JP2548864B2 - 低スレッショルドBiCMOS論理回路 - Google Patents

低スレッショルドBiCMOS論理回路

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JP2548864B2
JP2548864B2 JP4049860A JP4986092A JP2548864B2 JP 2548864 B2 JP2548864 B2 JP 2548864B2 JP 4049860 A JP4049860 A JP 4049860A JP 4986092 A JP4986092 A JP 4986092A JP 2548864 B2 JP2548864 B2 JP 2548864B2
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/0008Arrangements for reducing power consumption
    • H03K19/0013Arrangements for reducing power consumption in field effect transistor circuits
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、広義には集積回路技術
に関し、特に改良された縮小(scaled)BiCM
OS回路に関する。
【0002】
【従来の技術】BiCMOS技術によりより小さい物理
的寸法まで縮小されるにつれて、信頼性のある回路動作
のための最大電源電圧Vddも小さくなる。例えば1ミク
ロンのBiCMOS技術ではMOSデバイスにわたって
ボルトを供給するが、1/4ミクロンのBiCMOS
技術回路の電源電圧Vddは約2.5ボルトに制限され
る。より低い電源レベルでは、図1に示す従来のBiC
MOS回路の性能は、FETデバイス自体によって実現
うる改良に追従していくことができない。このよう
なことは、バイポーラデバイスの物理的寸法が小さくな
ったがバイポーラトランジスタVBEが小さくならない
ために起こる。バイポーラトランジスタのVBEが大きい
とオーバドライブとして得られる入力信号が小さいの
で、回路の入力駆動を遅らせ、かつ低下させる。
【0003】さらに、図1に示す従来のBiCMOS回
路は、出力がハイのとき完全なVddレベルを提供するこ
とができない。この結果ノイズマージンが劣悪で、同じ
集積回路チップにおいて従来のCMOS回路機能と回路
を混合したい場合、該回路の使用を困難に、あるいは不
可能にさえする。
【0004】図1に示す回路の限度の中の1つを克服す
る回路が図2に開示されている。この回路は、低電源電
圧において良好な性能を達成するが、CMOSとは互換
性がない。この回路は、図1に示す回路のVddより1V
BEだけ高い電源から動作させることにより性能利得(p
erformance gain)を達成する。この構
成では、電源電圧がより高いにもかかわらずFETデバ
イスのいずれに対しても何ら付加的な電圧強制を課さな
い。出力ラインに結合されたノイズに対して回路を非感
応性とするために出力クランプデバイスを含めた。
【0005】ダイオード接続バイポーラトランジスタQ
4は電圧VBEだけFET電源を上昇させる。標準的な出
力のダウンレベルは接地でなくVBEであり、出力のアッ
プレベルはVddからVBEを差し引いたものである。駆動
レベルが増したため従来の構成よりも回路性能が向上し
ている。
【0006】バイポーラデバイスQ3はクランプとして
作用し、ダウンレベル出力が出力ラインのノイズにより
高インピーダンス状態へ負に駆動されないようにする。
同様に、バイポーラデバイスQ5は、ノイズが回路を高
インピーダンス状態へ上方に駆動させた場合出力のアッ
プレベル状態においてVddからVBEを差し引いたものに
出力をクランプさせる。そのような偏位(excurs
ion)は、さもなければ長時間にわたってFETデバ
イスのあるものをある動作状態下で過度に圧迫するもの
である。通常の状態においては、回路出力がダウンレベ
ルのときQ3が軽く導通し、回路出力がアップレベルの
ときQ5が軽く導通する。導通の程度は、基準電圧VR
1とVR2の設定によって決まる。ノイズは、クランプ
デバイスを激しく導通させるけれどもクランプデバイ
スはエネルギーを吸収して出力電圧を急速にクランプさ
せる。基準電圧VR1とVR2とは、従来の回路手段に
より容易に生成することができ通常チップ上の数個の
回路に共用される。
【0007】全てのBiCMOS回路分野において、こ
の回路は十分合理的に動作するが、同じチップに介在し
うる従来のCMOS回路と直接インタフェースしない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、回路が物理的に小さくされるにつれて回路性能を損
なうことなく電源電圧を低減させることのできる改良B
iCMOS回路を提供することにある。
【0009】本発明の別の目的は、BiCMOS回路を
動作させるに要する電力を最小にすることにある。
【0010】さらに別の本発明の目的は、従来のCMO
S回路と直接インターフェースしうるBiCMOS回路
を提供することにある。
【0011】本発明のさらに別の目的は、増大したノイ
ズマージンでBiCMOS回路を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明のこれら、および
その他の目的、特徴および利点は、標準的なスレッショ
ルドn−チャンネルFETトランジスタおよび標準的な
スレッショルドp−チャンネルFETトランジスタと関
連して低スレッショルドn−チャンネルFETトランジ
スタを採用した新規なBiCMOS NAND回路によ
って達成される。物理的に小さくしたFETデバイスに
適応するように、電源電圧が低減されたときも、回路性
能は著しく劣化しない。さらに、全レール対レール(r
ail−to−rail)電圧レベルである回路の入力
および出力信号レベルは、標準的なCMOS回路と適合
しうる。
【0013】
【実施例】図3の(A)は本発明による回路の2入力N
ANDバージョンを示す。トランジスタN1,N2,N
6およびN7は、約0.4ボルトのスレッショルド電圧
を有する標準的なn−チャンネル電界効果型トランジス
タである。トランジスタP1,P2,およびP4は、約
0.5ボルトのスレッショルド電圧を有する標準的な
−チャンネル電界効果型トランジスタである。トランジ
スタN3,N4およびN5は、スレッショルド電圧が−
0.25ボルトと+0.05ボルトの間である低スレッ
ショルドn−チャンネル電界効果型トランジスタであ
る。トランジスタN1,N2,P1およびP2は、従来
のCMOSの2入力NAND回路10を構成する。イン
バータ16は、一対の標準的なスレッショルドデバイス
を用いる従来のCMOS回路である。バイポーラ接合ト
ランジスタQ1およびQ2は、一方の状態から他方の状
態へ急速に容量性出力負荷を駆動する能力を提供するプ
ッシュプル出力段12をなす。
【0014】AあるいはBのいずれかの入力信号(ある
いは双方の入力信号)が(接地に近い)ダウンレベルで
あるとすれば、トランジスタQ2のベースはVddに近づ
き回路出力をハイにさせる。トランジスタQ2はエミッ
タフォロワとして作用し、大量の電流を流し出力負荷を
急速に充電させることができる。ブリードトランジスタ
N5は少量の電流を導通し、この電流がトランジスタQ
1のベースを接地近く引っ張り、バイポーラトランジス
タQ1をオフとする。低スレッショルドFETN3とN
4とは基本的にオフであり、トランジスタN6とN7と
はこの状態にオフのまま留る。もしトランジスタP4が
介在していなかったとすれば、最終の出力電圧レベルは
dd−VBEとなったであろう。しかしながらこの状態に
おいては、インバータ16は、ダウンレベルの駆動をP
4のゲート端子に提供して、P4をオンにする。このよ
うにして、P4は、出力電圧を完全にVddまで急速に充
電する経路を提供する。
【0015】もしAとBの双方がアップレベル(Vddに
近い)であるとすれば、トランジスタQ2のベースは接
地まで引っ張られ、デバイスは遮断される。低スレッシ
ョルドFET N3とN4とは導通し、バイポーラトラ
ンジスタQ1をオンとし、出力負荷を急速に放電させ
る。ブリードトランジスタN5を通る少量の電流が、N
3−N4経路により提供され、トランジスタQ1を遮断
させない。インバータ16は、P4のゲート端子にアッ
プレベルの駆動を提供し、P4をオフとする。もしトラ
ンジスタN6およびN7が介在していなかったとすれ
ば、最終の出力電圧はゆっくりと接地へドリフトする。
しかしながら、この状態において、トランジスタN6と
N7の双方共導通し、出力電圧を完全に接地まで急速に
放電する経路を提供する。これらのデバイスも、本回路
の出力の降下の遅れの改良に寄与する。
【0016】入力信号がローからハイへ遷移すると、ト
ランジスタN3とN4とは、入力が少なくともVBEにN
3あるいはN4のスレッショルド値を加えたものに達す
るまでターンオンを始めることはできない。このことが
出力の降下遷移の開始を遅らせる。本発明の特徴は、N
3およびN4デバイスの低スレッショルド値のため該デ
バイスが従来のデバイスよりも早く導通できるようにな
るので、前記の遅れが最小となることである。
【0017】回路の静的な電力散逸は、出力が接地にあ
るとき基本的に零である。出力がハイであるとき、少量
の静的電力は、N5のブリード電流が電源からP4,N
3およびN4を介して引き出されるにつれて散逸する。
この電流は、N5トランジスタを高インピーダンスにす
ることにより意図的に小さくされている。ブリードトラ
ンジスタN5を実施する代替的な方法が数種ある。図3
の(B)に示すように、トランジスタN5のゲートはそ
のドレインに結合されている。図3の(C)に示すよう
に、標準的なスレッショルドトランジスタのゲートは、
ddに結合されるか、あるいは図3の(D)に示すよう
に、インバータ16の出力を用いてトランジスタN5の
ゲートを駆動することができる。
【0018】本回路は、2.5ボルトの低減した電源レ
ベルにおいて良好な性能を提供する。レールからレール
への信号電圧スイングが、同じチップに配置しうる従来
のCMOS回路との完全な信号レベルの適合性を提供す
る。また、完全なCMOSレベルが、他のBiCMOS
回路構成にわたってノイズマージンを増大させる。
【0019】図4の(A)は、低スレッショルドトラン
ジスタN3,N4およびN5が−0.15ボルトのスレ
ッショルド値を有するときの入力電圧対出力電圧の関係
を示す。
【0020】出力のハイの状態に対する静的な電力レベ
ルが、各種のブリーダトランジスタN5(またN3およ
びN4も)スレッショルド電圧について示されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術を示す2入力NANDの回路図。
【図2】クランプされた出力を有する現状技術の2入力
NANDを示す図。
【図3】(A)は、低スレッショルドのフルスイングN
AND回路を示す本発明の回路図であり、(B)、
(C)および(D)は、図3の(A)の回路図のブリー
ドトランジスタに対する代替的構成を示す図。
【図4】(A)は、図3の(A)に示す回路についての
入力電圧対出力電圧の関係をプロットした図であり、
(B)は、図3の(A)に示す回路のn−チャンネルト
ランジスタにおける静的モードの電力対低スレッショル
ドのスレッショルド電圧の関係をプロットした図。
【符号の説明】
10:2入力NAND回路 12:プッシュプル出力段 16:インバータ N1,N2,N6,N7:n−チャンネル電界効果型ト
ランジスタ N3,N4:低スレッショルドFET P1,P2,P4:p−チャンネル電界効果型トランジ
スタ Q1,Q2:バイポーラ接合トランジスタ N5:ブリードトランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レイモンド・エイ・シュルツ アメリカ合衆国22111、ヴァージニア州 マナッサス、モーニングサイド・ドラ イブ 8317番地

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】全レール対レール出力電圧と高速動作とを
    提供する改良されたBiCMOS論理回路において、 MOS NAND入力段と、 該CMOS NAND段出力によって駆動される直列接
    続の対のバイポーラトランジスタからなるプッシュプル
    出力段と、 前記のバイポーラプッシュプル出力段のプルダウントラ
    ンジスタのベースとコレクタの端子間に接続され、出力
    降下の遅れを改良する直列接続対の低スレッショルドn
    −チャンネル電界効果型トランジスタと、 入力信号によって駆動され、前記の出力と接地との間に
    接続された直列接続対の標準的なスレッショルドn−チ
    ャンネル電界効果型トランジスタと、 前記の出力に接続された標準的なCMOSインバータ回
    路によって駆動され、前記の出力と電源との間に接続さ
    れたp−チャンネル電界効果型トランジスタと、 そのゲート端子とソース端子とが接地され、かつそのド
    レイン端子が前記のバイポーラプッシュプル出力段の前
    記プルダウントランジスタのベース端子に接続されてお
    り、ブリードトランジスタとして使用される低スレッシ
    ョルドn−チャンネル電界効果型トランジスタとを備え
    る回路。
  2. 【請求項2】 そのゲート端子とドレイン端子とを短絡
    させ、かつスレッショルド電圧レベルを低減させたブリ
    ードトランジスタが、前記のバイポーラプッシュプル出
    力段のプルダウントランジスタのベース端子と接地との
    間に接続されている請求項1記載の回路。
  3. 【請求項3】 そのゲート端子を前記電源に接続させ、
    標準的なスレッショルド電圧を有するブリードトランジ
    スタが、前記バイポーラプッシュプル出力段のプルダウ
    ントランジスタのベース端子と前記接地との間に接続さ
    れている請求項1記載の回路。
  4. 【請求項4】 そのゲートが前記CMOSインバータ出
    力によって駆動され、かつスレッショルド電圧が低減さ
    れているブリードトランジスタが、前記のバイポーラプ
    ッシュプル出力段のプルダウントランジスタのベース端
    子と前記接地との間に接続されている請求項1記載の回
    路。
JP4049860A 1991-04-18 1992-03-06 低スレッショルドBiCMOS論理回路 Expired - Lifetime JP2548864B2 (ja)

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JPH04346515A JPH04346515A (ja) 1992-12-02
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