JP2005267700A - 半導体集積回路およびそれを用いた磁気記憶装置 - Google Patents

半導体集積回路およびそれを用いた磁気記憶装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 回路面積の低減を可能にする半導体集積回路およびそれを用いた磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】 磁気ヘッド1に対して書き込み電流nIwを供給する1段構成の出力トランジスタMN200と、前記書き込み電流nIwの基準となる電流Iwを出力する電流源22と、前記電流Iwをゲート電圧に変換し、前記出力トランジスタMN200に対して一定の素子サイズ比を備えたダイオード接続のNMOSトランジスタMN202と、前記NMOSトランジスタMN202のゲート電圧を伝達し、出力インピーダンスを小さくするレギュレータ回路21と、前記レギュレータ回路21の出力を電源電圧とし、前記出力トランジスタのゲート電圧を制御するCMOS回路20とを設ける。そして、このような回路を、磁気記憶装置の書き込み回路として適用する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、半導体集積回路およびそれを用いた磁気記憶装置に関し、特に磁気ヘッドなどに電流を供給してデータの書き込みを行う半導体集積回路およびそれを用いた磁気記憶装置に適用して有効な技術に関するものである。
例えば、ハードディスクドライブなどの磁気記憶装置において、磁気ヘッドを駆動してデータの書き込みを行う回路に関しては、非特許文献1の回路が挙げられる。
非特許文献1には、H−ブリッジで構成された書き込み回路が示されており、その書き込み動作は、直列に接続された2段のMOSトランジスタを介して行うものとなっている。すなわち、2段のMOSトランジスタの内、一方のMOSトランジスタは、書き込み電流を設定する機能を担い、他方のMOSトランジスタは、スイッチとしての機能を担っている。そして、スイッチをONした際に、磁気ヘッドに対して書き込み電流を流すことでデータ書き込みが行われる。
また、例えば、出力回路や駆動回路などに関しては、特許文献1〜4の回路が挙げられる。
特許文献1には、出力インピーダンスをアナログ的に可変することが可能な出力回路が示されている。その構成は、出力段に設けられたMOSトランジスタの前段に位置するインバータ回路に対して、そのインバータ回路の電源電圧を可変にする機能を備えたものとなっている。これによって、出力段のMOSトランジスタの入力電位が可変となるため、出力インピーダンスを調整することができ、インピーダンス不整合による誤動作を防止することが可能になる。
特許文献2には、製造ばらつきに基づくセルレシオの誤差を補償可能な半導体スタティックメモリが示されている。その構成は、ワード線ドライバの電源電圧を可変にする機能を備えたものとなっている。そして、ワード線の電位を適正な値に調整することによって、セルレシオの誤差を補償し、安定した書き込み動作およびデータ保持動作が可能になる。
また、特許文献3には、PチャネルMOSトランジスタとNチャネルMOSトランジスタを同時にONさせないための手段を設けることで貫通電流の発生を防止するCMOS出力回路が示されている。特許文献4には、出力段に設けられたMOSトランジスタのゲート端子に対し、そのしきい値電圧に応じた適正なバイアス電圧と、AC結合を介した入力信号を与えることによって、低電圧動作下でのしきい値電圧の影響を低減することが可能なCMOSインバータ回路が示されている。
特開平5−152926号公報 特開2000−260186号公報 特開平8−107344号公報 特開2002−290230号公報 スティーブン・ラム(Steven Lam),他2名、0.5μmおよび5VのCMOSプロセスを使用した550Mb/sのGMRリード/ライトアンプ(A 550Mb/s GMR Read/Write Amplifier using 0.5μm 5V CMOS Process)、「2000年アイトリプルイー 国際固体素子回路会議 技術資料ダイジェスト(2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers)」、2000年2月9日、p.358−359
ところで、前記のような磁気記憶装置の書き込み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。
例えば、ハードディスクドライブでは、ディスク上を移動する磁気ヘッドとの間で書き込み信号や読み出し信号の入出力を行う回路としてプリアンプ回路と呼ばれるものが設けられている。プリアンプ回路には、通常、磁気ヘッドからのリード信号を増幅するための読み出し回路や、磁気ヘッドに対してライト信号を出力するための書き込み回路などが1つのICチップとして集積化されている。
このプリアンプ回路は、波形品質の観点などからできるだけ磁気ヘッドに近い位置に配置されることが望ましい。このため、プリアンプ回路は、磁気ヘッドを支持するサスペンション上などの小さいスペースに設けられる場合が多く、チップコストの観点なども含めてできるだけ小さい回路面積であることが要求される。
このような中、前述した特許文献1の書き込み回路は、等価的に例えば図9に示すような回路構成となっている。図9は、本発明の前提として検討した従来の書き込み回路において、その構成の一例を示す回路図である。
図9に示す書き込み回路は、例えば、出力端子ND90と出力端子ND91間の枝と、出力端子ND90および出力端子ND91からそれぞれ電源端子Vccおよび基準電位端子Vssに繋がる4つの枝90〜93とを含むH−ブリッジ回路で構成される。出力端子ND90と出力端子ND91間の枝には、磁気ヘッド1が設けられている。出力端子ND90から基準電位端子Vssに繋がる枝91の中には、直列に接続された2段構成のNチャネルMOSトランジスタ(以下、NMOSトランジスタと称す)MN910,MN911と、NMOSトランジスタMN910との間でカレントミラー回路を構成するレプリカ回路91aとが含まれている。
レプリカ回路91aは、順に直列に接続された電流源Iw、NMOSトランジスタMN912およびMN913を有し、NMOSトランジスタMN912のゲート端子は、そのドレイン端子とNMOSトランジスタMN910のゲート端子に共通に接続されている。なお、その他の枝90,92,93の中にも同様に、直列に接続された2段構成のNMOSトランジスタまたはPチャネルMOSトランジスタ(以下、PMOSトランジスタと称す)などが含まれている。
このような構成において、データ書き込みを行う際には、枝90と枝93を用いた経路かまたは枝92と枝91を用いた経路で磁気ヘッド1に対して電流を流すことで、2値データに対応した書き込みが行われる。例えば、枝92と枝91を用いた経路でデータ書き込みを行う際には、NMOSトランジスタMN911をONにし、レプリカ回路91aとNMOSトランジスタMN910によって制限される書き込み電流nIwを磁気ヘッド1に対して供給することで書き込みが行われる。
しかしながら、図9に示すような書き込み回路には、例えば次の(1)〜(3)ような問題が考えられる。
(1)直列に接続された2段のMOSトランジスタを含む構成のため、回路面積が大きくなってしまう。すなわち、NMOSトランジスタMN910,MN911のような出力段のMOSトランジスタは、磁気ヘッド1に対して例えば100mAといった大きな電流を供給する必要があるため、通常、サイズが大きいものが用いられる。それに加えて、直列接続の2段構成となっているため、MOSトランジスタ1個で流せる電流に対して約1/2の電流しか流せず、その分MOSトランジスタの素子サイズを大きくする必要がある。
(2)MOSトランジスタのサイズが大きくなると、その駆動に時間を要し、高速化を阻む要因となってしまう。また、そのMOSトランジスタを駆動する回路の面積が大きくなってしまう。すなわち、例えば、NMOSトランジスタMN911のサイズの増大に伴いゲート容量が大きくなると、その駆動時間が遅くなり、NMOSトランジスタMN911の前段に位置する駆動回路の面積を大きくする必要がある。
(3)直列に接続された2段のMOSトランジスタを含む構成のため、電源端子Vccおよび基準電位端子Vssと出力端子ND90および出力端子ND91との間の電圧差を大きくする必要があり、低電圧化が困難となる。
そこで、本発明の目的は、回路面積の低減を可能にする半導体集積回路およびそれを用いた磁気記憶装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、回路面積の低減に加えて、高速化および低電圧化を可能にする半導体集積回路およびそれを用いた磁気記憶装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
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。
本発明による半導体集積回路は、電源端子または基準電位端子と出力端子との間に設けられ、制御入力端子を第1の電圧にすることでONとなり、制御入力端子を第2の電圧にすることでOFFとなる1段構成の出力トランジスタと、出力トランジスタをONにした際の出力電流に対し、この出力電流の基準となる電流を発生する手段と、この基準となる電流を変換して、第1の電圧を発生する手段と、前記出力トランジスタの制御入力端子の電圧を、第1の電圧かまたは第2の電圧に切り換える手段とを有するものである。
すなわち、この半導体集積回路は、1段構成の出力トランジスタを用いて、出力電流の供給をONまたはOFFに切り換えることができ、なおかつONにした際は、第1の電圧を基準となる電流によって調整することで、出力電流量を制御することができる。これによって、従来技術においてON/OFFの切り換え機能と、出力電流量の制御機能にそれぞれ対応して設けられた2段構成の出力トランジスタに比べて、回路面積を削減することができ、また低電圧化を図ることができる。また、1段構成の出力トランジスタを用いることにより、素子サイズを小さくすることができるため、高速化を実現できる。
ここで、前記第1の電圧を発生する手段は、第1の電圧の発生に伴う出力インピーダンスを小さくする機能を含むものである。すなわち、第1の電圧を出力トランジスタの制御入力端子に供給する際に、出力インピーダンスを下げることで出力トランジスタを高速にスイッチングすることができる。
そして、前記第1の電圧かまたは前記第2の電圧に切り換える手段は、例えば、CMOS回路で実現することができる。また、前記第1の電圧を発生する手段は、例えば、出力トランジスタに対して一定の素子サイズ比を備えたダイオード接続のトランジスタによって実現することができる。すなわち、CMOS回路で実現することによって、第1の電圧および第2の電圧を、電圧降下等を起こすことなく出力トランジスタに印加することができる。また、前記ダイオード接続のトランジスタを用いることによって、出力電流の調整が容易となる。
また、本発明による半導体集積回路は、電源端子または基準電位端子と出力端子との間に設けられた1段構成の出力トランジスタと、出力トランジスタとの間で制御入力端子間を導通した際にカレントミラー回路を構成するトランジスタを含み、このカレントミラー回路によって出力トランジスタの出力電流を設定可能なレプリカ手段と、制御入力端子間を導通する/導通しないを切り換える手段と、制御入力端子間を導通しない場合に、前記出力トランジスタをOFFにする手段と、制御入力端子間を導通するように切り換えた際に、この切り換えに伴う駆動能力を向上させる手段とを有するものである。
すなわち、この半導体集積回路は、1段構成の出力トランジスタを用いて、出力電流の供給をONまたはOFFに切り換えることができ、なおかつONにした際は、カレントミラー回路によって出力電流量を制御することができる。また、この場合、カレントミラー回路の制御入力端子間を導通した際に、カレントミラー回路によって出力トランジスタの制御入力端子を駆動することになる。したがって、駆動能力を向上させるため、例えばレギュレータ回路を介して出力トランジスタを駆動するような構成にするとよい。
また、本発明による半導体集積回路は、電流を発生する電流源と、電源端子または基準電位端子と前記電流源との間に設けられ、第1の制御入力端子を備え、ダイオード接続によって前記電流源の電流を第1の制御入力端子の電圧に変換する第1のトランジスタと、第1の制御入力端子に接続され、第1の制御入力端子の電圧を、出力インピーダンスを下げて出力するレギュレータ回路と、第1の電源端子および第1の基準電位端子を備え、第1の電源端子または第1の基準電位端子にレギュレータ回路の出力が接続されたCMOS回路と、電源端子または基準電位端子と出力端子との間に設けられ、第2の制御入力端子を備え、第2の制御入力端子に前記CMOS回路の出力が接続された出力トランジスタとを有するものである。
また、本発明による半導体集積回路は、電源端子または基準電位端子と出力端子との間に設けられ、並列に接続された複数の出力トランジスタと、この複数の出力トランジスタのそれぞれの第2の制御入力端子に対して接続された複数のCMOS回路と、この複数のCMOS回路の第1の電源端子または第1の基準電位端子に接続されるレギュレータ回路と、このレギュレータ回路の入力に制御入力端子が接続され、ダイオード接続を備えた第1のトランジスタと、この第1のトランジスタに出力電流の基準となる電流を供給する電流源と、前記複数のCMOS回路のそれぞれの入力を個別に制御することで、前記複数の出力トランジスタの中から駆動させる出力トランジスタの数を変更する手段とを有するものである。
これによって、出力トランジスタの駆動能力を高速かつ柔軟に変更することができ、例えば、出力電流の立ち上がり/立ち下がりを早くするようなことが可能になる。
また、本発明による半導体集積回路は、H−ブリッジ回路で構成され、H−ブリッジ回路の中心の枝を除く4つの枝の中に、それぞれ、これまでに説明したような半導体集積回路を有するものである。すなわち、4つの枝の中に、それぞれ1段構成の出力トランジスタを設けることで、従来技術に比べて回路面積の削減効果がより顕著なものとなる。また、この際に、前述した基準となる電流を発生する手段と、前記第1の電圧を発生する手段は4つの枝に対して共通に設けることができ、この分の回路面積は増加しない。
そして、これまでに述べたような半導体集積回路は、特に、磁気記憶装置の書き込み回路に適用して有益なものとなる。
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。
従来技術において2段構成であった出力トランジスタを、1段構成の出力トランジスタにすることで、回路面積を削減することができる。また、1段構成を用いることで、出力トランジスタの素子サイズを小さくすることができるため、回路面積の削減に加えて高速化を実現することができる。さらに、1段構成であるため、低電圧化および省電力化を図ることができる。
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、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図1は、本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、その構成の一例を示す概略図である。図1に示す半導体集積回路は、例えば、磁気記憶装置の書き込み回路であり、出力端子ND10と出力端子ND11間の中心の枝と、出力端子ND10および出力端子ND11からそれぞれ電源端子Vccおよび基準電位端子Vssに繋がる4つの枝10〜13とを含むH−ブリッジ回路で構成される。
中心の枝には、磁気ヘッド1が設けられ、4つの枝10〜13には、それぞれ、1段構成のPMOSトランジスタまたはNMOSトランジスタが含まれている。そして、データ書き込みを行う際には、枝10と枝13の経路か、または枝12と枝11の経路で磁気ヘッド1に対して電流が供給される。そして、ここでは、枝11を例として、その内部の構成の一例を説明する。
枝11は、例えば、出力端子ND10と基準電位端子Vssの間に設けられた1段構成の出力トランジスタであるNMOSトランジスタMN110と、NMOSトランジスタMN110のゲート端子(制御入力端子)をON電圧(第1の電圧)VonまたはOFF電圧(第2の電圧)Voffに切り換える電圧切換部11aと、前記ON電圧Vonを発生する電流/電圧変換部11bおよび書き込み基準電流発生部11cなどを含んでいる。
書き込み基準電流発生部11cは、磁気ヘッド1を用いたデータ書き込み時に、NMOSトランジスタMN110のソース−ドレイン間に流す書き込み電流(出力電流)nIwの基準となる基準電流Iwを発生し、その基準電流Iwを電流/電圧変換部11bに出力する。電流/電圧変換部11bは、入力された基準電流Iwを用いて、NMOSトランジスタMN110のソース−ドレイン間に流す書き込み電流nIwに対応した大きさのON電圧Vonを発生する。
このような構成において、枝12と枝11の経路でデータ書き込みを行う際には、NMOSトランジスタMN110のゲート端子を、電圧切換部11aを用いてON電圧Vonに設定し、書き込み電流nIwを磁気ヘッド1に対して供給する。また、枝12と枝11の経路でデータ書き込みを行わない際には、NMOSトランジスタMN110のゲート端子を、電圧切換部11aを用いてOFF電圧Voff(Vss)設定する。このように、図1の構成は、従来技術において直列接続の2段構成の出力トランジスタがそれぞれ備えた電流制限機能とスイッチ機能を、1段構成の出力トランジスタMN110が備えたものとなっている。
なお、ここでは枝11を例に構成の説明を行ったが、必要に応じて、H−ブリッジ回路のそれぞれの枝10〜13に対して前述したような構成を適用することができる。すなわち、例えば、前述したような構成を、枝10〜13の全ての枝に適用したり、または枝11と枝13に適用したり、もしくは枝10と枝12に適用したりすることができる。
以上、図1に示したような半導体集積回路を用いることで、例えば次の(1)〜(3)のような効果を得ることができる。
(1)従来技術における直列に接続された2段の出力トランジスタを含む構成を、1段の出力トランジスタを含む構成にすることができるため、この部分の回路面積を約1/4に縮小することが可能になる。すなわち、出力トランジスタを1段削減することで、回路面積は、約1/2となる。さらに、直列接続の2段構成の出力トランジスタと同一の電流を確保する場合、1段構成の出力トランジスタの素子サイズは、2段構成の出力トランジスタの素子サイズに対して約1/2で足りる。これらによって、回路面積は、約1/4に縮小可能となる。
(2)出力トランジスタの素子サイズを約1/2にできるため、その制御入力端子の駆動時間が早くなる。これによって、高速化が実現可能となる。
(3)出力トランジスタを1段しか含まない構成のため、電源端子Vccおよび基準電位端子Vssと出力端子ND10および出力端子ND11との間の電圧差を小さくすることできる。これによって、低電圧化および省電力化が可能となる。
ところで、図1で説明したような構成および機能は、より具体的には例えば図2に示すような回路で実現できる。図2は、本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図1をより具体化した構成の一例を示す回路図である。
図2に示す半導体集積回路は、図1の枝11の部分を例とした回路図であり、例えば、電流源22と、電流源22と基準電位端子Vssの間に設けられたダイオード接続のNMOSトランジスタ(第1のトランジスタ)MN202と、NMOSトランジスタMN202のゲート電圧(ドレイン電圧)を伝達するレギュレータ回路21と、レギュレータ回路21によって伝達された電圧が電源端子に入力されたCMOS回路20と、出力端子ND20と基準電位端子Vssとの間に設けられ、CMOS回路20の出力電圧をゲート端子(第2の制御入力端子)の入力電圧とするNMOSトランジスタ(出力トランジスタ)MN200などを有している。
NMOSトランジスタMN202は、ダイオード接続によって、電流源22の電流をゲート端子(第1の制御入力端子)の電圧に変換する機能を備える。レギュレータ回路21は、例えば、ボルテージフォロワ回路とすることができ、電圧の伝達に際し、出力インピーダンスを下げて、電流駆動能力を向上させる機能を備える。CMOS回路20は、入力端子/Yinを備え、電源端子と基準電位端子Vssとの間にPMOSトランジスタMP201とNMOSトランジスタMN201を備えている。
そして、出力端子ND20は、磁気ヘッド1に対して接続されている。なお、レギュレータ回路21の出力は、図1の枝11の場合ではCMOS回路20の電源端子(第1の電源端子)側に接続されるが、例えば枝12の場合では図3で後述するようにCMOS回路の基準電位端子(第1の基準電位端子)側に接続される。
このような構成において、電流源22は、図1の書き込み基準電流発生部11cに対応し、NMOSトランジスタ202およびレギュレータ回路21は、電流/電圧変換部11bに対応し、CMOS回路20は、電圧切換部11aに対応する。また、図2に示した回路は、別の見方をすると、出力トランジスタであるNMOSトランジスタMN200と、電流源22およびNMOSトランジスタMN202からなるレプリカ回路とでカレントミラー回路を構成したものと言える。
この場合、CMOS回路20は、そのカレントミラー回路のゲート端子間を導通する/導通しないを切り換える機能と、導通しない場合にはNMOSトランジスタMN200をOFFにする機能とを備えたものとなる。また、レギュレータ回路21は、ゲート端子間を導通する際に、CMOS回路20およびNMOSトランジスタMN200を十分な速度で駆動するための機能を備えたものとなる。
次に、図2に示した回路の動作について説明する。まず、電流源22によって基準電流Iwを設定する。そして、CMOS回路20の入力端子/Yinを「L」レベルにすると、NMOSトランジスタMN202のゲート端子と出力段のNMOSトランジスタMN200のゲート端子とが、レギュレータ回路21とCMOS回路20のPMOSトランジスタMP201を介して導通し、同一電位Vonとなる。これによって、磁気ヘッド1から出力端子ND20を介して基準電位端子Vssへと達する経路で、NMOSトランジスタ202とNMOSトランジスタ200の素子サイズ比nに応じた書き込み電流nIwが流れる。一方、CMOS回路20の入力端子/Yinを「H」レベルにすると、NMOSトランジスタMN200のゲート端子の電圧はVoff(Vss)となり、この経路を用いたデータ書き込みは行われない。
以上、図2に示したような半導体集積回路を用いることで、図1で述べた構成を具体的に実現でき、図1での説明と同様の効果を得ることができる。さらに、レギュレータ回路21を設けることで、NMOSトランジスタMN200のゲート端子をONにした際に、高速にスイッチングすることが可能になる。また、電圧切換部11aとしてCMOS回路20を用いることで、レギュレータ回路21の出力電圧を、電圧降下を起こさずにNMOSトランジスタMN200のゲート端子に印加することができ、さらに、NMOSトランジスタMN200のゲート端子をON/OFF共に高速に駆動することが可能になる。
なお、これまでは、主に図1のH−ブリッジ回路の枝11を例に構成等の説明を行ったが、枝11と同様な構成を図1の全ての枝10〜13に適用した場合は、例えば、図3に示すようなH−ブリッジ回路を実現することができる。図3は、本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図2の構成を含めた全体的なH−ブリッジ回路の構成の一例を示す回路図である。
図3に示す半導体集積回路は、例えば、出力端子Out1と出力端子Out2との間に伝送路30a,30bを介して設けられた磁気ヘッド1と、出力端子Out1と電源端子Vccの間に設けられたPMOSトランジスタMP301と、出力端子Out1と電源端子Veeの間に設けられたNMOSトランジスタMN301と、出力端子Out2と電源端子Vccの間に設けられたPMOSトランジスタMP302と、出力端子Out2と電源端子Veeの間に設けられたNMOSトランジスタMN302と、これらのMOSトランジスタ(出力トランジスタ)MP301,MN301,MP302,MN302のゲート電圧をそれぞれ制御するCMOS回路31a,31b,31c,31dと、これらのCMOS回路31a〜31dの電源端子(第1の電源端子)または基準電位端子(第1の基準電位端子)に電圧を供給することで書き込み電流を制御するライト電流制限回路(1)32,(2)33とを含んだ構成となっている。
CMOS回路31aは、入力端子Xinと、電源端子Vccと、電圧供給端子Vpに接続された基準電位端子とを備え、CMOS回路31bは、入力端子/Yinと、電圧供給端子Vnに接続された電源端子と、電源端子Veeに接続された基準電位端子とを備え、CMOS回路31cは、入力端子Yinと、電源端子Vccと、電圧供給端子Vpに接続された基準電位端子とを備え、CMOS回路31dは、入力端子/Xinと、電圧供給端子Vnに接続された電源端子と、電源端子Veeに接続された基準電位端子とを備えている。
ライト電流制限回路(1)32は、電流Iwを流す電流源32aと、電源端子Vccと電流源32aの間に設けられたダイオード接続のPMOSトランジスタMP303と、PMOSトランジスタMP303のゲート電圧を入力とし、電圧供給端子Vpに電圧を供給するレギュレータ回路32bとを有している。ライト電流制限回路(2)33は、電流Iwを流す電流源33aと、電流源33aと電源端子Veeとの間に設けられたダイオード接続のNMOSトランジスタMN303と、NMOSトランジスタMN303のゲート電圧を入力とし、電圧供給端子Vnに電圧を供給するレギュレータ回路33bとを有している。
このように、図3に示す半導体集積回路は、図2に示したような構成をH−ブリッジ回路の4つの枝全てに適用した構成となっている。但し、ライト電流制限回路(1)32,(2)33は、それぞれの枝に対して個別に設けず、全ての枝に対して共通に設けている。また、ライト電流制限回路(1)32内のPMOSトランジスタMP303が、PMOSトランジスタMP301,MP302との間でカレントミラー回路を構成することになるので、図2の構成と比べて電流源32aの位置などが異なっている。なお、電源端子Vccの電圧は、例えば3.0Vなどであり、電源端子Veeの電圧は、例えば−3.0Vなどである。
次に、図3に示した半導体集積回路の動作について説明する。H−ブリッジ回路の個別の枝の動作に関しては、図2などの説明と同様であるため、ここではH−ブリッジ回路全体としての動作について図4を用いて説明する。図4は、本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図3の構成による動作の一例を示す波形図である。
図4においては、CMOS回路31a〜31dの入力端子への入力信号と、その入力信号によって磁気ヘッド1に流れる電流Ioutとの関係を示している。ここで、「H」レベルをVccレベル、「L」レベルをVeeレベルとして、まず、入力端子Yinを「H」レベル(/Yinを「L」レベル)、入力端子Xinを「L」レベル(/Xinを「H」レベル)にすると、CMOS回路31a,31b,31c,31dの出力は、それぞれVccレベル,Vnレベル,Vpレベル,Veeレベルとなる。
これによって、出力トランジスタMP301,MN301,MP302,MN302は、それぞれOFF,ON,ON,OFFとなり、出力トランジスタMP302とMN301を介して磁気ヘッド1に書き込み電流が供給される。この際の書き込み電流Ioutは、出力トランジスタMP302とPMOSトランジスタMP303の素子サイズ比と、出力トランジスタMN301とNMOSトランジスタMN303の素子サイズ比を双方共にnとすると、Iout=−n×Iwとなる。
一方、入力端子Yinを「L」レベル(/Yinを「H」レベル)、入力端子Xinを「H」レベル(/Xinを「L」レベル)にすると、CMOS回路31a,31b,31c,31dの出力は、それぞれVpレベル,Veeレベル,Vccレベル,Vnレベルとなる。
これによって、出力トランジスタMP301,MN301,MP302,MN302は、それぞれON,OFF,OFF,ONとなり、出力トランジスタMP301とMN302を介して磁気ヘッド1に書き込み電流が供給される。この際の書き込み電流Ioutは、出力トランジスタMP301とPMOSトランジスタMP303の素子サイズ比と、出力トランジスタMN302とNMOSトランジスタMN303の素子サイズ比を双方共にnとすると、Iout=n×Iwとなる。
以上のように、図3に示した構成は、前述したような動作において、電流の供給側と吸い込み側の両方に電流源を備えて書き込みを行うような構成となっている。これによって、電流の供給側と吸い込み側のいずれか一方に電流源を備えた場合に比べて、書き込み電流を切り換える際の速度が向上し、高速動作が可能となる。また、電源端子Vccを正電圧(例えば3.0V)、電源端子Veeを負電圧(例えば−3.0V)とすることによって、出力電位は、ほぼ0Vのレベルを中心に推移する。これによって、磁気ヘッド1の電位も0Vレベルが中心となり、ディスクとの間で帯電が生じないといった利点が挙げられる。
ところで、磁気記憶装置などにおいては、例えば図3で示した伝送路30a,30bの容量などの影響によって書き込み電流の波形になまりが生じることが考えられる。そこで、このような問題を解決するため、図3の構成に基づいて、例えば図5に示すような回路を実現すればよい。図5は、本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図3の構成を応用した構成の一例を示す回路図である。
図5に示す半導体集積回路は、図3に示した半導体集積回路において、例えば、出力端子Out1に出力する回路である出力トランジスタMP301と出力トランジスタMN301を含む枝の部分の構成を示した図である。そして、その構成は、例えば、ライト電流制限回路(11)52,(22)53と、書き込み電流可変駆動部54などを有するものとなっている。
書き込み電流可変駆動部54は、例えば、電源端子Vccと出力端子Out11間に設けられ、並列に接続された複数のPMOSトランジスタ(出力トランジスタ)MP501,MP502,MP503と、それらのゲート端子をそれぞれ駆動する複数のCMOS回路55a,55b,55cと、出力端子Out11と電源端子Vee間に設けられ、並列に接続された複数のNMOSトランジスタ(出力トランジスタ)MN501,MN502,MN503と、それらのゲート端子をそれぞれ駆動する複数のCMOS回路56a,56b,56cと、CMOS回路55a,55b,55cの入力端子にそれぞれ接続されたセレクタ50a,50b,50cと、CMOS回路56a,56b,56cの入力端子にそれぞれ接続されたセレクタ51a,51b,51cなどを有する構成となっている。
CMOS回路55a,55b,55cは、PMOSトランジスタ側が電源端子Vcc、NMOSトランジスタ側が電圧供給端子Vpにそれぞれ接続され、CMOS回路56a,56b,56cは、PMOSトランジスタ側が電圧供給端子Vn、NMOSトランジスタ側が電源端子Veeにそれぞれ接続されている。
この電圧供給端子Vpおよび電圧供給端子Vnの電圧は、それぞれライト電流制限回路(11)52およびライト電流制限回路(22)53によって供給される。ライト電流制限回路52は、電流源52aとダイオード接続のPMOSトランジスタMP511とレギュレータ回路52bとを有し、ライト電流制限回路(22)53は、電流源53aとダイオード接続のNMOSトランジスタMN511とレギュレータ回路53bとを有している。レギュレータ回路52b,53bは、それぞれのアンプ回路の出力を、PMOSトランジスタMP510およびNMOSトランジスタMN510で再駆動し、負帰還を行った構成となっている。
セレクタ50a,50b,50cは、それぞれ個別に、Ipdpパルス、IospパルスおよびIwpパルスの中からいずれか1つのパルスを選択し、CMOS回路に対して出力可能となっている。これと同様に、セレクタ51a,51b,51cは、それぞれ個別に、Ipdnパルス、IosnパルスおよびIwnパルスの中からいずれか1つのパルスを選択し、CMOS回路に対して出力可能となっている。
このように、図5に示す半導体集積回路は、図3における出力段のPMOSトランジスタMP301を並列接続のPMOSトランジスタMP501,MP502,MP503に置き換え、図3における出力段のNMOSトランジスタMN301を並列接続のNMOSトランジスタMN501,MN502,MN503に置き換えたような構成となっている。
そして、図5に示す半導体集積回路は、この並列接続のPMOSトランジスタMP501,MP502,MP503と、並列接続のNMOSトランジスタMN501,MN502,MN503を、それぞれIpdpパルス/Iospパルス/Iwpパルスと、Ipdnパルス/Iosnパルス/Iwnパルスによって個別に制御することによって、駆動する出力トランジスタの数を高速かつ柔軟に変更することが可能な構成となっている。すなわち、書き込み電流の駆動能力を可変にする機能を備えている。
したがって、このような構成を用いることで、例えば、出力トランジスタMP501,MN501を含む部分と、出力トランジスタMP502,MN502を含む部分と、出力トランジスタMP503,MN503を含む部分とを、それぞれIw駆動部57a、Ios駆動部57b、Ipd駆動部57cと位置付け、図6に示すような動作を行うことが可能になる。
図6は、本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図5の構成を用いた動作の一例を示す波形図である。図6は、図5のセレクタ50a〜50c,51a〜51cを用いて、例えば、Iw駆動部57a、Ios駆動部57b、Ipd駆動部57cに、それぞれ、IwpパルスおよびIwnパルス、IospパルスおよびIosnパルス、IwpパルスおよびIwnパルスを割り当てた場合の動作波形を示している。
そして、Iw駆動部57aには、通常の書き込み電流を供給する機能を担わせ、Ios駆動部57bには、立ち上がり/立ち下がり時間を早めるためのオーバードライブ電流を供給する機能を担わせ、Ipd駆動部57cには、オーバードライブにより過剰となった電流値を通常の書き込み電流値に早く復帰させるための電流を供給する機能を担わせている。
すなわち、図6に示すように、書き込み電流Ioutの立ち上がり時には、Iwpパルスに加えて、Iospパルスを「H」レベルにする。これによって、出力トランジスタMP501に加えて出力トランジスタMP502を駆動し、書き込み電流Ioutを高速に立ち上げている。だだし、これによって、電流波形Ioutにオーバーシュート電流が発生する。
そこで、Iospパルスを「L」レベルに戻し、変わりにIpdnパルスを「L」レベルにする。そうすると、出力トランジスタMP502に変わって出力トランジスタMN503が駆動し、オーバーシュート電流を高速に抑え込むことができる。その後、Ipdnパルスを「H」レベルに戻すことによって、出力トランジスタMP501のみが駆動し、これ以降は安定した書き込み電流が供給される。
また、書き込み電流Ioutの立ち下がり時に関しても、同様な動作となる。したがって、このような構成を用いることによって、高速な書き込み動作が可能となり、また、伝送路などによる波形のなまりを補償することが可能となる。なお、ここで説明したような動作に限らず、図5の構成におけるパルスの入れ方や出力トランジスタの素子サイズなどを調整することによって、駆動能力を柔軟に変更することが可能である。
なお、これまでの説明においては、1つの磁気ヘッド1に対する書き込み回路を示し、説明を行ってきたが、磁気記憶装置などにおいて磁気ヘッドが複数個(複数チャネル)存在する場合は、例えば図7に示すような構成となる。図7は、本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図5の構成を複数チャネル設けた構成の一例を示すブロック図である。
図7に示す半導体集積回路は、例えば、3チャネルの磁気ヘッド(1),(2),(3)を駆動する回路を例としている。その構成は、図5に示したライト電流制限回路(11)52,(22)53と、図5に示した書き込み電流可変駆動部54と同一構成であり、磁気ヘッド(1),(2),(3)にそれぞれ対応した書き込み電流可変駆動部(1)54a,(2)54b,(3)54cとを有し、複数の書き込み電流可変駆動部(1)54a,(2)54b,(3)54cに対してライト電流制限回路(11)52,(22)53を共通で使用する構成となっている。
したがって、磁気ヘッドのチャネル数の増加に伴い書き込み電流可変駆動部の数が増加した場合も、ライト電流制限回路の回路面積は増加しない。さらに、書き込み電流可変駆動部においては、その数が増加するにつれて、これまでに説明したような1段構成の出力トランジスタを用いることによる回路面積の縮小効果がより顕著に表れてくる。
以上、これまでに述べたような効果により、前述した半導体集積回路は、図8に示すような磁気記憶装置におけるプリアンプ回路に適用して特に有益なものとなる。図8は、本発明の一実施の形態による磁気記憶装置において、その構成の一例を示す図であり、(a)は外形の一例を示す斜視図、(b)は回路構成の一例を示すブロック図である。
図8に示す磁気記憶装置は、例えばハードディスクドライブである。その外形は、図8(a)に示すように、例えば、垂直方向または水平方向に磁気異方性を有するディスク84と、ディスク84に対して磁気データの読み出しおよび書き込みを行う磁気ヘッド1と、磁気ヘッド1が固定され、データの記憶箇所に応じて磁気ヘッド1をディスク84上で移動するサスペンション81と、磁気ヘッド1に対して伝送路(1)80を介して接続され、サスペンション81上に設けられたプリアンプIC82と、プリアンプIC82に対して伝送路(2)88を介して接続されたリードチャネルIC83などを含んでいる。
また、このような磁気記憶装置を制御する回路は、例えば図8(b)のようになっている。その構成は、例えば、磁気記憶装置とホストシステム(パーソナルコンピュータやディジタル機器)とのインタフェースを構成し、リード/ライトデータの転送制御などを行うハードディスクコントローラ(HDC)85と、データ変調/復調などといった信号処理を行うリードチャネルIC83と、磁気ヘッド1に対して電流を供給してデータ書き込みを行う回路と磁気ヘッド1で読み取ったリード信号を増幅する回路などを含むRW_IC(プリアンプIC)82と、サスペンション81の動作機構やディスク84の回転機構といったサーボ機構87の制御を行うモータ制御(サーボ)IC86などを含んでいる。
このような磁気記憶装置の構成において、これまでに説明したような半導体集積回路は、プリアンプIC82のデータ書き込みを行う回路に適用して特に有益なものとなる。すなわち、プリアンプIC82は、図8(a)に示すように、磁気ヘッド1との距離をなるべく短くする目的などでサスペンション81上といった小さいエリアに設けられることが多い。したがって、プリアンプIC82に対しては、高速性などは言うまでもなく、できるだけ小面積であることが特に要求される。そこで、これまでに示したような半導体集積回路を用いると、このような要求を満たすことができる。
以上、本発明者によってなされた発明を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。
例えば、これまでの説明において磁気記憶装置の書き込み回路を例に説明を行ってきたが、これに限らず、高速な電流駆動の書き込み回路および出力回路として広く適用可能である。その一例として、例えば、高速動作が要求され、波形の立上り/立下り時間(スルーレート)などが規定されている通信用のドライバなどにも適用することができる。
本発明の半導体集積回路は、ハードディスクドライブなどの磁気記憶装置を代表にその書き込み回路に適用して特に有益なものであり、さらに、書き込み回路に限らず電動モーター用ドライバや、ディスプレイドライバおよび通信用ドライバなどの駆動回路も含めて広く適用可能である。
本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、その構成の一例を示す概略図である。 本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図1をより具体化した構成の一例を示す回路図である。 本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図2の構成を含めた全体的なH−ブリッジ回路の構成の一例を示す回路図である。 本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図3の構成による動作の一例を示す波形図である。 本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図3の構成を応用した構成の一例を示す回路図である。 本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図5の構成を用いた動作の一例を示す波形図である。 本発明の一実施の形態による半導体集積回路において、図5の構成を複数チャネル設けた構成の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態による磁気記憶装置において、その構成の一例を示す図であり、(a)は外形の一例を示す斜視図、(b)は回路構成の一例を示すブロック図である。 本発明の前提として検討した従来の書き込み回路において、その構成の一例を示す回路図である。
符号の説明
1 磁気ヘッド
10〜13,90〜93 H−ブリッジ回路の枝
11a 電圧切換部
11b 電流/電圧変換部
11c 書き込み電流設定部
20,31a〜31d,55a〜55c,56a〜56c CMOS回路
21,32b,33b,52b,53b レギュレータ回路
22,32a,33a,52a,53a 電流源
30a,30b,80,88 伝送路
32,33,52,53 ライト電流制限回路
50a〜50c,51a〜51c セレクタ
54,54a〜54c 書き込み電流可変駆動部
57a Iw駆動部
57b Ios駆動部
57c Ipd駆動部
81 サスペンション
82 プリアンプIC
83 リードチャネルIC
84 ディスク
85 ハードディスクコントローラ
86 モータ制御IC
87 サーボ機構
91a レプリカ回路
MN110,MN200,MN303,MN501〜503,MN910〜911 NMOSトランジスタ(出力トランジスタ)
MN201〜202,MN301〜MN302,MN510,MN511,MN912〜913 NMOSトランジスタ
MP301〜302,MP501〜503 PMOSトランジスタ(出力トランジスタ)
MP201,MP303,MP510,MP511 PMOSトランジスタ
Vcc,Vee 電源端子
Vp,Vn 電圧供給端子
Vss 基準電位端子
X,/X,Y,/Y 入力端子
ND10,ND11,ND20,ND90,ND91,Out1,Out2,Out11 出力端子
C1,C2 容量

Claims (11)

  1. 電源端子または基準電位端子と出力端子との間に設けられ、制御入力端子を第1の電圧にすることでONとなり、前記制御入力端子を第2の電圧にすることでOFFとなる1段構成の出力トランジスタと、
    前記出力トランジスタをONにした際の出力電流に対し、前記出力電流の基準となる電流を発生する手段と、
    前記発生した基準となる電流を変換して、前記第1の電圧を発生する手段と、
    前記出力トランジスタの前記制御入力端子の電圧を、前記第1の電圧または前記第2の電圧に切り換える手段とを有することを特徴とする半導体集積回路。
  2. 請求項1記載の半導体集積回路において、
    前記第1の電圧を発生する手段は、前記第1の電圧の発生に伴う出力インピーダンスを小さくする機能を含むことを特徴とする半導体集積回路。
  3. 請求項2記載の半導体集積回路において、
    前記第1の電圧または前記第2の電圧に切り換える手段は、CMOS回路で実現されることを特徴とする半導体集積回路。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体集積回路において、
    前記第1の電圧を発生する手段は、前記出力トランジスタに対して一定の素子サイズ比を備えたダイオード接続のトランジスタを含むことを特徴とする半導体集積回路。
  5. 電源端子または基準電位端子と出力端子との間に設けられた1段構成の出力トランジスタと、
    前記出力トランジスタとの間で制御入力端子間を導通した際にカレントミラー回路を構成するトランジスタを含み、前記出力トランジスタの出力電流を設定するレプリカ手段と、
    前記制御入力端子間を導通する/導通しないを切り換える手段と、
    前記制御入力端子間を導通する場合に、前記出力トランジスタをOFFにする手段と、
    前記制御入力端子間を導通するように切り換えた際に、この切り換えに伴う駆動能力を向上させる手段とを有することを特徴とする半導体集積回路。
  6. 請求項5記載の半導体集積回路において、
    前記導通する/導通しないを切り換える手段と前記出力トランジスタをOFFにする手段は、CMOS回路によって実現され、
    前記駆動能力を向上させる手段は、レギュレータ回路によって実現されることを特徴とする半導体集積回路。
  7. 電流を発生する電流源と、
    電源端子または基準電位端子と前記電流源との間に設けられ、第1の制御入力端子を備え、ダイオード接続によって前記電流源の電流を前記第1の制御入力端子の電圧に変換する第1のトランジスタと、
    前記第1の制御入力端子に接続され、前記第1の制御入力端子の電圧を、出力インピーダンスを下げて出力するレギュレータ回路と、
    第1の電源端子と第1の基準電位端子と信号入力端子を備え、前記第1の電源端子または前記第1の基準電位端子に前記レギュレータ回路の出力が接続されたCMOS回路と、
    前記電源端子または前記基準電位端子と出力端子との間に設けられ、第2の制御入力端子を備え、前記第2の制御入力端子に前記CMOS回路の出力が接続された出力トランジスタとを有することを特徴とする半導体集積回路。
  8. 請求項7記載の半導体集積回路において、
    前記レギュレータ回路は、ボルテージフォロワ回路であることを特徴とする半導体集積回路。
  9. 請求項7記載の半導体集積回路において、
    前記電源端子または前記基準電位端子と前記出力端子との間に設けられ、前記出力トランジスタが並列に接続された複数の出力トランジスタと、
    前記複数の出力トランジスタのそれぞれの前記第2の制御入力端子に対して接続された複数のCMOS回路と、
    前記複数のCMOS回路の前記第1の電源端子または前記第1の基準電位端子に接続される前記レギュレータ回路と、
    前記レギュレータ回路に対して電圧を出力する前記電流源および前記第1のトランジスタと、
    前記複数のCMOS回路のそれぞれの前記入力端子を個別に制御することで、前記複数の出力トランジスタの中から駆動させる出力トランジスタの数を変更し、前記複数の出力トランジスタの駆動能力を可変にする手段とを有することを特徴とする半導体集積回路。
  10. H−ブリッジ回路を含む半導体集積回路であって、
    前記H−ブリッジ回路の中心の枝を除く4つの枝にそれぞれ請求項7記載の前記出力トランジスタと前記CMOS回路を有し、
    前記H−ブリッジ回路の4つの枝に共通で、請求項7記載の前記電流源と前記第1のトランジスタと前記レギュレータ回路とを有することを特徴とする半導体集積回路。
  11. 磁気ヘッドに対して電流を供給することでデータ書き込みを行う書き込み回路を備えた磁気記憶装置であって、
    前記書き込み回路に、請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体集積回路を有することを特徴とする磁気記憶装置。

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