JP2008205767A - レベルシフト回路および電気光学装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】単一導電型のトランジスタで構成され、振幅落ちがないレベルシフト回路を提供する。
【解決手段】レベルシフト回路は、昇圧ブロック20と正方向レベルシフタ30pを備える。入力信号Inがハイレベルの場合、昇圧ブロック20は第2高電位VDHよりも高電位となる昇圧電位Vxを生成する。このため、トランジスタM2がオンする。この時、トランジスタM1はほぼ完全にオフとなっているので、出力信号Outのハイレベルは第2高電位VDHとなる。入力信号Inがロウレベルの場合、ノードGAの電位はほぼ第1低電位GNDとなるので、トランジスタM2はオフする。この時、トランジスタM1はオンするので、出力信号Outのロウレベルは第1低電位GNDとなる。
【選択図】図3
【解決手段】レベルシフト回路は、昇圧ブロック20と正方向レベルシフタ30pを備える。入力信号Inがハイレベルの場合、昇圧ブロック20は第2高電位VDHよりも高電位となる昇圧電位Vxを生成する。このため、トランジスタM2がオンする。この時、トランジスタM1はほぼ完全にオフとなっているので、出力信号Outのハイレベルは第2高電位VDHとなる。入力信号Inがロウレベルの場合、ノードGAの電位はほぼ第1低電位GNDとなるので、トランジスタM2はオフする。この時、トランジスタM1はオンするので、出力信号Outのロウレベルは第1低電位GNDとなる。
【選択図】図3
Description
本発明は、同一導電型のトランジスタで構成されたレベルシフト回路および電気光学装置に関する。
液晶などの電気光学物質の電気光学的な変化により表示を行う電気光学装置は、情報処理機器やテレビジョンなどの表示装置して広く用いられている。電気光学装置には、薄膜トランジスタなどの画素スイッチにより画素を駆動するアクティブ・マトリクス型がある。アクティブ・マトリクス型の電気光学装置においては、行方向に延在する走査線と、列方向に延在するデータ線との交差に対応して画素電極が形成される。また、当該交差部分にあって画素電極とデータ線との間に、走査線に供給される走査信号にしたがってオン・オフする薄膜トランジスタ(以下、TFT(Thin Film Transistor)と称する。)が介挿される。一方、電気光学物質を介して画素電極と対向するように対向電極が設けられる。
アクティブ・マトリクス型の電気光学装置では、TFTを形成する素子基板には簡単な回路を形成し、複雑あるいは大規模な回路は基板の外部へ専用ICを外付けすることが一般的である。走査線駆動回路などは比較的簡単であるため、素子基板に形成することが多い。走査線は10V以上〜数十Vという高い電圧で駆動されるので、回路を素子基板に形成して、外付けの専用ICは低耐圧で済むようにする方がコスト面で好ましい。この場合には、専用ICから出力される信号の論理レベルは小振幅であるのに対して、素子基板に形成された駆動回路は大振幅で動作する。このため、信号の振幅を変換するレベルシフト回路を素子基板に組み込むことが好ましい。
特許文献1には、Pチャネルのトランジスタのみで構成したレベルシフト回路が開示されている。このレベルシフト回路は、図15に示すように相補的な入力信号Inおよび反転入力信号/Iによって駆動されるソースフォロワが互いにクロスカップリングされて構成される。また、特許文献2は、特許文献1の回路に容量素子を追加してブートストラップ効果により振幅落ちない出力信号を得る技術が開示されている。
特開2001−24502号公報(図6参照)
特開2004−235995号公報(図2参照)
しかしながら、特許文献1に記載された従来のレベルシフト回路は、出力電位の振幅が目標とする電位からずれ、さらに、大きな負荷を駆動しようとしてトランジスタの駆動能力を大きくすると、大きなリーク電流が流れてしまうという問題がある。
例えば、特許文献1に記載された従来のレベルシフト回路において、入力信号In=0V、反転入力信号/In=4V、VDD=8Vであるとする。入力信号Inが0Vであるため、トランジスタTr2はオンして反転出力信号/Outを0Vにしようとするが、トランジスタTr2はPチャネルであるため、反転出力信号/Outの電位は少なくともトランジスタTr2の閾値電圧分だけは浮き上がってしまう。
例えば、特許文献1に記載された従来のレベルシフト回路において、入力信号In=0V、反転入力信号/In=4V、VDD=8Vであるとする。入力信号Inが0Vであるため、トランジスタTr2はオンして反転出力信号/Outを0Vにしようとするが、トランジスタTr2はPチャネルであるため、反転出力信号/Outの電位は少なくともトランジスタTr2の閾値電圧分だけは浮き上がってしまう。
次に、反転出力信号/Outが一応ロウレベルになると、トランジスタTr3がオンして出力信号Outを8Vにしようとするが、反転入力信号/Inが4Vであり出力信号Outより低電位のため、トランジスタM4もオンする。このため、出力信号Outの電位はトランジスタTr3およびTr4の競合で定まることになり、その結果、出力信号Outは8Vよりかなり低下した電位となる。
出力信号Outが8Vより少し低下すると、トランジスタTr1の閾値電圧が低い場合にはトランジスタM1も少しオンして、反転出力信号/Outの電位は更に浮き上がってしまう。こうした出力電位の振幅落ち(浮き上がりや低下)という欠点の他にも、トランジスタTr3およびTr4が同時にオンするため、大きな負荷を駆動しようとしてトランジスタの駆動能力を大きくすると、大きなリーク電流が流れてしまうという欠点もある。
出力信号Outが8Vより少し低下すると、トランジスタTr1の閾値電圧が低い場合にはトランジスタM1も少しオンして、反転出力信号/Outの電位は更に浮き上がってしまう。こうした出力電位の振幅落ち(浮き上がりや低下)という欠点の他にも、トランジスタTr3およびTr4が同時にオンするため、大きな負荷を駆動しようとしてトランジスタの駆動能力を大きくすると、大きなリーク電流が流れてしまうという欠点もある。
出力信号Outおよび反転出力信号/Outのロウレベルの浮きを軽減するために、トランジスタTr1およびTr3の駆動能力をトランジスタTr2およびTr4の駆動能力よりも小さくすればよいが、ある程度は軽減できても根本的な解決にはならない。逆に、出力信号Outおよび反転出力信号/Outのハイレベルの低下は悪化してしまう。
また、特許文献2に記載された従来のレベルシフト回路では、ブートストラップ効果を利用して振幅落ちの無い出力信号を形成することが可能であるが、周期が非常に長いクロック信号や、ごく稀にしかハイ/ロウが切り変わらない信号(以下、準定常的信号と称する)に対してはコンデンサで保持している電荷がリークで抜けてしまうため、こうした方法が使えない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、同一の導電型のトランジスタで構成されたレベルシフト回路において、準定常信号が入力信号として供給された場合にも、振幅落ちが無く駆動能力が大きな出力信号を低消費電力で形成するレベルシフト回路およびこれを用いた電気光学装置を提供することを解決課題とする。
また、特許文献2に記載された従来のレベルシフト回路では、ブートストラップ効果を利用して振幅落ちの無い出力信号を形成することが可能であるが、周期が非常に長いクロック信号や、ごく稀にしかハイ/ロウが切り変わらない信号(以下、準定常的信号と称する)に対してはコンデンサで保持している電荷がリークで抜けてしまうため、こうした方法が使えない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、同一の導電型のトランジスタで構成されたレベルシフト回路において、準定常信号が入力信号として供給された場合にも、振幅落ちが無く駆動能力が大きな出力信号を低消費電力で形成するレベルシフト回路およびこれを用いた電気光学装置を提供することを解決課題とする。
上述した課題を解決するために、本発明に係るレベルシフト回路は、すべてのトランジスタが同一の導電型で構成され、論理レベルが第1入力電位(例えば、図5に示すGND)と第2入力電位(例えば、図5に示すVDD)となる小振幅の入力信号を、論理レベルが第1出力電位(例えば、図5に示すVEE)と第2出力電位(例えば、図5に示すVDH)となる大振幅の出力信号に変換するものであって、前記第1出力電位が供給されるノードと接続点との間に設けられた第1出力トランジスタと(例えば、図3に示すM1)、前記第2出力電位が供給されるノードと前記接続点との間に設けられた第2出力トランジスタ(例えば、図3に示すM2)とを有し、前記接続点から前記出力信号を取り出す出力部(例えば、図5に示す30p)と、クロック信号に基づいて、前記第2出力電位を超えて前記第1出力電位から前記第2出力電位までの範囲外となる所定電位(例えば、図5に示すVx)を生成する昇圧部(例えば、図5に示す20)とを備え、前記入力信号が前記第1入力電位となる期間において、前記第2出力トランジスタをオフさせるとともに前記第1出力トランジスタをオンさせ、前記入力信号が前記第2入力電位となる期間において、前記所定電位をゲートに供給して前記第2出力トランジスタをオンさせるとともに前記第1出力トランジスタをオフさせる。
この発明によれば、昇圧部において第2出力電位を超える所定電位を生成し、これによって第2出力トランジスタを制御するので、入力信号が第2入力電位となる期間において、出力信号の電位を第2出力電位とすることができる。また、入力信号が第1入力電位となる期間においては、第1出力トランジスタがオンするとともに第2出力トランジスタがオフする。すなわち、第1出力トランジスタと第2出力トランジスタとは、入力信号に応じて排他的にオン・オフする。これによって、振幅落ちのない出力信号を得ることができ、さらに、リーク電流を大幅に低減することができる。くわえて、昇圧部はクロック信号を用いて所定電位を生成するので、入力信号が論理レベルの反転が稀な準定常的な信号であっても振幅落ちのない出力信号を得ることができる。
第1入力電位、第2入力電位、第1出力電位、および第2出力電位の関係には、以下の態様がある。すなわち、前記第1入力電位と前記第1出力電位とが一致し、前記第1出力電位と前記第2出力電位との電位差は、前記第1入力電位と前記第2入力電位との電位差よりも大きい態様がある。この場合には、第2入力電位から第2出力電位に向けて出力信号の振幅を拡大できる(例えば、第1実施形態)。また、前記第2入力電位は前記第2出力電位と一致し、前記第1出力電位と前記第2出力電位との電位差は、前記第1入力電位と前記第2入力電位との電位差よりも大きい態様がある。この場合には、第1入力電位から第1出力電位に向けて出力信号の振幅を拡大することができる(例えば、第2実施形態)。さらに、前記第1入力電位は前記第1出力電位より高く、前記第2入力電位は前記第1入力電位より高く、前記第2出力電位は前記第2入力電位より高い態様がある。この場合には、正負両方向に出力信号の振幅を拡大することができる(例えば、第2実施形態)。
また、上述したレベルシフト回路は、前記入力信号を反転して、前記入力信号が前記第2入力電位の場合に前記第1出力電位となる反転入力信号を生成する反転部を備え、前記出力部の前記第1出力トランジスタのゲートには前記反転入力信号が供給され、前記昇圧部は、前記反転入力信号と前記入力信号とを用いて、前記入力信号が前記第2入力電位である期間にのみ前記所定電位を生成することが好ましい。
この場合には、反転入力信号を用いて、入力信号が第2入力電位の場合に第1出力トランジスタを確実にオフさせることができる。また、所定電位は入力信号が第2入力電位である場合に、第2出力トランジスタをオンさせるために用いるので、入力信号が第1入力電位である場合には生成する必要がない。この発明によれば、昇圧部は入力信号が第2入力電位である期間にのみ動作して所定電位を生成するので、消費電力を削減することができる。
この場合には、反転入力信号を用いて、入力信号が第2入力電位の場合に第1出力トランジスタを確実にオフさせることができる。また、所定電位は入力信号が第2入力電位である場合に、第2出力トランジスタをオンさせるために用いるので、入力信号が第1入力電位である場合には生成する必要がない。この発明によれば、昇圧部は入力信号が第2入力電位である期間にのみ動作して所定電位を生成するので、消費電力を削減することができる。
反転部の具体的な態様としては、前記第1入力電位が供給される第1ノードと第1接続点との間に設けられ、ゲートに前記入力信号が供給される第1トランジスタ(例えば、図2に示すM10)と、前記第2入力電位が供給される第2ノードと前記第1接続点との間に設けられ、ダイオード接続された第2トランジスタ(例えば、図2に示すM20)と、前記第1ノードと前記反転入力信号を出力する第2接続点との間に設けられ、ゲートに前記入力信号が供給される第3トランジスタ(例えば、図2に示すM30)と、前記第2ノードと前記第2接続点との間に設けられ、ゲートが前記第1接続点に接続された第4トランジスタ(例えば、図2に示すM40)とを具備することが好ましい。この発明によれば、入力信号が第2入力電位になると、第1接続点の電位は、第1トランジスタと第2トランジスタとの競合によって定まる。このため、第1接続点の電位は第1入力電位から浮き上がる。しかしながら、第3トランジスタと第4トランジスタとを備えるので、反転入力信号の電位をほぼ第1入力電位とすることができる。
また、上述したレベルシフト回路において、前記入力信号が前記第1入力電位の場合に前記第2入力電位となり、前記入力信号が前記第2入力電位の場合に前記第1出力電位となる反転レベル変換信号(例えば、図6に示す/O2)を生成するとともに、前記入力信号が前記第1入力電位の場合に前記第1出力電位となり、前記入力信号が前記第2入力電位の場合に前記第2入力電位となるレベル変換信号(例えば、図6に示すO2)を生成する入力信号レベル変換部(例えば、図6に示す10bおよび30n)を備え、前記出力部の前記第1出力トランジスタのゲートには前記反転レベル変換信号が前記反転入力信号として供給され、前記昇圧部は、前記反転レベル変換信号と前記レベル変換信号とを用いて、前記入力信号が前記第2入力電位である期間にのみ前記所定電位を生成することが好ましい。このレベルシフト回路によれば、入力信号Inの論理レベルを振幅落ちなく正負両方向にシフトさせることができる。また、中間振幅の反転レベル変換信号および反転入力信号を用いて昇圧部を制御して入力信号が第2入力電位である期間にのみ昇圧部を動作させて所定電位を生成するので、消費電力を削減することができる。
また、上述したレベルシフト回路は、前記入力信号が前記第1入力電位の場合に前記第2入力電位となり、前記入力信号が前記第2入力電位の場合に前記第1出力電位となる反転レベル変換信号を生成するとともに、前記入力信号が前記第1入力電位の場合に前記第1出力電位となり、前記入力信号が前記第2入力電位の場合に前記第2入力電位となるレベル変換信号を生成する入力信号レベル変換部を備え、前記昇圧部の替わりに、前記クロック信号に基づいて、前記反転レベル変換信号と前記レベル変換信号とを用いて、前記入力信号が前記第2入力電位である期間にのみ前記所定電位を生成する第1昇圧部と、前記クロック信号に基づいて、前記反転レベル変換信号と前記レベル変換信号とを用いて、前記入力信号が前記第1入力電位である期間にのみ前記所定電位を生成する第2昇圧部とを備え、前記出力部の替わりに、前記第1出力電位が供給されるノードと接続点との間に設けられた第1出力トランジスタと、前記第2出力電位が供給されるノードと前記接続点との間に設けられた第2出力トランジスタとを有し、当該接続点から前記出力信号を取り出し、前記第1出力トランジスタのゲートには前記反転レベル変換信号が供給され、前記第2出力トランジスタのゲートには前記入力信号が前記第2入力電位となる期間に前記第1昇圧部で生成された前記所定電位が供給される第1出力部と、前記第1出力電位が供給されるノードと接続点との間に設けられた第3出力トランジスタと、前記第2出力電位が供給されるノードと前記接続点との間に設けられた第4出力トランジスタとを有し、前記接続点から前記出力信号を反転した反転出力信号を取り出し、前記第3出力トランジスタのゲートには前記レベル変換信号が供給され、前記第4出力トランジスタのゲートには前記入力信号が前記第1入力電位となる期間に前記第2昇圧部で生成された前記所定電位が供給される第2出力部とを備える。
この発明によれば、昇圧部と出力部とを2系統備えるので振幅落ちがない出力信号および反転出力信号を生成することができる。さらに、第1昇圧部および第1出力部と第2昇圧部および第2出力部とで入力信号レベル変換部を共用することができるので、少ない素子数で正相と逆相の信号を生成することができる。
上述した入力信号レベル変換部の具体的な態様としては、前記第1入力電位が供給される第1ノードと前記第2入力電位が供給される第2ノードとの間に直列に接続された第5トランジスタ(例えば、図6のM10)および第6トランジスタ(例えば、図6のM20)と、前記第1出力電位が供給される第3ノードと前記第2ノードとの間に直列に接続される第7トランジスタ(例えば、図6のMB1)および前記第8トランジスタ(例えば、図6のMB2)と、前記第3ノードと前記第2ノードとの間に直列に接続される第9トランジスタ(例えば、図6のMB3)および第10トランジスタ(例えば、図6のMB4)と、前記第3ノードと前記第2ノードとの間に直列に接続される第11トランジスタ(例えば、図6のMB5)および第12トランジスタ(例えば、図6のMB6)と、前記第3ノードと前記第2ノードとの間に直列に接続される第13トランジスタ(例えば、図6のMB7)および第14トランジスタ(例えば、図6のMB8)とを備え、前記第6トランジスタはダイオード接続され、前記第5および第8トランジスタのゲートには前記入力信号が供給され、前記第7および第12トランジスタのゲートには前記第9トランジスタおよび前記第10トランジスタの接続点の電位が供給され、前記第9、第11、および第14トランジスタのゲートには前記第7トランジスタおよび前記第8トランジスタの接続点の電位が供給され、前記第10トランジスタのゲートには前記第5トランジスタおよび前記第6トランジスタの接続点の電位が供給され、前記第13トランジスタのゲートには前記第11トランジスタおよび前記第12トランジスタの接続点の電位が供給され、前記第11トランジスタおよび前記第12トランジスタの接続点から前記反転レベル変換信号を取り出し、前記第13トランジスタおよび前記第14トランジスタの接続点から前記レベル変換信号を取り出すことが好ましい。
また、上述したレベルシフト回路において、前記クロック信号は前記第1入力電位と前記第2入力電位との間で交番し、前記クロック信号が前記第1入力電位の場合に前記第1入力電位となり、前記クロック信号が前記第2入力電位の場合に前記第2出力電位となる第1クロック信号(例えば、図7に示すO1)を前記入力信号が前記第2入力電位となる期間に生成するとともに、前記クロック信号が前記第1入力電位の場合に前記第2出力電位となり、前記クロック信号が前記第2入力電位の場合に前記第1入力電位となる第2クロック信号(例えば、図7に示す/O1)を前記入力信号が前記第2入力電位となる期間に生成するクロック信号レベル変換部(例えば、図7に示すB1)を備え、前記昇圧部(例えば、図7に示すB2およびB3)は、前記第1クロック信号および前記第2クロック信号に基づいて、前記入力信号が前記第2入力電位となる期間において前記第1出力電位と前記第2出力電位との間で交番する第3クロック信号を生成し、前記第3クロック信号(例えば、図7に示すA1)を用いて、前記入力信号が前記第2入力電位となる期間において前記所定電位を生成することが好ましい。
この発明によれば、クロック信号が低振幅の場合であっても、クロック信号レベル変換部によって中間振幅の第1クロック信号および第2クロック信号を生成し、さらに負方向レベルシフタ(例えば図7のB2)において大振幅の第3クロック信号を生成する。これによって、クロック信号が低振幅の場合であっても、振幅落ちのない出力信号を生成することができ、かつ、第1出力トランジスタおよび第2出力トランジスタのオン・オフを排他的に制御してリーク電流を低減することが可能となる。くわえて、昇圧部が動作するのは入力信号が第2入力電位となる期間に限られるので、消費電力を削減することができる。
この発明によれば、クロック信号が低振幅の場合であっても、クロック信号レベル変換部によって中間振幅の第1クロック信号および第2クロック信号を生成し、さらに負方向レベルシフタ(例えば図7のB2)において大振幅の第3クロック信号を生成する。これによって、クロック信号が低振幅の場合であっても、振幅落ちのない出力信号を生成することができ、かつ、第1出力トランジスタおよび第2出力トランジスタのオン・オフを排他的に制御してリーク電流を低減することが可能となる。くわえて、昇圧部が動作するのは入力信号が第2入力電位となる期間に限られるので、消費電力を削減することができる。
また、上述した昇圧部の具体的な態様としては、容量素子と、前記第2出力電位を供給するノードと前記容量素子の一方の端子との間に設けられ、ダイオード接続されたトランジスタとを備え、前記容量素子の他方の端子の電位を前記クロック信号と同期して変化させることにより、前記容量素子の前記一方の端子の電位が前記第2出力電位を超えるように制御し、前記容量素子の一方の端子の電位を平滑化して前記所定電位を取り出すことが好ましい。この態様によれば、ブートストラップ効果によって容量素子の一方の端子の電位が第2出力電位を越えるので、これを平滑化して所定電位を取り出すことが可能となる。
また、クロック信号が2相のクロック信号である場合には、前記昇圧部は、容量素子を備え、2相のクロック信号を用いて前記所定電位を生成するチャージポンプ型の回路であることが好ましい。より具体的には、前記容量素子の一方の端子に一方のクロック信号(例えば、図9に示すA1)が供給され、前記昇圧部は、基準電位(例えば、図9に示すGND)が供給されるノードと前記容量素子の他方の端子との間に設けられ、そのゲートに他方のクロック信号が供給される第15トランジスタ(例えば、図9に示すMC1)と、前記容量素子の他方の端子と前記第2出力トランジスタのゲートとの間に設けられ、ダイオード接続された第16トランジスタ(例えば、図9に示すMC2)と、前記第2出力トランジスタのゲートと前記第1出力電位が供給されるノードとの間に設けられ、前記入力信号が前記第1入力電位の場合にオンする第17トランジスタ(例えば、図9に示すMC3)とを備え、前記基準電位は前記第1入力電位から前記第2入力電位の範囲内にある電位であることが好ましい。この場合には、昇圧動作は、基準電位を基準として行われる。入力信号が第1入力電位である場合には、昇圧動作を停止して第2出力トランジスタのゲートに供給する電位を第1出力電位とほぼ一致させることが好ましい。この時、第17トランジスタはオンするが、第15トランジスタおよび第16トランジスタは寄生ダイオードとして作用するが、基準電位を第1入力電位から第2入力電位の範囲内にある電位に設定することによって、第2出力トランジスタのゲートに供給する電位を第1出力電位に近づけることが可能となる。
次に、本発明に係る電気光学装置は、複数の走査線と、複数のデータ線と、前記走査線と前記データ線との交差に対応して設けられた複数の電気光学素子と、前記複数の走査線および前記複数のデータ線のうち、少なくとも一方を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御信号が前記入力信号として供給され、前記出力信号を前記駆動手段に供給するレベルシフト回路とを備え、前記レベルシフト回路に含まれるトランジスタは、前記駆動手段に含まれるトランジスタと同一の導電型とする。この発明によれば、レベルシフト回路および駆動手段のトランジスタを同一の導電型とするので、製造プロセスを簡略化することができる。また、レベルシフト回路は論理レベルの反転が稀にしかない準定常的な信号に対してレベルシフトすることができるので、例えば、走査線やデータ線の選択順序を制御する制御信号の論理レベルをレベルシフトすることが可能となる。
<1.第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係るレベルシフト回路1の構成を示すブロック図である。同図に示すようにレベルシフト回路1は、入力信号Inを反転した反転入力信号/Iを生成するインバータ10aと、クロック信号CKに基づいて昇圧電位Vxを生成する昇圧ブロック20と、昇圧電位Vxおよび反転入力信号/Iに基づいて出力信号Outを生成する正方向レベルシフタ30p(出力部)とを備える。このレベルシフト回路1は同一導電型のトランジスタによって構成される。この例では、Nチャネルのトランジスタのみを採用する。インバータ10aには第1高電位VDDと第1低電位GNDとが供給され、昇圧ブロック20および正方向レベルシフタ30には第2高電位VDHと第1低電位GNDとが供給される。第1低電位GND、第1高電位VDD、および第2高電位VDHは、GND<VDD<VDHの関係がある。この例では、GND=0V、VDD=4V、VDH=8Vである。
図1は、本発明の第1実施形態に係るレベルシフト回路1の構成を示すブロック図である。同図に示すようにレベルシフト回路1は、入力信号Inを反転した反転入力信号/Iを生成するインバータ10aと、クロック信号CKに基づいて昇圧電位Vxを生成する昇圧ブロック20と、昇圧電位Vxおよび反転入力信号/Iに基づいて出力信号Outを生成する正方向レベルシフタ30p(出力部)とを備える。このレベルシフト回路1は同一導電型のトランジスタによって構成される。この例では、Nチャネルのトランジスタのみを採用する。インバータ10aには第1高電位VDDと第1低電位GNDとが供給され、昇圧ブロック20および正方向レベルシフタ30には第2高電位VDHと第1低電位GNDとが供給される。第1低電位GND、第1高電位VDD、および第2高電位VDHは、GND<VDD<VDHの関係がある。この例では、GND=0V、VDD=4V、VDH=8Vである。
この例において、入力信号Inは、その論理レベルが0V/4Vで切り換わる4V振幅の準定常的な信号であり、出力信号Outは0V/8Vで切り換わる8V振幅の信号である。クロック信号CKは比較的周期の短い8V振幅の昇圧用の信号である。すなわち、入力信号Inの論理レベルを第1入力電位と第2入力電位とし、出力信号Outの論理レベルを第1出力電位と第2出力電位としたとき、この例では、第1入力電位は第1低電位GNDであり、第2入力電位は第1高電位VDDであり、第1出力電位は第1低電位GNDであり、第2出力電位は第2高電位VDHとなる。
図2にインバータ10aの回路図を示し、図3に昇圧ブロック20および正方向レベルシフタ30pの回路図を示す。また、図4にレベルシフト回路の各部の波形を示す。この例では、第1低電位GNDを0V、第1高電位VDDを4V、第2高電位VDHを8Vとする。
インバータ10aは、4個のトランジスタM10〜M40を備える。トランジスタM10およびM20は、第1高電位VDDが供給されるノードと第1低電位GNDが供給されるノードとの間に直列に接続され、トランジスタM30およびM40も同様に第1高電位VDDが供給されるノードと第1低電位GNDが供給されるノードとの間に直列に接続される。また、トランジスタM20のドレインとゲートとは電気的に接続されているので、トランジスタM20はダイオードとして機能する。
インバータ10aは、4個のトランジスタM10〜M40を備える。トランジスタM10およびM20は、第1高電位VDDが供給されるノードと第1低電位GNDが供給されるノードとの間に直列に接続され、トランジスタM30およびM40も同様に第1高電位VDDが供給されるノードと第1低電位GNDが供給されるノードとの間に直列に接続される。また、トランジスタM20のドレインとゲートとは電気的に接続されているので、トランジスタM20はダイオードとして機能する。
トランジスタM10およびM20だけでも反転機能がある。トランジスタM30およびM40を設けたのは、反転入力信号/Iのロウレベルが第1低電位GNDから浮き上がるのを防止するためである。入力信号Inがハイレベルの時にトランジスタM10およびM20はともにオンする。この場合、トランジスタM10およびM20の接続点の電位は、トランジスタM10およびM20の競合によって定まる。したがって、トランジスタM10の駆動能力をトランジスタM20の駆動能力よりも大きく設定しても、トランジスタM10およびM20の接続点の電位は、第1低電位GNDから少し浮いたものとなる。仮に、正方向レベルシフタ30pのトランジスタM1(図3参照)をトランジスタM10およびM20の出力信号(トランジスタM10およびM20の接続点の電位)で駆動すると、トランジスタM1をオフさせたい時に、その浮き上がりによってトランジスタM1が少しオンして出力信号Outのハイレベルが少し低下するとともに、トランジスタM1およびM2を経由して大きなリーク電流が流れてしまう。これは特に閾値電圧が低目の場合に問題となる。インバータ10aのトランジスタM30およびM40は反転入力信号/Iのロウレベルの浮き上がりを問題にならない程度に抑制する。上述したように、入力信号Inがハイレベルの時にトランジスタM10およびM20の出力信号は、少し第1低電位GNDから浮くが、トランジスタM40はNチャネルであるためにほぼオフ状態となる。一方、トランジスタM30は充分オンしているので、反転入力信号/Iはほぼ完全に第1低電位GNDとなる。入力信号Inがロウレベルの時に反転入力信号/Iはハイレベルとなる。この場合、静的にはトランジスタM20およびM40の2つ閾値電圧の和だけ、反転入力信号/Iのハイレベルは第1高電位VDDから低下することになる。しかし、反転入力信号/Iがハイレベルの場合には、正方向レベルシフタ30pのトランジスタM1、ならびに昇圧ブロック20のトランジスタMA1およびMA8をある程度オンにできればよいので問題無い。なお、入力信号Inの逆相信号が外部から供給される場合はインバータ10aは不要であるが、外部との信号接続本数が増加する。
次に、図3に示すように、昇圧ブロック20はトランジスタMA1〜MA9と容量素子C1とで構成され、正方向レベルシフタ30pはトランジスタM1およびM2で構成される。入力信号Inがハイレベルの時、上述のように反転入力信号/Iは第1低電位GNDとなり、トランジスタMA1がオフ、トランジスタMA2およびMA5がオンとなるため、トランジスタMA3、MA4、MA6、およびMA7は、公知のブートストラップインバータとして機能する。
クロック信号CKがハイレベルの時はトランジスタMA3およびMA6がオンしてノードNAがロウレベル寄り、ノードN67はほぼ第1低電位GNDとなる。クロック信号CKがロウレベルになるとトランジスタMA3およびMA6がオフする。トランジスタMA4はダイオード接続されているので、ノードNAの電位はトランジスタMA4によって第2高電位VDH寄りになる。するとトランジスタMA7がオンしてノードN67の電位が第2高電位VDH寄りになる。ノードN67の電位が立ち上がると容量素子C1によってノードNAの電位は更に押し上げられ第2高電位VDHよりもさらに高電位となり(ブートストラップ効果)、トランジスタMA7が完全にオンしてノードN67の電位が第2高電位VDHとなる。通常、ブートストラップインバータはノードN67の電位を出力として使用するが、ここでは第2高電位VDHよりも高電位となるノードNAの電位を出力として使用する。ノードNAの電位はクロック信号CKに同期して第2高電位VDHから上下するので、ダイオード接続したトランジスタMA9により高電位側をノードGAに取り出す。この結果、ノードGAの電位は第2高電位VDHより高電位に平滑化され昇圧電位Vxが生成される。昇圧電位VxがトランジスタM2のゲートに供給されがトランジスタM2がオンとなり、出力信号Outはほぼ完全に第2高電位VDHとなる。この間、反転入力信号/Iは第1低電位GNDとなっているので、トランジスタM1およびトランジスタMA8はほぼ完全にオフしている。
次に、入力信号Inがロウレベルの場合、昇圧ブロック20と正方向レベルシフタ30pとは以下のように動作する。入力信号Inがロウレベルの時はトランジスタMA2およびMA5がオフするため、トランジスタMA3、MA6、およびMA7は機能しない。この場合、ノードNAの電位はハイレベルの反転入力信号/IによってオンしているトランジスタMA1と、常時オンしているトランジスタMA4との競合で定まる。トランジスタMA1の駆動能力をトランジスタMA4の駆動能力と比較して大きくなるように設定する。これにより、ノードNAの電位が第1低電位GND寄りとなる。その結果、トランジスタMA9はほぼオフ状態となる。反転入力信号/Iがハイレベルであるため、トランジスタMA8およびトランジスタM1はオンしている。このため、ノードGAの電位は第1低電位GNDとなり、トランジスタM2がオフして出力信号Outはほぼ完全に第1低電位GNDとなる。
以上説明したようにレベルシフト回路1によれば、同一導電型のトランジスタを用いて、入力信号Inがロウレベル/ハイレベルの切り換りがほとんどない準定常的な信号であっても、振幅落ちが無い出力信号Outを生成することができる。また、出力信号Outを駆動するトランジスタの駆動能力を上げてもトランジスタM1およびM2のどちらか一方がほぼ完全にオフしているため、リーク電流を大幅に削減することができる。さらに、昇圧ブロック20を入力信号Inがハイレベルのときに限って動作させることができるので、消費電力を削減することができる。
<2.第2の実施形態>
図5に第2実施形態に係るレベルシフト回路2のブロック図を示す。レベルシフト回路2は、論理レベルが第1低電位GNDと第1高電位VDDとなる入力信号Inに基づいて、論理レベルが第2低電位VEEと第2高電位VDHとなる出力信号Outを生成する。すなわち、このレベルシフト回路2は、入力信号Inの電位を正方向および負方向にシフトする。また、レベルシフト回路2は、インバータ10aの替わりにインバータ10bを用いる点、負方向レベルシフタ30nを備える点、昇圧ブロック20および正方向レベルシフタ30pに第1低電位GNDの替わりに第2低電位VEEを供給する点、クロック信号CKの論理レベルが第2低電位VEEと第2高電位VDHとになる点、昇圧ブロック20および正方向レベルシフタ30pに入力信号Inの替わりにレベル変換信号O2を供給する点、ならびに昇圧ブロック20および正方向レベルシフタ30pに反転入力信号/Iの替わりに反転レベル変換信号/O2を供給する点を除いて、図1に示す第1実施形態のレベルシフト回路1と同様に構成されている。第2低電位VEE、第1低電位GND、第1高電位VDD、および第2高電位VDHには、VEE<GND<VDD<VDHの関係がある。この例では、VEE=−4V、GND=0V、VDD=4V、VDH=8Vである。
図5に第2実施形態に係るレベルシフト回路2のブロック図を示す。レベルシフト回路2は、論理レベルが第1低電位GNDと第1高電位VDDとなる入力信号Inに基づいて、論理レベルが第2低電位VEEと第2高電位VDHとなる出力信号Outを生成する。すなわち、このレベルシフト回路2は、入力信号Inの電位を正方向および負方向にシフトする。また、レベルシフト回路2は、インバータ10aの替わりにインバータ10bを用いる点、負方向レベルシフタ30nを備える点、昇圧ブロック20および正方向レベルシフタ30pに第1低電位GNDの替わりに第2低電位VEEを供給する点、クロック信号CKの論理レベルが第2低電位VEEと第2高電位VDHとになる点、昇圧ブロック20および正方向レベルシフタ30pに入力信号Inの替わりにレベル変換信号O2を供給する点、ならびに昇圧ブロック20および正方向レベルシフタ30pに反転入力信号/Iの替わりに反転レベル変換信号/O2を供給する点を除いて、図1に示す第1実施形態のレベルシフト回路1と同様に構成されている。第2低電位VEE、第1低電位GND、第1高電位VDD、および第2高電位VDHには、VEE<GND<VDD<VDHの関係がある。この例では、VEE=−4V、GND=0V、VDD=4V、VDH=8Vである。
図6にインバータ10bおよび負方向レベルシフタ30nの回路図を示す。このインバータ10bは、第1実施形態のインバータ10aと比較して、トランジスタM30およびM40を省略してある。このため、入力反転信号/Iのロウレベルは第1低電位GNDから浮き上がったものとなり、そのハイレベルは第1高電位VDDより低下したものとなる。負方向レベルシフタ30nは、第1低電位GNDと第1高電位VDDとの間で論理レベルが遷移する入力信号Inおよび反転入力信号/Iの論理レベルを第2低電位VEE(=−4V)と第1高電位VDD(=4V)との間で遷移する信号に変換する。以下の説明では、入力信号Inのレベルを変換した信号をレベル変換信号O2と称し、反転入力信号/Iのレベルを変更した信号を反転レベル変換信号/O2と称する。インバータ10bおよび負方向レベルシフタ30nは、低振幅の入力信号Inを中間振幅のレベル変換信号O2および反転レベル変換信号/O2に変換する入力信号レベル変換部として機能する。なお、外部から反転入力信号/Iも供給される場合はインバータ10bが不要となる。
負方向レベルシフタ30nは、トランジスタMB1〜MB4からなる第1のレベルシフタと、トランジスタMB5〜MB8からなる第2のレベルシフタから構成されている。第1のレベルシフタから出力される信号O1および/O1のロウレベルは第2低電位VEEよりも浮き上がったものとなり、信号O1および/O1のハイレベルは第1高電位VDDより低下したものとなる。第2のレベルシフタは、レベル変換信号O2および反転レベル変換信号/O2のロウレベルが第2低電位VEEから浮き上がるのを抑制するために用いられる。
入力信号Inがハイレベルの時に信号O1は第1高電位VDDから若干レベルが低下した電位となり、信号/O1は第2低電位VEEから浮き上がった電位となる。この場合、トランジスタMB6ははNチャネルであるためにほぼオフ状態となる。一方、トランジスタMB5は充分オンしているので、反転レベル変換信号/O2のロウレベルはほぼ完全に第2低電位VEEとなる。入力信号Inがロウレベルの時に信号/O1はハイレベルとなるのでトランジスタMB6は充分オンする。この時、信号O1は第2低電位VEEから浮き上がった電位となるため、トランジスタMB5は若干オンぎみになるが、トランジスタMB7が充分オンしているため、信号/O1のハイレベルはトランジスタMB7をオンするのに充分な電位となる。また、トランジスタMB8はNチャネルであるためほぼオフ状態となる。したがって、レベル変換信号O2のロウレベルはほぼ完全に第2低電位VEEとなる。
ここで、昇圧ブロック20および正方向レベルシフタ30pには第2低電位VEEが第1低電位GNDの替わりに供給される。また、ロウレベルが第1低電位GNDとなる入力信号Inおよび反転入力信号/Iの替わりに、ロウレベルが第2低電位VEEとなるレベル変換信号O2および反転レベル変換信号/O2が供給される。
入力信号Inがハイレベルの時、信号O1はハイレベル、信号/O1はロウレベルとなり、レベル変換信号O2はハイレベル、反転レベル信号/O2はほぼ完全に第2低電位VEEとなる。その結果、昇圧ブロック20においてトランジスタMA1がオフ、トランジスタMA2およびMA5がオンとなる。このため、このためトランジスタMA3、MA4、MA6、およびMA7はブートストラップインバータとして機能する。ノードNAの電位はクロック信号CKに同期して第2高電位VDHから上下するので、ダイオード接続したトランジスタMA9により高電位側をノードGAに取り出す。この結果、ノードGAの電位は第2高電位VDHより高い電位に平滑化される。すると、正方向レベルシフタ30pのトランジスタM2がオンとなり、出力信号Outはほぼ完全に第2高電位VDHとなる。この間、反転出力信号/O2は第2低電位VEEとなっているので、トランジスタM1およびMA8はほぼ完全にオフしている。
次に、入力信号Inがロウレベルになると、信号O1、信号/O1、レベル変換信号O2、および反転レベル変換信号/O2のハイレベル/ロウレベルが入れ替わり、レベル変換信号O2はほぼ完全に第2低電位VEEとなり、反転レベル変換信号/O2はハイレベルとなる。その結果、トランジスタMA2およびMA5がオフするため、トランジスタMA3、MA6、およびMA7は機能しない。この場合、ノードNAの電位は、反転レベル変換信号/O2がハイレベルでオンしているトランジスタMA1と常時オンしているトランジスタMA4との競合で定まる。トランジスタMA1の駆動能力をトランジスタMA4の駆動能力よりも大きくなるように設定して、ノードNAの電位が第2低電位VEE寄りとなるようにする。その結果、トランジスタMA9はほぼオフ状態となる。反転レベル変換信号/O2がハイレベルであるため、トランジスタMA8およびM1はオンしており、ノードGAは第2低電位VEEとなる。すると、トランジスタM2がオフして出力信号Outはほぼ完全に第2低電位VEEとなる。
以上説明したようにレベルシフト回路2によれば、同一導電型のトランジスタを用いて、入力信号Inがロウレベル/ハイレベルの切り換りがほとんどない準定常的な信号であっても、振幅落ちが無い出力信号Outを生成することができる。また、出力信号Outを駆動するトランジスタの駆動能力を上げてもトランジスタM1およびM2のどちらか一方がほぼ完全にオフしているため、リーク電流を大幅に削減することができる。さらに、昇圧ブロック20を入力信号Inがハイレベルのときに限って動作させることができるので、消費電力を削減することができる。さらに、出力信号Outのハイレベルは入力信号Inのハイレベルより高電位であり、出力信号Outのロウレベルは入力信号のロウレベルより低電位である。すなわち、このレベルシフト回路2によれば、入力信号Inの論理レベルを正負両方向にシフトさせることができる。また、第2高電位VDHの替わりに第1高電位VDDを昇圧ブロック20と正方向レベルシフタ30pとに供給すれば、レベルシフト回路2は、入力信号Inの論理レベルを負方向にシフトさせることができる。
<3.第3の実施形態>
第3実施形態に係るレベルシフト回路は、図5に示すレベルシフト回路2において、昇圧ブロック20の替わりに図7に示す昇圧ブロック21を用いる点、およびクロック信号CKの振幅が第2低電位VEEと第2高電位VDHとの間で交番する替わりに第1低電位GNDと第1高電位VDDとの間で交番する点を除いて同様である。すなわち、第3実施形態のレベルシフト回路においては、入力信号Inと同様に低振幅のクロック信号CKが供給される場合に、正負方向にレベル変換を行う。
第3実施形態に係るレベルシフト回路は、図5に示すレベルシフト回路2において、昇圧ブロック20の替わりに図7に示す昇圧ブロック21を用いる点、およびクロック信号CKの振幅が第2低電位VEEと第2高電位VDHとの間で交番する替わりに第1低電位GNDと第1高電位VDDとの間で交番する点を除いて同様である。すなわち、第3実施形態のレベルシフト回路においては、入力信号Inと同様に低振幅のクロック信号CKが供給される場合に、正負方向にレベル変換を行う。
入力信号Inがハイレベルの時、トランジスタM01およびM31がオンする。このとき、トランジスタM11、M21、M41およびM51、ならびに容量素子C2は、ブートストラップインバータとして機能する。また、トランジスタM61、M71、M81およびM91、ならびに容量素子C3は、ブートストラップインバータとして機能する。その結果、第1クロック信号O1はクロック信号CKと同相で第1低電位GNDと第1高電位VDHレベルとの間で振幅落ちせずに交番し、第2クロック信号/O1はクロック信号CKと逆相で第1低電位GNDと第1高電位VDHレベルとの間で振幅落ちせずに交番する。すなわち、ブロックB1は、低振幅のクロック信号CKを中間振幅の第1クロック信号O1および第2クロック信号/O2に変換する機能を有する。
次に、トランジスタM12、M22、M32、M42、M52、およびM62、ならびに容量素子C4およびC5で構成されるブロックB2は、ブートストラップ効果を応用した負方向のレベルシフタである。第3クロック信号A1および第4クロック信号/A1の各々は、クロック信号CKと同相または逆相で第2低電位VEEと第2高電位VDHとの間で振幅落ちせずに交番する。このレベルシフタは駆動能力が小さいので、第3クロック信号A1をトランジスタMA3、MA4、MA6、およびMA7、ならびに容量素子C1で構成されるブートストラップインバータによって駆動能力を上げる。この結果、ノードNAの電位は第2高電位VDHより高くなり、これを平滑化して昇圧電位Vxを得ることができる。すなわち、ブロックB2およびB3は、中間振幅の第1クロック信号O1および第2クロック信号/O1に基づいて大振幅の第3クロック信号A1を生成し、第3クロック信号A1を用いて、入力信号Inが第1高電位VDDとなる期間において昇圧電位Vxを生成する機能を有する。
入力信号Inがロウレベルの時はトランジスタM01およびM31はオフするので、昇圧ブロック21は動作を停止し、第1クロック信号O1がロウレベル、第2クロック信号/O1がハイレベル、第3クロック信号A1がロウレベル、第4クロック信号/A1がハイレベル、ノードNAの電位がロウレベルとなる。したがって、入力信号Inがロウレベルの時は昇圧ブロック21の消費電流は非常に小さい。
以上説明したように第3実施形態のレベルシフト回路によれば、クロック信号CKが低振幅であっても、振幅落ちが無い出力信号Outを生成することができる。また、出力信号Outを駆動するトランジスタの駆動能力を上げてもトランジスタM1およびM2のどちらか一方がほぼ完全にオフしているため、リーク電流を大幅に削減することができる。さらに、昇圧ブロック21を入力信号Inがハイレベルのときに限って動作させることができるので、消費電力を削減することができる。くわえて、出力信号Outのハイレベルは入力信号Inのハイレベルより高電位であり、出力信号Outのロウレベルは入力信号のロウレベルより低電位である。すなわち、このレベルシフト回路によれば、入力信号Inの論理レベルを正負両方向にシフトさせることができる。
<4.第4の実施形態>
第4実施形態に係るレベルシフト回路は、正相の出力信号Outの他に、逆相の反転出力信号/Outを生成する。このレベルシフト回路は、昇圧ブロック21および正方向レベルシフタ30pの替わりに昇圧ブロック22およびレベルシフタ31を用いる点を除いて、図5に示す第2実施形態のレベルシフト回路2と同様に構成されている。
図8にレベルシフト回路に用いる昇圧ブロック22およびレベルシフタ31の回路図を示す。同図に示すように昇圧ブロック22は、第1昇圧ブロック22aおよび第2昇圧ブロック22bから構成される。また、レベルシフタ31は第1レベルシフタ31aおよび第2レベルシフタ31bから構成される。ここで、第1および第2昇圧ブロック22aおよび22bは、第2実施形態の昇圧ブロック20と同様に構成されており、第1および第2レベルシフタ31aおよび31bは正方向レベルシフタ30pと同様に構成されている。
第4実施形態に係るレベルシフト回路は、正相の出力信号Outの他に、逆相の反転出力信号/Outを生成する。このレベルシフト回路は、昇圧ブロック21および正方向レベルシフタ30pの替わりに昇圧ブロック22およびレベルシフタ31を用いる点を除いて、図5に示す第2実施形態のレベルシフト回路2と同様に構成されている。
図8にレベルシフト回路に用いる昇圧ブロック22およびレベルシフタ31の回路図を示す。同図に示すように昇圧ブロック22は、第1昇圧ブロック22aおよび第2昇圧ブロック22bから構成される。また、レベルシフタ31は第1レベルシフタ31aおよび第2レベルシフタ31bから構成される。ここで、第1および第2昇圧ブロック22aおよび22bは、第2実施形態の昇圧ブロック20と同様に構成されており、第1および第2レベルシフタ31aおよび31bは正方向レベルシフタ30pと同様に構成されている。
ただし、第1昇圧ブロック22aおよび第1レベルシフタ31aにおいて、トランジスタMA2およびMA5にはレベル変換信号O2が供給され、トランジスタMA1、MA9、およびM2には反転レベル変換信号/O2が供給されるのに対し、第2昇圧ブロック22bおよび第2レベルシフタ31bにおいて、トランジスタMA2およびMA5には反転レベル変換信号/O2が供給され、トランジスタMA1、MA9、およびM2にはレベル変換信号O2が供給される。したがって、入力信号Inがハイレベルの場合に(レベル変換信号O2がハイレベルの場合)、第1昇圧ブロック22aは動作してノードNAの電位を第2高電位VDHよりも高くして、出力信号Outのハイレベルを第2高電位VDHと一致させる。一方、入力信号Inがロウレベルの場合に(反転レベル変換信号/O2がハイレベルの場合)、第2昇圧ブロック22bは動作してノードNAの電位を第2高電位VDHよりも高くして、反転出力信号/Outのハイレベルを第2高電位VDHと一致させる。
この場合、レベル変換信号O2および反転レベル変換信号/O2を生成するインバータ10bおよび負方向レベルシフタ30nを、第1昇圧ブロック22aおよび第1レベルシフタ31aと第2昇圧ブロック22bおよび第2レベルシフタ31bとを共用するので、少ない素子数で正相の出力信号Outと逆相の反転出力信号/Outとを生成できる。
<5.第5実施形態>
上述した第1乃至第4実施形態では、ブートストラップ効果を利用して昇圧した電圧を得ていたが、本実施形態では昇圧手段としてチャージポンプを用いる。チャージポンプには各種の回路形式があるが、この例では、いわゆるDickson型を採用する。第5実施形態のレベルシフト回路は、昇圧ブロック20の替わりに昇圧ブロック23を用いる点、負方向レベルシフタ30nからトランジスタMB7およびMB8を除き反転レベル変換信号/O2のみを出力するようにした点を除いて、図5および6に示す第2実施形態のレベルシフト回路2と同様に構成されている。
上述した第1乃至第4実施形態では、ブートストラップ効果を利用して昇圧した電圧を得ていたが、本実施形態では昇圧手段としてチャージポンプを用いる。チャージポンプには各種の回路形式があるが、この例では、いわゆるDickson型を採用する。第5実施形態のレベルシフト回路は、昇圧ブロック20の替わりに昇圧ブロック23を用いる点、負方向レベルシフタ30nからトランジスタMB7およびMB8を除き反転レベル変換信号/O2のみを出力するようにした点を除いて、図5および6に示す第2実施形態のレベルシフト回路2と同様に構成されている。
図9に昇圧ブロック23および正方向レベルシフタ30pの構成を示し、図10に昇圧ブロック23のタイミングチャートを示す。反転レベル変換信号/O2は、負方向レベルシフタ30n(図5参照)から供給され、入力信号Inがロウレベルの時はハイレベル、入力信号Inがハイレベルの時はほぼ完全に第2低電位VEEとなる。また、クロック信号A1およびA2は図10に示すように、入力信号Inがロウレベルの時はロウレベル、入力信号Inがハイレベルの時は2相クロックとなる信号である。2相のクロック信号A1およびA2は互いに反転関係の信号でもよいが、互いのハイレベル期間が重ならない信号である方が好ましい。クロック信号A1およびA2の振幅はVDH−VEEである。
なお、低電圧振幅の信号しか供給されない場合は、図7に示す第3実施形態の回路を用いて信号A1の生成と同様に生成すればよい。また、クロック信号A2の振幅は必ずしもVDH−VEEではなく、ロウレベルが第1低電位GND以下で、ハイレベルが第1高電位VDD(例えば4V)以上あれば問題無いが、タイミング調整の観点からクロック信号A1と同振幅とすることが好ましい。
入力信号Inがロウレベルの時は反転レベル変換信号/O2がハイレベルとなり、トランジスタM1およびMC3がオンして出力信号Outはロウレベルとなる。この時、クロック信号A1およびA2が停止しているため、昇圧電圧は発生せず、ノードGUの電位はトランジスタMC3によりロウレベルとなる。このため、トランジスタM2はほぼ完全にオフしている。したがって、出力信号Outはほぼ完全に第2低電位VEEとなる。
入力信号Inがハイレベルの時は反転レベル変換信号/O2が第2低電位VEEなり、トランジスタM1およびMC3がオフするとともに、クロック信号A1およびA2がアクティブになりチャージポンプが動作する。クロック信号A2がハイレベルの期間はトランジスタMC1がオンし、ノードPの電位は第1低電位GNDとなる。クロック信号A1がハイレベルの期間はノードPの電位は容量素子Cpにより押し上げられ第1低電位GNDよりも「VDH−VEE」だけ高い電位となる(図の電圧設定では12V)。このノードPの高電位がダイオード接続されたトランジスタMC2からノードGUに供給され、トランジスタM2がオンする。この時、トランジスタM1がオフしているので、出力信号Outは第2高電位VDHとなる。
昇圧動作が停止している状態ではノードGUの電位を第2低電位VEEに近いレベルまで下げてトランジスタM2をオフする必要があるが、この時、トランジスタMC1およびMC2が寄生ダイオードとなり、第2低電位VEEより高電位の第1低電位GNDとの間で順方向のリーク電流が流れ、ノードGUのロウレベルが少し浮き上がる。ノードGUの高電位を第1低電位GNDを基準に発生している理由は、このリーク電流とロウレベルからの浮きを小さく抑えるためである。
昇圧動作が停止している状態ではノードGUの電位を第2低電位VEEに近いレベルまで下げてトランジスタM2をオフする必要があるが、この時、トランジスタMC1およびMC2が寄生ダイオードとなり、第2低電位VEEより高電位の第1低電位GNDとの間で順方向のリーク電流が流れ、ノードGUのロウレベルが少し浮き上がる。ノードGUの高電位を第1低電位GNDを基準に発生している理由は、このリーク電流とロウレベルからの浮きを小さく抑えるためである。
第5実施形態のレベルシフト回路5によれば、振幅落ちが無い出力信号Outを生成することができる。また、出力信号Outを駆動するトランジスタM1およびM2の駆動能力を上げても、トランジスタM1およびM2のどちらか一方がほぼ完全にオフしている。このため、リーク電流を低減しつつ、正負両方向に入力信号Inのレベルをシフトすることができる。なお、この例では、トランジスタMC1のソースに供給される第1低電位GNDを基準として昇圧動作を行ったが、基準となる電位は、入力信号Inがロウレベルの時、ノードGUの電位が第2低電位VEEから浮き上がるのを抑制できればよいから、第1低電位GNDから第2高電位VDHの範囲内にある電位であればよい。ここで、入力信号Inの一方のレベルを第1入力電位、他方のレベルを第2入力電位とすれば、第1低電位GNDと第2高電位VDHとは、第1入力電位と第2入力電位に相当する。
<6.応用例>
(1)上述した各実施形態において、レベルシフト回路を構成するトランジスタはすべてNチャネルで構成したが、これをPチャネルで構成してもよいことは勿論である。例えば、第1実施形態のレベルシフト回路1は、図11に示すようにPチャネルのトランジスタで構成することができる。この場合、論理レベルが第1低電位GNDと第1高電位VDDとの間で遷移する入力信号Inを、論理レベルが第2低電位VEEと第1高電位VDDとの間で遷移する出力信号Outに変換することができる。
(1)上述した各実施形態において、レベルシフト回路を構成するトランジスタはすべてNチャネルで構成したが、これをPチャネルで構成してもよいことは勿論である。例えば、第1実施形態のレベルシフト回路1は、図11に示すようにPチャネルのトランジスタで構成することができる。この場合、論理レベルが第1低電位GNDと第1高電位VDDとの間で遷移する入力信号Inを、論理レベルが第2低電位VEEと第1高電位VDDとの間で遷移する出力信号Outに変換することができる。
(2)上述した各実施形態のレベルシフト回路は、液晶や有機発光ダイオードなどの電気光学素子を用いた電気光学装置に適用することができる。特に、基板上の回路の全てが同一導電型のトランジスタで構成される装置に好適である。そのような電気光学装置としては、例えば、アモルファスTFTを用いた液晶装置、あるいは、低温ポリシリコンTFTを用いた液晶装置が該当する。通常、低温ポリシリコンTFTはCMOS回路で構成されるが、一般の集積回路に比べてプロセスステップが少ない。このため、片チャネル化による低コスト化効果が大きい。また、高耐圧部分を含んでいるレベルシフト回路以降をTFT基板に形成することにより、TFT基板の外部へ外付けする専用ICの耐圧を低下させることができ、より低コスト化できる。
そのような電気光学装置は、複数の走査線と、複数のデータ線と、走査線とデータ線との交差に対応して設けられた複数の電気光学素子とを備える。そして、素子基板に、複数の走査線および複数のデータ線のうち少なくとも一方を駆動する駆動回路とレベルシフト回路とが形成される。レベルシフト回路には、駆動回路を制御する制御信号が入力信号Inとして供給され、出力信号Outを駆動回路に供給する。ここで、前記レベルシフト回路に含まれるトランジスタは、駆動回路に含まれるトランジスタと同一の導電型で形成する。また、上述した実施形態のレベルシフト回路は、論理レベルの反転が稀にしかない準定常的な信号に対してレベルシフトすることができるので、例えば、走査線やデータ線の選択順序を制御する制御信号の論理レベルをレベルシフトするのに好適である。
そのような電気光学装置は、複数の走査線と、複数のデータ線と、走査線とデータ線との交差に対応して設けられた複数の電気光学素子とを備える。そして、素子基板に、複数の走査線および複数のデータ線のうち少なくとも一方を駆動する駆動回路とレベルシフト回路とが形成される。レベルシフト回路には、駆動回路を制御する制御信号が入力信号Inとして供給され、出力信号Outを駆動回路に供給する。ここで、前記レベルシフト回路に含まれるトランジスタは、駆動回路に含まれるトランジスタと同一の導電型で形成する。また、上述した実施形態のレベルシフト回路は、論理レベルの反転が稀にしかない準定常的な信号に対してレベルシフトすることができるので、例えば、走査線やデータ線の選択順序を制御する制御信号の論理レベルをレベルシフトするのに好適である。
(3)次に、上述した電気光学装置を用いた電子機器のいくつかについて説明する。
図12に、電気光学装置500を用いたモバイル型のパーソナルコンピュータの構成を示す。パーソナルコンピュータ2000は、電気光学装置500と本体部2010とを備える。本体部2010には、電源スイッチ2001およびキーボード2002が設けられている。
図13に、電気光学装置500を適用した携帯電話機の構成を示す。携帯電話機3000は、複数の操作ボタン3001およびスクロールボタン3002のほかに表示装置を備える。スクロールボタン3002を操作することによって、電気光学装置500に表示される画面がスクロールされる。
図14に、電気光学装置500を適用した情報携帯端末(PDA:Personal Digital Assistants)の構成を示す。情報携帯端末4000は、複数の操作ボタン4001および電源スイッチ4002のほかに電気光学装置500を備える。電源スイッチ4002を操作すると、住所録やスケジュール帳といった各種の情報が電気光学装置500に表示される。
なお、本発明に係る電気光学装置500が適用される電子機器としては、図12から図14に示したもののほか、デジタルスチルカメラ、液晶テレビ、ビューファインダ型、モニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、POS端末、タッチパネルを備えた機器等などが挙げられる。
図12に、電気光学装置500を用いたモバイル型のパーソナルコンピュータの構成を示す。パーソナルコンピュータ2000は、電気光学装置500と本体部2010とを備える。本体部2010には、電源スイッチ2001およびキーボード2002が設けられている。
図13に、電気光学装置500を適用した携帯電話機の構成を示す。携帯電話機3000は、複数の操作ボタン3001およびスクロールボタン3002のほかに表示装置を備える。スクロールボタン3002を操作することによって、電気光学装置500に表示される画面がスクロールされる。
図14に、電気光学装置500を適用した情報携帯端末(PDA:Personal Digital Assistants)の構成を示す。情報携帯端末4000は、複数の操作ボタン4001および電源スイッチ4002のほかに電気光学装置500を備える。電源スイッチ4002を操作すると、住所録やスケジュール帳といった各種の情報が電気光学装置500に表示される。
なお、本発明に係る電気光学装置500が適用される電子機器としては、図12から図14に示したもののほか、デジタルスチルカメラ、液晶テレビ、ビューファインダ型、モニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、POS端末、タッチパネルを備えた機器等などが挙げられる。
1,2…レベルシフト回路、20,21,22,23…昇圧ブロック、10a,10b…インバータ、30p,31…正方向レベルシフタ、30n…負方向レベルシフタ、In…入力信号、/In…反転入力信号、O2…レベル変換信号、/O2…反転レベル変換信号、Out…出力信号、/Out…反転出力信号、CK…クロック信号、O1…第1クロック信号、/O1…第2クロック信号、A1…第3クロック信号、/A1…第4クロック信号、GND…第1低電位、VEE…第2低電位、VDD…第1高電位、VDH…第2高電位、500…電気光学装置。
Claims (14)
- すべてのトランジスタが同一の導電型で構成され、論理レベルが第1入力電位と第2入力電位となる小振幅の入力信号を、論理レベルが第1出力電位と第2出力電位となる大振幅の出力信号に変換するレベルシフト回路であって、
前記第1出力電位が供給されるノードと接続点との間に設けられた第1出力トランジスタと、前記第2出力電位が供給されるノードと前記接続点との間に設けられた第2出力トランジスタとを有し、前記接続点から前記出力信号を取り出す出力部と、
クロック信号に基づいて、前記第2出力電位を超えて前記第1出力電位から前記第2出力電位までの範囲外となる所定電位を生成する昇圧部とを備え、
前記入力信号が前記第1入力電位となる期間において、前記第2出力トランジスタをオフさせるとともに前記第1出力トランジスタをオンさせ、前記入力信号が前記第2入力電位となる期間において、前記所定電位をゲートに供給して前記第2出力トランジスタをオンさせるとともに前記第1出力トランジスタをオフさせる、
ことを特徴とするレベルシフト回路。 - 前記第1入力電位と前記第1出力電位とが一致し、
前記第1出力電位と前記第2出力電位との電位差は、前記第1入力電位と前記第2入力電位との電位差よりも大きい、
請求項1に記載のレベルシフト回路。 - 前記第2入力電位は前記第2出力電位と一致し、
前記第1出力電位と前記第2出力電位との電位差は、前記第1入力電位と前記第2入力電位との電位差よりも大きい、
請求項1に記載のレベルシフト回路。 - 前記第1入力電位は前記第1出力電位より高く、
前記第2入力電位は前記第1入力電位より高く、
前記第2出力電位は前記第2入力電位より高い、
請求項1に記載のレベルシフト回路。 - 前記入力信号を反転して、前記入力信号が前記第2入力電位の場合に前記第1出力電位となる反転入力信号を生成する反転部を備え、
前記出力部の前記第1出力トランジスタのゲートには前記反転入力信号が供給され、
前記昇圧部は、前記反転入力信号と前記入力信号とを用いて、前記入力信号が前記第2入力電位である期間にのみ前記所定電位を生成する、
請求項2に記載のレベルシフト回路。 - 前記反転部は、
前記第1入力電位が供給される第1ノードと第1接続点との間に設けられ、ゲートに前記入力信号が供給される第1トランジスタと、
前記第2入力電位が供給される第2ノードと前記第1接続点との間に設けられ、ダイオード接続された第2トランジスタと、
前記第1ノードと前記反転入力信号を出力する第2接続点との間に設けられ、ゲートに前記入力信号が供給される第3トランジスタと、
前記第2ノードと前記第2接続点との間に設けられ、ゲートが前記第1接続点に接続された第4トランジスタとを具備する、
請求項2または5に記載のレベルシフト回路。 - 前記入力信号が前記第1入力電位の場合に前記第2入力電位となり、前記入力信号が前記第2入力電位の場合に前記第1出力電位となる反転レベル変換信号を生成するとともに、前記入力信号が前記第1入力電位の場合に前記第1出力電位となり、前記入力信号が前記第2入力電位の場合に前記第2入力電位となるレベル変換信号を生成する入力信号レベル変換部を備え、
前記出力部の前記第1出力トランジスタのゲートには前記反転レベル変換信号が前記反転入力信号として供給され、
前記昇圧部は、前記反転レベル変換信号と前記レベル変換信号とを用いて、前記入力信号が前記第2入力電位である期間にのみ前記所定電位を生成する、
請求項3または4に記載のレベルシフト回路。 - 前記入力信号が前記第1入力電位の場合に前記第2入力電位となり、前記入力信号が前記第2入力電位の場合に前記第1出力電位となる反転レベル変換信号を生成するとともに、前記入力信号が前記第1入力電位の場合に前記第1出力電位となり、前記入力信号が前記第2入力電位の場合に前記第2入力電位となるレベル変換信号を生成する入力信号レベル変換部を備え、
前記昇圧部の替わりに、
前記クロック信号に基づいて、前記反転レベル変換信号と前記レベル変換信号とを用いて、前記入力信号が前記第2入力電位である期間にのみ前記所定電位を生成する第1昇圧部と、
前記クロック信号に基づいて、前記反転レベル変換信号と前記レベル変換信号とを用いて、前記入力信号が前記第1入力電位である期間にのみ前記所定電位を生成する第2昇圧部とを備え、
前記出力部の替わりに、
前記第1出力電位が供給されるノードと接続点との間に設けられた第1出力トランジスタと、前記第2出力電位が供給されるノードと前記接続点との間に設けられた第2出力トランジスタとを有し、当該接続点から前記出力信号を取り出し、前記第1出力トランジスタのゲートには前記反転レベル変換信号が供給され、前記第2出力トランジスタのゲートには前記入力信号が前記第2入力電位となる期間に前記第1昇圧部で生成された前記所定電位が供給される第1出力部と、
前記第1出力電位が供給されるノードと接続点との間に設けられた第3出力トランジスタと、前記第2出力電位が供給されるノードと前記接続点との間に設けられた第4出力トランジスタとを有し、前記接続点から前記出力信号を反転した反転出力信号を取り出し、前記第3出力トランジスタのゲートには前記レベル変換信号が供給され、前記第4出力トランジスタのゲートには前記入力信号が前記第1入力電位となる期間に前記第2昇圧部で生成された前記所定電位が供給される第2出力部とを備える、
請求項3または4に記載のレベルシフト回路。 - 前記入力信号レベル変換部は、
前記第1入力電位が供給される第1ノードと前記第2入力電位が供給される第2ノードとの間に直列に接続された第5トランジスタおよび第6トランジスタと、
前記第1出力電位が供給される第3ノードと前記第2ノードとの間に直列に接続される第7トランジスタおよび前記第8トランジスタと、
前記第3ノードと前記第2ノードとの間に直列に接続される第9トランジスタおよび第10トランジスタと、
前記第3ノードと前記第2ノードとの間に直列に接続される第11トランジスタおよび第12トランジスタと、
前記第3ノードと前記第2ノードとの間に直列に接続される第13トランジスタおよび第14トランジスタとを備え、
前記第6トランジスタはダイオード接続され、
前記第5および第8トランジスタのゲートには前記入力信号が供給され、
前記第7および第12トランジスタのゲートには前記第9トランジスタおよび前記第10トランジスタの接続点の電位が供給され、
前記第9、第11、および第14トランジスタのゲートには前記第7トランジスタおよび前記第8トランジスタの接続点の電位が供給され、
前記第10トランジスタのゲートには前記第5トランジスタおよび前記第6トランジスタの接続点の電位が供給され、
前記第13トランジスタのゲートには前記第11トランジスタおよび前記第12トランジスタの接続点の電位が供給され、
前記第11トランジスタおよび前記第12トランジスタの接続点から前記反転レベル変換信号を取り出し、
前記第13トランジスタおよび前記第14トランジスタの接続点から前記レベル変換信号を取り出す、
請求項7または8に記載のレベルシフト回路。 - 前記クロック信号は前記第1入力電位と前記第2入力電位との間で交番し、
前記クロック信号が前記第1入力電位の場合に前記第1入力電位となり、前記クロック信号が前記第2入力電位の場合に前記第2出力電位となる第1クロック信号を前記入力信号が前記第2入力電位となる期間に生成するとともに、前記クロック信号が前記第1入力電位の場合に前記第2出力電位となり、前記クロック信号が前記第2入力電位の場合に前記第1入力電位となる第2クロック信号を前記入力信号が前記第2入力電位となる期間に生成するクロック信号レベル変換部を備え、
前記昇圧部は、
前記第1クロック信号および前記第2クロック信号に基づいて、前記入力信号が前記第2入力電位となる期間において前記第1出力電位と前記第2出力電位との間で交番する第3クロック信号を生成し、前記第3クロック信号を用いて、前記入力信号が前記第2入力電位となる期間において前記所定電位を生成する、
請求項3、4、および7のうちいずれか1項に記載のレベルシフト回路。 - 前記昇圧部は、
容量素子と、
前記第2出力電位を供給するノードと前記容量素子の一方の端子との間に設けられ、ダイオード接続されたトランジスタとを備え、
前記容量素子の他方の端子の電位を前記クロック信号と同期して変化させることにより、前記容量素子の前記一方の端子の電位が前記第2出力電位を超えるように制御し、前記容量素子の一方の端子の電位を平滑化して前記所定電位を取り出す、
請求項1乃至6のうちいずれか1項に記載のレベルシフト回路。 - 前記クロック信号は2相のクロック信号であり、
前記昇圧部は、容量素子を備え、2相のクロック信号を用いて前記所定電位を生成するチャージポンプ型の回路である、
請求項1乃至6のうちいずれか1項に記載のレベルシフト回路。 - 前記容量素子の一方の端子に一方のクロック信号が供給され、
前記昇圧部は、
基準電位が供給されるノードと前記容量素子の他方の端子との間に設けられ、そのゲートに他方のクロック信号が供給される第15トランジスタと、
前記容量素子の他方の端子と前記第2出力トランジスタのゲートとの間に設けられ、ダイオード接続された第16トランジスタと、
前記第2出力トランジスタのゲートと前記第1出力電位が供給されるノードとの間に設けられ、前記入力信号が前記第1入力電位の場合にオンする第17トランジスタとを備え、
前記基準電位は前記第1入力電位から前記第2入力電位の範囲内にある電位である、
請求項12に記載のレベルシフト回路。 - 複数の走査線と、複数のデータ線と、前記走査線と前記データ線との交差に対応して設けられた複数の電気光学素子と、
前記複数の走査線および前記複数のデータ線のうち、少なくとも一方を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御信号が前記入力信号として供給され、前記出力信号を前記駆動手段に供給する請求項1乃至13のうちいずれか1項に記載のレベルシフト回路とを備え、
前記レベルシフト回路に含まれるトランジスタは、前記駆動手段に含まれるトランジスタと同一の導電型である、
電気光学装置。
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- 2007-02-20 JP JP2007038917A patent/JP2008205767A/ja not_active Withdrawn
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