JP2686014B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に係わり、
特に高性能なCMOS回路に関する。
特に高性能なCMOS回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、低インピーダンスの負荷を効率よ
く駆動する回路としてソースフォロワー回路がよく用い
られている。この従来例を図10に示す。これは1個の
NMOSトランジスタ1001と負荷抵抗(RL)10
02で構成されたソースフォロワー回路で、駆動する負
荷1003をCoutと仮定している。いまNMOSトラ
ンジスタがONした時の抵抗をRONとすると、 となる。ここで、RONはゲートソース間電圧VGS(=V
in−Vout)によって決まる抵抗である。今、RLを十分
大きな値とし、RL》RONとすると(1)式はVout=V
DDとなるが、実際にはVoutがVinに近づき、 VGS = Vin−Vout≒VT (VTはNMOSトランジスタのしきい値)となるとN
MOSトランジスタがOFFするため、RONは急激に大
きな値となる。即ち、 Vin−Vout≒VT つまり Vout = Vin − VT (1’) となって、出力はある値に落ちつくのである。もしも、
VT=0と設定しておけばVout=Vin となり、電圧ゲ
イン1の線形アンプとなる。大きな負荷容量Coutを高
速に充電するためには、トランジスタのW/Lを十分大
きくとってやれば良い。(Wはチャネル幅、Lはチャネ
ル長)このとき、MOSトランジスタのゲート容量はC
ox・L・Wであり、LとWの積に比例して大きくなる。
(Coxはゲートの単位面積当りの容量。) しかし、ゲ
ート酸化膜の両端にかかる電圧はほとんど0となるた
め、このゲート容量にたまる電荷は実質上ゼロであり、
従ってVinからみた図10の回路の実効的な入力容量は
ほぼゼロとなる。つまり、図10の回路は出力側に大き
な負荷容量(低インピーダンス負荷)がぶらさがってい
ても入力側(Vin側)からは全く小さな容量にしか見え
ない(高入力インピーダンス)ような回路となってお
り、インピーダンス変換回路としてよく知られた回路形
式である。大きな容量を駆動するのに大変便利な回路で
ある。
く駆動する回路としてソースフォロワー回路がよく用い
られている。この従来例を図10に示す。これは1個の
NMOSトランジスタ1001と負荷抵抗(RL)10
02で構成されたソースフォロワー回路で、駆動する負
荷1003をCoutと仮定している。いまNMOSトラ
ンジスタがONした時の抵抗をRONとすると、 となる。ここで、RONはゲートソース間電圧VGS(=V
in−Vout)によって決まる抵抗である。今、RLを十分
大きな値とし、RL》RONとすると(1)式はVout=V
DDとなるが、実際にはVoutがVinに近づき、 VGS = Vin−Vout≒VT (VTはNMOSトランジスタのしきい値)となるとN
MOSトランジスタがOFFするため、RONは急激に大
きな値となる。即ち、 Vin−Vout≒VT つまり Vout = Vin − VT (1’) となって、出力はある値に落ちつくのである。もしも、
VT=0と設定しておけばVout=Vin となり、電圧ゲ
イン1の線形アンプとなる。大きな負荷容量Coutを高
速に充電するためには、トランジスタのW/Lを十分大
きくとってやれば良い。(Wはチャネル幅、Lはチャネ
ル長)このとき、MOSトランジスタのゲート容量はC
ox・L・Wであり、LとWの積に比例して大きくなる。
(Coxはゲートの単位面積当りの容量。) しかし、ゲ
ート酸化膜の両端にかかる電圧はほとんど0となるた
め、このゲート容量にたまる電荷は実質上ゼロであり、
従ってVinからみた図10の回路の実効的な入力容量は
ほぼゼロとなる。つまり、図10の回路は出力側に大き
な負荷容量(低インピーダンス負荷)がぶらさがってい
ても入力側(Vin側)からは全く小さな容量にしか見え
ない(高入力インピーダンス)ような回路となってお
り、インピーダンス変換回路としてよく知られた回路形
式である。大きな容量を駆動するのに大変便利な回路で
ある。
【0003】今,NMOSトランジスタのしきい値はV
T=0に設定されており、一定の正の電圧Vinが図10
の回路に入力され、一定電位の出力Vout=Vinが保持
されているものとする。
T=0に設定されており、一定の正の電圧Vinが図10
の回路に入力され、一定電位の出力Vout=Vinが保持
されているものとする。
【0004】するとこの回路には, IN = Vout/RL (2) なる電流が流れ、常に Vout2/RLなる電力が消費さ
れることになる。この消費電流を小さくするためにはR
Lを大きくしなければならない。今、入力電圧が正の一
定値Vinより0に変化したとする。この時のVoutの変
化はおおよそ図11に示したようになり、時定数RL・
Coutで減衰し0に近づく。つまり、出力レベルが入力
に追随して低電位側に変化する時間はRLに比例して小
さくなる。つまり、回路の高速化にはRLは小さいほど
好ましいことになる。
れることになる。この消費電流を小さくするためにはR
Lを大きくしなければならない。今、入力電圧が正の一
定値Vinより0に変化したとする。この時のVoutの変
化はおおよそ図11に示したようになり、時定数RL・
Coutで減衰し0に近づく。つまり、出力レベルが入力
に追随して低電位側に変化する時間はRLに比例して小
さくなる。つまり、回路の高速化にはRLは小さいほど
好ましいことになる。
【0005】しかし、RLを小さくすると(2)式から
明らかなように一定電圧を保持している際の電流値が増
え、消費電流が増大する。しかも、(1)式から分かる
ようにVoutのレベルが低くなり、RON》RLではVout
≒0となる。即ち、図10のアンプの電圧ゲインが著し
く低下する結果となる。
明らかなように一定電圧を保持している際の電流値が増
え、消費電流が増大する。しかも、(1)式から分かる
ようにVoutのレベルが低くなり、RON》RLではVout
≒0となる。即ち、図10のアンプの電圧ゲインが著し
く低下する結果となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの問
題点を解決するために行われたものであり、ソースフォ
ロワ回路の定常的な消費電力を殆どゼロにすることがで
き、しかも高速動作を可能にし、且つ電圧ゲインの低下
を全く伴わない半導体装置を提供することを目的とす
る。
題点を解決するために行われたものであり、ソースフォ
ロワ回路の定常的な消費電力を殆どゼロにすることがで
き、しかも高速動作を可能にし、且つ電圧ゲインの低下
を全く伴わない半導体装置を提供することを目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、複数の
nチャネルMOSトランジスタ及びpチャネルMOSト
ランジスタを有する半導体装置において、第1のnチャ
ネルMOSトランジスタのソースと第1のpチャネルM
OSトランジスタのソースが電気的に接続され、前記第
1のnチャネルMOSトランジスタのゲート電極と前記
第1のpチャネルMOSトランジスタのゲート電極が電
気的に接続され、前記第1のnチャネルMOSトランジ
スタのドレインが前記第1のpチャネルMOSトランジ
スタのドレインよりも高電位となるよう構成し、前記第
1のnチャネルMOSトランジスタ及び前記第1のpチ
ャネルMOSトランジスタのソースに電気的に接続され
たソースを有する第2のnチャネルMOSトランジスタ
及び第2のpチャネルMOSトランジスタを有し、前記
第2のnチャネルMOSトランジスタ及び前記第2のp
チャネルMOSトランジスタのゲート電極が互いに接続
されて、且つ前記第1のnチャネルMOSトランジスタ
及びpチャネルMOSトランジスタのゲート電極とも電
気的に接続されており、前記第2のnチャネルMOSト
ランジスタのしきい値電圧が、前記第1のnチャネルM
OSトランジスタのしきい値電圧よりも大きな値に設定
され、前記第2のpチャネルMOSトランジスタのしき
い値電圧が前記第1のpチャネルMOSトランジスタの
しきい値電圧よりも小さな値に設定され、且つ前記第2
のnチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧が前記
第2のpチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧よ
りも大となるよう設定されたことを特徴とする半導体装
置に存在し、さらに、複数のnチャネルMOSトランジ
スタ及びpチャネルMOSトランジスタを有する半導体
装置において、第1のnチャネルMOSトランジスタの
ソースと第1のpチャネルMOSトランジスタのソース
が電気的に接続され、前記第1のnチャネルMOSトラ
ンジスタのゲート電極と前記第1のpチャネルMOSト
ランジスタのゲート電極が電気的に接続され、前記第1
のnチャネルMOSトランジスタのドレインが前記第1
のpチャネルMOSトランジスタのドレインよりも高電
位となるよう構成し、前記第1のnチャネルMOSトラ
ンジスタ及びpチャネルMOSトランジスタのゲート電
極がフローティングゲートであり、前記フローティング
ゲートと絶縁膜を介して容量結合する制御ゲート電極を
複数有することを特徴とする半導体装置に存在する。
nチャネルMOSトランジスタ及びpチャネルMOSト
ランジスタを有する半導体装置において、第1のnチャ
ネルMOSトランジスタのソースと第1のpチャネルM
OSトランジスタのソースが電気的に接続され、前記第
1のnチャネルMOSトランジスタのゲート電極と前記
第1のpチャネルMOSトランジスタのゲート電極が電
気的に接続され、前記第1のnチャネルMOSトランジ
スタのドレインが前記第1のpチャネルMOSトランジ
スタのドレインよりも高電位となるよう構成し、前記第
1のnチャネルMOSトランジスタ及び前記第1のpチ
ャネルMOSトランジスタのソースに電気的に接続され
たソースを有する第2のnチャネルMOSトランジスタ
及び第2のpチャネルMOSトランジスタを有し、前記
第2のnチャネルMOSトランジスタ及び前記第2のp
チャネルMOSトランジスタのゲート電極が互いに接続
されて、且つ前記第1のnチャネルMOSトランジスタ
及びpチャネルMOSトランジスタのゲート電極とも電
気的に接続されており、前記第2のnチャネルMOSト
ランジスタのしきい値電圧が、前記第1のnチャネルM
OSトランジスタのしきい値電圧よりも大きな値に設定
され、前記第2のpチャネルMOSトランジスタのしき
い値電圧が前記第1のpチャネルMOSトランジスタの
しきい値電圧よりも小さな値に設定され、且つ前記第2
のnチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧が前記
第2のpチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧よ
りも大となるよう設定されたことを特徴とする半導体装
置に存在し、さらに、複数のnチャネルMOSトランジ
スタ及びpチャネルMOSトランジスタを有する半導体
装置において、第1のnチャネルMOSトランジスタの
ソースと第1のpチャネルMOSトランジスタのソース
が電気的に接続され、前記第1のnチャネルMOSトラ
ンジスタのゲート電極と前記第1のpチャネルMOSト
ランジスタのゲート電極が電気的に接続され、前記第1
のnチャネルMOSトランジスタのドレインが前記第1
のpチャネルMOSトランジスタのドレインよりも高電
位となるよう構成し、前記第1のnチャネルMOSトラ
ンジスタ及びpチャネルMOSトランジスタのゲート電
極がフローティングゲートであり、前記フローティング
ゲートと絶縁膜を介して容量結合する制御ゲート電極を
複数有することを特徴とする半導体装置に存在する。
【0008】以上の半導体装置により、電圧ゲインがほ
ぼ1に等しいソースフォロワ回路が実現でき、一定の電
位を保持している際の消費電力をほぼゼロとすることが
できる。更に、電位の変化に対しては非常に高速に応答
できる回路を実現することが可能となる。
ぼ1に等しいソースフォロワ回路が実現でき、一定の電
位を保持している際の消費電力をほぼゼロとすることが
できる。更に、電位の変化に対しては非常に高速に応答
できる回路を実現することが可能となる。
【0009】
【実施例】以下に実施例をあげ本発明を詳細に説明する
が、本発明がこれら実施例に限定されないことはいうま
でもない。 (実施例1)本発明の第1の実施例を図1に示す。図に
NMOSトランジスタ101(NMOSと略す)、PM
OSトランジスタ102(PMOSと略す)、及びそれ
ぞれのソース101a,102a、ドレイン101b,
102b、ゲート103が示されている。
が、本発明がこれら実施例に限定されないことはいうま
でもない。 (実施例1)本発明の第1の実施例を図1に示す。図に
NMOSトランジスタ101(NMOSと略す)、PM
OSトランジスタ102(PMOSと略す)、及びそれ
ぞれのソース101a,102a、ドレイン101b,
102b、ゲート103が示されている。
【0010】一般に,MOS型トランジスタでは、キャ
リアの流れだす方の電極をソース、キャリアの流れ込む
電極をドレインと呼んでいる。従ってNMOSでは電子
の流れ出す低電位側がソースであり、高電位側がドレイ
ンと呼ばれる。また。PMOSでは、ホールが流れだす
高電位側がソースであり、低電位側がドレインである。
また、NMOS,PMOSのしきい値電圧はそれぞれV
TN,VTPであり、本実施例では VTN < VTP (3) の条件に設定してある。
リアの流れだす方の電極をソース、キャリアの流れ込む
電極をドレインと呼んでいる。従ってNMOSでは電子
の流れ出す低電位側がソースであり、高電位側がドレイ
ンと呼ばれる。また。PMOSでは、ホールが流れだす
高電位側がソースであり、低電位側がドレインである。
また、NMOS,PMOSのしきい値電圧はそれぞれV
TN,VTPであり、本実施例では VTN < VTP (3) の条件に設定してある。
【0011】今、NMOS101,PMOS102に流
れる電流をそれぞれIN,IPとすると、いずれのトラン
ジスタも飽和領域で動作しているので IN = (1/2)・βN(VGS−VTN)2 (4) IP = (1/2)・βP(VGS−VTP)2 (5) となる。ここで、 βN = (W/L)NμNCox βP = (W/L)PμPCox (W/L)N:NMOSのチャネル幅Wとチャネル長L
の比 (W/L)P:PMOSのチャネル幅Wとチャネル長L
の比 μN:電子のチャネル移動度 μP:ホールのチャネル移動度。 図2は,IN,IPとVGSの関係を示したものであり、V
inに一定電圧が入力されているときは、IN=IPとなる
条件で回路が安定する。即ち、この時 VGS = Vin − Vout = VT となる。但し、VTは図より で与えられる。(3)式の条件VTN < VTPは、図2
でINとIPの曲線が交点を持つための必要十分条件であ
る。
れる電流をそれぞれIN,IPとすると、いずれのトラン
ジスタも飽和領域で動作しているので IN = (1/2)・βN(VGS−VTN)2 (4) IP = (1/2)・βP(VGS−VTP)2 (5) となる。ここで、 βN = (W/L)NμNCox βP = (W/L)PμPCox (W/L)N:NMOSのチャネル幅Wとチャネル長L
の比 (W/L)P:PMOSのチャネル幅Wとチャネル長L
の比 μN:電子のチャネル移動度 μP:ホールのチャネル移動度。 図2は,IN,IPとVGSの関係を示したものであり、V
inに一定電圧が入力されているときは、IN=IPとなる
条件で回路が安定する。即ち、この時 VGS = Vin − Vout = VT となる。但し、VTは図より で与えられる。(3)式の条件VTN < VTPは、図2
でINとIPの曲線が交点を持つための必要十分条件であ
る。
【0012】従って、Voutは Vout = Vin − VT (7) となる。これは従来例の(1’)に対応するものであ
る。即ち、電圧ゲインが1の増幅器が実現できる。
る。即ち、電圧ゲインが1の増幅器が実現できる。
【0013】今、Vinが低い電位に変化したとする。即
ち、 Vout > Vin − VT となったとすると、 VGS = Vin−Vout<VT となる。この時、図2より明らかなようにPMOSには
より多くの電流が流れ,NMOSに流れる電流は減少す
る。特に、VGS<VTNとなるとNMOSはカットオフ
し、電流が全く流れなくなる。このようにして、Cout
にたまった電荷は急速にPMOSにより放電し、Vout
はVinの変化に追随し、再びVout=Vin−VTとなった
ところで落ちつくことになる。
ち、 Vout > Vin − VT となったとすると、 VGS = Vin−Vout<VT となる。この時、図2より明らかなようにPMOSには
より多くの電流が流れ,NMOSに流れる電流は減少す
る。特に、VGS<VTNとなるとNMOSはカットオフ
し、電流が全く流れなくなる。このようにして、Cout
にたまった電荷は急速にPMOSにより放電し、Vout
はVinの変化に追随し、再びVout=Vin−VTとなった
ところで落ちつくことになる。
【0014】逆に,Vinが高電位側に変化しVout<Vi
n−VTとなったときにはVGS=Vin−Vout>VTとな
り、今度はPMOSがOFFし、NMOSに大きな電流
がながれてCoutが急速に充電されるため,Voutは上昇
し再びVout=Vin−VTとなったところで落ちつく。
n−VTとなったときにはVGS=Vin−Vout>VTとな
り、今度はPMOSがOFFし、NMOSに大きな電流
がながれてCoutが急速に充電されるため,Voutは上昇
し再びVout=Vin−VTとなったところで落ちつく。
【0015】以上のように、Coutの充・放電がそれぞ
れNMOSトランジスタとPMOSトランジスタのオン
によって行われるため、高速の充放電が可能であり、高
速で変化する入力信号に応答することができる。特にβ
N=βPと設定してやるとNMOSとPMOSの電流駆動
能力が等しくなり、充放電の速度が等しく、回路の高速
化には特に有利である。
れNMOSトランジスタとPMOSトランジスタのオン
によって行われるため、高速の充放電が可能であり、高
速で変化する入力信号に応答することができる。特にβ
N=βPと設定してやるとNMOSとPMOSの電流駆動
能力が等しくなり、充放電の速度が等しく、回路の高速
化には特に有利である。
【0016】これは従来例にない大きな特徴である。従
来例では、Coutの放電時間はRL・Coutで決まってお
りRLを小さくしない限り放電時間を小さくすることは
できなかった。しかし、RLを小さくすると電圧ゲイン
が小さくなると共に消費電力がRLに反比例して大きく
なる等の問題があった。
来例では、Coutの放電時間はRL・Coutで決まってお
りRLを小さくしない限り放電時間を小さくすることは
できなかった。しかし、RLを小さくすると電圧ゲイン
が小さくなると共に消費電力がRLに反比例して大きく
なる等の問題があった。
【0017】本発明ではトランジスタのβN、βPを大き
くすることにより幾らでも充放電の時間を短くすること
が可能である。しかも、βN、βPの値を大きくとっても
電圧ゲインは常に1であり、小さくなることはない。し
かも消費電力は図2より定常的に流れる電流が で与えられるのでVTNとVTPの値をほぼ等しくすること
で電流Iは幾らでも小さくすることができ、回路動作速
度とは無関係に消費電力を一定の小さな値、あるいはほ
ぼ0にすることが可能である。
くすることにより幾らでも充放電の時間を短くすること
が可能である。しかも、βN、βPの値を大きくとっても
電圧ゲインは常に1であり、小さくなることはない。し
かも消費電力は図2より定常的に流れる電流が で与えられるのでVTNとVTPの値をほぼ等しくすること
で電流Iは幾らでも小さくすることができ、回路動作速
度とは無関係に消費電力を一定の小さな値、あるいはほ
ぼ0にすることが可能である。
【0018】以上述べたように、本発明の回路により、
従来のソースフォロワ回路が持っていたすべての問題を
解決することが可能となる。また、VTの値は(6)式
で与えられるがVTN、VTP、βRの値を適宜設定して、
VT=0とすることも可能である。例えば、βR=1、V
TN=−1V、VTP=1Vとすれば、Vout=Vinとな
り、入力電圧と等しい値を出力側に取り出すことができ
る。また、この他VT=0とするために、VTN、VTP、
βRに対しいかなる値を組み合わせてもよいことは言う
までもない。 (実施例2)実施例1では、図1に示すNMOSのしき
い値VTN、PMOSのしきい値VTPが、VTN<VTPとな
る場合について説明したが、これを VTN = VTP と設定してもよい。
従来のソースフォロワ回路が持っていたすべての問題を
解決することが可能となる。また、VTの値は(6)式
で与えられるがVTN、VTP、βRの値を適宜設定して、
VT=0とすることも可能である。例えば、βR=1、V
TN=−1V、VTP=1Vとすれば、Vout=Vinとな
り、入力電圧と等しい値を出力側に取り出すことができ
る。また、この他VT=0とするために、VTN、VTP、
βRに対しいかなる値を組み合わせてもよいことは言う
までもない。 (実施例2)実施例1では、図1に示すNMOSのしき
い値VTN、PMOSのしきい値VTPが、VTN<VTPとな
る場合について説明したが、これを VTN = VTP と設定してもよい。
【0019】こうすれば、(8)式より消費電力をゼロ
とすることができる。 (実施例3)図1に示す回路において、NMOSのしき
い値VTN、PMOSのしきい値VTPは、 VTP < VTN (9) と設定してもよい。この場合は、図3に示したようにI
N,IPの特性は交点を持たないためVGSは VTP < VGS < VTN の範囲で任意の値をとることになる。即ち、Voutは Vin−VTN<Vout<Vin−VTP (10) の間のいずれかの値に落ちつくことになるが一定値とな
る保障はない。つまり、上記の範囲で値の不確定性を持
つことになる。回路動作上、この値の不確定性が許され
る範囲であれば(10)式の条件を採用してもよい。こ
の場合、定常的に流れる電流は完全にゼロになるため、
低消費電力の回路が実現できる。
とすることができる。 (実施例3)図1に示す回路において、NMOSのしき
い値VTN、PMOSのしきい値VTPは、 VTP < VTN (9) と設定してもよい。この場合は、図3に示したようにI
N,IPの特性は交点を持たないためVGSは VTP < VGS < VTN の範囲で任意の値をとることになる。即ち、Voutは Vin−VTN<Vout<Vin−VTP (10) の間のいずれかの値に落ちつくことになるが一定値とな
る保障はない。つまり、上記の範囲で値の不確定性を持
つことになる。回路動作上、この値の不確定性が許され
る範囲であれば(10)式の条件を採用してもよい。こ
の場合、定常的に流れる電流は完全にゼロになるため、
低消費電力の回路が実現できる。
【0020】またVTPとVTNを VTP<VTN の関係を
満たしつつ、VTP≒VTNとしてやれば、(10)式で表
されるVoutの値の不確定性は十分小さくすることがで
きる。 (実施例4)本発明の第4の実施例を図4に示す。本実
施例では、実施例1と同構成の回路が2個(A回路及び
B回路)並列に接続されており、それぞれの入力と出力
が互いに接続された構成の回路となっている。
満たしつつ、VTP≒VTNとしてやれば、(10)式で表
されるVoutの値の不確定性は十分小さくすることがで
きる。 (実施例4)本発明の第4の実施例を図4に示す。本実
施例では、実施例1と同構成の回路が2個(A回路及び
B回路)並列に接続されており、それぞれの入力と出力
が互いに接続された構成の回路となっている。
【0021】図4の各トランジスタのパラメータを以下
のように定義する。
のように定義する。
【0022】 しきい値 チャネル長 チャネル幅 N1 VTN1 LN1 WN1 P1 VTP1 LP1 WP1 N2 VTN2 LN2 WN2 P2 VTP2 LP2 WP2 本実施例において、しきい値は次のように設定されてい
る。
る。
【0023】VTP2<VTN1<VTP1<VTN2 またトランジスタの電流駆動能力を表すW/Lは、 WN1/LN1 《 WN2/LN2 WP1/LP1 《 WP2/LP2 即ち,N1,P1のトランジスタに比べN2,P2のト
ランジスタはそれぞれ十分大きな電流駆動力を持つよう
設計されている。
ランジスタはそれぞれ十分大きな電流駆動力を持つよう
設計されている。
【0024】この回路において、部分回路Aと部分回路
Bは、それぞれ入力と出力が互いに接続されているた
め、 VGS1 = VGS2 である。VGSの関数をしてそれぞれのトランジスタに流
れる電流を表すと図5のごとくなる。
Bは、それぞれ入力と出力が互いに接続されているた
め、 VGS1 = VGS2 である。VGSの関数をしてそれぞれのトランジスタに流
れる電流を表すと図5のごとくなる。
【0025】それぞれの部分回路はβR=1となるよう
に設計されている。またVTP1=|VTN1|と設計されて
おり、(6)式より VT=0、即ち Vout=Vinであ
る。
に設計されている。またVTP1=|VTN1|と設計されて
おり、(6)式より VT=0、即ち Vout=Vinであ
る。
【0026】この回路がVout=Vinなる一定の出力電
圧を保持しているとき(即ち、VGS=0のとき)には、
回路Bには電流は流れない。なぜなら、図5より明らか
なように、VGS=0では、トランジスタN2、P2共に
オフの状態にあるからである。一方トランジスタN1,
P1は共にオン状態にあり,(8)式より、 ここで、|VTN1|=VTP1とすると、 I = (1/2)・βN1VTN1 2 (11) となり、回路には電流Iが流れる。ここでβN1はトラン
ジスタN1のβであり、βN1=μNCoxWN1/LN1 で
ある。
圧を保持しているとき(即ち、VGS=0のとき)には、
回路Bには電流は流れない。なぜなら、図5より明らか
なように、VGS=0では、トランジスタN2、P2共に
オフの状態にあるからである。一方トランジスタN1,
P1は共にオン状態にあり,(8)式より、 ここで、|VTN1|=VTP1とすると、 I = (1/2)・βN1VTN1 2 (11) となり、回路には電流Iが流れる。ここでβN1はトラン
ジスタN1のβであり、βN1=μNCoxWN1/LN1 で
ある。
【0027】(11)式より、βN1及びVTN1を十分小
さくすることにより定常的な消費電流を幾らでも小さく
できる。しかも、VTN1<VTP1の関係が保たれているの
で出力電圧に(10)式で与えられるような不確定性の
現れることがない。
さくすることにより定常的な消費電流を幾らでも小さく
できる。しかも、VTN1<VTP1の関係が保たれているの
で出力電圧に(10)式で与えられるような不確定性の
現れることがない。
【0028】今,Vinが変化しVGS=Vin−Vout>V
TN2になったとすると、トランジスタN1と同時にトラ
ンジスタN2もオンする。トランジスタN2はN1に比
べ WN 1/LN1《WN2/LN2としてあるので、図4に示
すように十分大きな電流が流れ、非常に短い時間にVou
t=VinーVTN2まで変化させる。この後は,N1のみが
オンとなるのでゆっくり変化しVout=Vinとなる。こ
の変化の様子を図6(b)に示す。図6(c)は図5に
おいて部分回路Aのみの場合の追随性を示したものであ
り、回路Bを付与することにより回路の一層の高速化が
達成されることが分かる。
TN2になったとすると、トランジスタN1と同時にトラ
ンジスタN2もオンする。トランジスタN2はN1に比
べ WN 1/LN1《WN2/LN2としてあるので、図4に示
すように十分大きな電流が流れ、非常に短い時間にVou
t=VinーVTN2まで変化させる。この後は,N1のみが
オンとなるのでゆっくり変化しVout=Vinとなる。こ
の変化の様子を図6(b)に示す。図6(c)は図5に
おいて部分回路Aのみの場合の追随性を示したものであ
り、回路Bを付与することにより回路の一層の高速化が
達成されることが分かる。
【0029】Vinが減少する方向に変化したときも同様
で、VGS=Vin−Vout<VTP2となれば、P2がオンし
て大きな放電電流が流れ、やはり高速にVoutは変化す
る。
で、VGS=Vin−Vout<VTP2となれば、P2がオンし
て大きな放電電流が流れ、やはり高速にVoutは変化す
る。
【0030】本実施例では、VoutをVinの変化に即座
に追随させるため、電流駆動力の大きなNMOS(N
2)とPMOS(P2)を用意し、これにより急速に充
放電を起こさせるものであるが、一定のレベルを保持す
るために流される電流は、電流駆動力の小さなトランジ
スタ(N1,P1)で決まるため、定常的な消費電力を
小さく保つことができるという特徴を有す。この回路は
大きな容量負荷を駆動する場合に特に有効である。 (実施例5)実施例4では、図4で示される各トランジ
スタのしきい値を VTP2<VTN1<VTP1<VTN2 が満足するように設定したが、これを VTN1<VTP2<VTN2<VTP1 としてもよい。この場合の各トランジスタに流れる電流
は図7で表される。図7が示すように、VoutがVinに
より近い値に接近するまで電流駆動力の大きなトランジ
スタN2あるいはP2がオンしているため実施例4の図
5の場合より一層高速化を図ることが可能となる。 (実施例6)第6の実施例を図8に示す。本実施例は、
第1の実施例のゲート電極をフローティング803と
し、これと容量結合する制御電極804a,804b,
804cを設けたものである。各制御電極への入力電圧
をV1,V2,V3とすると、フローティングゲート80
3の電位φFは、 で表される。ここで、 CTOT=C1+C2+C3+COP+CON C1〜C3:制御電極とフローティングゲート間の容量結
合係数 COP、CON:PMOS,NMOS部のフローティングゲ
ートと基板間の容量結合係数 QF:フローティングゲート内の電荷の総量。
に追随させるため、電流駆動力の大きなNMOS(N
2)とPMOS(P2)を用意し、これにより急速に充
放電を起こさせるものであるが、一定のレベルを保持す
るために流される電流は、電流駆動力の小さなトランジ
スタ(N1,P1)で決まるため、定常的な消費電力を
小さく保つことができるという特徴を有す。この回路は
大きな容量負荷を駆動する場合に特に有効である。 (実施例5)実施例4では、図4で示される各トランジ
スタのしきい値を VTP2<VTN1<VTP1<VTN2 が満足するように設定したが、これを VTN1<VTP2<VTN2<VTP1 としてもよい。この場合の各トランジスタに流れる電流
は図7で表される。図7が示すように、VoutがVinに
より近い値に接近するまで電流駆動力の大きなトランジ
スタN2あるいはP2がオンしているため実施例4の図
5の場合より一層高速化を図ることが可能となる。 (実施例6)第6の実施例を図8に示す。本実施例は、
第1の実施例のゲート電極をフローティング803と
し、これと容量結合する制御電極804a,804b,
804cを設けたものである。各制御電極への入力電圧
をV1,V2,V3とすると、フローティングゲート80
3の電位φFは、 で表される。ここで、 CTOT=C1+C2+C3+COP+CON C1〜C3:制御電極とフローティングゲート間の容量結
合係数 COP、CON:PMOS,NMOS部のフローティングゲ
ートと基板間の容量結合係数 QF:フローティングゲート内の電荷の総量。
【0031】そこで、例えばβR=1,|VTN|=VTP
とすると Vout=φF=w1V1+w2V2+w3V3+QF/CTOT wi=Ci/CTOT となる。ここでQF=0とすれば Vout = w1V1+w2V2+w3V3 となり、入力電圧の線形和を計算する回路が実現でき
る。
とすると Vout=φF=w1V1+w2V2+w3V3+QF/CTOT wi=Ci/CTOT となる。ここでQF=0とすれば Vout = w1V1+w2V2+w3V3 となり、入力電圧の線形和を計算する回路が実現でき
る。
【0032】また、QF≠0とすることにより、オフセ
ットを加えることも可能である。QFを変化させるに
は、V1,V2,V3に高電圧を印加し、ゲート酸化膜を
通し電子を注入したり、あるいは放出させればよい。
ットを加えることも可能である。QFを変化させるに
は、V1,V2,V3に高電圧を印加し、ゲート酸化膜を
通し電子を注入したり、あるいは放出させればよい。
【0033】更に、図8において各コンデンサの容量を
C2=2C1,C3=22C1(即ち、w2=2w1,w3=2
2w1)と設計し、入力電圧V1,V2,V3をVi=XiV
DD(Xi=1or0)のように2値信号とすると、Vout
は、 Vout=w1VDD(X1+2X2+22X3) となり、3ビットの2進数をD/A変換する回路が実現
できる。同様にして、nビットのD/A変換回路を容易
に作ることが可能となる。
C2=2C1,C3=22C1(即ち、w2=2w1,w3=2
2w1)と設計し、入力電圧V1,V2,V3をVi=XiV
DD(Xi=1or0)のように2値信号とすると、Vout
は、 Vout=w1VDD(X1+2X2+22X3) となり、3ビットの2進数をD/A変換する回路が実現
できる。同様にして、nビットのD/A変換回路を容易
に作ることが可能となる。
【0034】また、図8の回路を実施例4と同様にして
図9に示すように電流駆動能力の大きな回路を付加する
ことにより、回路のより一層の高速化が達成できる。
図9に示すように電流駆動能力の大きな回路を付加する
ことにより、回路のより一層の高速化が達成できる。
【0035】
【発明の効果】本発明により、電圧ゲインがほぼ1に等
しいソースフォロワ回路が実現でき、一定の電位を保持
している際の消費電力をほぼゼロとすることができ、電
位の変化に対しては非常に高速に応答できる回路を実現
することが可能となる。
しいソースフォロワ回路が実現でき、一定の電位を保持
している際の消費電力をほぼゼロとすることができ、電
位の変化に対しては非常に高速に応答できる回路を実現
することが可能となる。
【図1】実施例1の回路を示す概念図。
【図2】実施例1の回路を流れる電流とVGSの関係を示
すグラフ。
すグラフ。
【図3】実施例3の回路を流れる電流とVGSの関係を示
すグラフ。
すグラフ。
【図4】実施例4の回路を示す概念図。
【図5】実施例4の回路を流れる電流とVGSの関係を示
すグラフ。
すグラフ。
【図6】実施例4の回路における出力電圧の応答性を示
すグラフ。
すグラフ。
【図7】実施例5の回路を流れる電流とVGSの関係を示
すグラフ。
すグラフ。
【図8】実施例6の回路を示す概略図。
【図9】実施例6の他の回路を示す概略図。
【図10】従来のソースフォロワー回路を示す概念図。
【図11】従来のソースフォロワー回路における出力電
圧の応答性を示すグラフ。
圧の応答性を示すグラフ。
101 NMOSトランジスタ、 101a ソース、 101b ドレイン、 102 PMOSトランジスタ、 102a ソース、 102b ドレイン、 103 ゲート、 401,411 NMOSトランジスタ、 402,412 PMOSトランジスタ、 801 NMOSトランジスタ、 802 PMOSトランジスタ、 803 フローティングゲート、 804a,804b,804c 制御電極、 1001 NMOSトランジスタ、 1002 抵抗、 1003 負荷容量。
Claims (11)
- 【請求項1】 複数のnチャネルMOSトランジスタ及
びpチャネルMOSトランジスタを有する半導体装置に
おいて、第1のnチャネルMOSトランジスタのソース
と第1のpチャネルMOSトランジスタのソースが電気
的に接続され、前記第1のnチャネルMOSトランジス
タのゲート電極と前記第1のpチャネルMOSトランジ
スタのゲート電極が電気的に接続され、前記第1のnチ
ャネルMOSトランジスタのドレインが前記第1のpチ
ャネルMOSトランジスタのドレインよりも高電位とな
るよう構成し、 前記第1のnチャネルMOSトランジスタ及び前記第1
のpチャネルMOSトランジスタのソースに電気的に接
続されたソースを有する第2のnチャネルMOSトラン
ジスタ及び第2のpチャネルMOSトランジスタを有
し、前記第2のnチャネルMOSトランジスタ及び前記
第2のpチャネルMOSトランジスタのゲート電極が互
いに接続されて、且つ前記第1のnチャネルMOSトラ
ンジスタ及びpチャネルMOSトランジスタのゲート電
極とも電気的に接続されており、 前記第2のnチャネルMOSトランジスタのしきい値電
圧が、前記第1のnチャネルMOSトランジスタのしき
い値電圧よりも大きな値に設定され、前記第2のpチャ
ネルMOSトランジスタのしきい値電圧が前記第1のp
チャネルMOSトランジスタのしきい値電圧よりも小さ
な値に設定され、且つ前記第2のnチャネルMOSトラ
ンジスタのしきい値電圧が前記第2のpチャネルMOS
トランジスタのしきい値電圧よりも大となるよう設定さ
れたことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記第1のnチャネルMOSトランジス
タのドレインが電源ラインに接続され、前記第1のpチ
ャネルMOSトランジスタのドレインがアースラインに
接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体
装置。 - 【請求項3】 前記第1のnチャネルMOSトランジス
タのしきい値電圧が前記第1のpチャネルMOSトラン
ジスタのしきい値電圧よりも小さな値に設定されている
ことを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 - 【請求項4】 前記第1のnチャネルMOSトランジス
タのしきい値電圧が前記第1のpチャネルMOSトラン
ジスタのしきい値電圧に略々等しい値に設定されている
ことを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 - 【請求項5】 前記第1のnチャネルMOSトランジス
タのしきい値電圧が前記第1のpチャネルMOSトラン
ジスタのしきい値電圧よりも大きな値に設定されている
ことを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 - 【請求項6】 前記第1のnチャネルMOSトランジス
タ及び前記第1のpチャネルMOSトランジスタのゲー
ト電極がフローティングゲートであり、前記フローティ
ングゲートと絶縁膜を介して容量結合する制御ゲート電
極を複数有することを特徴とする請求項1乃至5のいず
れか1項に記載の半導体装置。 - 【請求項7】 複数のnチャネルMOSトランジスタ及
びpチャネルMOSトランジスタを有する半導体装置に
おいて、第1のnチャネルMOSトランジスタのソース
と第1のpチャネルMOSトランジスタのソースが電気
的に接続され、前記第1のnチャネルMOSトランジス
タのゲート電極と前記第1のpチャネルMOSトランジ
スタのゲート電極が電気的に接続され、前記第1のnチ
ャネルMOSトランジスタのドレインが前記第1のpチ
ャネルMOSトランジスタのドレインよりも高電位とな
るよう構成し、 前記第1のnチャネルMOSトランジスタ及び前記第1
のpチャネルMOSトランジスタのゲート電極がフロー
ティングゲートであり、前記フローティングゲートと絶
縁膜を介して容量結合する制御ゲート電極を複数有する
ことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項8】 前記第1のnチャネルMOSトランジス
タのドレインが電源ラインに接続され、前記pチャネル
MOSトランジスタのドレインがアースラインに接続さ
れていることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。 - 【請求項9】 前記第1のnチャネルMOSトランジス
タのしきい値電圧が前記第1のpチャネルMOSトラン
ジスタのしきい値電圧よりも小さな値に設定されている
ことを特徴とする請求項7または8記載の半導体装置。 - 【請求項10】 前記第1のnチャネルMOSトランジ
スタのしきい値電圧が前記第1のpチャネルMOSトラ
ンジスタのしきい値電圧に略々等しい値に設定されてい
ることを特徴とする請求項7または8記載の半導体装
置。 - 【請求項11】 前記第1のnチャネルMOSトランジ
スタのしきい値電圧が前記第1のpチャネルMOSトラ
ンジスタのしきい値電圧よりも大きな値に設定されてい
ることを特徴とする請求項7または8記載の半導体装
置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4024757A JP2686014B2 (ja) | 1992-01-14 | 1992-01-14 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4024757A JP2686014B2 (ja) | 1992-01-14 | 1992-01-14 | 半導体装置 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP03013780A Division JP3122756B2 (ja) | 1989-06-02 | 1991-01-12 | 半導体装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06112427A JPH06112427A (ja) | 1994-04-22 |
JP2686014B2 true JP2686014B2 (ja) | 1997-12-08 |
Family
ID=12147022
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4024757A Expired - Fee Related JP2686014B2 (ja) | 1992-01-14 | 1992-01-14 | 半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2686014B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10224224A (ja) * | 1997-02-03 | 1998-08-21 | Sunao Shibata | 半導体演算装置 |
JPH10283793A (ja) * | 1997-02-06 | 1998-10-23 | Sunao Shibata | 半導体回路 |
JPH10260817A (ja) | 1997-03-15 | 1998-09-29 | Sunao Shibata | 半導体演算回路及びデ−タ処理装置 |
JPH10257352A (ja) | 1997-03-15 | 1998-09-25 | Sunao Shibata | 半導体演算回路 |
JP4066211B2 (ja) * | 1997-06-06 | 2008-03-26 | 財団法人国際科学振興財団 | 電荷転送増幅回路、電圧比較器及びセンスアンプ |
JPH1196276A (ja) | 1997-09-22 | 1999-04-09 | Sunao Shibata | 半導体演算回路 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH02158213A (ja) * | 1988-12-09 | 1990-06-18 | Nec Corp | Cmos半導体集積回路の出力バッファ回路 |
-
1992
- 1992-01-14 JP JP4024757A patent/JP2686014B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH06112427A (ja) | 1994-04-22 |
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