JP2005080257A - Cmosドライバ回路およびcmosインバータ回路 - Google Patents

Cmosドライバ回路およびcmosインバータ回路 Download PDF

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Abstract

【課題】 廉価な通常のCMOSプロセスで製造でき且つ消費電力の少ないサインデジット数に対応するCMOSドライバ回路を提供する。
【解決手段】 入力端子INに接続されたインバータINV1の出力信号OUT1を出力用トランジスタMP4とパス回路PATHのトランジスタMN3のゲートに印加し、入力端子INに接続されたインバータINV2の出力信号OUT2を出力用トランジスタMN4とパス回路PATHのトランジスタMP3のゲートに印加することで、入力端子INに入力するサインデジット数「+1」、「0」、「−1」に対応する電圧VDD2、VDD1、VDD0(VDD2>VDD1>VDD0)を波形整形して出力端子OUTから出力する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、3値のサインデジット数のデータを入力して波形整形を行うCMOSドライバ回路および波形整形と同時に信号反転も行うCMOSインバータ回路に関するものである。
多値のサインデジット数を用いたデジタル信号のCMOSドライバ回路の従来の構成例として、それぞれ2つ以上のしきい値電圧を有するNMOSトランジスタやPMOSトランジスタを用いて構成した例、あるいは電流モード回路の構成例が知られている(非特許文献1,2)。
松本外2名著、「MOSトランジスタとキャパシタ・メモリを使った4値論理回路の設計」、電子情報通信学会論文誌、第J70−D巻、第1号、50−59頁、1987年1月 亀山外2名著、「Signed-Digit数系に基づく双方向電流モード多値基本演算回路とその評価」、電子情報通信学会論文誌、第J71−D巻、第7号、1189−1198頁、1988年7月
しかし、それぞれ2つ以上の多値しきい値電圧を有するNMOSトランジスタやPMOSトランジスタを用いたCMOSドライバ回路は、通常のCMOSプロセスでは製造できないため、製品コストが高価となる問題点があった。また、電流モード回路の構成例では、スタティックな動作電流が発生し、LSIに多数搭載しようとすると低消費電力が阻害される問題点があった。
本発明の目的は、上記問題点を解消し廉価な通常のCMOSプロセスで製造でき且つ低消費電力性を有するサインデジット数に対応するCMOSドライバ回路を提供することである。また、別の目的はこのCMOSドライバ回路を発展させて同様な特徴を有するCMOSインバータ回路を提供することである。
請求項1にかかる発明は、3値のサインデジット数に対応する電圧VDD0,VDD1,VDD2(VDD0<VDD1<VDD2)のいずれかの信号を入力し波形整形して出力するCMOSドライバ回路であって、前記VDD2の電源端子と前記VDD1の電源端子との間に接続され入力側が入力端子に接続された第1のインバータと、前記VDD1の電源端子と前記VDD0の電源端子との間に接続され入力側が前記入力端子に接続された第2のインバータと、前記VDD1の電源端子と出力端子の間に接続されたPMOSトランジスタとNMOSトランジスタの直列回路からなるパス回路と、前記VDD2の電源端子と前記出力端子との間に接続された出力用PMOSトランジスタと、前記VDD0の電源端子と前記出力端子との間に接続された出力用NMOSトランジスタとを具備し、前記第1のインバータの出力側が前記出力用PMOSトランジスタのゲートおよび前記パス回路のNMOSトランジスタのゲートに接続され、前記第2のインバータの出力側が前記出力用NMOSトランジスタのゲートおよび前記パス回路のPMOSトランジスタのゲートに接続されていることを特徴とする。
請求項2にかかる発明は、3値のサインデジット数に対応する電圧VDD0,VDD1,VDD2(VDD0<VDD1<VDD2)のいずれかの信号を入力し波形整形し反転して出力するCMOSインバータ回路であって、前記VDD2の電源端子と前記VDD1の電源端子との間に接続され入力側が入力端子に接続された第1のインバータと、前記VDD1の電源端子と前記VDD0の電源端子との間に接続され入力側が前記入力端子に接続された第2のインバータと、前記VDD1の電源端子と出力端子の間に接続されたPMOSトランジスタとNMOSトランジスタの直列回路からなるパス回路と、前記VDD2の電源端子と前記出力端子との間に接続された出力用PMOSトランジスタと、前記VDD0の電源端子と前記出力端子との間に接続された出力用NMOSトランジスタと、前記VDD2の電源端子と前記入力端子との間に接続され前記入力端子の電圧が前記VDD0ならほぼ前記VDD1にシフトし前記VDD1ならほぼ前記VDD2にシフトする第1の電圧シフト回路と、前記VDD0の電源端子と前記入力端子との間に接続され前記入力端子の電圧が前記VDD2ならほぼ前記VDD1にシフトし前記VDD1ならほぼ前記VDD0にシフトする第2の電圧シフト回路とを具備し、前記第1のインバータの出力側が前記パス回路のNMOSトランジスタのゲートに接続され、前記第2のインバータの出力側が前記パス回路のPMOSトランジスタのゲートに接続され、前記第1の電圧シフト回路の出力側が前記出力用PMOSトランジスタのゲートに接続され、前記第2の電圧シフト回路の出力側が前記出力用NMOSトランジスタのゲートに接続されていることを特徴とする。
請求項3にかかる発明は、請求項2に記載のCMOSインバータ回路において、前記第1の電圧シフト回路は、前記VDD2の電源端子と前記入力端子との間に直列接続された2個のPMOSトランジスタからなり、該2個のPMOSトランジスタの内の前記VDD2の電源端子側のトランジスタのゲートには前記VDD1の電源端子が接続され、前記2個のPMOSトランジスタの内の前記入力端子側のトランジスタはダイオード接続され、且つ前記2個のPMOSトランジスタの共通接続点が前記出力側となり、前記第2の電圧シフト回路は、前記VDD0の電源端子と前記入力端子との間に直列接続された2個のNMOSトランジスタからなり、該2個のNMOSトランジスタの内の前記VDD0の電源端子側のトランジスタのゲートには前記VDD1の電源端子が接続され、前記2個のNMOSトランジスタの内の前記入力端子側のトランジスタはダイオード接続され、且つ前記2個のNMOSトランジスタの共通接続点が前記出力側となる、ことを特徴とする。
請求項4にかかる発明は、請求項3に記載のCMOSインバータ回路において、前記第1の電圧シフト回路の前記ダイオード接続のPMOSトランジスタのしきい値電圧および前記第2の電圧シフト回路の前記ダイオード接続のNMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値は、前記電圧VDD2とVDD1の差分、又は前記電圧VDD1とVDD0の差分にほぼ相当することを特徴とする。
本発明のCMOSドライバ回路およびCMOSインバータ回路は、各トランジスタが1つのしきい値をもつMOSトランジスタですむので、廉価な通常のプロセスで製造できる。またスタティックな動作電流を少なくできるので消費電力が少なくて済み、しかも構成するMOSトランジスタ数が少ないので、LSIに多数搭載する場合にそのLSIのチップ面積、消費電力を増加させることがない。
本発明のCMOSドライバ回路では、1つのしきい値を持つMOSトランジスタを8個使用して、サインデジット数「+1」、「0」、「−1」に対応する電圧VDD2、VDD1、VDD0(VDD2>VDD1>VDD0)を入力して波形整形する。また、CMOSインバータ回路では、1つのしきい値を持つMOSトランジスタを12個使用して、同様の電圧を入力して波形整形および信号反転を行う。以下、詳しく説明する。
図1は実施例1のCMOSドライバ回路の構成を示す回路図である。本実施例では3値のサインデジット数「+1」、「0」、「−1」に対応する電源電圧として、それぞれVDD2、VDD1、VDD0を用意する。例えば、VDD2=1.8V、VDD1=0.9V、VDD0=0Vである。本実施例のCMOSドライバ回路は、サインデジット数による入力信号INを波形整形して、出力信号OUTとして上記のVDD2、VDD1、VDD0のいずれかが出力されるように構成したものである。以下では、「MP」はPMOSトランジスタを表し、「MN」はNMOSトランジスタを表すものとする。
INV1,INV2は入力側が入力端子INに共通接続されたCMOSインバータである。そのうちインバータINV1はVDD2,VDD1を電源電圧とするトランジスタMP1,MN1からなり、インバータINV2はVDD1,VDD0を電源電圧とするトランジスタMP2,MN2からなる。PATHはトランジスタMP3,MN3の直列接続回路からなるパス回路、MP4は電源VDD2と出力端子OUTの間に接続された出力用トランジスタ、MN4は電源VDD0と出力端子OUTの間に接続された出力用トランジスタである。そして、インバータINV1の出力側はトランジスタMP4,MN3のゲートに接続され、インバータINV2の出力側はトランジスタMN4,MP3のゲートに接続されている。
さて、入力端子INに入力した信号は、インバータINV1で反転されて信号OUT1となり、出力用トランジスタMP4のゲートおよびパス回路PATHのトランジスタMN3のゲートに入力する。また、インバータINV2で反転されて信号OUT2となり、出力用トランジスタMN4のゲートおよびパス回路PATHのトランジスタMP3のゲートに入力する。
いま、入力端子INが「+1」(=VDD2)のときは、トランジスタMN1,MN2がオンとなり、信号OUT1がVDD1、OUT2がVDD0になる。よって、トランジスタMP3がオン、トランジスタMN3がオフとなってパス回路PATHは遮断し、トランジスタMP4がオン、トランジスタMN4がオフとなるので、出力端子OUTはVDD2、つまり「+1」となる。
また、入力端子INが「0」(=VDD1)のときは、トランジスタMP1,MN2がONとなり、信号OUT1がVDD2、OUT2がVDD0になる。よって、トランジスタMP3とトランジスタMN3がオンとなってパス回路PATHが導通し、トランジスタMP4とトランジスタMN4がオフとなるので、出力端子OUTはVDD1、つまり「0」となる。
さらに、入力端子INが「−1」(=VDD0)のときは、トランジスタMP1,MP2がオンとなり、信号OUT1がVDD2、OUT2がVDD1になる。よって、トランジスタMP3がオフ、トランジスタMN3がオンとなってパス回路PATHは遮断し、トランジスタMP4がオフ、トランジスタMN4がオンとなるので、出力端子OUTはVDD0、つまり「−1」となる。
このように、本実施例のMOSドライバ回路は、「+1」、「0」、「−1」のサインデジット数の信号を入力すると、それを波形整形して「+1」、「0」、「−1」のサインデジット数の信号として出力する。図2にこのMOSドライバ回路の動作の真理値を示した。
本実施例のCMOSドライバ回路は、各トランジスタが1つのしきい値をもつMOSトランジスタであるので、廉価な通常のプロセスで製造できる。またスタティックな動作電流をほぼ0にできるので消費電力が少なくて済み、しかも構成するMOSトランジスタ数がたかだが8個と少ないので、LSIに多数搭載する場合にそのLSIのチップ面積、消費電力を増加させることがない。
図3は実施例2のCMOSインバータ回路の構成を示す回路図である。図1に示したMOSドライバ回路におけるものと同じものには同じ符号をつけた。SH1は入力信号INの電圧レベルをVDD2の側にシフトした信号OUT3を出力するための電圧シフト回路であり、シフト用のダイオード接続のトランジスタMP5とこのトランジスタMP5に定電流を供給する電流源トランジスタMP6との直列接続回路から構成されている。SH2は入力信号INの電圧レベルをVDD0の側にシフトした信号OUT4を出力するための電圧シフト回路であり、シフト用のダイオード接続のトランジスタMN5とこのトランジスタMN5に定電流を供給する電流源トランジスタMN6との直列接続回路から構成されている。
インバータINV1の出力信号OUT1はパス回路PATHのトランジスタMN3のゲートに印加され、インバータINV2の出力信号OUT2はパス回路PATHのトランジスタMP3のゲートに印加されている。また、電圧シフト回路SH1の出力信号OUT3は出力用トランジスタMP4のゲートに印加され、電圧シフト回路SH2の出力信号OUT4は出力用トランジスタMN4のゲートに印加されている。
いま、入力端子INが「+1」(=VDD2)のときは、トランジスタMN1,MN2がオンとなり、出力信号OUT1がVDD1、OUT2がVDD0になる。よって、トランジスタMP3がオンするがトランジスタMN3がオフとなるのでパス回路PATHは遮断する。また、電圧シフト回路SH1のトランジスタMP5がオフとなり、その出力信号OUT3がVDD2となる。また、電圧シフト回路SH2のトランジスタMN5がオンとなり、その出力信号OUT4が「VDD2−ΔVtn5」となる。ΔVtn5はダイオード接続トランジスタMN5のしきい値電圧(≒0.6V)であり、このため出力信号OUT4は「VDD2−ΔVtn5≒VDD1」となる。よって、トランジスタMP4がオフ、トランジスタMN4がオンとなるので、出力端子OUTはVDD0、つまり「−1」となる。
入力端子INが「0」(=VDD1)のときは、トランジスタMP1,MN2がオンとなり、出力信号OUT1がVDD2、OUT2がVDD0になる。よって、パス回路PATHのトランジスタMP3,MN3がオンする。また、電圧シフト回路SH1のトランジスタMP5がオンとなり、その出力信号OUT3が「VDD1+ΔVtp5」となる。ΔVtp5はダイオード接続トランジスタMP5のしきい値電圧(≒0.6V)であり、このため出力信号OUT3は「VDD1+ΔVtp5≒VDD2」となり、出力用トランジスタMP4はオフする。また、電圧シフト回路SH2のトランジスタMN5がオンとなり、その出力信号OUT4が「VDD1−ΔVtn5≒VDD0」となり、出力用トランジスタMN4はオフする。よって、出力端子OUTはパス回路PATHを経由して得られるVDD1、つまり「0」となる。
また、入力端子INが「−1」(=VDD0)のときは、トランジスタMP1,MP2がオンとなり、出力信号OUT1がVDD2、OUT2がVDD1になる。よって、トランジスタMN3がオンするがトランジスタMP3がオフとなるのでパス回路PATHは遮断する。また、電圧シフト回路SH1のトランジスタMP5がオンとなり、その出力信号OUT3が「VDD0+ΔVtp5≒VDD1」となる。また、電圧シフト回路SH2のトランジスタMN5がオフとなり、その出力信号OUT4がVDD0となる。よって、トランジスタMP4がオン、トランジスタMN4がオフとなるので、出力端子OUTはVDD2、つまり「+1」となる。
このように、本実施例のMOSインバータ回路は、「+1」、「0」、「−1」のサインデジット数の信号を入力すると、それを波形整形するとともに反転して「−1」、「0」、「+1」のサインデジット数の信号として出力する。図4にこのCMOSインバータ回路の動作の真理値を示した。
本実施例のCMOSインバータ回路は、各トランジスタが1つのしきい値をもつMOSトランジスタであるので、廉価な通常のプロセスで製造できる。また電流源トランジスタにはスタティックな動作電流が流れるがそのトランジスタのサイズ比(W/L)を調整することにより消費電力を少なくでき、しかも構成するMOSトランジスタ数がたかだが12個と少ないので、LSIに多数搭載する場合にそのLSIのチップ面積、消費電力を増加させることがない。
実施例1のCMOSドライバ回路の回路図である。 実施例1のCMOSドライバ回路の動作の真理値の説明図である。 実施例2のCMOSインバータ回路の回路図である。 実施例2のCMOSインバータ回路の動作の真理値の説明図である。
符号の説明
INV1,INV2:インバータ
PATH:パス回路
SH1,SH2:電圧シフト回路

Claims (4)

  1. 3値のサインデジット数に対応する電圧VDD0,VDD1,VDD2(VDD0<VDD1<VDD2)のいずれかの信号を入力し波形整形して出力するCMOSドライバ回路であって、
    前記VDD2の電源端子と前記VDD1の電源端子との間に接続され入力側が入力端子に接続された第1のインバータと、前記VDD1の電源端子と前記VDD0の電源端子との間に接続され入力側が前記入力端子に接続された第2のインバータと、前記VDD1の電源端子と出力端子の間に接続されたPMOSトランジスタとNMOSトランジスタの直列回路からなるパス回路と、前記VDD2の電源端子と前記出力端子との間に接続された出力用PMOSトランジスタと、前記VDD0の電源端子と前記出力端子との間に接続された出力用NMOSトランジスタとを具備し、
    前記第1のインバータの出力側が前記出力用PMOSトランジスタのゲートおよび前記パス回路のNMOSトランジスタのゲートに接続され、前記第2のインバータの出力側が前記出力用NMOSトランジスタのゲートおよび前記パス回路のPMOSトランジスタのゲートに接続されていることを特徴とするCMOSドライバ回路。
  2. 3値のサインデジット数に対応する電圧VDD0,VDD1,VDD2(VDD0<VDD1<VDD2)のいずれかの信号を入力し波形整形し反転して出力するCMOSインバータ回路であって、
    前記VDD2の電源端子と前記VDD1の電源端子との間に接続され入力側が入力端子に接続された第1のインバータと、前記VDD1の電源端子と前記VDD0の電源端子との間に接続され入力側が前記入力端子に接続された第2のインバータと、前記VDD1の電源端子と出力端子の間に接続されたPMOSトランジスタとNMOSトランジスタの直列回路からなるパス回路と、前記VDD2の電源端子と前記出力端子との間に接続された出力用PMOSトランジスタと、前記VDD0の電源端子と前記出力端子との間に接続された出力用NMOSトランジスタと、前記VDD2の電源端子と前記入力端子との間に接続され前記入力端子の電圧が前記VDD0ならほぼ前記VDD1にシフトし前記VDD1ならほぼ前記VDD2にシフトする第1の電圧シフト回路と、前記VDD0の電源端子と前記入力端子との間に接続され前記入力端子の電圧が前記VDD2ならほぼ前記VDD1にシフトし前記VDD1ならほぼ前記VDD0にシフトする第2の電圧シフト回路とを具備し、
    前記第1のインバータの出力側が前記パス回路のNMOSトランジスタのゲートに接続され、前記第2のインバータの出力側が前記パス回路のPMOSトランジスタのゲートに接続され、前記第1の電圧シフト回路の出力側が前記出力用PMOSトランジスタのゲートに接続され、前記第2の電圧シフト回路の出力側が前記出力用NMOSトランジスタのゲートに接続されていることを特徴とするCMOSインバータ回路。
  3. 請求項2に記載のCMOSインバータ回路において、
    前記第1の電圧シフト回路は、前記VDD2の電源端子と前記入力端子との間に直列接続された2個のPMOSトランジスタからなり、該2個のPMOSトランジスタの内の前記VDD2の電源端子側のトランジスタのゲートには前記VDD1の電源端子が接続され、前記2個のPMOSトランジスタの内の前記入力端子側のトランジスタはダイオード接続され、且つ前記2個のPMOSトランジスタの共通接続点が前記出力側となり、
    前記第2の電圧シフト回路は、前記VDD0の電源端子と前記入力端子との間に直列接続された2個のNMOSトランジスタからなり、該2個のNMOSトランジスタの内の前記VDD0の電源端子側のトランジスタのゲートには前記VDD1の電源端子が接続され、前記2個のNMOSトランジスタの内の前記入力端子側のトランジスタはダイオード接続され、且つ前記2個のNMOSトランジスタの共通接続点が前記出力側となる、
    ことを特徴とするCMOSインバータ回路。
  4. 請求項3に記載のCMOSインバータ回路において、
    前記第1の電圧シフト回路の前記ダイオード接続のPMOSトランジスタのしきい値電圧および前記第2の電圧シフト回路の前記ダイオード接続のNMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値は、前記電圧VDD2とVDD1の差分、又は前記電圧VDD1とVDD0の差分にほぼ相当することを特徴とするCMOSインバータ回路。
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