JP2006013816A - Flip-flop circuit and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はフリップフロップ回路及び半導体装置に関し、特に、低消費電力化を図る上で有効なフリップフロップ回路及び半導体装置に関する。 The present invention relates to a flip-flop circuit and a semiconductor device, and more particularly to a flip-flop circuit and a semiconductor device that are effective in reducing power consumption.
電池を電源電圧供給源とする携帯電話等の電子機器では、電池寿命を延ばす上で電池性能の向上とともにその電子機器で用いられる半導体ICの電力消費量を低減することが要求される。 In an electronic device such as a mobile phone using a battery as a power supply voltage source, it is required to improve the battery performance and reduce the power consumption of a semiconductor IC used in the electronic device in order to extend the battery life.
一般に、半導体ICは所定の論理演算処理を行う組合せ回路とその組合せ回路に入出力されるデータを保持するフリップフロップ回路で構成されており、半導体ICをある特定の動作モードで動作させるためには、その動作モードに対応した論理演算処理を行う回路のみを動作させればよい。そこで、それらの回路ごとに電源を設け、電子機器を特定の動作モードで動作させるときには、それに対応した回路にのみ電源を供給しそれ以外の回路の電源を切断することによりその電子機器の消費電力を低減することができる(特許文献1)。 In general, a semiconductor IC is composed of a combinational circuit that performs predetermined logical operation processing and a flip-flop circuit that holds data input to and output from the combinational circuit. In order to operate the semiconductor IC in a specific operation mode, Only the circuit that performs the logical operation processing corresponding to the operation mode needs to be operated. Therefore, when a power supply is provided for each of these circuits and the electronic device is operated in a specific operation mode, the power consumption of the electronic device is supplied by supplying power only to the corresponding circuit and cutting off the power of the other circuits. Can be reduced (Patent Document 1).
ところが、組合せ回路とフリップフロップ回路に共通の電源を用いると、組合せ回路の電源を切断したときその組合せ回路に接続されているフリップフロップ回路のデータまでも破壊されてしまうことになり、その結果、電源を再投入したときデータを初期化し改めて論理演算処理を開始せねばならない。これを回避するためには組合せ回路とフリップフロップ回路の電源を分離することが必要となる。 However, if a common power source is used for the combinational circuit and the flip-flop circuit, even when the combinational circuit is powered off, the data of the flip-flop circuit connected to the combinational circuit is also destroyed. When the power is turned on again, the data must be initialized and the logical operation process must be started again. In order to avoid this, it is necessary to separate the power sources of the combinational circuit and the flip-flop circuit.
図3は組合せ回路とフリップフロップ回路の電源が分離された半導体ICの構成を示す図である。この構成によれば、組合せ回路60の電源VDD1を切断した場合にもフリップフロップ回路61の電源VDD2を維持することができるので、電源VDD1切断時点におけるフリップフロップ回路61のデータを保持しておき、電源VDD1再投入後に保持されていたデータを組合せ回路60へ供給すれば、データの初期化を行うことなく組合せ回路60における論理演算処理を再開させることが可能となる。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a semiconductor IC in which the power sources of the combinational circuit and the flip-flop circuit are separated. According to this configuration, since the power supply VDD2 of the flip-
図4はこのような目的で用いられる従来のフリップフロップ回路の構成を示したものである。フリップフロップ回路はマスターラッチ10、マスターラッチ10と直列に接続されたスレーブラッチ20、スレーブラッチ20に接続された出力バッファ部30、クロック生成部70及びインバータ60を備えている。
FIG. 4 shows a configuration of a conventional flip-flop circuit used for such a purpose. The flip-flop circuit includes a
マスターラッチ10はクロックドインバータ11、12とNOR回路13によって構成され、スレーブラッチ20はクロックドインバータ21、22とNOR回路23によって構成されている。
The
また、クロック生成部70はNOR回路71とインバータ72により構成され、外部クロック信号CKと後述する外部制御信号POFFが入力されたとき内部クロック信号CK´を生成してマスターラッチ10とスレーブラッチ20に供給する。
The
ここで、クロックドインバータ11は、図5に示したように、pMOSトランジスタとnMOSトランジスタを直列に接続したもので構成され、クロック生成部70から供給される内部クロック信CK´がLレベルのときオン状態となり入力データDの反転信号xDが出力される。内部クロック信CK´がHレベルのときにはオフ状態となる。他のクロックドインバータ、12、21、22も同じ構成を有している。
Here, as shown in FIG. 5, the
以上のことから、図4に示したフリップフロップ回路において、内部クロック信号CK´がLレベルのとき、マスターラッチ10のインバータ11、12はそれぞれオン状態、オフ状態、スレーブラッチ20のインバータ21、22はそれぞれオフ状態、オン状態となり、外部から入力されたデータDはマスターラッチ10に取り込まれ保持される。内部クロック信号CK´がLレベルからHレベルに変化したとき、マスターラッチ10のインバータ11、12はそれぞれオフ状態、オン状態、スレーブラッチ20のインバータ21、22はそれぞれオン状態、オフ状態へと変化し、これによりマスターラッチ10に保持されていたデータDはスレーブラッチ20にシフトする。
From the above, in the flip-flop circuit shown in FIG. 4, when the internal clock signal CK ′ is at the L level, the
すなわち、図4に示したフリップフロップ回路では、内部クロック信号CK´がHレベルからLレベル、あるいはLレベルからHレベルに変化するクロックエッジでデータはマスターラッチ10からスレーブラッチ20へシフトし、さらに出力バッファ部30を経て組合せ回路へ出力される。
That is, in the flip-flop circuit shown in FIG. 4, the data is shifted from the
リセット信号xRは外部クロック信号CKとは非同期でインバータ60に入力される。インバータ60の出力はマスターラッチ10のNOR回路13とスレーブラッチ20のNOR回路23に入力され、外部クロック信号CKにかかわらずマスターラッチ10とスレーブラッチ20のデータをリセットする。
The reset signal xR is input to the
外部制御信号POFFは外部クロック信号CKとは非同期でクロック生成部70へ入力され、以下に述べるように組合せ回路の電源VDD1切断時点におけるフリップフロップ回路のデータを保持する。保持されたデータは電源を再投入したときに組合せ回路に供給される。
The external control signal POFF is input to the
図6(a)、(b)はフリップフロップ回路のタイミング図であり、図6(a)は外部クロック信号CKがHレベルの期間に外部制御信号POFFが入力された場合、図6(b)は外部クロック信号CKがLレベルの期間に外部制御信号POFFが入力された場合を示している。外部制御信号POFFが入力された時刻をT0、組合せ回路の電源が切断された時刻をT1とする。 FIGS. 6A and 6B are timing diagrams of the flip-flop circuit. FIG. 6A shows a case where the external control signal POFF is input while the external clock signal CK is at the H level. Indicates a case where the external control signal POFF is input while the external clock signal CK is at the L level. The time when the external control signal POFF is input is T0, and the time when the combinational circuit is powered off is T1.
まず、図6(a)において、時刻T0以前には、外部クロック信号CKがそのまま内部クロック信号CK´としてフリップフロップ回路に供給され、クロックエッジでデータがマスターラッチ10からスレーブラッチ20へシフトする。時刻T0で外部制御信号POFFが入力され信号レベルがLレベルからHレベルへ変化したとき、外部クロック信号CKはそのままHレベルを維持し、内部クロック信号CK´も同様にHレベルを維持する。そのため、内部クロック信号CK´には外部クロック信号CKと比べて余分なクロックエッジが生じることはなく、時刻T1時点におけるデータがマスターラッチ10に保持されることになる。そして、組合せ回路の電源VDD1が再投入されて外部制御信号POFFがLレベルに変化したとき、この保持されたデータがスレーブラッチ20、出力バッファ部30を経て組合せ回路に供給される。従って、電源VDD1を一定期間切断し再投入した場合にもデータを初期化することなく論理演算処理を再開することができる。
First, in FIG. 6A, before the time T0, the external clock signal CK is supplied as it is to the flip-flop circuit as the internal clock signal CK ', and the data is shifted from the
ところが、図6(b)に示したタイミングでは、時刻T0で外部制御信号POFF信号がLレベルからHレベルに変化したとき内部クロック信号CK´の信号レベルはLレベルからHレベルへと変化する一方、外部クロック信号CKの信号レベルはLレベルのまま変化しない。従って、内部クロック信号CK´には外部クロック信号CKに比べて余分なクロックエッジが発生することになり、これによりデータは余分にシフトして電源VDD1切断時点のデータが保持されなくなる。このようなデータの変化を避けるためには図6(a)に見られるように、外部制御信号POFF信号が外部クロック信号CKのHレベル期間内に入力されるように外部制御信号POFFの入力タイミングを制御しなければならない。
従来のフリップフロップ回路で組合せ回路の電源切断時点におけるデータを保持するためには、外部クロック信号CKがHレベルの期間に外部制御信号POFFを入力する必要があり、そのタイミング設定が難しいという問題があった。 In order to retain data at the time of power-off of the combinational circuit in the conventional flip-flop circuit, it is necessary to input the external control signal POFF while the external clock signal CK is at the H level, and the timing setting is difficult. there were.
また、従来のフリップフロップ回路ではリセット信号が入力されたとき他の入力信号にかかわらずフリップフロップ回路のデータがリセットされる。そのため、フリップフロップ回路のデータを保持している期間中にリセット信号が誤って入力されると保持されていたデータがリセットされてしまうという問題が生じる。 In the conventional flip-flop circuit, when the reset signal is input, the data of the flip-flop circuit is reset regardless of other input signals. Therefore, if the reset signal is erroneously input during the period in which the data of the flip-flop circuit is retained, there is a problem that the retained data is reset.
本発明は、マスターラッチと該マスターラッチに直列に接続されたスレーブラッチに互いに逆位相のマスタークロック信号とスレーブクロック信号を供給し、これにより該マスターラッチに入力されたデータを該スレーブラッチへシフトさせるようにしたフリップフロップ回路において、外部制御信号の入力により該マスタークロック信号と該スレーブクロック信号の信号レベルを同一値に固定する手段を設けたこと、
あるいは、上記フリップフロップ回路において、該外部制御信号の入力によりリセット信号を無効にする手段を備えたこと、
あるいは、所定の論理演算処理を行う組合せ回路と、該組合せ回路と電源が分離され該組合せ回路に入出力されるデータを保持するフリップフロップ回路を備えた半導体装置において、該フリップフロップ回路は、マスターラッチと該マスターラッチに直列に接続されたスレーブラッチに互いに逆位相のマスタークロック信号とスレーブクロック信号を供給し、これにより該マスターラッチに入力されたデータを該スレーブラッチへシフトさせるものであり、外部制御信号の入力により該マスタークロック信号と該スレーブクロック信号の信号レベルを同一値に固定する手段を有することを特徴とする。
The present invention supplies a master clock signal and a slave clock signal having opposite phases to a master latch and a slave latch connected in series to the master latch, thereby shifting data input to the master latch to the slave latch. In the flip-flop circuit configured to be provided, means for fixing the signal level of the master clock signal and the slave clock signal to the same value by input of an external control signal is provided.
Alternatively, the flip-flop circuit includes means for invalidating a reset signal by inputting the external control signal.
Alternatively, in a semiconductor device including a combinational circuit that performs predetermined logical operation processing, and a flip-flop circuit that separates the combinational circuit from a power source and holds data input to and output from the combinational circuit, the flip-flop circuit includes: A master clock signal and a slave clock signal having opposite phases to each other are supplied to a latch and a slave latch connected in series to the master latch, thereby shifting data inputted to the master latch to the slave latch. It is characterized by having means for fixing the signal level of the master clock signal and the slave clock signal to the same value by the input of an external control signal.
本発明のフリップフロップ回路は、外部制御信号の入力を契機としてマスタークロックとスレーブクロックの信号レベルを同一値に固定することにより、マスターラッチとスレーブラッチを同時に不活性にすることができる。そのため、外部制御信号の入力タイミングにかかわらず組合せ回路の電源切断直前のフリップフロップ回路のデータを保持することができるという利点がある。 The flip-flop circuit of the present invention can simultaneously deactivate the master latch and the slave latch by fixing the signal level of the master clock and the slave clock to the same value in response to the input of the external control signal. Therefore, there is an advantage that data of the flip-flop circuit immediately before the combination circuit is turned off can be held regardless of the input timing of the external control signal.
また、外部制御信号の入力中に誤ってリセット信号が入力された場合においてもフリップフロップ回路に保持されているデータが破壊されることはなく半導体ICの動作が安定になる。 In addition, even when a reset signal is erroneously input while an external control signal is being input, the data held in the flip-flop circuit is not destroyed and the operation of the semiconductor IC becomes stable.
組合せ回路の電源を切断する直前のフリップフロップ回路のデータを外部制御信号の入力タイミングにかかわらず保持するという目的を簡単な回路構成で実現した。 The purpose of holding the data of the flip-flop circuit immediately before the power supply of the combinational circuit is cut off regardless of the input timing of the external control signal is realized with a simple circuit configuration.
図1は本発明の実施例を示すフリップフロップ回路である。フリップフロップ回路はマスターラッチ10とマスターラッチ10に直列に接続されるスレーブラッチ20、出力バッファ部30、クロック生成部40、NOR回路50から成っており、このうち、マスターラッチ10とスレーブラッチ20、出力バッファ部30は図4に示した従来のフリップフロップ回路と同じ構成である。
FIG. 1 is a flip-flop circuit showing an embodiment of the present invention. The flip-flop circuit includes a
クロック生成部40はインバータ41、43、45、NAND回路42、NOR回路44から構成され、外部制御信号POFFと外部クロック信号CKが入力されたとき、マスタークロック信号CKMとその反転信号xCKM及びスレーブクロック信号CKSとその反転信号xCKSを生成し、それぞれマスターラッチ10とスレーブラッチ20に供給する。
The
NOR回路50にはリセット信号xRと外部制御信号POFFが入力される。NOR回路50の出力はマスターラッチ10のNOR回路13とスレーブラッチ20内のNOR回路23に入力される。
The NOR
リセット信号xRは外部クロック信号CKとは非同期で入力され、外部クロック信号CKにかかわらずマスターラッチ10とスレーブラッチ20のデータをリセットすることができる。外部制御信号POFFは外部クロック信号CKと非同期で組合せ回路の電源切断直前に入力される。
The reset signal xR is input asynchronously with the external clock signal CK, and the data of the
図2(a)、(b)は外部制御信号POFFが入力されたときのフリップフロップ回路の動作を説明するタイミング図であり、先に説明した図6(a)、(b)とそれぞれ対応する図である。図6(a)、(b)と同様に時刻T0で外部制御信号POFFを入力し、その直後の時刻T1に組合せ回路の電源VDD1を切断するものとする。同図(a)は外部制御信号POFFが外部クロック信号CKのHレベル期間に入力された場合、同図(b)は外部制御信号POFFが外部クロック信号CKのLレベル期間に入力された場合を示している。 FIGS. 2A and 2B are timing diagrams for explaining the operation of the flip-flop circuit when the external control signal POFF is input, and correspond to FIGS. 6A and 6B described above, respectively. FIG. As in FIGS. 6A and 6B, the external control signal POFF is input at time T0, and the power supply VDD1 of the combinational circuit is disconnected at time T1 immediately after that. FIG. 6A shows the case where the external control signal POFF is input during the H level period of the external clock signal CK, and FIG. 6B shows the case where the external control signal POFF is input during the L level period of the external clock signal CK. Show.
外部制御信号POFFが時刻T0以前においてLレベルに設定されている期間中、クロック生成部40で生成されたマスタークロック信号CKMとその反転信号xCKMはマスターラッチ10に、スレーブクロック信号CKSとその反転信号xCKSはスレーブラッチ20に入力され、そのクロックエッジでデータDはマスターラッチ10からスレーブラッチ20へとシフトする。
During the period when the external control signal POFF is set to L level before time T0, the master clock signal CKM and its inverted signal xCKM generated by the
時刻T0で外部制御信号POFFが入力され信号レベルがLレベルからHレベルへ変化すると、マスタークロック信号CKMとスレーブクロック信号CKSは共にLレベルに固定される。外部制御信号POFFが外部クロック信号CKのHレベルあるいはLレベルのいずれの期間に入力された場合においても、図2(a)、(b)に見られるように、組合せ回路の電源VDD1が切断される時刻T1で外部クロック信号CKに対してマスタークロック信号CKMに余分なクロックエッジが生じることはなく、従って、組合せ回路の電源VDD1切断時点におけるデータがフリップフロップ回路に保持されることになる。即ち、外部制御信号POFFが入力されるタイミングに依存することなくフリップフロップ回路のデータを保持することができる。 When the external control signal POFF is input at time T0 and the signal level changes from the L level to the H level, both the master clock signal CKM and the slave clock signal CKS are fixed to the L level. Even when the external control signal POFF is input during either the H level or L level period of the external clock signal CK, as shown in FIGS. 2A and 2B, the power source VDD1 of the combinational circuit is disconnected. At time T1, no extra clock edge is generated in the master clock signal CKM with respect to the external clock signal CK. Therefore, the data when the power supply VDD1 of the combinational circuit is disconnected is held in the flip-flop circuit. That is, the data of the flip-flop circuit can be held without depending on the timing at which the external control signal POFF is input.
上記フリップフロップ回路では、外部制御信号POFFが入力されている期間中NOR回路50の出力はリセット信号xRにかかわらずLレベルに固定されデータはリセットされない。即ち、外部制御信号POFFの入力によりリセット信号は無効となるため、フリップフロップ回路のデータを保持している期間中、誤ってリセット信号が入力されたとしてもデータがリセットされることはなく、半導体ICの動作が安定となる。
In the flip-flop circuit, during the period when the external control signal POFF is input, the output of the NOR
以上の実施例では組合せ回路及びフリップフロップ回路が正論理で動作する場合について述べたが、負論理で動作させる場合には外部制御信号POFFの入力によりマスタークロック信号とスレーブクロック信号の信号レベルをHレベルに固定すればよいことになる。 In the above embodiment, the combinational circuit and the flip-flop circuit operate in the positive logic. However, in the case of operating in the negative logic, the signal levels of the master clock signal and the slave clock signal are set to H by the input of the external control signal POFF. It only has to be fixed to the level.
フリップフロップ回路にデータを保持するためのタイミング設定が簡単となるため、低消費電力化半導体ICの設計が容易となる。 Since the timing setting for holding data in the flip-flop circuit becomes simple, the design of the semiconductor IC with low power consumption becomes easy.
10 マスターラッチ
11、12、21、22 クロックドインバータ
13、23、44、50、71 NOR回路
20 スレーブラッチ
30 出力バッファ部
31、32、33、41、43、45、60、72 インバータ
40、70 クロック生成部
42 NAND回路
60 組合せ回路
61 フリップフロップ回路
10 Master latch
11, 12, 21, 22 Clocked inverter
13, 23, 44, 50, 71 NOR circuit
20 Slave latch
30 Output buffer section
31, 32, 33, 41, 43, 45, 60, 72 Inverter
40, 70 clock generator
42 NAND circuit
60 Combination circuit
61 Flip-flop circuit
Claims (3)
該フリップフロップ回路は、マスターラッチと該マスターラッチに直列に接続されたスレーブラッチに互いに逆位相のマスタークロック信号とスレーブクロック信号を供給し、これにより該マスターラッチに入力されたデータを該スレーブラッチへシフトさせるものであり、外部制御信号の入力により該マスタークロック信号と該スレーブクロック信号の信号レベルを同一値に固定する手段を有することを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device including a combinational circuit that performs a predetermined logical operation process, and a flip-flop circuit that holds data to be input to and output from the combinational circuit by separating the combinational circuit and a power source,
The flip-flop circuit supplies a master clock signal and a slave clock signal having opposite phases to a master latch and a slave latch connected in series to the master latch, and thereby the data input to the master latch is transmitted to the slave latch. And a means for fixing the signal level of the master clock signal and that of the slave clock signal to the same value by the input of an external control signal.
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