JP2007531441A - Soi型マスタースレーブ回路における位相ノイズ削減方法 - Google Patents

Soi型マスタースレーブ回路における位相ノイズ削減方法 Download PDF

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Abstract

【課題】マスター区分およびスレーブ区分を含む電子回路の位相ノイズを削減する。
【解決手段】位相ノイズに寄与するトランジスタ(60、61)のフローティングボディ(64、65)の電位が適切な接続を用いて設定される回路であり、マスター区分およびスレーブ区分がSOI型トランジスタを内含しており、最初に位相ノイズの軽減に関与するフローティングボディトランジスタが配置され、次にフローティングボディが、前記回路の全体的位相ノイズに対するその寄与を局所的に削減するべく適切な接続を用いて一つの電位に設定される。
【選択図】図4

Description

本発明は、SOI(シリコン・オン・インシュレータ)技術回路の設計に関するものである。
より詳細には、本発明は、マスター区分およびスレーブ区分を含む電子回路の位相ノイズを削減するための設計方法に関するものである。前記区分は、SOIタイプのトランジスタを含む。
このタイプの方法は既知であり、特にバルクシリコン技術と比較してかかるSOI技術を使用した場合、マスタースレーブ回路、そしてより一般的にはデジタルまたはアナログ回路の性能は著しく改善され得る。
実際、SOI技術を用いると、優れた性能レベルをもつコンポーネントが回路設計者に提供され得るということが知られている。例えば、SOIトランジスタ内に酸化物を埋込むことにより、設計者は、高速で消費電力の少ないトランジスタ、優れた品質係数をもつ抵抗器またはキャパシタンスといったような受動コンポーネント、および絶縁並びに結合を削減する手段を利用することができるようになる。
しかしながら、かかる技術には、回路を設計するときに習得しなければならない、特にトランジスタレベルでの固有の特徴が含まれている。
かかる特徴の既知の例として、低周波数でSOIトランジスタ内に存在する過剰なノイズがあり、該ノイズは、回路内に性能の観点から欠点である、位相ノイズを著しく生成する。
SOI技術におけるこのノイズのいくつかの原因について説明する前に、ここにおいて、位相ノイズに関連して簡単かつ一般的にノイズの概念について喚起しておく。
一般的に、信号は遅延という用語で現在呼ばれている一定の時間内に、回路を通って伝搬される。
遅延は、図1bにみられるように図示されるが、これにおいてインバータ10(図1A参照)のVin入力信号およびVout出力信号が概略的に示されている。
上述の遅延は、VinとVoutの両方の信号の間の時間的間隔△Tにより識別される。
その上、図1Aに示され、Inと呼称される二つの電流源はそれぞれ、インバータのNMOSおよびPMOSトランジスタの各々の中で、ノイズ源をモデリングしている。
ノイズを表わすこれらの電流は、出力分岐12内のトランジスタの伝導電流に加わり、そして全体が、インプット11上の電圧Vinレベルに応じて、キャパシタンス13の充電または放電に寄与する。
このキャパシタンスを充電または放電するための時間は、以下の関係式によりアウトプット12における電流の流れに関係づけされることが知られている。
Figure 2007531441
なお、式中、△Tは充電または放電時間であり、Cはキャパシタンス13の値であり、△Vは充電または放電の始めと終りの間の電圧差であり、Iは出力電流である。
電流IはIinノイズ電流を内含するため、この等式から、トランジスタのノイズが直接△T時間に影響を及ぼすという点に留意されたい。
これにおいて、この△T時間は、特にインバータの入力から出力まで移行する信号の伝搬遅延に対応する。
したがって、トランジスタノイズはこの時間遅延の不都合にある程度寄与する。
また、高In値に対応するトランジスタの固有ノイズが強くなるほど、この寄与は性能に関してより有意となり、それによってより有害となる。
この現象の非常に重要な様相は、△T伝搬遅延の評価に関する、不確実さが益々高まるという点にもある。
実際、前記ノイズはランダムノイズであり、それは、この同じランダムな特徴をもつ△T遅延を提供する。
当然のことながら、このノイズレベルが高くなるほど、大抵の場合予測可能であるが予測不能なこともある△Tの変化は増大し、これは実際、△Tの値に関する上述の不確実さの概念を表現する。
かかる不確実さは現在、時間ジッターTjと呼ばれている。
したがってそれは、回路そしてそれに適用される信号に結びつけられる最小伝播遅延と最大伝播遅延の間の差に対応する。
同様にして、位相誤差Фjは、以下の関係式を用いて、関連する信号の周期と関連して、前記時間ジッターTjを正規化することによって定義づけされ得る。
Figure 2007531441
Фjは位相誤差であり、Tは信号周期である。
それ自体、信号の合計電力との関係におけるFo周波数オフセットでの1Hz周波数帯域内のノイズ密度を表わしている位相ノイズL(Fo)の概念をここで紹介することができる。
このノイズ位相は、次の関係式を通して位相誤差Фjに結びつけられる。
Figure 2007531441
ここでバルクシリコントランジスタと比較すると、SOIトランジスタに関しては、この位相ノイズは低周波数オフセットで実質的により大きいものである。したがって、これは、SOIトランジスタのノイズおよび低周波数位相ノイズの余剰分と呼ぶことができる。
このような余剰分は特に、現在フローティングボディと呼ばれているSOIトランジスタのゲートの下に位置するフローティング部域の電気的絶縁から導出される。
このフローティングボディは、実際に、特に低周波数ノイズが電子的機能の性能を基本的に決定するアナログの利用分野において問題が多いものであり、余剰位相ノイズと呼ばれる付加的なノイズを生成するものである。
図2に示されている例において、SOI技術20およびバルクボディ技術21を用いて作られた一連のインバータのアウトプットで得られる位相ノイズが示されている。
有意な低周波数位相ノイズ差は特に、1kHz前後の周波数帯域を表わす斜線部域22に見られる。
ここでは、曲線の形状は図に表わされている値と同様に上述の例の例示にすぎないことは、当然のことである。
かくして、SOI技術は、電子回路の性能を大幅に改善するが、フローティングボディのために、一部の回路の設計は特に適合させ入念に実施することが必要である。
本発明は、SOI技術特有の回路のための設計方法を提供することによって、このアプローチにおいて設計者を補助することを対象とするものである。
より詳細には、本発明の目的は、特に、部分的に空乏したSOIトランジスタの前記余剰ノイズに関係する不都合を取り除くことができる、単純且つ結果面で信頼性の高い方法を提供することにある。
この目的のために本発明は、マスター区分とスレーブ区分を含む削減された位相ノイズの電子回路のための設計方法を提供するものであり、前記区分は、複数のSOI型フローティングボディトランジスタを含んでおり、位相ノイズの軽減に寄与するフローティングボディトランジスタが最初に配置され、次にそれらのフローティングボディが、前記回路の全体的位相ノイズに対するその寄与を局所的に減少させるように適切な接続を用いることによって、電位に設定されることを特徴とするものである。
この方法の排他的ではないものの好ましいいくつかの態様は以下の通りである。
トランジスタの前記位置特定は、スレーブ区分と結びつけられ、インプットからのデータ信号が、前記スレーブ区分のアウトプットへと転送された時に、通電状態から遮断状態まで、およびその逆に移行するトランジスタを発見することから成る。
このスレーブ区分のインプットとアウトプットの間でデータ要素が進む電気経路に沿ってさらに配置されたトランジスタのみが選択される。
一部のフローティングボディは、電圧源および電流源から選択されるタイプの電源に接続されている。
一部のフローティングボディは分極回路に接続されている。
フローティングボディは各々回路ノードに接続されている。
ノードはトランジスタのゲート、ドレインまたはソースである。
トランジスタの各々のフローティングボディは、そのゲート、ドレインまたはソースに接続されている。
接続はフローティングボディコンタクトにより実施される。
本発明の他の目的は、削減された位相ノイズを有するマスターおよびスレーブ電子回路を提供することにあり、該回路は、SOI型フローティングボディトランジスタを含むものであり、位相ノイズに寄与するものとして識別された一部のトランジスタのフローティングボディの電位が適切な接続を用いることによって設定されていることを特徴とするものである。
制限的な意味はないものの好ましい回路のいくつかの態様は以下の通りである。
前記ノイズに寄与するものとして識別されたトランジスタはスレーブ区分内にある。
前記ノイズに寄与するトランジスタは、データ信号が前記スレーブ区分のインプットからアウトプットまで転送された時に、通電状態から遮断状態まで、およびその逆に移行するものである。
さらにトランジスタは、スレーブ区分のインプットとアウトプットの間でデータ要素が進む電気経路に沿って配置される。
状態を変える前記トランジスタのうちの一部のトランジスタのフローティングボディは、電圧源および電流源から選択されるタイプの電源に接続されている。
これらのトランジスタのうちの一部のトランジスタのフローティングボディは、回路ノードに接続されている。
ノードはトランジスタゲート、ドレインまたはソースである。
トランジスタの各々のフローティングボディは、そのゲート、ドレインまたはソースに接続されている。
フローティングボディ接続は、フローティングボディコンタクトを含んでいる。
これら区分の各々は、この電子回路が双安定のトリガー回路となるように、ラッチ回路である。
本発明のもう一つの目的は、マスターおよびスレーブ区分を有する削減された位相ノイズ回路を表わす、一組の構造化されたデータを含んでいるシミュレーションファイルを提供することにあり、前記回路は、SOI型フローティングボディトランジスタを含み、これらのデータのうちの一部が、位相ノイズに寄与するものとして以前に識別された一部のトランジスタのフローティングボディを、適切な電位をもつノードに接続するためのデータであることを特徴とするものである。
本発明のもう一つの目的は、削減された位相ノイズを有する電子回路を製造するためのシミュレーションファイルを提供することにあり、前記回路は、共に複数のフローティングボディSOI型トランジスタを含むマスター区分およびスレーブ区分を含んでおり、前記シミュレーションファイルは、前記電気回路を表わす一組の構造化されたデータを収納し、これらのデータのいくつかが位相ノイズに寄与するものとして予め識別された一部のトランジスタのフローティングボディと、適切なバイアスをもつノード間の接続を表わしていることを特徴とする。
本発明のその他の態様、目的および利点は、制限的な意味のない例として示され添付図面を参照して記される、本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を読むことによってさらに明らかとなるであろう。
図1aは、CMOSのSOI型インバータを概略的に示す。
図1bは、図1aの前記インバータのシミュレーションに結びつけられた時間信号を例示する。
図2は、一連のSOI型のCMOSインバータのアウトプットにおいて得られる位相ノイズを例示する。
図3は、標準的な同期マスタースレーブ回路を例示する。
図4は、本発明にしたがった、SOI型双安定トリガー回路の実施例を示す。
図5は、前記SOIトリガー回路の本発明にしたがい最適化されたバージョンと第二の最適化されていないバージョンとの間の位相ノイズ周波数応答の比較を例示する。
ここで図面、特に図3を参照すると、マスター区分100およびスレーブ区分300を有する回路が例示されている。
これらの回路は共に、少なくとも一つのインプットおよび少なくとも一つのアウトプットを含むものである。
より詳細には、図3においては、信号ネットワーク110、210、310、510および530は、考えられうる複数のインプットまたはアウトプットの存在を例示する目的で描かれている。
しかしながら、明確にするために、以下に入力および出力ネットワークを含まない単純な回路について論述する。
したがって、第一の回路100は、バイナリデータDが到着するインプット101を含む。
ひとたびそれが第一の回路によって処理されると、このデータはクロック回路500からのクロック信号511に応答し、アウトプット201に転送される。
前記アウトプットは同様にスレーブ回路300のインプットにも対応し、該インプットは、この処理オペレーションの完了時に前記データDを受理する。
順に、制御信号531の制御下で、回路300はデータDを処理し、それをそのアウトプット301に転送することによってオペレーションを完了する。
回路500を用いると、回路100および300を、そしてさらに一般的には、より大きなシステムを作り上げる回路の、前記制御信号を生成することが可能である。
したがって、まずはマスター区分、そして次にスレーブ区分によって実行される半クロック周期の単一のデータのそれぞれの処理オペレーションをオフセットするためにクロック信号511および531の極性反転がしばしば実行される。
この場合、回路500は、クロック経路511と531の間に単純なインバータを含むことができる。
フローティングボディを含むトランジスタを用いてこのようなマスタースレーブ回路がSOI技術に体化される場合、バルク技術における実施形態と比較してジッターの面で性能の軽減が見られる。
本出願人は、このようなSOI技術回路の設計中に、フローティングボディを内含するいくつかのトランジスタのみがこの軽減に寄与するということに気付いた。
実際、これらは、スレーブ区分のオペレーションと結びつけられ、インプット201からのデータ信号が、前記スレーブ区分のアウトプット301へと転送された時に、通電状態から遮断状態まで、およびその逆に移行するようなトランジスタに対応する。
さらに、これらのトランジスタは、インプット201とアウトプット301の間でデータ要素が進む電気経路上に配置されることが多い。
本出願人はかくして、一般にこれらのトランジスタの配置が以下の累積的特徴を満たしていることに留意した。
これらは、データの伝播経路上に配置される。
これらはマスター区分のアウトプット201とスレーブ区分のアウトプット301の間に配置されている。
これらは、スレーブ区分のクロック信号531とそのアウトプット301の間に配置されている。
本発明にしたがうと、このような不都合を除去し、ジッターに関してマスタースレーブ回路の性能を高めるために、これらのトランジスタのフローティングボディの電位は所望の値に設定される。
この目的で、前記回路の設計およびシミュレーション段階の間、電源を単純に前記トランジスタのフローティングボディに接続することができる。
しかしながら、前記回路の物理的実施形態の枠内では(レイアウト回路)、回路の内部ノードに対する接続を毎回確立することが好ましい。
前記ノードがスレーブ区分の内部にあることが必須ではないことがわかるであろう。ここでのねらいは、最適な接続を確立することにある。
一部のケースでは、このような接続はあらゆる状況下で安定した分極電圧を保証しなければならない。この目的で既知の分極回路を使用することができる。
その他のケースでは、接続は動的でなくてはならない。すなわち分極電圧は、設計者に既知の条件に応じて変動しなければならない。
かかる接続の一例として、同一のトランジスタの端子のうちの一つのノードにトランジスタのフローティングボディを接続することから成り、該ノードは、この端子において電圧が経時的に変動し、関連するいくつかの利点が誘発されるということを認識しながら、そのゲート、ソースおよびドレインから選択されたものである。
例えば、一つの利点は、かかる接続が回路を生産するための物理的マスクの製作中に比較的簡単に実施できるということにある。
更には、一部のケースで端子を入念に選択することにより、トランジスタのオペレーションをさらに改善させることができる。
当然のことながら、選択された端子は安定した分極電圧を提供するのに使用することもできる。
この場合、端子にトランジスタのフローティングボディを接続することは、先の選択肢の一つの場合と同じように静的タイプの接続を確立することを意味する。
本発明による方法にしたがった実施形態について以下で記述する。
図4は、標準的に本発明にしたがった方法が目的とするそれ自体既知の回路を例示している。
タイプDの双安定トリガー回路すなわちDフリップ−フロップとして知られているこの回路は、一方がマスターで他方がスレーブという二つのラッチ回路を含んでいる。
このタイプの回路のきわめて周知のオペレーションについてここで基本的に想起しておく。
それぞれクロック信号531および531’が低または高である場合に、プレロードと呼ばれる第一位相が起こる。
第一のラッチ回路(マスター回路)は、先行するデータ要素は第二のラッチ回路に記憶され、アウトプット301に転送される間に、トランジスタ70および71を使用することにより、新しいデータ要素Dのインプット101の電圧レベルを測定する。
次に、第二位相中、クロックレベルが反転される場合、第二のラッチ回路はトランジスタ62および63を使用することにより、そのインプットでこのデータ要素を測定する間に、第一のラッチ回路は前記データDをアウトプット201へと転送する。
記述された二つの位相から成るこのサイクルは、所望の回数だけ反復されものであり、例えば信号531および531’は次のサイクルの間、それぞれが、前記データ要素Dを前記トリガー回路のアウトプット301まで転送できるようにするトランジスタ60および61のようなものになる。
バルクボディ技術から出発し、このタイプのSOI技術回路を実施するために一般的に適用される変換は、それぞれのMOSトランジスタをそのSOIと等価のものと交換することから成る。
位相ノイズ、したがってジッターについて記述された不都合が発生する。
本発明にしたがうと、以上で記述されているような前記基準を満たすトランジスタが配置される。
ここで、トランジスタ60および61のみが影響を受けるということがわかる。
実際、第一位相の間、クロックはトランジスタ60および61が遮断されるような電圧レベルにある(ゲートとソースの間の電圧差は実質的にゼロである)。
第2位相中、クロック信号が切換わった状態で、これら二つのトランジスタは通電状態にある。
したがって、インプット201からアウトプット301へのデータ要素Dの転送中、これらのトランジスタは共に、先に規定された通りの前記基準を満たす。
したがってそのそれぞれのフローティングボディが電圧源に接続される。
一例として、ゲートへの接続は、フローティングボディ64および65がそれぞれのクロック信号に接続され得るようにする。
この場合、フローティングボディはもはやフロートしていないが、その電圧は一つの位相から別の位相へと変動する。
それでも、それは位相全体の間、恒常にとどまる。
したがって、トランジスタは動的構成を有し、その性能は位相毎に変動する。
スレーブ回路と結びつけられた他のトランジスタに関しては、それが前記基準を満たしておらず、そして解決すべき問題を考慮して、そのボディを接続するためのいかなる段階も存在しないことを分析が示している。
図5は、本発明にしたがった回路を用いた位相ノイズに関する、シミュレートされた性能、およびいかなる最適化も実施されない場合に得られる性能を例示している。
本発明の回路に結びつけられた性能は、曲線701によって識別される。
特に約1kHzから10kHzの間の周波数範囲内で、曲線700において明らかである低周波数位相ノイズの余剰分は、曲線701において著しく削減されていることは明らかである。
したがって、提案された方法は、単純に実施されるものの、非常に有効である。
特定の実施形態について記述してきたが、当業者であれば本発明の一般的範囲を逸脱することなく、複数の代替案が可能であるということを理解できる。
特に、本発明はいかなる形であれ、マスター回路と結びつけることのできるスレーブ回路の数によって制限されることはない。
その上、図3に例示した通り、本発明の原理は、回路が入力および/または出力信号のネットワークを有する場合にも同じように適用される。
最後に、以上の記述は、当然特にラッチ回路、より特定的にはスレーブ回路を経由するクロック信号が、ある程度ジッターフリーであるという原則に基づくものである。
このことは特に、図3の中の回路500が同様にかかる信号を提供できることを示唆している。
例として、クロック信号531および531’の相補性がインバータによって達成される場合は、可能なかぎり低いジッター(または位相ノイズ)を保証するように設計が入念に検討される(この場合、フローティングボディの接続も同様に考慮され得る)。
CMOSのSOI型インバータを概略的に表わす概略図 図1aのインバータのシミュレーションに結びつけられた時間信号を例示するグラフ 一連のSOI型のCMOSインバータのアウトプットにおけて得られる位相ノイズを例示するグラフ 標準的な同期マスタースレーブ回路を例示する概略図 SOI型双安定トリガー回路の本発明にしたがった実施例を示す概略図 SOIトリガー回路の本発明にしたがった最適化されたバージョンと第二の最適化されていないバージョンの間の位相ノイズ周波数応答の比較を例示するグラフ
符号の説明
10 インバータ
11 インプット
12 アウトプット
13 キャパシタンス
60 トランジスタ
61 トランジスタ
62 トランジスタ
63 トランジスタ
64 フローティングホディ
65 フローティングホディ
70 トランジスタ
71 トランジスタ
100 マスター区分
101 インプット
110 信号ネットワーク
201 アウトプット
210 インプット
300 スレーブ区分
301 アウトプット

Claims (21)

  1. マスター区分(100)とスレーブ区分(300)を含む削減された位相ノイズ(21)の電子回路のための設計方法であり、前記区分は、複数のSOI型フローティングボディ(64)に係るトランジスタ(60)を含んでおり、位相ノイズの軽減に寄与するフローティングボディトランジスタが最初に配置され、次にそれらのフローティングボディが、前記回路の全体的位相ノイズに対するその寄与を局所的に減少させるように適切な接続を用いることによって、電位に設定されることを特徴とする、位相ノイズ削減方法。
  2. トランジスタの位置特定は、スレーブ区分(300)と結びつけられ、インプット(210)からのデータ信号が、前記スレーブ区分(300)のアウトプット(310)へと転送される間、通電状態から遮断状態まで、およびその逆に移行するトランジスタを発見することから成ることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. スレーブ区分のインプット(210)とアウトプット(310)の間でデータ要素が進む電気経路に沿ってさらに配置されたトランジスタのみが選択されることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  4. 一部のフローティングボディ(64)は、電圧源および電流源から選択されるタイプの電源に接続されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つに記載の方法。
  5. 一部のフローティングボディは分極回路に接続されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つに記載の方法。
  6. フローティングボディは各々回路のノードに接続されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一つに記載の方法。
  7. ノードはトランジスタ(60)のゲート(531’)、ドレイン(301)またはソースであることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
  8. トランジスタの各々のフローティングボディは、そのゲート、ドレインまたはソースに接続されていることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一つに記載の方法。
  9. 接続はフローティングボディコンタクトを用いることによって実施されることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一つに記載の方法。
  10. 削減された位相ノイズ(21)を有するマスター区分(200)およびスレーブ区分(300)に係る電子回路を提供することにあり、前記回路は、SOI型フローティングボディ(64)に係るトランジスタ(60)を含むものであり、位相ノイズに寄与するものとして識別された一部のトランジスタのフローティングボディの電位が適切な接続を用いることによって設定されていることを特徴とする、位相ノイズ削減電子回路。
  11. 前記ノイズに寄与するものとして識別されたトランジスタはスレーブ区分(300)内にあることを特徴とする、請求項10に記載の回路。
  12. 前記ノイズに寄与するトランジスタは、データ信号が前記スレーブ区分(300)のインプット(210)からアウトプット(310)まで転送された時に、通電状態から遮断状態まで、およびその逆に移行することを特徴とする、請求項10〜11に記載の回路。
  13. トランジスタは、スレーブ区分(300)の前記インプット(210)と前記アウトプット(310)の間でデータ要素が進む電気経路上に付加的に配置されることを特徴とする、請求項12に記載の回路。
  14. 状態を変える前記トランジスタのうちの一部のトランジスタのフローティングボディは、電圧源および電流源から選択されるタイプの電源に接続されていることを特徴とする、請求項13に記載の回路。
  15. 前記トランジスタのうちの一部のトランジスタのフローティングボディは、回路ノードに接続されていることを特徴とする、請求項12〜14のいずれか一つに記載の回路。
  16. ノードはトランジスタのゲート(531’)、ドレイン(301)またはソースであることを特徴とする、請求項15に記載の回路。
  17. トランジスタの各々のフローティングボディは、そのゲート、ドレインまたはソースに接続されていることを特徴とする、請求項16に記載の回路。
  18. フローティングボディ接続は、フローティングボディコンタクトを含んでいることを特徴とする、請求項10〜17のいずれか一つに記載の回路。
  19. 前記区分の各々は、前記電子回路が双安定トリガー回路となるように、ラッチ回路であることを特徴とする、請求項10〜18のいずれか一つに記載の回路。
  20. 回路が、SOI型フローティングボディ(64)に係るトランジスタ(60)を含み、これらのデータのうちの一部が、位相ノイズに寄与するものとして以前に識別された一部のトランジスタのフローティングボディを、適切な電位をもつノードに接続するためのデータであることを特徴とするものである、低位相ノイズ(21)を有するマスター区分(100)およびスレーブ区分(300)回路を表わす、一組の構造化されたデータを含んでいるシミュレーションファイル。
  21. 回路が、複数のSOI型フローティングボディ(64)に係るトランジスタ(60)を含むマスター区分(100)およびスレーブ区分(64)を共に含み、シミュレーションファイルは、前記電気回路を表わす一組の構造化されたデータを含み、これらのデータのいくつかが位相ノイズに寄与するものとして予め識別された一部のトランジスタのフローティングボディと、適切なバイアスをもつノード間の接続を表わしていることを特徴とするものである、削減された位相ノイズ(21)を有する電子回路を製造するためのシミュレーションファイル。
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