JP3008426B2 - BiCMOS gate circuit - Google Patents
BiCMOS gate circuitInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はBiCMOSゲート回路に関し、特に低電圧動作に
おいても高負荷駆動能力と低消費電力性の特質を両立さ
せることができるBiCMOSゲート回路に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a BiCMOS gate circuit, and more particularly to a BiCMOS gate circuit capable of achieving both characteristics of high load driving capability and low power consumption even at a low voltage operation.
最近、CMOS回路の低消費電力性とバイポーラトランジ
スタの高電流駆動能力との両方の長所を活かした複合回
路であるBiCMOSゲート回路が開発され実用になってい
る、この回路では論理はCMOS回路で行ない、負荷駆動を
バイポーラトランジスタで行なっている。第3図は従来
例である2入力NANADゲートの回路図である。図におい
て、P11,P12はPチャネルMOSFET、N11,N12,N13,N14,N15
はNチャネルMOSFET、Q11,Q12はNPNバイポーラトランジ
スタ、1および2は2つの入力端子、3は出力端子、4
は高電位電源、5は低電位電源である。Recently, a BiCMOS gate circuit, which is a composite circuit that takes advantage of both the low power consumption of CMOS circuits and the high current driving capability of bipolar transistors, has been developed and put into practical use. In this circuit, logic is performed by CMOS circuits. The load is driven by bipolar transistors. FIG. 3 is a circuit diagram of a conventional two-input NANAD gate. In the figure, P11 and P12 are P-channel MOSFETs, N11, N12, N13, N14, N15
Is an N-channel MOSFET, Q11 and Q12 are NPN bipolar transistors, 1 and 2 are two input terminals, 3 is an output terminal,
Is a high-potential power supply, and 5 is a low-potential power supply.
次に従来回路の動作を説明する。2つの入力端子1,2
の少なくとも一方に低レベルの信号が加わると、Pチャ
ネルMOSFET P11,P12の少なくとも一方がオン状態とな
ってNPN型バイポーラトランジスタQ11のベースを充電す
るのでQ11がオン状態となって負荷を高速に充電する。
この時NチャネルMOSFET N13とN14は少なくとも一方が
オフ状態となっているために、Q11の動作状態に影響を
与えることはない。また、NチャネルMOSFET N11とN12
は少なくとも一方がオフ状態となっており、Nチャネル
MOSFET N15はオン状態となっているために、NPN型バイ
ポーラトランジスタQ12のベースは放電されてオフ状態
になっている。2つの入力端子の両方に高レベルの信号
が加わると、NチャネルMOSFET N11,N12の両方がオン
状態となり、NPN型バイポーラトランジスタQ12のベース
を充電し、Q12がオン状態となって負荷を高速に放電す
る。この時、PチャネルMOSFET P11とP12は両方ともオ
フ状態となっており、NチャネルMOSFET N13とN14は両
方ともオン状態となっているため、NPN型バイポーラト
ランジスタQ11のベースは放電されてオフ状態になって
いる。Next, the operation of the conventional circuit will be described. Two input terminals 1, 2
When a low level signal is applied to at least one of the transistors, at least one of the P-channel MOSFETs P11 and P12 is turned on to charge the base of the NPN bipolar transistor Q11. I do.
At this time, since at least one of the N-channel MOSFETs N13 and N14 is in the off state, it does not affect the operation state of Q11. Also, N-channel MOSFETs N11 and N12
At least one is in the off state, and N channel
Since the MOSFET N15 is turned on, the base of the NPN bipolar transistor Q12 is discharged and turned off. When a high level signal is applied to both of the two input terminals, both N-channel MOSFETs N11 and N12 are turned on, charging the base of the NPN bipolar transistor Q12 and turning on Q12 to speed up the load. Discharge. At this time, the P-channel MOSFETs P11 and P12 are both off, and the N-channel MOSFETs N13 and N14 are both on, so that the base of the NPN bipolar transistor Q11 is discharged and turned off. Has become.
しかしながら上述した従来のBiCMOSゲート回路は、MO
SFETの性能を向上させるためにスケーリングによる微細
化が行なわれているので、ゲート長がハーコミクロン以
下になると、種々の信頼性上の問題により電源電圧を下
げざるおえない状況になっている。今、NチャネルMOSF
ET N12に着目してみるとリース端子はバイポーラトラ
ンジスタQ12のベース端子に接続されている。そのため
にN12でQ12のベースを充電していくと、ベース電位すな
わちN12のソース電位が上昇してN12のゲート・ソース間
電位が小さくなってしまう。したがって、N12のドレイ
ン電流が小さくなってQ12を高速にオン状態にできなく
なり、動作速度が劣化してしまう欠点がある。この影響
は電源電圧を下げていくほど顕著となり、例えばN12の
ゲート電圧が例えば3.0Vの場合に、通常バイポーラトラ
ンジスタのベース電位は1.0V程度まで上昇するためにド
レイン電流は半分以下になって動作速度が大幅に劣化し
まう。However, the conventional BiCMOS gate circuit described above is
Since the miniaturization by scaling is performed to improve the performance of the SFET, when the gate length becomes less than Hercomicron, the power supply voltage has to be reduced due to various reliability problems. Now, N channel MOSF
Looking at ETN12, the lease terminal is connected to the base terminal of the bipolar transistor Q12. Therefore, when the base of Q12 is charged with N12, the base potential, that is, the source potential of N12 increases, and the gate-source potential of N12 decreases. Therefore, there is a disadvantage that the drain current of N12 becomes small and Q12 cannot be turned on at high speed, and the operating speed is deteriorated. This effect becomes more pronounced as the power supply voltage is lowered.For example, when the gate voltage of N12 is 3.0 V, for example, the base current of a bipolar transistor usually rises to about 1.0 V, and the drain current becomes less than half. The speed is greatly reduced.
〔課題を解決するための手段〕 本発明のBiCMOSゲート回路は、第1及び第2の入力端
子を有するCMOS論理回路の出力にNPN型バイポーラトラ
ンジスタのベース電極とPNP型バイポーラトランジスタ
のベース電極を接続し、前記NPN型バイポーラトランジ
スタエミッタ電極と前記PNP型バイポーラトランジスタ
エミッタ電極とを共通接続して出力端子とし、前記NPN
型バイポーラトランジスタのコレクタ電極を高電位電源
に接続し、前記PNP型バイポーラトランジスタのコレク
タ電極を低電位電源に接続したBiCMOSゲート回路であっ
て、前記高電位電源と前記出力端子間に並列接続された
第1及び第2のPチャネルMOSFETが接続され、前記低電
位電源と前記出力端子間に直列接続された第1及び第2
のNチャネルMOSFETが接続され、前記第1のPチャネル
MOSFETのゲート電極及び前記第1のNチャネルMOSFETの
ゲート電極が前記第1の入力端子に接続し、前記第2の
PチャネルMOSFETのゲート電極及び前記第2のNチャネ
ルMOSFETのゲート電極が前記第2の入力端子に接続し、
前記出力端子がLレベルの際には前記第1及び第2のP
チャネルMOSFETがオフ状態、前記第1及び第2のNチャ
ネルMOSFETがオン状態となり、前記出力端子がHレベル
の際には前記第1及び第2のPチャネルMOSFETのうち少
なくとも一方がオン状態、前記第1及び第2のNチャネ
ルMOSFETのうち少なくとも一方がオフ状態となることを
特徴とする。[Means for Solving the Problems] In the BiCMOS gate circuit of the present invention, a base electrode of an NPN bipolar transistor and a base electrode of a PNP bipolar transistor are connected to an output of a CMOS logic circuit having first and second input terminals. The NPN-type bipolar transistor emitter electrode and the PNP-type bipolar transistor emitter electrode are connected in common to form an output terminal;
A BiCMOS gate circuit in which the collector electrode of the P-type bipolar transistor is connected to a high-potential power supply, and the collector electrode of the PNP-type bipolar transistor is connected to a low-potential power supply, and is connected in parallel between the high-potential power supply and the output terminal. First and second P-channel MOSFETs are connected, and first and second P-channel MOSFETs are connected in series between the low potential power supply and the output terminal.
N-channel MOSFET is connected to the first P-channel MOSFET.
A gate electrode of a MOSFET and a gate electrode of the first N-channel MOSFET are connected to the first input terminal, and a gate electrode of the second P-channel MOSFET and a gate electrode of the second N-channel MOSFET are connected to the first input terminal. 2 input terminal,
When the output terminal is at L level, the first and second P
The channel MOSFET is turned off, the first and second N-channel MOSFETs are turned on, and when the output terminal is at the H level, at least one of the first and second P-channel MOSFETs is turned on; At least one of the first and second N-channel MOSFETs is turned off.
次に本発明について図面を参照して説明する。 Next, the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図は本発明に関連する技術の回路図である。第1
図において、P1,P2はPチャネルMOSFET、N1,N2はNチャ
ネルMOSFET、Q1はNPN型バイポーラトランジスタ、Q2はP
NP型バイポーラトランジスタ、1,2は入力端子、3は出
力端子、4は高電位電源、5は低電位電源である。2つ
の入力端子の少なくとも一方に低レベルの信号が加わる
と、PチャネルMOSFETP P1,P2の少なくとも一方がオン
状態となり、NPN型バイポーラトランジスタQ1のベース
を充電し、Q1がオン状態となって負荷を高速に充電す
る。この時NチャネルMOSFET N1,N2は少なくとも一方
がオフ状態となっており、またPNP型バイポーラトラン
ジスタQ2のベース・エミッタ間は逆バイアス状態となっ
ているために、Q1の動作状態に影響を与えることはな
い。2つの入力端子の両方に高レベルの信号が加わる
と、NチャネルMOSFET N1とN2がオン状態となり、PNP
型バイポーラトランジスタQ2のベースを放電し、Q2がオ
ン状態となって負荷を高速に放電する。この時Pチャネ
ルMOSFET P1,P2は両方ともオフ状態となっており、ま
たNPN型バイポーラトランジスタQ1のベース・エミッタ
間は逆バイアス状態となっているために、Q2の動作状態
に影響を与えることはない。FIG. 1 is a circuit diagram of a technique related to the present invention. First
In the figure, P1 and P2 are P-channel MOSFETs, N1 and N2 are N-channel MOSFETs, Q1 is an NPN-type bipolar transistor, and Q2 is a P-channel MOSFET.
NP-type bipolar transistors, 1, 2 are input terminals, 3 is an output terminal, 4 is a high-potential power supply, and 5 is a low-potential power supply. When a low-level signal is applied to at least one of the two input terminals, at least one of the P-channel MOSFETs P P1 and P2 is turned on, charging the base of the NPN bipolar transistor Q1, turning on Q1 and loading the load. Charge fast. At this time, at least one of the N-channel MOSFETs N1 and N2 is in an off state, and the base-emitter of the PNP bipolar transistor Q2 is in a reverse-biased state. There is no. When a high level signal is applied to both of the two input terminals, the N-channel MOSFETs N1 and N2 are turned on, and the PNP
The base of the bipolar transistor Q2 is discharged, and Q2 is turned on to rapidly discharge the load. At this time, both the P-channel MOSFETs P1 and P2 are off, and the base-emitter of the NPN bipolar transistor Q1 is in a reverse-biased state. Absent.
図1の具体的なトランジスタサイズの一例を示すと、
高電位電源電圧が3.3V、低電位電源電圧が0V、負荷容量
が1.0pFの場合に、MOSFETはゲート酸化膜厚が100A,チャ
ネル長が0.5μm,チャネル幅が20μmであり、バイポー
ラトランジスタのエミッタが0.8μm×10μmである。
高速動作のためにはMOSFETのドレイン容量とバイポーラ
トランジスタのベース周りの容量をできるだけ小さくす
ることが望ましい。An example of a specific transistor size in FIG.
When the high-potential power supply voltage is 3.3 V, the low-potential power supply voltage is 0 V, and the load capacitance is 1.0 pF, the MOSFET has a gate oxide film thickness of 100 A, a channel length of 0.5 μm, a channel width of 20 μm, and a bipolar transistor emitter. Is 0.8 μm × 10 μm.
For high-speed operation, it is desirable to minimize the drain capacitance of the MOSFET and the capacitance around the base of the bipolar transistor as much as possible.
次に本発明の実施例を第2図の回路図により説明す
る。回路は2入力NANDゲートの一例である。P1,P2,P3,P
4はPチャネルMOSFET、N1,N2,N3,N4はNチャネルMOSFE
T、Q1はNPN型バイポーラトランジスタ、Q2はPNP型バイ
ポーラトランジスタ、1,2は入力端子、3は出力端子、
4は高電位電源、5は低電位電源である。第2の実施例
ではPチャネルMOSFET P3,P4がNPN型バイポーラトラン
ジスタQ1と並列に接続され、NチャネルMOSFET N3,N4
がPNP型バイポーラトランジスタQ2と並列に接続されて
おり、出力電位が低電位電源電圧から高電位電源電圧ま
で完全にスイングするという利点がある。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the circuit diagram of FIG. The circuit is an example of a two-input NAND gate. P1, P2, P3, P
4 is a P-channel MOSFET, N1, N2, N3 and N4 are N-channel MOSFETs
T and Q1 are NPN bipolar transistors, Q2 is a PNP bipolar transistor, 1, 2 are input terminals, 3 is an output terminal,
4 is a high-potential power supply and 5 is a low-potential power supply. In the second embodiment, P-channel MOSFETs P3 and P4 are connected in parallel with an NPN-type bipolar transistor Q1, and N-channel MOSFETs N3 and N4
Are connected in parallel with the PNP bipolar transistor Q2, and there is an advantage that the output potential swings completely from the low potential power supply voltage to the high potential power supply voltage.
〔発明の効果〕 以上説明したように本発明はバイポーラトランジスタ
のベース電極にMOSFETのドレイン電極が接続することに
より、MOSFETのゲート・ソース間には常に大きな電圧が
かかり、電源電圧を下げても動作速度が急激に劣化しな
い効果がある。例えばMOSFETのしきい値電圧を0.5Vに設
定した場合、従来のBiCMOSゲート回路では3.0V以下の電
源電圧で使うことは実質的に無理であるが、本発明のBi
CMOSゲート回路では2.0V程度まで使うことができる。[Effect of the Invention] As described above, according to the present invention, since the drain electrode of the MOSFET is connected to the base electrode of the bipolar transistor, a large voltage is always applied between the gate and the source of the MOSFET, and the present invention operates even when the power supply voltage is lowered. There is an effect that the speed does not rapidly deteriorate. For example, if the threshold voltage of the MOSFET is set to 0.5 V, it is practically impossible to use a power supply voltage of 3.0 V or less in the conventional BiCMOS gate circuit, but the Bi of the present invention
CMOS gate circuits can use up to about 2.0V.
第1図は本発明に関連する技術の回路図、第2図は本発
明の実施例の回路図、第3図は従来のBiCMOSゲート回路
の回路図である。 P1,P2,P3,P4,P11,P12……PチャネルMOSFET、N1,N2,N3,
N4,N11,N12,N13,N14,N15……NチャネルMOSFET.Q1,Q11,
Q12……NPN型バイポーラトランジスタ、Q2……PNP型バ
イポーラトランジスタ、1,2……入力端子、3……出力
端子、4……高電位電源、5……低電位電源。FIG. 1 is a circuit diagram of a technique related to the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a circuit diagram of a conventional BiCMOS gate circuit. P1, P2, P3, P4, P11, P12 …… P-channel MOSFET, N1, N2, N3,
N4, N11, N12, N13, N14, N15 …… N-channel MOSFET.Q1, Q11,
Q12: NPN-type bipolar transistor, Q2: PNP-type bipolar transistor, 1, 2 ... Input terminal, 3 ... Output terminal, 4 ... High-potential power supply, 5 ... Low-potential power supply.
Claims (1)
回路の出力にNPN型バイポーラトランジスタのベース電
極とPNP型バイポーラトランジスタのベース電極を接続
し、前記NPN型バイポーラトランジスタエミッタ電極と
前記PNP型バイポーラトランジスタエミッタ電極とを共
通接続して出力端子とし、前記NPN型バイポーラトラン
ジスタのコレクタ電極を高電位電源に接続し、前記PNP
型バイポーラトランジスタのコレクタ電極を低電位電源
に接続したBiCMOSゲート回路であって、前記高電位電源
と前記出力端子間に並列接続された第1及び第2のPチ
ャネルMOSFETが接続され、前記低電位電源と前記出力端
子間に並列接続された第1及び第2のNチャネルMOSFET
が接続され、前記第1のPチャネルMOSFETのゲート電極
及び前記第1のNチャネルMOSFETのゲート電極が前記第
1の入力端子に接続し、前記第2のPチャネルMOSFETの
ゲート電極及び前記第2のNチャネルMOSFETのゲート電
極が前記第2の入力端子に接続し、前記出力端子がLレ
ベルの際には前記第1及び第2のPチャネルMOSFETがオ
フ状態、前記第1及び第2のNチャネルMOSFETがオン状
態となり、前記出力端子がHレベルの際には前記第1及
び第2のPチャネルMOSFETのうち少なくとも一方がオン
状態、前記第1及び第2のNチャネルMOSFETのうち少な
くとも一方がオフ状態となることを特徴とするBiCMOSゲ
ート回路。An output of a CMOS logic circuit having first and second input terminals is connected to a base electrode of an NPN-type bipolar transistor and a base electrode of a PNP-type bipolar transistor. An emitter terminal of the NPN type bipolar transistor is commonly connected to serve as an output terminal, and a collector electrode of the NPN type bipolar transistor is connected to a high potential power source, and the PNP
A BiCMOS gate circuit having a collector electrode of a bipolar transistor connected to a low-potential power supply, wherein first and second P-channel MOSFETs connected in parallel between the high-potential power supply and the output terminal are connected; First and second N-channel MOSFETs connected in parallel between a power supply and the output terminal
Are connected, the gate electrode of the first P-channel MOSFET and the gate electrode of the first N-channel MOSFET are connected to the first input terminal, and the gate electrode of the second P-channel MOSFET and the second The gate electrode of the N-channel MOSFET is connected to the second input terminal, and when the output terminal is at the L level, the first and second P-channel MOSFETs are off, and the first and second N-channel MOSFETs are turned off. When the channel MOSFET is turned on and the output terminal is at the H level, at least one of the first and second P-channel MOSFETs is turned on, and at least one of the first and second N-channel MOSFETs is turned on. A BiCMOS gate circuit which is turned off.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2040141A JP3008426B2 (en) | 1990-02-20 | 1990-02-20 | BiCMOS gate circuit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2040141A JP3008426B2 (en) | 1990-02-20 | 1990-02-20 | BiCMOS gate circuit |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03242023A JPH03242023A (en) | 1991-10-29 |
JP3008426B2 true JP3008426B2 (en) | 2000-02-14 |
Family
ID=12572500
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2040141A Expired - Lifetime JP3008426B2 (en) | 1990-02-20 | 1990-02-20 | BiCMOS gate circuit |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3008426B2 (en) |
-
1990
- 1990-02-20 JP JP2040141A patent/JP3008426B2/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
---|---|
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