JP2006211158A - Semiconductor device provided with mos transistor - Google Patents

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Koji Katayama
幸治 片山
Akira Inoue
彰 井上
Takeshi Takagi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device provided with a MOS transistor operable with high accuracy at a high speed under a low voltage. <P>SOLUTION: The semiconductor device is provided with: at least one MOS transistor 10 including a gate input section 12 and a body input section 14; and a control circuit 20 including a first output section 22 for sending a first control signal (gate voltage V<SB>g</SB>(t)) to the gate input section 12, and a second output section 22 for sending a second control signal (body voltage V<SB>b</SB>(t)) to the body input section 14. The control circuit 20 turns on the MOS transistor 10 through the application of the gate voltage V<SB>g</SB>(t) and thereafter changes a level of the body voltage V<SB>b</SB>(t) to increase a threshold value of the MOS transistor 10 while the MOS transistor 10 stays in the ON state. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、MOS型トランジスタを備えた半導体装置に関し、特に、MOS型トランジスタの高速スイッチングを低電圧源で実現できる半導体装置に関している。   The present invention relates to a semiconductor device including a MOS transistor, and more particularly to a semiconductor device capable of realizing high-speed switching of a MOS transistor with a low voltage source.

近年、消費電力低減を目的にMOS型トランジスタの電源電圧低下が図られている。このため、電源電圧を低下させても高速なスイッチング動作が実現可能なように、MOS型トランジスタの閾値を動的(ダイナミック)に変化させる技術が検討されている。この技術によれば、トランジスタがオン(ON)状態にあるかオフ(OFF)状態にあるかに応じて、トランジスタの閾値が相対的に高い状態と相対的に低い状態との間で切り替えられる。このような動的閾値変化技術を用いて実現したスイッチトキャパシタ回路が特許文献1に開示されている。   In recent years, the power supply voltage of MOS transistors has been lowered for the purpose of reducing power consumption. For this reason, a technique for dynamically changing the threshold value of the MOS transistor so that a high-speed switching operation can be realized even when the power supply voltage is lowered has been studied. According to this technique, the threshold value of the transistor is switched between a relatively high state and a relatively low state depending on whether the transistor is in an on (ON) state or an off (OFF) state. A switched capacitor circuit realized by using such a dynamic threshold change technique is disclosed in Patent Document 1.

以下、図22を参照しながら、閾値が動的に変化する従来のスイッチトキャパシタ回路を説明する。   Hereinafter, a conventional switched capacitor circuit in which the threshold value dynamically changes will be described with reference to FIG.

図22(a)に示される半導体装置は、CMOSインバータを構成する1対のMOSトランジスタを有している。NMOSのゲート入力部100には、第1クロックCLK1が入力され、PMOSのゲート入力部200には、反転した第1クロックCLK1バーが入力されている。また、基板(ボディ)の電圧を制御するため、NMOSのボディ入力部102には、第2クロックCLK2が入力され、PMOSのボディ入力部202には、反転した第2クロックCLK2バーが入力される。   The semiconductor device shown in FIG. 22A has a pair of MOS transistors constituting a CMOS inverter. A first clock CLK1 is input to the NMOS gate input section 100, and an inverted first clock CLK1 bar is input to the PMOS gate input section 200. In order to control the voltage of the substrate (body), the second clock CLK2 is input to the NMOS body input unit 102, and the inverted second clock CLK2 bar is input to the body input unit 202 of the PMOS. .

図22(b)は、第1クロックCLK1および第2クロックCLK2の波形図である。縦軸が電圧、横軸が時間である。図22(b)からわかるように、第1クロックCLK1および第2クロックCLK2は、MOS型トランジスタがON状態にあるとき、Highレベルにあり、MOS型トランジスタがOFF状態にあるとき、Lowレベルにある。なお、ON状態における第2クロックCLK2のレベルは、第1クロックCLK1のレベルよりも低く設定されている。また、第1クロックCLK1および第2クロックCLK2は、ON状態からOFF状態に遷移するとき、略同じ大きさの勾配(スロープ)でゼロレベルに低下していく。   FIG. 22B is a waveform diagram of the first clock CLK1 and the second clock CLK2. The vertical axis is voltage, and the horizontal axis is time. As can be seen from FIG. 22B, the first clock CLK1 and the second clock CLK2 are at a high level when the MOS transistor is in an ON state, and are at a low level when the MOS transistor is in an OFF state. . Note that the level of the second clock CLK2 in the ON state is set lower than the level of the first clock CLK1. In addition, when the first clock CLK1 and the second clock CLK2 transition from the ON state to the OFF state, the first clock CLK1 and the second clock CLK2 decrease to the zero level with substantially the same magnitude (slope).

図22(b)に示すような第2クロックCLK2と、その反転信号CLK2バーを図22(a)に示すMOS型トランジスタのボディ入力部102、202に与えることにより、OFF状態における各MOS型トランジスタの閾値の絶対値を、ON状態における各MOS型トランジスタの閾値よりも大きくすることができる。OFF状態における各MOS型トランジスタの閾値の絶対値が大きくなると、OFF状態におけるリーク電流が低減される。一方、ON状態における各MOS型トランジスタの閾値が小さくなると、ゲート電圧が低い場合でも高速なスイッチング動作が可能になる。
特開平11−163647号公報
The second clock CLK2 as shown in FIG. 22B and its inverted signal CLK2 bar are given to the body inputs 102 and 202 of the MOS transistor shown in FIG. Can be made larger than the threshold value of each MOS transistor in the ON state. When the absolute value of the threshold value of each MOS transistor in the OFF state increases, the leakage current in the OFF state is reduced. On the other hand, when the threshold value of each MOS transistor in the ON state is small, a high-speed switching operation is possible even when the gate voltage is low.
JP-A-11-163647

しかしながら、上記の半導体装置では、MOS型トランジスタがON状態からOFF状態に遷移するとき、そのチャネル領域に存在していた電荷(チャネル電荷)がソース・ドレイン領域に注入され、出力電圧に誤差が生じるという問題がある。このように、ON→OFF時にMOS型トランジスタのチャネル電荷がソース・ドレインに注入される現象は従来から知られており、「チャージインジェクション」と称されている。「チャージインジェクション」は、特許文献1に開示されている半導体装置に限られず、通常のMOS型トランジスタにおいても観察され得る現象である。しかし、本発明者の検討によれば、「チャージインジェクション」に起因する出力電圧誤差は、ボディ電圧を動的に変化させる半導体装置において特に顕著に生じることがわかった、しかも、その誤差は、MOS型トランジスタのスイッチング動作が速くなるにつれて大きくなるということもわかった。   However, in the semiconductor device described above, when the MOS transistor transitions from the ON state to the OFF state, the charge (channel charge) existing in the channel region is injected into the source / drain region, and an error occurs in the output voltage. There is a problem. As described above, the phenomenon that the channel charge of the MOS transistor is injected into the source / drain at the time of ON → OFF is conventionally known and is called “charge injection”. “Charge injection” is not limited to the semiconductor device disclosed in Patent Document 1, and is a phenomenon that can be observed in a normal MOS transistor. However, according to the study of the present inventor, it has been found that the output voltage error due to “charge injection” is particularly prominent in a semiconductor device that dynamically changes the body voltage, and the error is the MOS It was also found that the larger the switching operation of the type transistor, the larger it becomes.

図23は、チャージインジェクションにより、出力電圧に生じる誤差を示している。グラフの縦軸は、スイッチトキャパシタの出力電圧(Vout)であり、横軸は時間である。参考のため、このグラフ中には、スイッチトキャパシタの入力電圧が参照符号「IN」で示されている。入力電圧INは、サインカーブで示されるように時間的に変化する。 FIG. 23 shows an error that occurs in the output voltage due to charge injection. The vertical axis of the graph is the output voltage (V out ) of the switched capacitor, and the horizontal axis is time. For reference, in this graph, the input voltage of the switched capacitor is indicated by the reference symbol “IN”. The input voltage IN changes with time as indicated by a sine curve.

このような波形を有する入力電圧INを受け取ったスイッチトキャパシタのうち、ボディ電圧を固定する従来のMOS型トランジスタを備えるものの出力電圧を、グラフ中では参照符号「MOS」で示している。図23のグラフからわかるように、参照符号「MOS」で示される出力電圧は、入力電圧INの高速な変化に追従していない。   Among the switched capacitors that have received the input voltage IN having such a waveform, the output voltage of the conventional capacitor having a MOS type transistor that fixes the body voltage is indicated by the reference symbol “MOS” in the graph. As can be seen from the graph of FIG. 23, the output voltage indicated by the reference symbol “MOS” does not follow the fast change of the input voltage IN.

一方、図23のグラフには、図22の半導体装置のようにボディ電圧が変化する場合の出力電圧が示されている。この出力電圧は入力電圧INの変化に追従しているが、周期的に発生する電圧誤差が観察される。この電圧誤差は、図22のMOS型トランジスタがON状態からOFF状態に遷移した後、ON状態に戻るまで発生し続けている。このため、図22の半導体装置では、サインカーブに多数の矩形パルスを重畳したような出力電圧が得られる。   On the other hand, the graph of FIG. 23 shows the output voltage when the body voltage changes as in the semiconductor device of FIG. This output voltage follows the change in the input voltage IN, but periodically occurring voltage errors are observed. This voltage error continues to occur until the MOS transistor in FIG. 22 returns from the ON state to the OFF state and then returns to the ON state. For this reason, in the semiconductor device of FIG. 22, an output voltage in which a number of rectangular pulses are superimposed on a sine curve is obtained.

このような電圧誤差が出力信号に発生する限り、低電圧高速動作を目指してボディ電圧を動的に変化させる技術を採用することが実用上困難になる。   As long as such a voltage error occurs in the output signal, it is practically difficult to adopt a technique for dynamically changing the body voltage for low voltage and high speed operation.

本発明は、低電圧で高速高精度動作が可能なMOS型トランジスタを備える半導体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device including a MOS transistor capable of high-speed and high-precision operation at a low voltage.

本発明の半導体装置は、ゲート入力部およびボディ入力部を有する少なくとも1つのMOS型トランジスタと、前記ゲート入力部に第1制御信号を送出する第1出力部、および前記ボディ入力部に第2制御信号を送出する第2出力部を有する制御回路とを備える半導体装置であって、前記制御回路は、前記第1制御信号の印加によって前記MOS型トランジスタをON状態にした後、前記MOS型トランジスタがON状態にある間に前記MOS型トランジスタの閾値を上昇させるように、前記第2制御信号のレベルを変化させる。   The semiconductor device according to the present invention includes at least one MOS transistor having a gate input portion and a body input portion, a first output portion for sending a first control signal to the gate input portion, and a second control for the body input portion. A control circuit having a second output section for transmitting a signal, wherein the control circuit turns on the MOS transistor by applying the first control signal, and then the MOS transistor The level of the second control signal is changed so as to raise the threshold value of the MOS transistor while the transistor is in the ON state.

本発明他の半導体装置は、ゲート入力部およびボディ入力部を有する少なくとも1つのMOS型トランジスタと、前記ゲート入力部に第1制御信号を送出する第1出力部、および前記ボディ入力部に第2制御信号を送出する第2出力部を有する制御回路とを備える半導体装置であって、前記制御回路は、前記第1制御信号の印加によって前記MOS型トランジスタをON状態にした後、前記MOS型トランジスタがON状態にある間に、前記第1制御信号の立下り時間よりも長い立下り時間で前記第2制御信号のレベルを低下させる。   Another semiconductor device of the present invention includes at least one MOS transistor having a gate input section and a body input section, a first output section for sending a first control signal to the gate input section, and a second input to the body input section. A control circuit having a second output unit for transmitting a control signal, wherein the control circuit turns on the MOS transistor by applying the first control signal, and then the MOS transistor Is in the ON state, the level of the second control signal is lowered with a fall time longer than the fall time of the first control signal.

好ましい実施形態において、前記制御回路は、前記第1制御信号の立下りが開始する前に、前記第2制御信号の立下りを開始させる。   In a preferred embodiment, the control circuit starts the fall of the second control signal before the fall of the first control signal starts.

好ましい実施形態において、前記制御回路は、前記第1制御信号の立下り開始と前記第2制御信号の立下りの開始との間にある時間差は、1ピコ秒以上である。   In a preferred embodiment, the control circuit has a time difference between the start of falling of the first control signal and the start of falling of the second control signal of 1 picosecond or more.

好ましい実施形態において、前記第1制御信号のレベルは、前記MOS型トランジスタをオフ状態からオン状態にスイッチするときに第1のLow値から第1のHigh値に上昇し、前記MOS型トランジスタをオン状態からオフ状態にスイッチするときに前記第1のHigh値から前記第1のLow値に下降し、前記第2制御信号のレベルは、前記第1制御信号のレベルが前記第1のHigh値にある期間の少なくとも一部において、前記第1のHigh値と前記第1のLow値との間の大きさを有する第2のHigh値にあり、前記第1制御信号のレベルが前記第1のLow値にある期間の少なくとも一部において、前記第2のHigh値よりも低い第2のLow値にある。   In a preferred embodiment, the level of the first control signal increases from a first Low value to a first High value when the MOS transistor is switched from an off state to an on state, and the MOS transistor is turned on. When switching from a state to an off state, the first high value falls from the first high value to the first low value, and the level of the second control signal is the same as that of the first control signal. In at least a part of a period, the second high value having a magnitude between the first high value and the first low value is at a level, and the level of the first control signal is the first low value. The second low value is lower than the second high value in at least a part of the period in the value.

好ましい実施形態において、前記第2のLow値は前記第1のLow値に等しい。   In a preferred embodiment, the second Low value is equal to the first Low value.

好ましい実施形態において、前記第2制御信号のレベルが、前記第2のHigh値から前記第2のLow値に達するタイミングは、前記第1制御信号のレベルが前記第1のHigh値から前記第1のLow値に達するタイミングよりも遅い。   In a preferred embodiment, when the level of the second control signal reaches the second low value from the second high value, the level of the first control signal changes from the first high value to the first level. It is later than the timing when the low value is reached.

好ましい実施形態において、前記制御回路は、10MHz以上のクロック信号に同期して前記第1制御信号および前記第2制御信号のレベルを変化させる。   In a preferred embodiment, the control circuit changes the levels of the first control signal and the second control signal in synchronization with a clock signal of 10 MHz or higher.

好ましい実施形態において、前記MOS型トランジスタは、3ボルト以下の電源電圧で動作する。   In a preferred embodiment, the MOS transistor operates with a power supply voltage of 3 volts or less.

本発明によれば、出力電圧における誤差を低減しつつ、低電圧高速動作が可能な半導体装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device capable of low voltage and high speed operation while reducing an error in output voltage.

まず、図1(a)および(b)を参照しながら、本発明による半導体装置の基本的な構成および動作を説明する。   First, the basic configuration and operation of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS.

本発明の半導体装置は、図1(a)に示すように、少なくとも1つのMOS型トランジスタ10と、このMOS型トランジスタ10の動作を制御する制御回路20とを備える。   As shown in FIG. 1A, the semiconductor device of the present invention includes at least one MOS transistor 10 and a control circuit 20 that controls the operation of the MOS transistor 10.

MOS型トランジスタ10は、ゲート入力部12およびボディ入力部14を有している。MOS型トランジスタ10のソースは入力側端子INに接続されており、不図示の回路から信号電圧(入力信号)を受け取る。一方、MOS型トランジスタ10のドレインは容量CLを有する出力側端子OUTに接続されており、容量CLに蓄積される電荷に応じた電圧(出力信号)が出力側端子OUTに出力される。 The MOS transistor 10 has a gate input unit 12 and a body input unit 14. The source of the MOS transistor 10 is connected to the input terminal IN and receives a signal voltage (input signal) from a circuit (not shown). The drain of the MOS transistor 10 is connected to an output terminal OUT with a capacity C L, the voltage corresponding to the charge accumulated in the capacitor C L (output signal) is outputted to the output side terminal OUT.

制御回路20は、このMOS型トランジスタ10のゲート入力部12に第1制御信号を送出する第1出力部22と、ボディ入力部14に第2制御信号を送出する第2出力部24を有している。   The control circuit 20 includes a first output unit 22 that transmits a first control signal to the gate input unit 12 of the MOS transistor 10 and a second output unit 24 that transmits a second control signal to the body input unit 14. ing.

第1制御信号は、MOS型トランジスタ10のゲート電圧を規定する信号であり、その大きさはVg(t)で表される(tは時間を示す)。好ましい実施形態において、第1制御信号はHighレベルとLowレベルとの間を周期的に変化する信号であるため、第1クロックCLK1と称する場合がある。 The first control signal is a signal that defines the gate voltage of the MOS transistor 10, and its magnitude is represented by V g (t) (t indicates time). In the preferred embodiment, the first control signal is a signal that periodically changes between a high level and a low level, and therefore may be referred to as a first clock CLK1.

一方、第2制御信号は、MOS型トランジスタ10のボディ電圧(基板電圧)を規定する信号であり、その大きさはVb(t)で表される。この第2制御信号も、第1制御信号と同様にHighレベルとLowレベルとの間を周期的に変化する場合は、第2クロックCLK2と称することとする。 On the other hand, the second control signal is a signal that defines the body voltage (substrate voltage) of the MOS transistor 10, and its magnitude is represented by V b (t). Similarly to the first control signal, the second control signal is also referred to as a second clock CLK2 when it periodically changes between the High level and the Low level.

以下の説明では、第1制御信号を「ゲート電圧Vg(t)」または「第1クロックCLK1」と称し、第2制御信号を「ボディ電圧Vb(t)」または「第2クロックCLK2」と称することとする。 In the following description, the first control signal is referred to as “gate voltage V g (t)” or “first clock CLK1”, and the second control signal is referred to as “body voltage V b (t)” or “second clock CLK2”. It shall be called.

ゲート電圧Vg(t)およびボディ電圧Vb(t)は、図1(b)に示す波形を有している。なお、以下の各図面では、ゲート電圧Vg(t)やボディ電圧Vb(t)の立上りおよび立下りを直線的に記載しているが、現実には、回路素子や配線などが有する寄生容量により、エッジ部分が曲線的に鈍ることになる。本明細書において、ゲート電圧Vg(t)やボディ電圧Vb(t)の「立下り時間」とは、ゲート電圧Vg(t)やボディ電圧Vb(t)が、その最大値(VDD1またはVDD2)の0.9倍の値から0.1倍の値に低下するまでの時間であると定義する。また、ゲート電圧Vg(t)やボディ電圧Vb(t)の立下り部分のスロープ(勾配)Sは、「0.8×VDD」を上記の立下り時間で割った値であるとする。 The gate voltage V g (t) and the body voltage V b (t) have waveforms shown in FIG. In the following drawings, the rise and fall of the gate voltage V g (t) and the body voltage V b (t) are linearly described. Due to the capacitance, the edge portion becomes dull in a curve. In the present specification, the gate voltage V g (t) and body voltage V b of (t) and "fall time", the gate voltage V g (t) and body voltage V b (t) is the maximum value ( (VDD 1 or VDD 2 ) is defined as the time until the value decreases from 0.9 times to 0.1 times. Further, the slope (gradient) S of the falling portion of the gate voltage V g (t) and the body voltage V b (t) is a value obtained by dividing “0.8 × VDD” by the above-described falling time. .

本発明の第1の態様では、上記の制御回路20が閾値を超える大きさのゲート電圧Vg(t)をMOS型トランジスタ10のゲート入力部12に印加することよってMOS型トランジスタ10をON状態にした後、MOS型トランジスタ10がON状態にある間にMOS型トランジスタ10の閾値を上昇させるように、ボディ電圧Vb(t)のレベルを変化させる(閾値の絶対値を低下させる)。このような動作を「タイミング調整型動作」と称することとする。 In the first aspect of the present invention, the control circuit 20 applies the gate voltage V g (t) having a magnitude exceeding the threshold to the gate input section 12 of the MOS transistor 10 to turn on the MOS transistor 10. After that, the level of the body voltage V b (t) is changed (the absolute value of the threshold is lowered) so that the threshold of the MOS transistor 10 is raised while the MOS transistor 10 is in the ON state. Such an operation is referred to as a “timing adjustment type operation”.

また、本発明の第2の態様では、上記の制御回路20が、閾値を超える大きさのゲート電圧Vg(t)の印加によってMOS型トランジスタ10をON状態にした後、MOS型トランジスタ10がOFF状態に遷移するとき、ゲート電圧Vg(t)の立下り時間よりも長い立下り時間でボディ電圧Vb(t)の絶対値を低下させる。立下り時間が長くなると、電圧変化の勾配(スロープS)が小さくなるため、このような動作を「スロープ調整型動作」と称することとする。 In the second aspect of the present invention, after the control circuit 20 turns on the MOS transistor 10 by applying the gate voltage V g (t) having a magnitude exceeding the threshold, the MOS transistor 10 When transitioning to the OFF state, the absolute value of the body voltage V b (t) is lowered with a fall time longer than the fall time of the gate voltage V g (t). As the fall time becomes longer, the gradient of the voltage change (slope S) becomes smaller, and such an operation is referred to as a “slope adjustment type operation”.

図1(b)に示す波形は、上記の第1および第2の態様を組み合わせた場合の信号波形の一例である。図1(b)の縦軸は電圧(Voltage)であり、横軸が時間(t)である。この例におけるゲート電圧Vg(t)は、レベルVDD1とレベル0との間で周期的に増減し、ボディ電圧Vb(t)は、レベルVDD2とレベル0との間で周期的に増減する。レベルVDD2はレベルVDD1よりも低く、また、ボディ電圧Vb(t)の遷移カーブの勾配(スロープ)はゲート電圧Vg(t)のスロープよりも小さい。 The waveform shown in FIG. 1B is an example of a signal waveform when the first and second modes are combined. In FIG. 1B, the vertical axis represents voltage (Voltage), and the horizontal axis represents time (t). In this example, the gate voltage V g (t) periodically increases and decreases between the level VDD 1 and the level 0, and the body voltage V b (t) periodically changes between the level VDD 2 and the level 0. Increase or decrease. The level VDD 2 is lower than the level VDD 1 and the slope (slope) of the transition curve of the body voltage V b (t) is smaller than the slope of the gate voltage V g (t).

本発明の半導体装置では、「タイミング調整型動作」や「スロープ調整型動作」を実行することにより、トランジスタのON状態からOFF状態に変化させるときに問題になっていたチャージインジェクションによる出力電圧の誤差を大きく低減している。   In the semiconductor device of the present invention, an error in the output voltage due to charge injection, which has been a problem when the transistor is changed from the ON state to the OFF state by executing “timing adjustment type operation” or “slope adjustment type operation”. Is greatly reduced.

以下においては、本発明における「タイミング調整型動作」および「スロープ調整型動作」によってチャージインジェクションの影響が低減される理由を説明する前に、まず、従来の半導体装置においてチャージインジェクションが電圧誤差を生じさせるメカニズムを説明する。   In the following, before explaining the reason why the influence of charge injection is reduced by the “timing adjustment type operation” and “slope adjustment type operation” in the present invention, first, charge injection causes voltage error in a conventional semiconductor device. Explain the mechanism to make it.

図2は、図1(a)に示すMOS型トランジスタ10の模式的な断面構成と等価回路を示す図面である。図2のMOS型トランジスタ10に関する各パラメータの内容は、以下の表1に示すとおりである。   FIG. 2 is a diagram showing a schematic cross-sectional configuration and an equivalent circuit of the MOS transistor 10 shown in FIG. The contents of each parameter relating to the MOS transistor 10 of FIG. 2 are as shown in Table 1 below.

図2に示すMOS型トランジスタ10がON状態にあるとき、半導体30とゲート絶縁膜32との界面付近にチャネル(反転層)が形成される。入力電圧Vinと出力電圧Voutとが略等しいと仮定すると、反転層内の総電荷Qchは、Qch=WLCox(Vg−Vin−Vth)の式で表される。 When the MOS transistor 10 shown in FIG. 2 is in the ON state, a channel (inversion layer) is formed near the interface between the semiconductor 30 and the gate insulating film 32. Assuming that the input voltage V in and the output voltage V out are substantially equal, the total charge Q ch in the inversion layer is expressed by an expression of Q ch = WLC ox (V g −V in −V th ).

前述したように、MOS型トランジスタ10がON状態からOFF状態に遷移するとき、反転層に存在していた電荷Qchは、ソース・ドレインに注入されることになる(チャネルチャージインジェクション)。入力側のソースに注入される電荷は、入力源によって吸収されるため、誤差を発生させないが、出力側のドレインに注入される電荷は、負荷容量CLに蓄積されるため、出力電圧Voutを真の値から変位させ、電圧誤差の生成原因となる。 As described above, when the MOS transistor 10 transitions from the ON state to the OFF state, the charge Q ch existing in the inversion layer is injected into the source / drain (channel charge injection). The charge injected into the source on the input side is absorbed by the input source and thus does not cause an error. However, since the charge injected into the drain on the output side is accumulated in the load capacitor C L , the output voltage V out Is displaced from the true value, causing a voltage error.

通常、MOS型トランジスタがNMOSの場合は、ボディ電圧Vbはグラウンドに固定され、PMOSの場合は、電源電圧に固定される。そのような構成を有する場合、ドレイン基板容量Cdbおよびソース基板容量Csbに蓄積される電荷の量は、MOS型トランジスタのON/OFFによってほとんど変化しない。その結果、チャージインジェクションによって出力側(ドレイン)に注入される電荷は、ゲート電圧Vgの変化に起因する電荷のみである。 Usually, when the MOS transistor is NMOS, the body voltage Vb is fixed to the ground, and when it is PMOS, it is fixed to the power supply voltage. In the case of such a configuration, the amount of charges accumulated in the drain substrate capacitance C db and the source substrate capacitance C sb hardly changes depending on ON / OFF of the MOS transistor. As a result, the charge injected into the output side (drain) by charge injection is only the charge caused by a change in the gate voltage V g.

しかしながら、特許文献1に記載される半導体装置のように、ゲート電圧Vg(t)とともにボディ電圧Vbが変化する場合は、MOS型トランジスタがON状態からOFF状態に遷移するとき、ソース基板間容量Csbやドレイン基板間容量Cdbに蓄積されていた電荷も、ソース・ドレインに注入されることになる。したがって、ゲート電圧Vgとともにボディ電圧Vbが変化す場合には、チャージインジェクション量が増加し、その結果、出力電圧Voutの誤差が増大することになる。 However, when the body voltage V b changes with the gate voltage V g (t) as in the semiconductor device described in Patent Document 1, when the MOS transistor transitions from the ON state to the OFF state, the source substrate The charges accumulated in the capacitor C sb and the drain-substrate capacitor C db are also injected into the source / drain. Therefore, when the body voltage V b changes together with the gate voltage V g , the charge injection amount increases, and as a result, the error of the output voltage V out increases.

このように、トランジスタ閾値を動的に変化させることを目的としてボディ電圧Vbを上下させる半導体装置では、チャージインジェクション量による出力電圧誤差が大きくなり、正確な動作を実現することが困難になってしまう。 Thus, in the semiconductor device raising and lowering the body voltage V b for the purpose of dynamically changing the transistor threshold, the output voltage error due to charge injection amount is increased, it becomes difficult to achieve an accurate operation End up.

この問題を解決するため、本発明では、「タイミング調整型動作」や「スロープ調整型動作」を実行することにより、チャージインジェクション量を低減し、出力電圧Voutの誤差を低減している。以下、図3から図13を参照しながら、本発明の構成によってチャージインジェクション量が低減されることを説明する。   In order to solve this problem, in the present invention, the “timing adjustment type operation” and the “slope adjustment type operation” are executed, thereby reducing the charge injection amount and reducing the error of the output voltage Vout. Hereinafter, it will be described with reference to FIGS. 3 to 13 that the charge injection amount is reduced by the configuration of the present invention.

まず、図3(a)および(b)を参照する。図3(a)は、本発明の半導体装置が備えるMOS型トランジスタ10の等価回路図であり、図3(b)は、ゲート電圧Vg(t)およびボディ電圧Vb(t)の波形の一部(立下り部分)を示すグラフである。図3(b)のグラフの縦軸は、電圧(Voltage)であり、横軸は時間(t)である。 First, refer to FIGS. 3A and 3B. FIG. 3A is an equivalent circuit diagram of the MOS transistor 10 included in the semiconductor device of the present invention. FIG. 3B shows the waveforms of the gate voltage V g (t) and the body voltage V b (t). It is a graph which shows a part (falling part). The vertical axis of the graph of FIG. 3B is voltage (Voltage), and the horizontal axis is time (t).

図3(a)では、簡単のため、ゲート電圧Vg(t)およびボディ電圧Vb(t)を、それぞれ、「Vg」および「Vb」で表している。ここで、VsおよびVdは、それぞれ、入力電圧および出力電圧であり、「Id」および「CL」は、それぞれ、ドレイン電流および容量である。 In FIG. 3A, for simplicity, the gate voltage V g (t) and the body voltage V b (t) are represented by “V g ” and “V b ”, respectively. Here, V s and V d are an input voltage and an output voltage, respectively, and “I d ” and “C L ” are a drain current and a capacitance, respectively.

ここでは、図3(b)に示すように、ゲート電圧VgがレベルVDD1からスロープS1で減少し、ボディ電圧VbがレベルVDD2からスロープS2で低下すると仮定する。なお、ボディ電圧Vbの立下りは、ゲート電圧Vgの立下りよりもΔtの時間だけ早くに開始している。このとき、ゲート電圧Vgとボディ電圧Vbは、それぞれ、以下の式で表される。 Here, as shown in FIG. 3 (b), it is assumed that the gate voltage V g is reduced from a level VDD 1 Slope S 1, body voltage V b is lowered from the level VDD 2 Slope S 2. It should be noted that the fall of the body voltage V b is started as soon as the time of Δt than the fall of the gate voltage V g. At this time, the gate voltage V g and the body voltage V b are respectively expressed by the following equations.

g(t) = VDD1−S1・t
b(t) = VDD2−S2・t
V g (t) = VDD 1 −S 1 · t
V b (t) = VDD 2 −S 2 · t

また、キルヒホッフの法則より、以下の式が成立する。   Furthermore, the following formula is established from Kirchhoff's law.

ここで、Vds=Vd−Vs=Vout−Vinの関係が成立し、Vdsは「出力電圧誤差」である。 Here, the relationship V ds = V d −V s = V out −V in is established, and V ds is an “output voltage error”.

ソースおよびドレインの各々に同量の電荷Qが移動すると仮定すると、上記式における電荷Qは、チャネル電荷の半分とドレイン基板に蓄積されていた電荷との総和で表される。すなわち、以下の式が成立する。   Assuming that the same amount of charge Q moves to each of the source and drain, the charge Q in the above equation is represented by the sum of half of the channel charge and the charge accumulated in the drain substrate. That is, the following expression is established.




ここで、Qchはチャネル電荷であり、Qbodyは、ドレイン−基板容量に蓄積される電荷である。なお、γは基板バイアス係数である。簡単のため、MOS型トランジスタが線形領域で動作していると仮定すると、ドレイン電流Idは、オンコンダクタンスGonを用いて、以下の式で表される。 Here, Q ch is the channel charge, and Q body is the charge accumulated in the drain-substrate capacitance. Note that γ is a substrate bias coefficient. For simplicity, assuming that the MOS transistor operates in a linear region, the drain current I d is expressed by the following equation using the on-conductance G on .


ボディ電圧Vbを一定値(Vb=0)に保つ従来の半導体装置では、以下の式が成立する。 In the conventional semiconductor device that maintains the body voltage V b at a constant value (V b = 0), the following equation is established.

このため、以下の式が得られる。   For this reason, the following formula is obtained.

ここで、   here,

と置くと、上記の式は以下のように書き換えられる。 Then the above equation can be rewritten as:

この式を解くと、出力電圧誤差Vdsは、以下の式で表される。 When this equation is solved, the output voltage error V ds is expressed by the following equation.



ここで、t=VHT/S1になると、出力電圧は保持され、最終的に出力電圧誤差Vdsは、以下の式で表される。 Here, when t = V HT / S 1 , the output voltage is held, and finally the output voltage error V ds is expressed by the following equation.


一方、ボディ電圧Vb(t)がゲート電圧Vg(t)と同様に上下する従来の半導体装置の場合、上記と同様の微分方程式を作成すると、以下の式が得られる。 On the other hand, in the case of a conventional semiconductor device in which the body voltage V b (t) rises and falls in the same manner as the gate voltage V g (t), the following equation is obtained by creating a differential equation similar to the above.




ここで、以下の等式を用いると、   Here, using the following equation:


下記の式が得られる。   The following formula is obtained:

この式を解くと、出力電圧誤差Vdsは、以下の式で表される。 When this equation is solved, the output voltage error V ds is expressed by the following equation.




t=VHT '/ S'になると、出力電圧は保持され、最終的に出力電圧誤差Vdsは、以下の式で表される。 When t = V HT / S , the output voltage is held, and finally the output voltage error V ds is expressed by the following equation.

0.13μmルールで設計されたNMOSの典型的なパラメータを用い、以下の数値例を上式に代入する。   The following numerical examples are substituted into the above equation using typical NMOS parameters designed with a 0.13 μm rule.

1=S2=1.0×1010 [V/sec]
VDD1=VDD2=1.0 [V]
in=0.2[V]
L=0.1 [pF]
S 1 = S 2 = 1.0 × 10 10 [V / sec]
VDD 1 = VDD 2 = 1.0 [V]
V in = 0.2 [V]
C L = 0.1 [pF]

図4は、上記の数値および式を用いて計算を行なった結果を示すグラフである。   FIG. 4 is a graph showing the results of calculation using the above numerical values and equations.

ボディ電圧Vb(t)をゼロボルトに保持する従来の半導体装置(比較例1)では、出力電圧の誤差が約−7mVになる。一方、ボディ電圧Vb(t)がゲート電圧Vg(t)と同様に変化する半導体装置(比較例2)では、出力電圧の誤差約−11mVに達し、電圧誤差は約1.5倍に増加することがわかる。 In the conventional semiconductor device (Comparative Example 1) in which the body voltage V b (t) is held at zero volts, the output voltage error is about −7 mV. On the other hand, in the semiconductor device (Comparative Example 2) in which the body voltage V b (t) changes in the same manner as the gate voltage V g (t), the output voltage error reaches about −11 mV, and the voltage error is about 1.5 times. It can be seen that it increases.

次に、ボディ電圧Vb(t)の立下りタイミングに関する計算結果を説明する。図5は、立下りタイミングを従来に比べて時間TDだけ早めたボディ電圧Vb(t)の波形を示している。立下りの勾配(スロープ)は、変化させていない。 Next, calculation results regarding the falling timing of the body voltage V b (t) will be described. FIG. 5 shows a waveform of the body voltage V b (t) in which the falling timing is advanced by time TD compared to the conventional case. The slope of the fall (slope) is not changed.

立下り時間を0.1nsecであると仮定する。図6(a)および(b)は、それぞれ、NMOSおよびPMOSについての計算結果を示すグラフである。グラフの縦軸は、電圧誤差であり、横軸は入力電圧である。図6では、時間TDを0nsec(=従来例)から0.25nsecまで0.05nsec単位で増加した場合における電圧誤差曲線が示されている。   Assume that the fall time is 0.1 nsec. FIGS. 6A and 6B are graphs showing calculation results for NMOS and PMOS, respectively. The vertical axis of the graph is the voltage error, and the horizontal axis is the input voltage. FIG. 6 shows a voltage error curve when the time TD is increased from 0 nsec (= conventional example) to 0.25 nsec in units of 0.05 nsec.

図6からわかるように、NMOS、PMOSのいずれの場合でも、時間TDが増加すると、電圧誤差の絶対値が減少している。電圧誤差低減の効果は、NMOSでより顕著である。   As can be seen from FIG. 6, in either case of NMOS or PMOS, the absolute value of the voltage error decreases as the time TD increases. The effect of reducing the voltage error is more remarkable in the NMOS.

図7(a)および(b)は、それぞれ、NMOSおよびPMOSについて、ボディ電圧Vb(t)における立下りのタイミングを変化させずに、その立下り時間をゲート電圧Vg(t)における立下り時間の2倍に増加させた場合の出力電圧誤差を示すグラフである。グラフの縦軸は、電圧誤差であり、横軸はゲート電圧Vg(t)の立下り時間である。 FIGS. 7A and 7B show the fall time of the gate voltage V g (t) for the NMOS and PMOS without changing the fall timing of the body voltage V b (t). It is a graph which shows the output voltage error at the time of making it increase to 2 times of down time. The vertical axis of the graph is the voltage error, and the horizontal axis is the fall time of the gate voltage V g (t).

図7(a)および(b)のグラフからわかるように、ボディ電圧Vb(t)の立下り時間が2倍になると、ゲート電圧Vg(t)の立下り時間が1.0nsec以下の領域の全体において、出力電圧の誤差が縮小している。また、この誤差縮小の程度は、ゲート電圧Vg(t)の立下り時間が短くなるほど(特に0.2nsec以下で)、顕著である。すなわち、MOS型トランジスタのスイッチングを高速で行なう場合に、誤差縮小の効果が顕著に現れる。なお、入力電圧Vinがグラウンドレベル(0V)または電源電圧レベル(1.5V)にある場合には、MOS型トランジスタのオン抵抗が非常に小さくなるため、チャージインジェクション量が増大し、出力電圧誤差が増大する傾向にあるが、本発明によれば、その増大を抑制できることがわかる。 As can be seen from the graphs of FIGS. 7A and 7B, when the fall time of the body voltage V b (t) is doubled, the fall time of the gate voltage V g (t) is 1.0 nsec or less. In the entire region, the output voltage error is reduced. The degree of error reduction becomes more conspicuous as the fall time of the gate voltage V g (t) becomes shorter (particularly at 0.2 nsec or less). That is, the effect of reducing the error appears remarkably when the MOS transistor is switched at high speed. In the case where the input voltage V in is at the ground level (0V) or the power supply voltage level (1.5V), because the on-resistance of the MOS transistor is very small, the amount of charge injection is increased, the output voltage error However, according to the present invention, the increase can be suppressed.

図8は、ボディ電圧Vb(t)における立下りのスロープを示す図である。以下の例では、このスロープを小さくするため、立下り時間を従来例の2倍、3倍、4倍、および5倍に増加させている。図9、図10、および図11は、NMOS、PMOS、およびCMOSスイッチにおける立下り時間と出力電圧誤差との関係を示すグラフである。 FIG. 8 is a diagram showing a falling slope in the body voltage V b (t). In the following example, in order to reduce this slope, the fall time is increased to 2 times, 3 times, 4 times, and 5 times that of the conventional example. 9, FIG. 10, and FIG. 11 are graphs showing the relationship between the fall time and the output voltage error in the NMOS, PMOS, and CMOS switches.

上記のグラフから、ボディ電圧Vb(t)の立下り時間を長くするほど、出力電圧誤差が低減されることがわかる。より具体的には、立下り時間を2倍にしたとき、出力電圧誤差を最大で約70%カットし、立下り時間を5倍にしたとき、電圧誤差を最大で約90%カットすることができる。 From the above graph, it can be seen that the longer the fall time of the body voltage V b (t), the more the output voltage error is reduced. More specifically, when the fall time is doubled, the output voltage error is cut by about 70% at the maximum, and when the fall time is doubled, the voltage error is cut by about 90% at the maximum. it can.

次に、図12および図13を参照しながら、ボディ電圧Vb(t)の振幅(レベルVDD2の値)に関する計算結果を説明する。 Next, a calculation result related to the amplitude of the body voltage V b (t) (the value of the level VDD2) will be described with reference to FIGS.

以下に説明する例では、ゲート電圧Vg(t)およびボディ電圧Vb(t)の立下りのタイミングが同じ場合において、ボディ電圧Vb(t)の立下り時間をゲート電圧Vg(t)の立下り時間(0.1nsec)の2倍に設定する。 図12および図13のグラフからわかるように、ボディ電圧Vb(t)の振幅を低下させることにより、出力電圧に現れる誤差を更に低減することができる。ただし、ボディ電圧Vb(t)の振幅を小さくすると、閾値を動的に変化させることによって得られる効果が少なくなるため、入力電圧の変化に出力電圧が追従できず、低電圧高速動作が実現しにくくなる。このため、出力電圧の誤差縮小と、半導体装置の高速動作特性とのトレードオフにより、ボディ電圧Vb(t)の最適な振幅が決定されることになる。 In the example described below, when the fall timings of the gate voltage V g (t) and the body voltage V b (t) are the same, the fall time of the body voltage V b (t) is expressed as the gate voltage V g (t ) Fall time (0.1 nsec). As can be seen from the graphs of FIGS. 12 and 13, the error appearing in the output voltage can be further reduced by reducing the amplitude of the body voltage V b (t). However, if the amplitude of the body voltage V b (t) is reduced, the effect obtained by dynamically changing the threshold value is reduced, so the output voltage cannot follow the change in the input voltage, and low voltage and high speed operation is realized. It becomes difficult to do. For this reason, the optimum amplitude of the body voltage V b (t) is determined by the trade-off between the error reduction of the output voltage and the high-speed operation characteristic of the semiconductor device.

次に、ボディ電圧Vb(t)の立下りのタイミングをΔtだけ早める場合の好ましいΔtの大きさを検討する。 Next, the preferable magnitude of Δt when the fall timing of the body voltage V b (t) is advanced by Δt will be examined.

g(t) = VDD1−S1・t
b(t) = VDD2−S2・(t+Δt)=(VDD2−S2・t)−S2・Δt
V g (t) = VDD 1 −S 1 · t
V b (t) = VDD 2 −S 2 · (t + Δt) = (VDD 2 −S 2 · t) −S 2 · Δt

上記の式が成立するため、(VDD2−S2・t)=VDD2’と置くと、ボディ電圧の立下りタイミングを相対的に早めない従来のMOS型トランジスタの動作と同様にして解析することができる。 Since the above equation is established, if (VDD 2 −S 2 · t) = VDD 2 ′, analysis is performed in the same manner as the operation of a conventional MOS transistor in which the body voltage falling timing is not relatively advanced. be able to.

したがって、ボディ電圧Vb(t)の立下りのタイミングをΔtだけ早めた場合にMOS型トランジスタがON状態からOFF状態に遷移する時間は、以下の式で表させる。 Therefore, when the falling timing of the body voltage V b (t) is advanced by Δt, the time for the MOS transistor to transition from the ON state to the OFF state is expressed by the following equation.



すなわち、以下の関係が成立する。   That is, the following relationship is established.

Δtだけタイミングを早めることによってスイッチング時間を短くするには、以下の関係式を満足するようにすればよい。 In order to shorten the switching time by advancing the timing by Δt, the following relational expression should be satisfied.


この式を整理すると、以下の式が得られる。
When this formula is arranged, the following formula is obtained.


以上のことから、次の条件を満足するようにΔtを設定することが好ましい。   From the above, it is preferable to set Δt so as to satisfy the following condition.

例えば、VDD1=VDD2=1.0、S1=S2=1010、γ=0.5、Vth=0.2の場合を想定して、各値を上式に代入する。このとき、ゲート電圧Vg(t)の立下り時間は0.1ナノ秒であり、約3.5GHzのクロック動作に相当する。この場合、以下の式が成立することになる。
For example, assuming that VDD1 = VDD2 = 1.0, S1 = S2 = 10 10 , γ = 0.5, and V th = 0.2, each value is substituted into the above equation. At this time, the fall time of the gate voltage V g (t) is 0.1 nanosecond, which corresponds to a clock operation of about 3.5 GHz. In this case, the following formula is established.




したがって、ゲート電圧Vg(t)の立下りに対して、ボディ電圧Vb(t)の立下りを早める時間Δtは、20ピコ秒〜110ピコ秒の範囲内に設定するのが好ましい。また、S1=1010、S2=5×109の場合には、Δtの好ましい範囲は、以下の通りである。 Therefore, it is preferable to set the time Δt for accelerating the fall of the body voltage V b (t) within the range of 20 picoseconds to 110 picoseconds with respect to the fall of the gate voltage V g (t). When S1 = 10 10 and S2 = 5 × 10 9 , the preferable range of Δt is as follows.

なお、GHzオーダーのクロック周波数に同期して変化する電圧信号の場合、タイミングジッタは1ピコ秒未満であり、数ピコ秒から数100ピコ秒でタイミングを制御することは十分に可能な範囲である。また、周波数が数MHz以上のクロック信号を用いてMOS型トランジスタを制御する場合についても同様に最適値を求めることができる。   In the case of a voltage signal that changes in synchronization with a clock frequency in the order of GHz, the timing jitter is less than 1 picosecond, and it is sufficiently possible to control the timing in several picoseconds to several hundred picoseconds. . Similarly, an optimum value can be obtained when a MOS transistor is controlled using a clock signal having a frequency of several MHz or more.

図24は、ボディ電圧Vb(t)の周波数(クロック周波数)と立下り時間との関係を示すグラフである。 FIG. 24 is a graph showing the relationship between the frequency (clock frequency) of the body voltage V b (t) and the fall time.

以下、図14から図17を参照しながら、本発明で採用することのできるゲート電圧Vg(t)およびボディ電圧Vb(t)の波形の関係を説明する。本発明で重要な点は、MOS型トランジスタがON状態にある間に、ボディ電圧Vb(t)が立下り始めるか(タイミング調整型動作)、あるいは、ボディ電圧Vb(t)の立下り時間がゲート電圧Vg(t)の立下り時間よりも長いことにある。この条件を満足する限り、ゲート電圧Vg(t)およびボディ電圧Vb(t)は、種々の波形を示し得る。 Hereinafter, the relationship between the waveforms of the gate voltage V g (t) and the body voltage V b (t) that can be employed in the present invention will be described with reference to FIGS. The important point in the present invention is that the body voltage V b (t) starts to fall while the MOS transistor is in the ON state (timing adjustment type operation) or the body voltage V b (t) falls. The time is longer than the fall time of the gate voltage Vg (t). As long as this condition is satisfied, the gate voltage Vg (t) and the body voltage V b (t) can exhibit various waveforms.

図14および図15は、いずれも、ボディ電圧Vb(t)の立下り時間がボディ電圧Vb(t)の立上り時間よりも長い場合の例を示している。一方、図16および図17は、いずれも、ボディ電圧Vb(t)の立下り時間がボディ電圧Vb(t)の立上り時間に等しい場合の例を示している。これらの図における(a)、(b)、および(c)は、それぞれ、ゲート電圧Vg(t)の立上りのタイミングに比べてボディ電圧Vb(t)の立上りタイミングが「早い」、「同じ」、および「遅い」場合に対応している。 14 and 15 are both fall time of the body voltage V b (t) indicates an example of a case longer than the rise time of the body voltage V b (t). On the other hand, FIGS. 16 and 17 are both fall time of the body voltage V b (t) indicates an example of a case equal to the rise time of the body voltage V b (t). In these diagrams, (a), (b), and (c) indicate that the rising timing of the body voltage V b (t) is “earlier” than the rising timing of the gate voltage V g (t), and “ It corresponds to the case of “same” and “slow”.

なお、図14における波形と図15における波形との違いは、ゲート電圧Vg(t)がゼロレベルに達するタイミングと、ボディ電圧Vb(t)がゼロレベルに達するタイミングとの先後関係の違いである。図15における波形と図16における波形の違いも、同様である。 The difference between the waveform in FIG. 14 and the waveform in FIG. 15 is the difference between the timing at which the gate voltage Vg (t) reaches the zero level and the timing at which the body voltage V b (t) reaches the zero level. is there. The difference between the waveform in FIG. 15 and the waveform in FIG. 16 is the same.

[実施形態1]
以下、図18および図19を参照しながら、本発明による半導体装置の第1の実施形態を説明する。
[Embodiment 1]
Hereinafter, a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態の半導体装置における制御回路部20は、クロック発生回路40、バッファ回路42、および遅延回路44を含んでいる。   The control circuit unit 20 in the semiconductor device of the present embodiment includes a clock generation circuit 40, a buffer circuit 42, and a delay circuit 44.

遅延回路44は、クロック発生回路40から出力されたクロック信号CLKを受け取り、第1制御信号として機能する第1クロックCLK1を出力する。遅延回路44には、クロック発生回路40と同様にレベルVDD1の電源電圧が供給されている。クロック発生回路40が出力するクロック信号CLKは、図19(a)に示す波形を有しており、第1クロックCLK1は、図19(b)に示す波形を有している。これらの図から明らかなように、クロック信号CLKは遅延回路44を伝播するうちに遅延し、第1クロックCLK1として出力されることになる。遅延時間はΔt2である。第1クロックCLK1の波形は、クロック信号CLKの波形と同様である。 The delay circuit 44 receives the clock signal CLK output from the clock generation circuit 40 and outputs a first clock CLK1 that functions as a first control signal. A delay circuit 44, the power supply voltage similarly level VDD 1 and a clock generating circuit 40 is supplied. The clock signal CLK output from the clock generation circuit 40 has a waveform shown in FIG. 19A, and the first clock CLK1 has a waveform shown in FIG. As is clear from these drawings, the clock signal CLK is delayed while propagating through the delay circuit 44, and is output as the first clock CLK1. The delay time is Δt2. The waveform of the first clock CLK1 is the same as the waveform of the clock signal CLK.

一方、バッファ回路42は、クロック発生回路40から出力されたクロック信号CLKを受け取り、第2制御信号として機能する第2クロックCLK2を出力する。バッファ回路42には、レベルVDD2の電源電圧が供給されている。バッファ回路42から出力される第2クロックCLK2は、図19(b)に示すように、Highレベルの値がVDD2に低下し、スロープ(勾配)が相対的に小さくなった波形を有している。すなわち、クロック信号CLKは、バッファ回路42を伝播するうちに遅延するとともに、最高値およびスロープの両方が小さくなり、立下り時間はΔt1程度に長くなっている。 On the other hand, the buffer circuit 42 receives the clock signal CLK output from the clock generation circuit 40, and outputs a second clock CLK2 that functions as a second control signal. A power supply voltage of level VDD 2 is supplied to the buffer circuit 42. As shown in FIG. 19B, the second clock CLK2 output from the buffer circuit 42 has a waveform in which the value of the High level is lowered to VDD 2 and the slope (gradient) is relatively small. Yes. That is, the clock signal CLK is delayed while propagating through the buffer circuit 42, and both the maximum value and the slope are reduced, and the fall time is increased to about Δt1.

本実施形態における制御回路20は、上記の構成を備えることにより、図19(b)に示す2種類のクロック信号CLK1、CLK2を、それぞれ、MOS型トランジスタ10のゲート入力部12およびボディ入力部14に供給する。これにより、MOS型トランジスタ10は前述の動作を行い、本発明の効果を発揮することができる。   The control circuit 20 according to the present embodiment has the above-described configuration, so that the two types of clock signals CLK1 and CLK2 shown in FIG. 19B are supplied to the gate input unit 12 and the body input unit 14 of the MOS transistor 10, respectively. To supply. Thereby, the MOS transistor 10 performs the above-described operation, and can exhibit the effects of the present invention.

[実施形態2]
以下、図20および図21を参照しながら、本発明による半導体装置の第2の実施形態を説明する。
[Embodiment 2]
Hereinafter, a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態の半導体装置における制御回路部は、クロック発生回路50および波形調整回路52を含んでいる。   The control circuit unit in the semiconductor device of the present embodiment includes a clock generation circuit 50 and a waveform adjustment circuit 52.

波形調整回路52は、クロック発生回路50から出力されたクロック信号CLKを受け取り、パルスの幅および振幅の低減されたクロック信号CLK’を出力する。波形調整回路52には、レベルVDD2の電源電圧が供給されている。 The waveform adjustment circuit 52 receives the clock signal CLK output from the clock generation circuit 50 and outputs a clock signal CLK ′ with a reduced pulse width and amplitude. A power supply voltage of level VDD 2 is supplied to the waveform adjustment circuit 52.

クロック発生回路50が出力するクロック信号CLKは、図21(a)および図21(b)に示す波形を有しており、パルスの幅および振幅の低減されたクロック信号CLK’は、図21(b)に示す波形を有している。   The clock signal CLK output from the clock generation circuit 50 has the waveforms shown in FIGS. 21A and 21B, and the clock signal CLK ′ with a reduced pulse width and amplitude is shown in FIG. It has the waveform shown in b).

クロック信号CLK’は、その後、抵抗RおよびコンデンサCによって構成される回路を通過した後、第2制御信号として機能する第2クロック信号CLK2として出力される。第2クロック信号CLK2の波形は、クロック信号CLK’に比べて鈍り、スロープが小さくなっている。   Thereafter, the clock signal CLK ′ passes through a circuit constituted by the resistor R and the capacitor C, and is then output as the second clock signal CLK2 that functions as the second control signal. The waveform of the second clock signal CLK2 is duller than the clock signal CLK 'and has a smaller slope.

上記の波形を有する第2クロック信号CLK2は、MOS型トランジスタ10のボディ入力部14に入力される。一方、ゲート入力部12には、制御回路20から出力されるクロック信号CLKが第1制御信号としてそのまま入力される。これにより、本実施形態におけるMOS型トランジスタ10も前述の動作を行い、本発明の効果を発揮することができる。   The second clock signal CLK2 having the above waveform is input to the body input unit 14 of the MOS transistor 10. On the other hand, the clock signal CLK output from the control circuit 20 is directly input to the gate input unit 12 as the first control signal. As a result, the MOS transistor 10 in this embodiment also performs the above-described operation, and can exhibit the effects of the present invention.

以上に説明してきた各実施形態の構成よれば、電源電圧を3ボルト以下に低下させ、高いクロック周波数(10MHz以上)で動作させても、出力電圧誤差を実用上問題のないレベルに低減することができる。   According to the configuration of each of the embodiments described above, the output voltage error can be reduced to a level that does not cause a problem in practice even when the power supply voltage is lowered to 3 volts or less and operated at a high clock frequency (10 MHz or more). Can do.

なお、本発明における第2制御信号の立下りタイミングを第1制御信号のたち下がりタイミングより早めながら、そのスロープについては第1制御信号のスロープと同じ大きさに設定しても、ON状態におけるトランジスタ閾値は充分に低減されるので、チャージインジェクションによる出力電圧誤差を低減することができる。しかし、その場合は、ボディ電圧の印加による効果が不充分になる傾向があり、その結果として、入力信号に追従しにくくなりやすい。このため、さらに高精度かつ高速にスイッチングを行なう必要があるときは、第2制御信号のスロープを小さくすることが好ましい。   Note that the transistor in the ON state can be set even if the slope of the second control signal in the present invention is set to be the same as the slope of the first control signal while the fall timing of the second control signal is set earlier than the fall timing of the first control signal. Since the threshold value is sufficiently reduced, an output voltage error due to charge injection can be reduced. However, in that case, the effect of applying the body voltage tends to be insufficient, and as a result, it is difficult to follow the input signal. For this reason, when it is necessary to perform switching with higher accuracy and higher speed, it is preferable to reduce the slope of the second control signal.

本発明は、上述したNMOS、PMOS、またはCMOSを備えた半導体装置に限定されず、複数のMOS型トランジスタからなる多様なスイッチング回路を備えた種々の半導体装置に広く適用可能である。また、制御回路についても、上記構成を有するものに限定されない。   The present invention is not limited to the semiconductor device including the NMOS, PMOS, or CMOS described above, but can be widely applied to various semiconductor devices including various switching circuits including a plurality of MOS transistors. Further, the control circuit is not limited to the one having the above configuration.

本発明の半導体装置は、低電圧で高速高精度動作が可能であるため、消費電力の低減が求められる電子装置、例えば携帯電話や携帯端末などの電子機器に好適に用いられる。   Since the semiconductor device of the present invention is capable of high-speed and high-precision operation at a low voltage, it is suitably used for electronic devices that require reduced power consumption, for example, electronic devices such as mobile phones and mobile terminals.

(a)は、本発明による半導体装置の基本的な構成を示す図であり、(b)は、「ゲート電圧Vg(t)」および「ボディ電圧Vb(t)」の波形図である。(A) is a figure which shows the fundamental structure of the semiconductor device by this invention, (b) is a wave form diagram of "gate voltage Vg (t)" and "body voltage Vb (t)". . 図1(a)に示すMOS型トランジスタの模式的な断面構成と等価回路を示す図面である。It is drawing which shows the typical cross-sectional structure and equivalent circuit of a MOS type transistor shown to Fig.1 (a). (a)は、本発明の半導体装置が備えるMOS型トランジスタの等価回路図であり、(b)は、ゲート電圧Vg(t)およびボディ電圧Vb(t)の波形の一部(立下り部分)を示すグラフである。(b)のグラフの縦軸は、電圧(Voltage)であり、横軸は時間(t)である。(A) is an equivalent circuit diagram of a MOS transistor included in the semiconductor device of the present invention, and (b) is a part (falling edge) of waveforms of the gate voltage V g (t) and the body voltage V b (t). It is a graph which shows a part. The vertical axis of the graph of (b) is voltage (Voltage), and a horizontal axis is time (t). 従来の半導体装置における出力電圧誤差に関する数値計算の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the numerical calculation regarding the output voltage error in the conventional semiconductor device. 立下りタイミングを従来に比べて時間TDだけ早めたボディ電圧Vb(t)の波形図である。It is a wave form chart of body voltage Vb (t) which advanced the fall timing by time TD compared with the past. (a)および(b)は、それぞれ、NMOSおよびPMOSについての計算結果を示すグラフである。グラフの縦軸は、電圧誤差であり、横軸は入力電圧である。時間TDを0nsec(=従来例)から0.25nsecまで0.05nsec単位で増加した場合における電圧誤差曲線が示されている。(A) And (b) is a graph which shows the calculation result about NMOS and PMOS, respectively. The vertical axis of the graph is the voltage error, and the horizontal axis is the input voltage. A voltage error curve is shown when the time TD is increased from 0 nsec (= conventional example) to 0.25 nsec in units of 0.05 nsec. (a)および(b)は、それぞれ、NMOSおよびPMOSについて、ボディ電圧Vb(t)における立下りのタイミングを変化させずに、その立下り時間をゲート電圧Vg(t)における立下り時間の2倍に増加させた場合の出力電圧誤差を示すグラフである。グラフの縦軸は、電圧誤差であり、横軸はゲート電圧Vg(t)の立下り時間である。(A) and (b) show the fall time at the gate voltage V g (t) without changing the fall timing at the body voltage V b (t) for NMOS and PMOS, respectively. It is a graph which shows the output voltage error at the time of making it increase 2 times. The vertical axis of the graph is the voltage error, and the horizontal axis is the fall time of the gate voltage V g (t). ボディ電圧Vb(t)における立下りのスロープを示す図である。It is a figure which shows the slope of the fall in body voltage Vb (t). NMOSスイッチにおける立下り時間と出力電圧誤差との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the fall time in an NMOS switch, and an output voltage error. PMOSスイッチにおける立下り時間と出力電圧誤差との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the fall time and output voltage error in a PMOS switch. CMOSスイッチにおける立下り時間と出力電圧誤差との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the fall time and output voltage error in a CMOS switch. ボディ電圧Vb(t)の振幅(レベルVDD2の値)に関する計算結果を示すグラフである。Is a graph showing calculation results regarding the amplitude of the body voltage V b (t) (the value of the level VDD 2). ボディ電圧Vb(t)の振幅(レベルVDD2の値)に関する計算結果を示すグラフである。Is a graph showing calculation results regarding the amplitude of the body voltage V b (t) (the value of the level VDD 2). ボディ電圧Vb(t)の立下り時間がボディ電圧Vb(t)の立上り時間よりも長い場合の例を示している。Fall time of the body voltage V b (t) indicates an example of a case longer than the rise time of the body voltage V b (t). ボディ電圧Vb(t)の立下り時間がボディ電圧Vb(t)の立上り時間よりも長い場合の他の例を示している。Fall time of the body voltage V b (t) indicates another example of a case longer than the rise time of the body voltage V b (t). ボディ電圧Vb(t)の立下り時間がボディ電圧Vb(t)の立上り時間に等しい場合の例を示している。Fall time of the body voltage V b (t) indicates an example of a case equal to the rise time of the body voltage V b (t). ボディ電圧Vb(t)の立下り時間がボディ電圧Vb(t)の立上り時間に等しい場合の他の例を示している。Fall time of the body voltage V b (t) indicates another example of equal to the rise time of the body voltage V b (t). 本発明による半導体装置の第1の実施形態における制御回路部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the control circuit part in 1st Embodiment of the semiconductor device by this invention. (a)は、クロック回路が出力するクロック信号CLKの波形図であり、図19(b)は、第1クロックCLK1の波形図である。FIG. 19A is a waveform diagram of the clock signal CLK output from the clock circuit, and FIG. 19B is a waveform diagram of the first clock CLK1. 本発明による半導体装置の第2の実施形態における制御回路部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the control circuit part in 2nd Embodiment of the semiconductor device by this invention. (a)は、クロック回路が出力するクロック信号CLKの波形図であり、(b)は、パルスの幅および振幅の低減されたクロック信号CLK’の波形図であり、(c)は、第2クロック信号CLK2の波形図である。(A) is a waveform diagram of the clock signal CLK output from the clock circuit, (b) is a waveform diagram of the clock signal CLK ′ with a reduced pulse width and amplitude, and (c) is a second waveform diagram. It is a wave form diagram of clock signal CLK2. (a)は、従来のスイッチトキャパシタ回路の等価回路図であり。(b)は、ゲート入力部に入力される第1クロックCLK1と、ボディ入力部に入力される第2クロックCLK2の波形図である。(A) is an equivalent circuit diagram of the conventional switched capacitor circuit. (B) is a waveform diagram of the first clock CLK1 input to the gate input unit and the second clock CLK2 input to the body input unit. チャージインジェクションによって出力電圧に生じる誤差を示すグラフである。It is a graph which shows the error which arises in an output voltage by charge injection. ボディ電圧Vb(t)の周波数と立下り時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the frequency of body voltage Vb (t), and fall time.

符号の説明Explanation of symbols

10 MOS型トランジスタ
12 ゲート入力部
14 ボディ入力部
20 制御回路
22 制御回路の第1出力部
24 制御回路の第2出力部
30 半導体基板
32 ゲート絶縁膜
40 クロック発生回路
42 バッファ回路
44 遅延回路
50 クロック発生回路
52 波形調整回路
100 NMOSのゲート入力部
102 NMOSのボディ入力部
200 PMOSのゲート入力部
202 PMOSのボディ入力部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 MOS type transistor 12 Gate input part 14 Body input part 20 Control circuit 22 First output part of control circuit 24 Second output part of control circuit 30 Semiconductor substrate 32 Gate insulating film 40 Clock generation circuit 42 Buffer circuit 44 Delay circuit 50 Clock Generation circuit 52 Waveform adjustment circuit 100 NMOS gate input section 102 NMOS body input section 200 PMOS gate input section 202 PMOS body input section

Claims (9)

ゲート入力部およびボディ入力部を有する少なくとも1つのMOS型トランジスタと、
前記ゲート入力部に第1制御信号を送出する第1出力部、および前記ボディ入力部に第2制御信号を送出する第2出力部を有する制御回路と、
を備える半導体装置であって、
前記制御回路は、
前記第1制御信号の印加によって前記MOS型トランジスタをON状態にした 後、前記MOS型トランジスタがON状態にある間に前記MOS型トランジスタの閾値を上昇させるように、前記第2制御信号のレベルを変化させる、半導体装置。
At least one MOS transistor having a gate input and a body input;
A control circuit having a first output section for sending a first control signal to the gate input section, and a second output section for sending a second control signal to the body input section;
A semiconductor device comprising:
The control circuit includes:
After turning on the MOS transistor by applying the first control signal, the level of the second control signal is increased so that the threshold of the MOS transistor is raised while the MOS transistor is in the ON state. Changing semiconductor devices.
ゲート入力部およびボディ入力部を有する少なくとも1つのMOS型トランジスタと、
前記ゲート入力部に第1制御信号を送出する第1出力部、および前記ボディ入力部に第2制御信号を送出する第2出力部を有する制御回路と、
を備える半導体装置であって、
前記制御回路は、
前記第1制御信号の印加によって前記MOS型トランジスタをON状態にした 後、前記MOS型トランジスタがON状態にある間に、前記第1制御信号の立下り時間よりも長い立下り時間で前記第2制御信号のレベルを低下させる、半導体装置。
At least one MOS transistor having a gate input and a body input;
A control circuit having a first output section for sending a first control signal to the gate input section, and a second output section for sending a second control signal to the body input section;
A semiconductor device comprising:
The control circuit includes:
After the MOS transistor is turned on by applying the first control signal, the second transistor has a fall time longer than the fall time of the first control signal while the MOS transistor is in the ON state. A semiconductor device that reduces the level of a control signal.
前記制御回路は、前記第1制御信号の立下りが開始する前に、前記第2制御信号の立下りを開始させる、請求項1または2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the control circuit starts falling of the second control signal before falling of the first control signal starts. 前記制御回路は、前記第1制御信号の立下り開始と前記第2制御信号の立下りの開始との間にある時間差は、1ピコ秒以上である、請求項3に記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the control circuit has a time difference of 1 picosecond or more between a fall start of the first control signal and a fall start of the second control signal. 前記第1制御信号のレベルは、前記MOS型トランジスタをオフ状態からオン状態にスイッチするときに第1のLow値から第1のHigh値に上昇し、前記MOS型トランジスタをオン状態からオフ状態にスイッチするときに前記第1のHigh値から前記第1のLow値に下降し、
前記第2制御信号のレベルは、前記第1制御信号のレベルが前記第1のHigh値にある期間の少なくとも一部において、前記第1のHigh値と前記第1のLow値との間の大きさを有する第2のHigh値にあり、前記第1制御信号のレベルが前記第1のLow値にある期間の少なくとも一部において、前記第2のHigh値よりも低い第2のLow値にある、請求項1または2に記載の半導体装置。
The level of the first control signal rises from a first low value to a first high value when the MOS transistor is switched from an off state to an on state, and the MOS transistor is switched from an on state to an off state. When switching, the first High value falls to the first Low value,
The level of the second control signal is a magnitude between the first high value and the first low value in at least a part of a period in which the level of the first control signal is at the first high value. The first control signal is at a second low value that is lower than the second high value in at least part of a period in which the level of the first control signal is at the first low value. The semiconductor device according to claim 1 or 2.
前記第2のLow値は前記第1のLow値に等しい請求項5に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 5, wherein the second Low value is equal to the first Low value. 前記第2制御信号のレベルが、前記第2のHigh値から前記第2のLow値に達するタイミングは、前記第1制御信号のレベルが前記第1のHigh値から前記第1のLow値に達するタイミングよりも遅い、請求項5に記載の半導体装置。   When the level of the second control signal reaches the second Low value from the second High value, the level of the first control signal reaches the first Low value from the first High value. The semiconductor device according to claim 5, which is later than timing. 前記制御回路は、10MHz以上のクロック信号に同期して前記第1制御信号および前記第2制御信号のレベルを変化させる、請求項1または2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the control circuit changes levels of the first control signal and the second control signal in synchronization with a clock signal of 10 MHz or more. 前記MOS型トランジスタは、3ボルト以下の電源電圧で動作する、請求項8に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 8, wherein the MOS transistor operates with a power supply voltage of 3 volts or less.
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