチャネルトランジスタ301、302、303
の閾値電圧は通常の閾値電圧(例えば、0.5V)に設
定され、一方、基板電位が正のバイアス電位VBに選択
された場合は、nチャネルトランジスタの特性上、nチ
ャネルトランジスタ301、302、303の閾値電圧
は高閾値電圧(例えば、1.0V)に設定される。
【0045】図6は、セレクタ310により基板電位と
して接地電位VSSが選択された場合における、図5の
ダイナミック回路の動作タイミングを示す図で、図7
は、セレクタ310により基板電位としてバイアス電位
VBが選択された場合における、図5のダイナミック回
路の動作タイミングを示す図である。
【0046】本実施形態によるダイナミック回路の動作
および利点は、セレクタ310により基板電位として接
地電位VSSが選択された場合は、第1の実施形態と同
じで、セレクタ310により基板電位として正のバイア
ス電位VBが選択された場合は、第2の実施形態と同じ
になる。
【0047】しかし、本実施形態による利点として、第
2の実施形態では、nチャネルトランジスタの閾値電圧
はプロセス条件により固定されてしまうが、本実施形態
では、バイアス電位VBの値を変えることで、回路動作
に最適な閾値電圧を設定することができ、プロセスばら
つきによる閾値電圧の変動も補償することができる。
【0048】以上のように、本実施形態によれば、第1
の実施形態の構成に加え、ダイナミック回路のディスチ
ャージパスのトランジスタにおける基板電位を切り替え
る構成を付加し、基板電位を切り替えることでトランジ
スタの閾値電圧を制御し、トランジスタの閾値電圧を下
げた高速動作モードと閾値電圧を上げた高ノイズ耐圧モ
ードとを設定することで、第1の実施形態の利点である
高速動作と、第2の実施形態の利点である高ノイズ耐圧
動作の両者を実現できる。
【0049】なお、本実施形態では、ダイナミック回路
の評価回路として、nチャネルトランジスタ301、3
02だけを例示したが、より多くのトランジスタの組み
合わせても、本実施形態の利点が得られることはいうま
でもない。
【0050】また、本実施形態では、電源電圧VDDH
を2.0Vとしたが、この値はシステム仕様に合わせて
最適な値に設定すればよい。
【0051】また、本実施形態では、nチャネルトラン
ジスタ301、302、303の閾値電圧を、セレクタ
310により基板電位として接地電位VSSが選択され
た場合、0.5Vとし、セレクタ310により基板電位
として正のバイアス電位VBが選択された場合、1.0
Vとしたが、これらの値は回路の動作速度に合わせて最
適な値に設定すればよい。
【0052】さらに、本実施形態では、nチャネルトラ
ンジスタの基板電位としてセレクタ310により2つの
電位レベルのいずれかを選択したが、3つ以上の電位レ
ベルのいずれかを選択するように構成しても構わない。
【0053】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ダイナミック回路の電源電圧を引き上げることにより、
高速動作を保証し、かつノイズマージンの拡大によりノ
イズ耐性を向上させることが可能になる。
【0054】また、ダイナミック回路の電源電圧を引き
上げ、かつディスチャージ側のトランジスタとして高閾
値トランジスタを用いることにより、リーク電流の低減
とノイズ耐性をさらに向上させることが可能になる。
【0055】さらに、ダイナミック回路の電源電圧を引
き上げ、かつディスチャージ側のトランジスタの基板電
位を切り替えることにより、回路の高速化とリーク電流
によるノイズに対するノイズ耐性の更なる向上をシステ
ム仕様に合わせて選択することが可能になる。また、バ
イアス電位VBの値を変えることで、回路動作に最適な
閾値電圧を設定することができ、プロセスばらつきによ
る閾値電圧の変動も補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態に係るダイナミック
回路の一構成例を示す回路図
【図2】 図1のダイナミック回路の動作タイミングを
示す図。
【図3】 本発明の第2の実施形態に係るダイナミック
回路の一構成例を示す回路図
【図4】 図3のダイナミック回路の動作タイミングを
示す図。
【図5】 本発明の第3の実施形態に係るダイナミック
回路の一構成例を示す回路図
【図6】 セレクタ310により基板電位として接地電
位が選択された場合における、図5のダイナミック回路
の動作タイミングを示す図
【図7】 セレクタ310により基板電位としてバイア
ス電位VBが選択された場合における、図5のダイナミ
ック回路の動作タイミングを示す図
【図8】 従来のダイナミック回路の一構成例を示す回
路図
【図9A】 評価期間中にトランジスタ101、102
がともにオンする場合における、図8のダイナミック回
路の動作タイミングを示す図
【図9B】 評価期間中にトランジスタ101、102
のうちいずれか一方しかオンしない場合における図8の
ダイナミック回路の動作タイミングを示す図
【図10】 図10は、ノイズの影響を考慮した図8の
ダイナミック回路の動作タイミングを示す図
【符号の説明】
100 プリチャージ用のpチャネルトランジスタ 101、102、201、202、301、303 論
理評価用のnチャネルトランジスタ 103、203、303 ディスチャージ用のnチャネ
ルトランジスタ 104 キーパー用のpチャネルトランジスタ 105 出力用のインバータ 106 ノードXの寄生容量 107 ノードYの接合容量 210 レベルシフタ 310 セレクタ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 クロック信号により駆動制御されるプリ
    チャージ用トランジスタと、 前記クロック信号により、前記プリチャージ用トランジ
    スタとは反転論理で駆動制御されるディスチャージ用ト
    ランジスタと、 前記プリチャージ用トランジスタと前記ディスチャージ
    用トランジスタとの間に直列に接続され、複数の入力信
    号によりそれぞれ駆動制御される複数の評価用トランジ
    スタと、 前記プリチャージ用トランジスタからの出力信号を受
    け、その論理を反転した信号を出力する出力用インバー
    タと、 前記プリチャージ用トランジスタと並列に接続され、前
    記インバータからの出力信号により駆動制御され、前記
    プリチャージ用トランジスタの出力ノードにおける電位
    を保持するキーパー用トランジスタとを備え、 前記プリチャージ用トランジスタおよび前記キーパー用
    トランジスタには、前記出力用インバータに供給される
    第1の電源電圧よりも高い第2の電源電圧が供給される
    ことを特徴とするダイナミック回路。
  2. 【請求項2】 前記ディスチャージ用トランジスタおよ
    び前記複数の評価用トランジスタの閾値電圧は、前記プ
    リチャージ用トランジスタの閾値電圧の絶対値よりも高
    くなるように製造工程で設定されることを特徴とする請
    求項1記載のダイナミック回路。
  3. 【請求項3】 前記ダイナミック回路は、前記ディスチ
    ャージ用トランジスタおよび前記複数の評価用トランジ
    スタの基板電位を可変設定する手段を備えたことを特徴
    とする請求項1記載のダイナミック回路。
  4. 【請求項4】 前記可変設定手段は、前記基板電位とし
    て接地電位と正のバイアス電位のいずれかを選択するこ
    とを特徴とする請求項3記載のダイナミック回路。
  5. 【請求項5】 前記ダイナミック回路は、前記クロック
    信号の論理「H」レベルを前記第1の電源電圧のレベル
    から前記第2の電源電圧のレベルに変換するレベルシフ
    タを備えたことを特徴とする請求項1から4のいずれか
    一項記載のダイナミック回路。
  6. 【請求項6】 前記ダイナミック回路は、前記複数の入
    力信号の論理「H」レベルを前記第1の電源電圧のレベ
    ルから前記第2の電源電圧のレベルに変換するレベルシ
    フタを備えたことを特徴とする請求項1から5のいずれ
    か一項記載のダイナミック回路。
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JP2005222659A (ja) * 2004-02-09 2005-08-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体記憶装置
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