JP2004193770A - Semiconductor integrated circuit and semiconductor memory using it - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号レベル変換回路を含む半導体集積回路の高速化及び低消費電力化技術に関し、特にメモリコアを含んだ低電源電圧仕様のシステムLSI等で、低い電源電圧が供給される論理回路部分と、比較的高い電源電圧の供給が必要とされるメモリコア部分との接続部分に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
本発明者が検討したところによれば、低電圧振幅のパルス信号を高電圧振幅のパルス信号に変換する信号レベル変換回路に関しては、以下のような技術が考えられる。
【0003】
例えば、ワードドライバ及びその駆動回路として、デコーダ等からの信号を入力とするインバータ回路と、その出力にソース及びドレイン端子の一方が接続されるN型MOSトランジスタと、他方に接続されるワードドライバと、そのワードドライバの出力信号を帰還して入力電圧をプルアップする回路とを備えたものが挙げられる。前記インバータ回路の電圧振幅はVDDであり、前記ワードドライバの電圧振幅はVDDよりもセルトランジスタのしきい値電圧分だけ昇圧したVDHである。また、前記N型MOSトランジスタのゲートには、動作に応じてVDDまたは0Vが入力される(例えば、非特許文献1参照。)。
【0004】
【非特許文献1】
伊藤清男著「超LSIメモリ」培風館出版、1994年11月5日、p157
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のような信号レベル変換回路の技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。
【0006】
例えば、本発明者が本発明の前提として検討した信号レベル変換回路の一例を図4を用いて説明する。
【0007】
図4の信号レベル変換回路は、インバータ回路5dおよび5aと、プルアップゲート6とトランスファーゲート10とから構成される。インバータ回路5dはVDD電源端子11よりVDDが供給され、入力端子をN8、出力端子をN9とし、P型MOSトランジスタQP1とN型MOSトランジスタQN1とを有する。インバータ回路5aは、VDDH電源端子12よりVDDH>VDDであるVDDHが供給され、入力端子をN10、出力端子をN11とし、P型MOSトランジスタQP2とN型MOSトランジスタQN2とを有する。プルアップゲート6は、P型MOSトランジスタであり、ソースが前記VDDH電源端子12に、ドレインが前記端子N10に、ゲートが前記端子N11に接続される。トランスファーゲート10は、N型MOSトランジスタであり、前記端子N9及びN10の一方をソース、他方をドレインとし、ゲートが前記VDD電源端子11に接続される。
【0008】
前記信号レベル変換回路の動作について以下に説明する。
【0009】
初期状態をQP1がON、QN1がOFF、QP2がOFF、QN2がON、プルアップゲート6がON、トランスファーゲート10がOFFとし、端子N8は0V、端子N9はVDD、端子N10はVDDH、端子N11は0Vとする。
【0010】
この初期状態から、端子N8にVDDの‘H’信号が入力された場合、QP1がOFFに向かい、QN1がONとなり、端子N9の電荷がQN1を経由して放電される。これに伴いトランスファーゲート10がONとなり、一般的にプルアップゲート6の駆動能力は低く設計されているため、端子N10の電荷も放電され始め、端子N9及びN10が0Vに近づいていく。すると、QP2がONとなり、QN2がOFFに向かい、端子N11がVDDHと近づくため、それが帰還されてプルアップゲート6がOFFに向かう。これにより、端子N9及びN10が更に0Vに近づいていき、QN2が完全にOFFとなり、端子N11はVDDHとなる。
【0011】
以上により、スイッチング後の安定状態では、QP1がOFF、QN1がON、QP2がON、QN2がOFF、プルアップゲート6がOFF、トランスファーゲート10がONとなり、端子N8はVDD、端子N9及びN10は0V、端子N11はVDDHとなる。
【0012】
次に、端子N8に0Vの‘L’信号が入力された場合、QP1がON、QN1がOFFとなり、端子N9をQP1を経由してVDDに充電する。トランスファーゲート10は端子N10が当初0VであるためONを保持しており、このため端子N10にも充電が行われ、端子N10の電圧はトランスファーゲート10のしきい値電圧分降下した(VDD−Vthn)となる。すると、QP2はOFFに向かい、QN2はONとなり、端子N11が0Vに近づくため、それが帰還されてプルアップゲート6がONになる。このため、端子N10はVDDHに昇圧されQP2を完全にOFFにすると共に、トランスファーゲート10もOFFとなり、VDDH電源端子12からVDD電源端子11に向けたリーク電流が防止できる。
【0013】
以上により、スイッチング後の安定状態では、前記初期状態のトランジスタ開閉状態及び端子電圧となる。
【0014】
前記のような信号レベル変換回路を含む半導体集積回路は、異なる電圧仕様の機能ブロックを多く含んだ、例えばシステムLSI等で特に必要とされている。システムLSI等では、近年、低電源電圧化および高速化が進んでいるが、依然としてメモリコア部分は、動作マージン確保等により比較的高い電源電圧を供給しなければならない。したがって、デコーダ等の低電源電圧で動作する論理ブロックとの接続において、高速かつ低消費電力な信号レベル変換回路を含む半導体集積回路が求められている。
【0015】
そのような中、例えば、前記図4に示すような信号レベル変換回路は、特に低電源電圧において動作速度の低下と消費電流の増大が顕著に表れる。それは、前記インバータ回路5dのような低電源電圧VDDで動作する回路と、前記インバータ回路5a及びプルアップゲート6のような高電源電圧VDDHで動作する回路との間に、VDDHからVDDへ向けたリーク電流防止のため、前記トランスファーゲート10のようなN型MOSトランジスタを用いることが主な要因となっている。
【0016】
前記N型MOSトランジスタはインバータ回路5dからインバータ回路5aへの‘H’信号転送時に、転送が進むにつれてオン抵抗が大きくなるため遅延を引き起こすと共に、しきい値電圧分の電圧降下も引き起こす。この電圧降下は、インバータ回路5aにおいて、‘H’信号入力の電圧マージンを劣化させ、なおかつ‘L’出力のスイッチング速度を低下させる。すると、その出力を帰還して、インバータ回路5aの入力端子N10をVDDHへと昇圧する前記プルアップゲート6のONも遅延するため、前記端子N10において、VDDHへ昇圧するのに要する時間が図5に示すように遅くなる。このため、インバータ回路5aのプルアップ素子である前記QP2のOFFが遅れ、‘L’出力におけるスイッチング速度の低下をさらに引き起こすと共に、インバータ回路5aの貫通電流も増大する。
【0017】
そこで、本発明の目的は、低電源電圧においても少ない消費電流で、高速に信号レベルの変換を行うことができる信号レベル変換回路を含む半導体集積回路、及び当該回路を用いた半導体記憶装置を提供することにある。
【0018】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0020】
すなわち、本発明による半導体集積回路は、第1インバータ回路と第2インバータ回路とプルアップ用トランジスタとを有するものである。
【0021】
前記第1インバータ回路は、第1の電源電圧が供給され、第1型の第1トランジスタと、第2型の第2トランジスタと、制御スイッチとを含み、電源端子と信号出力端子との間に前記第1トランジスタおよび前記制御スイッチを有している。そして、前記制御スイッチは前記電源端子と前記信号出力端子との電気的な導通開始から一定時間経過後に導通を遮断する手段を備えたものである。
【0022】
前記第2インバータ回路は、前記第1インバータ回路の電源電圧よりも高い電源電圧が供給され、第1型の第3トランジスタと、第2型の第4トランジスタとを含み、前記第1インバータ回路の出力を入力とするものである。
【0023】
前記プルアップ用トランジスタは、前記第2インバータ回路の出力を制御入力とするトランジスタであり、前記第2インバータ回路の電源端子と前記第2インバータ回路の入力端子との間に設けられたものである。
【0024】
また、前記第1インバータ回路の前記制御スイッチは、第1型の第5トランジスタと、遅延回路とを有するものである。この遅延回路は、入力された2値情報を遅延して出力し、‘H’情報を遅延して出力する際に、その出力電圧を前記第2インバータ回路の電源電圧とする機能を有するものである。
【0025】
また、前記第1インバータ回路は、その電源端子より直列に前記第1トランジスタと前記第5トランジスタと前記第2トランジスタとが接続されるものである。
【0026】
さらに、前記遅延回路は、前記第1インバータ回路の信号出力端子あるいは前記第2インバータ回路の信号出力端子から入力され、前記第5トランジスタの制御入力端子へと出力されるものである。そして、前記第2インバータ回路の信号出力端子を入力とする場合、前記遅延回路は前記第2インバータ回路の電源電圧が供給される第3インバータ回路を有するものである。
【0027】
また、本発明による半導体記憶装置は、ワード線の駆動回路を含み、そのワード線の駆動回路に前記半導体集積回路を有するものである。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0029】
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1の半導体集積回路を示す回路図である。まず、図1より、本実施の形態1の半導体集積回路の構成の一例を説明する。
【0030】
本実施の形態1の半導体集積回路は、例えば、VDD電源端子(第1電源端子)11よりVDD(第1の電源電圧)が供給され、入力端子(第1信号入力端子)をN1、出力端子(第1信号出力端子)をN2とし、P型MOSトランジスタ(第1型の第1トランジスタ)QP1、N型MOSトランジスタ(第2型の第2トランジスタ)QN1及び制御スイッチ3aを有する制御スイッチ付インバータ回路(第1インバータ回路)2aと、VDDH電源端子(第2電源端子)12よりVDDH>VDDであるVDDH(第2の電源電圧)が供給され、入力端子(第2信号入力端子)を前記出力端子N2、出力端子(第2信号出力端子)をN3とし、P型MOSトランジスタ(第1型の第3トランジスタ)QP2とN型MOSトランジスタ(第2型の第4トランジスタ)QN2を有するインバータ回路(第2インバータ回路)5aと、VDDH電源端子12と端子N2の間に設けられたP型MOSトランジスタで、ゲートが端子N3に接続されたプルアップゲート(プルアップ用トランジスタ)6、などから構成される。そして、前記制御スイッチ3aは、P型MOSトランジスタ(第1型の第5トランジスタ)QP3と、VDDH電源端子12よりVDDHが供給され、入力端子を前記出力端子N2、出力端子をQP3のゲートとする遅延回路4などから構成される。
【0031】
つぎに、本実施の形態1の半導体集積回路において、その動作の一例を説明する。
【0032】
初期状態をQP1がON、QN1がOFF、QP2がOFF、QN2がON、プルアップゲート6がON、QP3がOFFとし、端子N1は0V、端子N2はVDDH、端子N3は0V、QP3のゲート電圧はVDDHとする。
【0033】
まず、前記初期状態から、端子N1にVDDの‘H’信号が入力された場合を説明する。前記‘H’入力により、QP1がOFF、QN1がONとなり、端子N2の電荷がQN1を経由して放電される。一般的にプルアップゲート6の駆動能力は低く設計されているため、端子N2は0Vに近づいていく。すると、QP2がONとなり、QN2がOFFに向かい、端子N3がVDDHに近づくため、それが帰還されてプルアップゲート6もOFFに向かい、端子N2が更に0Vに近づいていく。そして、QN2がOFFになると端子N3はVDDH、プルアップゲート6はOFF、端子N2は0Vで安定する。
【0034】
なお、制御スイッチ付インバータ回路2aの‘H’出力から‘L’出力へのスイッチングの間、QP3のゲート電圧は、端子N2の‘L’信号が遅延回路4により遅延して伝わるためVDDHを保持し、QP3はOFFのままであるため、制御スイッチ付インバータ回路2aのスイッチングによる貫通電流を低減できる。
【0035】
また、QP3のゲートに‘L’信号が伝わると、QP1とQP3との間に蓄えられたVDDの電荷を、QP3のしきい値電圧の電荷に放電する過程で、QP3はONとなるが、その後はOFFとなる。
【0036】
以上により、スイッチング後の安定状態では、QP1がOFF、QN1がON、QP2がON、QN2がOFF、プルアップゲート6がOFF、QP3はOFFとなり、端子N1はVDD、端子N2は0V、端子N3はVDDH、QP3のゲート電圧は0Vとなる。
【0037】
‘H’信号入力において、本発明の前提として検討した図4の回路と比較すると、トランスファーゲート10のようなN型MOSトランジスタが不要になるため、制御スイッチ付インバータ回路2aからインバータ回路5aへの転送速度が向上し、また、制御スイッチ付インバータ回路2aのスイッチングにおける貫通電流を低減できる。
【0038】
次に、端子N1に0Vの‘L’信号が入力された場合を説明する。前記‘L’入力によってQP1がON、QN1がOFFとなり、QP3のゲート電圧は0Vであるため、QP1のドレイン電圧となるVDDによってQP3がONとなり、端子N2をVDDに充電する。この間、QP3のゲート−ソース間電圧はVDDとなるためON抵抗は小さい。そして、端子N2のVDDがインバータ回路5aに入力され、QP2はOFFに向かい、QN2はONとなり、端子N3が0Vに近づくため、プルアップゲート6がONとなる。このため、端子N2はVDDHに昇圧されQP2は完全にOFFとなり、端子N3も0Vとなる。
【0039】
ここで、制御スイッチ3aの動作に関し、前記説明で述べた端子N2をVDDに充電する段階で、遅延回路4で決められる遅延時間後にQP3のゲート電圧はVDDHとなり、QP3をOFFにする。すると、VDD電源端子11と端子N2の導通が遮断され、端子N2がVDDHに昇圧されてもQP3はOFFを保持するため、VDDH電源端子12からVDD電源端子11に向けたリーク電流は防止できる。但し、前記遅延時間が短すぎると、端子N2に対するVDDの充電が足りず、プルアップゲート6の駆動が不十分となり、端子N2をVDDHへ昇圧できなくなる。
【0040】
従って、遅延回路4の遅延時間は、短すぎるとプルアップゲート6の駆動が不十分となり、長すぎるとVDDH電源端子12からVDD電源端子11に向けたリーク電流が発生するので、その間の最適な遅延量になるように設計する必要がある。
【0041】
以上により、スイッチング後の安定状態では、QP1がON、QN1がOFF、QP2がOFF、QN2がON、プルアップゲート6がON、QP3はOFFとなり、端子N1は0V、端子N2はVDDH、端子N3は0V、QP3のゲート電圧はVDDHとなり、前記初期状態の各トランジスタの開閉状態及び端子の電圧状態と同一になる。
【0042】
‘L’信号入力において、本発明の前提として検討した図4の回路と比較すると、課題で述べたトランスファーゲート10のオン抵抗大による遅延と、しきい値電圧分の電圧降下が発生しないため、制御スイッチ付インバータ回路2aとインバータ回路5a間の転送速度と、インバータ回路5aにおけるスイッチング速度が向上する。また、スイッチング速度の向上に伴い貫通電流も低減でき、さらに、インバータ回路5aにおける‘H’信号入力の電圧マージンも、従来のトランスファーゲート10のしきい値電圧分改善する。
【0043】
従って、本実施の形態1の半導体集積回路によれば、信号レベルの変換を少ない消費電流で高速に行うことができ、とりわけ、‘L’信号の入出力においてその効果を発揮する。また、前記効果に加えて、さらに、インバータ5aにおける‘H’信号入力の電圧マージンも改善するため、低電源電圧でも十分に動作することができる。
【0044】
(実施の形態2)
図2は本発明の実施の形態2の半導体集積回路を示す回路図である。まず、図2より、本実施の形態2の半導体集積回路の構成の一例を説明する。
【0045】
実施の形態2の半導体集積回路は、例えば、前記実施の形態1における図1の遅延回路4を、VDDHを電源電圧とするインバータ回路(第3インバータ回路)5bとし、その入力端子をインバータ5aの出力端子であるN6に変更した構成例である。それ以外の構成は実施の形態1と同一であるが、説明のため端子の名称を変更し、制御スイッチ付インバータ回路2bの入力端子をN4、その出力端子でなおかつインバータ回路5aの入力端子をN5とする。また、前記インバータ回路5bは、例えば、CMOS型のインバータ回路とする。
【0046】
実施の形態1における図1の遅延回路4に示した入力端子で、遅延回路4を例えばインバータ回路で構成すると極性を合わせるためインバータ回路が2段必要になるが、本実施の形態2では入力端子位置を変更することでインバータ回路が1段で済み、回路面積と消費電流を低減できる。
【0047】
つぎに、本実施の形態2の半導体集積回路において、その動作の一例を説明する。動作に関しても、制御スイッチ3bに関わる動作以外は実施の形態1と同様であるため一部省略して簡単に説明する。
【0048】
まず、端子N4にVDDの‘H’信号が入力された場合、QN1がONとなり、端子N5が0Vに近づき、QP2がONとなり、端子N6がVDDHに近づく。すると、プルアップゲート6がOFFに向かい、端子N5が更に0Vに近づき、QN2が完全にOFFとなり、端子N6がVDDHとなる。
【0049】
また、前記端子N6がVDDHに近づいた段階で、その信号がインバータ回路5bに帰還され、前記インバータ1段分の遅延時間を経た後、QP3のゲートに0Vを出力する。この出力によってQP3はONとなるが、実施の形態1で述べたように、QP1とQP3の間の電荷を放電した後OFFとなる。
【0050】
次に、端子N4に0Vの‘L’信号が入力された場合、QP1がONとなり、そのドレイン電圧VDDによってQP3もONとなり、端子N5がVDDに近づく。すると、QN2がONとなり、端子N6が0Vに近づき、プルアップゲート6がONになるため、端子N5がVDDHに昇圧され、QP2が完全にOFFとなり、端子N6は0Vとなる。
【0051】
また、前記端子N6が0Vに近づいた段階で、その信号がインバータ回路5bに帰還され、前記インバータ1段分の遅延を経た後、QP3のゲートにVDDHを出力する。このVDDHによってQP3はOFFとなるため、VDDH電源端子12からVDD電源端子11に向けた定常的なリーク電流が防止できる。
【0052】
但し、N6が0Vに近づいた段階で、端子N5をVDDHに昇圧するのにプルアップゲート6の1段の駆動に対して、QP3をOFFするためには、インバータ回路5b内のP型MOSトランジスタとP型MOSトランジスタQP3の2段を駆動する必要がある。このため、配線遅延やトランジスタの駆動能力にもよるが、場合によっては、トランジスタ1段の駆動時間に満たない程度の時間、前記リーク電流が発生する可能性も考えられるが、VDDH−VDD間の電位差とリーク時間を考慮すると少ない電流量と言える。また、インバータ回路5bも、そのスイッチング時に貫通電流が発生するが、一般的なCMOS貫通電流レベルである。
【0053】
従って、本実施の形態2の半導体集積回路によれば、実施の形態1で述べた効果を全て有した半導体集積回路を、小面積で実現することができる。
【0054】
(実施の形態3)
図3は本発明の実施の形態3の半導体記憶装置を示す回路図である。本実施の形態3の半導体記憶装置は、そのワード線駆動回路に、例えば、前記実施の形態2の半導体集積回路を適用した例である。
【0055】
まず、図3より、本実施の形態3の半導体記憶装置の構成の一例を説明する。
【0056】
本実施の形態3の半導体記憶装置1は、メインワードドライバ7とサブワードドライバ8とメモリセル9から構成される。メインワードドライバ7は、実施の形態2における図2の半導体集積回路と同様、トランジスタQP1,QP3,QN1及び遅延回路であるインバータ回路5bを有し、入力端子をN7とする制御スイッチ付インバータ回路2bと、その出力であるメインワード線13に接続にされ、実施の形態2における図2のインバータ回路5aに該当するインバータ回路5cと、インバータ回路5cの出力をゲート入力とするプルアップゲート6などから構成される。サブワードドライバ8は、実施の形態2における図2の端子N5よりインバータ回路5aと並列に接続された位置に該当する、VDDHを電源電圧とするインバータ回路であり、その出力であるサブワード線14には多数のメモリセル9が接続される。
【0057】
つぎに、本実施の形態3の半導体記憶装置1において、その動作の一例を説明する。
【0058】
図3には明示していないが、端子N7の前段に位置するデコーダ等より、メインワード線に選択信号が出力されると、端子N7にVDDの‘H’信号が入力され、実施の形態2で説明したような動作が行われ、サブワード線14が高速にVDDHとなる。そして、メモリセルに対するデータ書き込み、データ読み出し等が行われた後、デコーダ等より非選択信号が出力されることで、端子N7に0Vの‘L’信号が入力され、サブワード線14が高速に0Vとなる。
【0059】
通常、ワード線の容量は極めて大きいため、ワード線の立ち上げ及び立ち下げ速度はメモリの動作速度を決める主要な要素となる。システムLSI等に含まれる、特にSRAMなどにおいては、高速性と低消費電力が要求されるため、そのワードドライバは特にこれらの用件を満たす必要がある。
【0060】
そうした中、本実施の形態3の半導体記憶装置1は、これまでに説明したように高速性と低消費電力性を兼ね備えている。
【0061】
従って、本実施の形態3の半導体記憶装置によれば、特にメモリコアを含むシステムLSI等において最適な、高速で消費電流が少なく、なおかつ小面積であるワード線駆動回路を実現できる。
【0062】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0063】
例えば、前記実施の形態1においては、その遅延回路4として電源電圧VDDHが供給される回路を例としたが、抵抗素子等で遅延時間の条件が満たせるのであれば、電源電圧を供給する必要はない。
【0064】
また、例えば、前記実施の形態3においては、システムLSI等に含まれるSRAMを例に説明したが、DRAMでも同様に適用でき、さらにシステムLSI内のメモリや単体のメモリに限らず、異種の電源を用いた回路間において高速なバッファ回路としても適用可能である。
【0065】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【0066】
(1)異種の電源電圧が供給されるインバータ回路間の接続に用いていたN型MOSトランジスタを、遅延回路を含む制御スイッチに置き換えることで、インバータ回路間の信号転送速度の向上とスイッチング時間の高速化が可能となり、高速な信号レベル変換を実現できる。
【0067】
(2)異種の電源電圧が供給されるインバータ回路の内、低い電源電圧が供給される側のインバータ回路に前記制御スイッチを備えることで、当該インバータの貫通電流を低減でき、なおかつ高い電源電圧が供給されるインバータ回路においてもスイッチング時間の高速化により貫通電流が低減することから、低消費電力を実現できる。
【0068】
(3)異種の電源電圧が供給されるインバータ回路間の‘H’信号転送において、しきい値電圧分の電圧降下がなく、また前記(1),(2)により高速かつ低消費電力であることから、低電源電圧仕様の回路にも適用可能となる。
【0069】
(4)前記(1)〜(3)により、特にメモリコアを含むシステムLSI等において最適なワード線駆動回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の半導体集積回路の構成例を示す回路図である。
【図2】本発明の実施の形態2の半導体集積回路の構成例を示す回路図である。
【図3】本発明の実施の形態3である半導体記憶装置において、そのワード線駆動回路に実施の形態2の半導体集積回路を用いた例を示す回路図である。
【図4】本発明の前提として検討した信号レベル変換回路の構成を示す回路図である。
【図5】本発明の前提として検討した信号レベル変換回路において、その動作波形の問題点を示す説明図である。
【符号の説明】
1 半導体記憶装置
2a,2b 制御スイッチ付インバータ回路
3a,3b 制御スイッチ
4 遅延回路
5a,5b,5c,5d インバータ回路
6 プルアップゲート
7 メインワードドライバ
8 サブワードドライバ
9 メモリセル
10 トランスファーゲート
11 VDD電源端子
12 VDDH電源端子
13 メインワード線
14 サブワード線
QP1〜QP3 P型MOSトランジスタ
QN1,QN2 N型MOSトランジスタ
N1〜N11 端子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for speeding up and reducing power consumption of a semiconductor integrated circuit including a signal level conversion circuit, and particularly to a logic circuit portion to which a low power supply voltage is supplied, such as a low power supply voltage system LSI including a memory core. And a technology effective when applied to a connection portion with a memory core portion that requires supply of a relatively high power supply voltage.
[0002]
[Prior art]
According to the studies made by the present inventors, the following techniques can be considered for a signal level conversion circuit that converts a low-voltage amplitude pulse signal into a high-voltage amplitude pulse signal.
[0003]
For example, as a word driver and a driving circuit thereof, an inverter circuit which receives a signal from a decoder or the like, an N-type MOS transistor having one of its source and drain terminals connected to its output, and a word driver connected to the other. And a circuit for feeding back the output signal of the word driver and pulling up the input voltage. The voltage amplitude of the inverter circuit is VDD, and the voltage amplitude of the word driver is VDH which is higher than VDD by the threshold voltage of the cell transistor. In addition, VDD or 0 V is input to the gate of the N-type MOS transistor according to the operation (for example, see Non-Patent Document 1).
[0004]
[Non-patent document 1]
Kiyoo Ito, "Super LSI Memory", Baifukan Publishing, November 5, 1994, p. 157
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the inventors of the present invention have studied the technology of the signal level conversion circuit as described above, and have found the following.
[0006]
For example, an example of a signal level conversion circuit studied by the present inventors as a premise of the present invention will be described with reference to FIG.
[0007]
The signal level conversion circuit of FIG. 4 includes
[0008]
The operation of the signal level conversion circuit will be described below.
[0009]
In the initial state, QP1 is ON, QN1 is OFF, QP2 is OFF, QN2 is ON, pull-up
[0010]
When the VDD “H” signal is input to the terminal N8 from this initial state, QP1 goes off, QN1 turns on, and the electric charge at the terminal N9 is discharged via QN1. As a result, the
[0011]
As described above, in the stable state after switching, QP1 is OFF, QN1 is ON, QP2 is ON, QN2 is OFF, pull-up
[0012]
Next, when a 0V 'L' signal is input to the terminal N8, QP1 is turned on and QN1 is turned off, and the terminal N9 is charged to VDD via QP1. The
[0013]
As described above, in the stable state after the switching, the transistor is in the open / closed state and the terminal voltage in the initial state.
[0014]
A semiconductor integrated circuit including the above-described signal level conversion circuit is particularly required in, for example, a system LSI or the like including many functional blocks having different voltage specifications. In recent years, in system LSIs and the like, the power supply voltage has been reduced and the operation speed has been increased. However, the memory core still needs to supply a relatively high power supply voltage to secure an operation margin. Therefore, there is a need for a semiconductor integrated circuit including a high-speed and low power consumption signal level conversion circuit in connection with a logic block operating at a low power supply voltage such as a decoder.
[0015]
Under such circumstances, for example, in the signal level conversion circuit as shown in FIG. 4, particularly at a low power supply voltage, a decrease in operating speed and an increase in current consumption are remarkable. It is directed from VDDH to VDD between a circuit operating at a low power supply voltage VDD such as the inverter circuit 5d and a circuit operating at a high power supply voltage VDDH such as the
[0016]
The N-type MOS transistor causes a delay when transferring the “H” signal from the inverter circuit 5d to the
[0017]
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit including a signal level conversion circuit capable of performing high-speed signal level conversion with low current consumption even at a low power supply voltage, and a semiconductor memory device using the circuit. Is to do.
[0018]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0020]
That is, a semiconductor integrated circuit according to the present invention includes a first inverter circuit, a second inverter circuit, and a pull-up transistor.
[0021]
The first inverter circuit is supplied with a first power supply voltage, includes a first transistor of a first type, a second transistor of a second type, and a control switch, and is provided between a power terminal and a signal output terminal. The semiconductor device includes the first transistor and the control switch. The control switch includes means for interrupting conduction after a lapse of a predetermined time from the start of electrical conduction between the power supply terminal and the signal output terminal.
[0022]
The second inverter circuit is supplied with a power supply voltage higher than the power supply voltage of the first inverter circuit, includes a first-type third transistor, and a second-type fourth transistor. The output is the input.
[0023]
The pull-up transistor is a transistor that receives an output of the second inverter circuit as a control input, and is provided between a power supply terminal of the second inverter circuit and an input terminal of the second inverter circuit. .
[0024]
Further, the control switch of the first inverter circuit has a fifth transistor of a first type and a delay circuit. The delay circuit has a function of delaying and outputting input binary information and using the output voltage as a power supply voltage of the second inverter circuit when delaying and outputting 'H' information. is there.
[0025]
In the first inverter circuit, the first transistor, the fifth transistor, and the second transistor are connected in series from a power supply terminal.
[0026]
Further, the delay circuit is inputted from a signal output terminal of the first inverter circuit or a signal output terminal of the second inverter circuit, and outputted to a control input terminal of the fifth transistor. When the signal output terminal of the second inverter circuit is used as an input, the delay circuit has a third inverter circuit to which a power supply voltage of the second inverter circuit is supplied.
[0027]
Further, a semiconductor memory device according to the present invention includes a word line drive circuit, and the word line drive circuit includes the semiconductor integrated circuit.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for describing the embodiments, the same members are denoted by the same reference numerals, and a repeated description thereof will be omitted.
[0029]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a semiconductor integrated circuit according to the first embodiment of the present invention. First, an example of the configuration of the semiconductor integrated circuit according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
[0030]
In the semiconductor integrated circuit of the first embodiment, for example, VDD (first power supply voltage) is supplied from a VDD power supply terminal (first power supply terminal) 11, an input terminal (first signal input terminal) is N1, and an output terminal is An inverter with a control switch including a P-type MOS transistor (first-type first transistor) QP1, an N-type MOS transistor (second-type second transistor) QN1, and a control switch 3a, where (first signal output terminal) is N2. A circuit (first inverter circuit) 2a and a VDDH power supply terminal (second power supply terminal) 12 are supplied with VDDH (second power supply voltage) satisfying VDDH> VDD, and an input terminal (second signal input terminal) is supplied with the output. A terminal N2, an output terminal (second signal output terminal) is N3, and a P-type MOS transistor (first-type third transistor) QP2 and an N-type MOS transistor (second A fourth transistor) having an inverter circuit (second inverter circuit) 5A having a QN2 and a P-type MOS transistor provided between a VDDH
[0031]
Next, an example of the operation of the semiconductor integrated circuit according to the first embodiment will be described.
[0032]
Initial states are as follows: QP1 is ON, QN1 is OFF, QP2 is OFF, QN2 is ON, pull-up
[0033]
First, a case where a VDD 'H' signal is input to the terminal N1 from the initial state will be described. By the "H" input, QP1 is turned off and QN1 is turned on, and the electric charge of the terminal N2 is discharged via QN1. Generally, since the driving capability of the pull-up
[0034]
During the switching from the "H" output to the "L" output of the
[0035]
Also, when the 'L' signal is transmitted to the gate of QP3, QP3 is turned on in the process of discharging the charge of VDD stored between QP1 and QP3 to the charge of the threshold voltage of QP3, Thereafter, it is turned off.
[0036]
As described above, in the stable state after switching, QP1 is OFF, QN1 is ON, QP2 is ON, QN2 is OFF, pull-up
[0037]
In comparison with the circuit of FIG. 4 examined as a premise of the present invention at the "H" signal input, an N-type MOS transistor such as the
[0038]
Next, a case where a 0V 'L' signal is input to the terminal N1 will be described. QP1 is turned on and QN1 is turned off by the "L" input, and the gate voltage of QP3 is 0 V. Therefore, VDD which is the drain voltage of QP1 turns on QP3 and charges terminal N2 to VDD. During this time, the ON-resistance is small because the gate-source voltage of QP3 becomes VDD. Then, VDD of the terminal N2 is input to the
[0039]
Here, regarding the operation of the control switch 3a, at the stage of charging the terminal N2 to VDD described above, the gate voltage of QP3 becomes VDDH after the delay time determined by the delay circuit 4, and QP3 is turned off. Then, conduction between the VDD
[0040]
Therefore, if the delay time of the delay circuit 4 is too short, the drive of the pull-up
[0041]
As described above, in the stable state after switching, QP1 is ON, QN1 is OFF, QP2 is OFF, QN2 is ON, pull-up
[0042]
Compared with the circuit of FIG. 4 examined as a premise of the present invention, the delay due to the large on-resistance of the
[0043]
Therefore, according to the semiconductor integrated circuit of the first embodiment, signal level conversion can be performed at high speed with low current consumption, and the effect is exhibited particularly in inputting / outputting an “L” signal. Further, in addition to the above-described effects, the voltage margin of the input of the “H” signal in the
[0044]
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a circuit diagram showing a semiconductor integrated circuit according to Embodiment 2 of the present invention. First, an example of the configuration of the semiconductor integrated circuit according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
[0045]
In the semiconductor integrated circuit of the second embodiment, for example, the delay circuit 4 of FIG. 1 in the first embodiment is replaced with an inverter circuit (third inverter circuit) 5b using VDDH as a power supply voltage, and its input terminal is connected to the
[0046]
In the input terminal shown in the delay circuit 4 of FIG. 1 in the first embodiment, if the delay circuit 4 is constituted by, for example, an inverter circuit, two stages of inverter circuits are required to match the polarities. By changing the position, only one inverter circuit is required, and the circuit area and current consumption can be reduced.
[0047]
Next, an example of the operation of the semiconductor integrated circuit according to the second embodiment will be described. The operation is the same as that of the first embodiment except for the operation related to the control switch 3b, and therefore, a part thereof is omitted and will be described briefly.
[0048]
First, when the VDD “H” signal is input to the terminal N4, QN1 turns on, the terminal N5 approaches 0 V, QP2 turns on, and the terminal N6 approaches VDDH. Then, the pull-up
[0049]
When the terminal N6 approaches VDDH, the signal is fed back to the inverter circuit 5b, and after a delay time of one stage of the inverter, 0V is output to the gate of the QP3. This output turns on QP3, but turns off after discharging the charge between QP1 and QP3, as described in the first embodiment.
[0050]
Next, when a 0V 'L' signal is input to the terminal N4, QP1 is turned ON, QP3 is also turned ON by the drain voltage VDD, and the terminal N5 approaches VDD. Then, QN2 is turned on, the terminal N6 approaches 0V, and the pull-up
[0051]
When the terminal N6 approaches 0V, the signal is fed back to the inverter circuit 5b, and after a delay of one stage of the inverter, VDDH is output to the gate of the QP3. Since QP3 is turned off by this VDDH, steady leakage current from the VDDH
[0052]
However, when N6 approaches 0 V, QP3 is turned off in response to one-stage driving of the pull-up
[0053]
Therefore, according to the semiconductor integrated circuit of the second embodiment, a semiconductor integrated circuit having all the effects described in the first embodiment can be realized with a small area.
[0054]
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a circuit diagram showing a semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention. The semiconductor memory device according to the third embodiment is an example in which, for example, the semiconductor integrated circuit according to the second embodiment is applied to the word line driving circuit.
[0055]
First, an example of the configuration of the semiconductor memory device according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
[0056]
The
[0057]
Next, an example of the operation of the
[0058]
Although not explicitly shown in FIG. 3, when a selection signal is output to the main word line from a decoder or the like located in a stage preceding the terminal N7, a VDD “H” signal is input to the terminal N7, and the second embodiment is performed. Are performed, and the
[0059]
Usually, since the capacity of the word line is extremely large, the rising and falling speed of the word line is a main factor which determines the operation speed of the memory. Since high-speed operation and low power consumption are required for a SRAM included in a system LSI or the like, especially for an SRAM or the like, the word driver must particularly satisfy these requirements.
[0060]
Under these circumstances, the
[0061]
Therefore, according to the semiconductor memory device of the third embodiment, it is possible to realize a word line drive circuit that is fast, consumes less current, and has a small area, which is optimal for a system LSI including a memory core.
[0062]
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and can be variously modified without departing from the gist thereof. Needless to say.
[0063]
For example, in the first embodiment, a circuit to which the power supply voltage VDDH is supplied has been described as an example of the delay circuit 4. However, if the condition of the delay time can be satisfied by a resistance element or the like, it is not necessary to supply the power supply voltage. Absent.
[0064]
Further, for example, in the third embodiment, the SRAM included in the system LSI or the like has been described as an example. However, the present invention can be similarly applied to a DRAM, and is not limited to the memory in the system LSI or a single memory. Can also be applied as a high-speed buffer circuit between circuits using.
[0065]
【The invention's effect】
The effects obtained by typical aspects of the invention disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0066]
(1) The N-type MOS transistor used for connection between the inverter circuits to which different power supply voltages are supplied is replaced with a control switch including a delay circuit, thereby improving the signal transfer speed between the inverter circuits and reducing the switching time. High-speed operation is possible, and high-speed signal level conversion can be realized.
[0067]
(2) By providing the control switch in the inverter circuit to which a low power supply voltage is supplied among the inverter circuits to which different power supply voltages are supplied, the through current of the inverter can be reduced and the high power supply voltage can be reduced. Also in the supplied inverter circuit, since the through current is reduced by shortening the switching time, low power consumption can be realized.
[0068]
(3) There is no voltage drop corresponding to the threshold voltage in the transfer of the "H" signal between the inverter circuits to which different power supply voltages are supplied, and the above (1) and (2) achieve high speed and low power consumption. Therefore, the present invention can be applied to a circuit having a low power supply voltage specification.
[0069]
(4) According to the above (1) to (3), it is possible to provide a word line driving circuit most suitable for a system LSI including a memory core.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a semiconductor integrated circuit according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a semiconductor integrated circuit according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example in which a semiconductor integrated circuit according to a second embodiment is used for a word line drive circuit in a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a signal level conversion circuit studied as a premise of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a problem of an operation waveform in a signal level conversion circuit studied as a premise of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1の電源電圧よりも電圧が高い第2の電源電圧を供給する第2電源端子と、第2信号入力端子と、第2信号出力端子と、第1型の第3トランジスタと、第2型の第4トランジスタとを含み、前記第2信号入力端子に前記第1信号出力端子が接続された第2インバータ回路と、
前記第2電源端子と前記第2信号入力端子との間に具備され、前記第2信号出力端子の信号を制御入力とするプルアップ用トランジスタとを有した半導体集積回路であって、
前記制御スイッチは、前記第1電源端子と前記第1信号出力端子との電気的な導通開始から一定時間経過後に導通を遮断する手段を有することを特徴とする半導体集積回路。A first power supply terminal for supplying a first power supply voltage, a first signal input terminal, a first signal output terminal, a first transistor of a first type, and a second transistor of a second type; A first inverter circuit having the first transistor and the control switch between one power supply terminal and the first signal output terminal;
A second power supply terminal for supplying a second power supply voltage having a voltage higher than the first power supply voltage, a second signal input terminal, a second signal output terminal, a first transistor of a first type; A second inverter circuit comprising: a fourth transistor of a first type, wherein the first signal output terminal is connected to the second signal input terminal;
A semiconductor integrated circuit having a pull-up transistor provided between the second power supply terminal and the second signal input terminal, the pull-up transistor having a signal at the second signal output terminal as a control input;
The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the control switch has means for interrupting conduction after a lapse of a predetermined time from the start of electrical conduction between the first power supply terminal and the first signal output terminal.
前記制御スイッチは、第1型の第5トランジスタと、入力された2値情報を遅延して出力する機能を有し、‘H’情報の出力電圧が前記第2の電源電圧である遅延回路とを有しており、
前記第1インバータ回路は、前記第1電源端子より直列に前記第1トランジスタと前記第5トランジスタと前記第2トランジスタとが接続されることを特徴とする半導体集積回路。The semiconductor integrated circuit according to claim 1,
The control switch has a fifth transistor of a first type and a function of delaying and outputting input binary information, and a delay circuit in which an output voltage of “H” information is the second power supply voltage. Has,
The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the first inverter circuit is connected to the first transistor, the fifth transistor, and the second transistor in series from the first power supply terminal.
前記遅延回路は、前記第1信号出力端子を入力とし、前記第5トランジスタの制御入力端子を出力とすることを特徴とする半導体集積回路。3. The semiconductor integrated circuit according to claim 2, wherein
The semiconductor integrated circuit, wherein the delay circuit receives the first signal output terminal as an input, and outputs a control input terminal of the fifth transistor as an output.
前記遅延回路は、前記第2の電源電圧が供給される第3インバータ回路であり、前記第2信号出力端子を入力とし、前記第5トランジスタの制御入力端子を出力とすることを特徴とする半導体集積回路。3. The semiconductor integrated circuit according to claim 2, wherein
The delay circuit is a third inverter circuit to which the second power supply voltage is supplied, wherein the delay circuit receives the second signal output terminal as an input, and outputs a control input terminal of the fifth transistor as an output. Integrated circuit.
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KR100744643B1 (en) | 2006-05-31 | 2007-08-01 | 주식회사 하이닉스반도체 | Level shifter circuit |
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- 2002-12-09 JP JP2002356917A patent/JP2004193770A/en active Pending
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