JP3073064B2 - 多入力論理回路及び半導体メモリ - Google Patents

多入力論理回路及び半導体メモリ

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JP3073064B2 JP03277483A JP27748391A JP3073064B2 JP 3073064 B2 JP3073064 B2 JP 3073064B2 JP 03277483 A JP03277483 A JP 03277483A JP 27748391 A JP27748391 A JP 27748391A JP 3073064 B2 JP3073064 B2 JP 3073064B2
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博昭 南部
紀之 本間
一男 金谷
陽治 出井
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電界効果トランジスタを
用いた多入力論理回路に係り、特に、高速化に有効な回
路技術に関する。
【0002】
【従来の技術】図2に、電界効果トランジスタの一つで
あるMOSトランジスタで構成した従来のn入力NOR
論理回路を示す(nは2以上の整数)。本図で、X1〜
Xnはn個の入力信号、/(X1+X2+・・・+X
n)は出力信号である。(以下では、信号Aの反転信号
を/Aと書き表す。) 本回路では、入力信号X1〜X
nが全てLレベルの時、出力信号がHレベルになり、そ
の他の時は出力信号はLレベルになる。本従来例では、
出力信号がHレベルからLレベルに切り換わるのは比較
的高速である。しかし、入力数nが大きくなると、出力
信号がLレベルからHレベルに切り換わるのが低速にな
るという点については考慮されていなかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】図2の従来例におい
て、出力信号がLレベルからHレベルに切り換わる時間
trは、tr≒n×R×C となる。(ここで、nは入
力数、RはPMOSトランジスタのオン抵抗、Cは出力
端子の負荷容量である。) すなわち、trは、nに比
例して増加する。このようにtrがnに比例して増加す
る原因は、n個のPMOSトランジスタを縦積みに接続
しているためである。
【0004】本発明の目的は、トランジスタを縦積みに
せずに論理回路を構成し、入力数nが増加しても、切り
換わり時間が増加しない多入力論理回路を提供すること
にある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的は、多入力論理
回路を、ゲートが入力端子に接続され、ソースが第一の
接続点に接続され、ドレインが第二の接続点に接続され
る複数の第一導電形の電界効果トランジスタと、ゲート
が入力端子に接続され、ソースが第三の接続点に接続さ
れ、ドレインが第四の接続点に接続される複数の第二導
電形の電界効果トランジスタと、ゲートが第二の接続点
に接続され、ソースが第一の接続点に接続され、ドレイ
ンが第四の接続点に接続される第一導電形の電界効果ト
ランジスタと、ゲートが第四の接続点に接続され、ソー
スが第三の接続点に接続され、ドレインが第二の接続点
に接続される第二導電形の電界効果トランジスタとで構
成し、少なくとも第二の接続点または第四の接続点を出
力端子に接続することにより達成される。
【0006】
【作用】この多入力論理回路は、トランジスタを縦積み
にせずに論理回路を構成しているので、入力数nが増加
しても、切り換わり時間が増加しない。以下、このこと
を実施例を用いて詳細に説明する。
【0007】
【実施例】図1は、本発明の第一の実施例を示す図であ
る。本図は、図2と同様、電界効果トランジスタの一つ
であるMOSトランジスタで構成したn入力NOR論理
回路である。本図で、X1〜Xn及び/X1〜/Xnは
入力信号、/(X1+X2+・・・+Xn)は出力信号
である。本回路は、本発明に従い、多入力論理回路をゲ
ートが入力端子/X1〜/Xnに接続され、ソースが第
一の接続点(接地点)に接続され、ドレインが第二の接
続点に接続されるn個のPMOSトランジスタと、ゲー
トが入力端子X1〜Xnに接続され、ソースが第三の接
続点(電源)に接続され、ドレインが第四の接続点に接
続されるn個のNMOSトランジスタと、ゲートが第二
の接続点に接続され、ソースが第一の接続点(接地点)
に接続され、ドレインが第四の接続点に接続されるPM
OSトランジスタMPと、ゲートが第四の接続点に接続
され、ソースが第三の接続点(電源)に接続され、ドレ
インが第二の接続点に接続されるNMOSトランジスタ
MNとで構成し、第四の接続点を出力端子に接続してい
る。
【0008】本回路では、入力信号X1〜Xnが全てL
レベル、すなわち入力信号/X1〜/Xnが全てHレベ
ルの時、出力信号がHレベルになり、その他の時は出力
信号はLレベルになる。本例で、出力信号がHレベルか
らLレベルに切り換わる時間は図2とほぼ同じである。
しかし、本例ではトランジスタを縦積みにせずに論理回
路を構成しているので、出力信号がLレベルからHレベ
ルに切り換わる時間trは、原理的には、tr≒R×C
となり(ここで、nは入力数、RはPMOSトランジ
スタのオン抵抗、Cは出力端子の負荷容量である)、図
2のtr≒n×R×C に比較し、n倍高速となる。こ
こで、実際には、PMOSトランジスタMPとNMOS
トランジスタMNとがオンするまでに、Δtrの時間が
かかるので、trはtr≒R×C+Δtr となる。こ
のΔtrを小さくするには、MPまたはMNをデプレッ
ション形にし常にオンさせておくか、あるいは、第二の
接続点または第四の接続点にバイアス電流を供給する手
段を設け(後述)、MPまたはMNのゲート電圧の変化
を高速化すればよい。しかし、バイアス電流を大きくす
ると消費電力が増加するので、Δtrが十分小さくなる
範囲で、バイアス電流をなるべく小さく設定するのが望
ましい。
【0009】本発明の効果を定量化するために、図1の
回路について回路シミュレーションを行い、切り換わり
時間を求めた。その結果を図3に示す。図3には、図2
の回路の切り換わり時間を回路シミュレーションで求め
た結果も併記してある。本図から、例えば信号の入力数
nが5の場合、本発明により、切り換わり時間を従来の
約1/3に低減できることがわかる。
【0010】図4は、本発明の第二の実施例を示す図で
ある。本図も電界効果トランジスタの一つであるMOS
トランジスタで多入力論理回路を構成した例を示してい
る。本例では、信号の入力数nが2の場合を示してい
る。本例が、図1と異なる点は、図1ではNOR出力
(/(X1+X2+・・・+Xn))のみを出力してい
たのに対し、本例ではNOR出力(/(A+B))とO
R出力(A+B)の両方を出力している点のみが異な
る。よって、本例でも図1で述べた議論が同様に成立
し、入力数nを増加しても、切り換わり時間が増加しな
い。
【0011】図5は、本発明の第三の実施例を示す図で
ある。本図もMOSトランジスタで多入力論理回路を構
成した例を示している。本例では、信号の入力数nが2
の場合を示している。本例が、図4と異なる点は、図4
がOR(NOR)回路であったのに対し、本例はAND
(NAND)回路である点のみが異なる。よって、本例
でも図1で述べた議論が同様に成立し、入力数nを増加
しても、切り換わり時間が増加しない。
【0012】図6は、本発明の第四の実施例を示す図で
ある。本図はMOSトランジスタで構成した多入力論理
回路の出力部分にバイポーラトランジスタを付加し、B
iCMOS論理回路を構成した例を示している。本例で
は、信号の入力数nが2の場合を示している。本例のM
OSトランジスタで構成した多入力論理回路は、図1で
示した回路と全く同じなので、本例でも図1で述べた議
論が同様に成立し、入力数nを増加しても、切り換わり
時間が増加しない。なお、本例で出力部分にバイポーラ
トランジスタを付加した理由は、一般にバイポーラトラ
ンジスタは、負荷駆動能力が大きく、論理回路の切り換
わり時間をさらに低減できるからである。
【0013】図7は、本発明の第五の実施例を示す図で
ある。本図はMOSトランジスタで構成した多入力論理
回路の出力部分にNPN及びPNPバイポーラトランジ
スタを付加し、CBiCMOS論理回路を構成した例を
示している。本例では、信号の入力数nが2の場合を示
している。本例のMOSトランジスタで構成した多入力
論理回路は、図1で示した回路と全く同じなので、本例
でも図1で述べた議論が同様に成立し、入力数nを増加
しても、切り換わり時間が増加しない。なお、本例で、
図示したように出力部分にNPN及びPNPバイポーラ
トランジスタを付加した理由は、特願平2−13128
7号公報に記載のように、従来のBiCMOS論理回路
では入力信号振幅に比べ出力信号振幅が小さくなってし
まうという欠点を無くすことができるからである。
【0014】図8は、本発明の第六の実施例を示す図で
ある。本図は図7の回路で半導体メモリのデコーダを構
成した例を示している。本図で、ADRはアドレス入力
信号、ABはアドレスバッファ、DECはデコーダ、M
Cはメモリセルである。半導体メモリは年々高集積化が
進み、これに伴いデコーダDECに入力される信号の数
が急激に増加している。例えば1Mビットのメモリで
は、X系のデコーダ、Y系のデコーダそれぞれ入力数が
10となる。なお、本例では、図を簡素化するために、
入力数を2にしている。 よって、このデコーダDEC
に従来の多入力論理回路を使用すると、切り換わり時間
が著しく増加しアクセス時間の増加をもたらす。これに
対し、図8のように本発明の多入力論理回路を使用する
と入力数が増加しても、切り換わり時間が増加せず、ア
クセス時間も増加しない。
【0015】図9は、本発明の第七の実施例を示す図で
ある。本例が、図4の回路と異なる点は、抵抗Rが付加
されている点のみである。よって、本例でも図1で述べ
た議論が同様に成立し、入力数nを増加しても、切り換
わり時間が増加しない。なお、本例で抵抗Rを付加した
理由は、図1で述べたPMOSトランジスタMPとNM
OSトランジスタMNとがオンするのに要する時間Δt
rを小さくするためである。すなわち、抵抗RはMN,
MPのゲートにバイアス電流を供給し、ゲート電圧の変
化を高速化する効果がある。
【0016】図10は、本発明の第八の実施例を示す図
である。本例が、図4の回路と異なる点は、NMOSト
ランジスタMRが付加されている点のみである。よっ
て、本例でも図1で述べた議論が同様に成立し、入力数
nを増加しても、切り換わり時間が増加しない。なお、
本例でMRを付加した理由は、図1で述べたPMOSト
ランジスタMPとNMOSトランジスタMNとがオンす
るのに要する時間Δtrを小さくするためである。すな
わち、MRはMRのゲートに適当な定電圧VGを印加す
ることによりMN,MPのゲートにバイアス電流を供給
し、ゲート電圧の変化を高速化する効果がある。なお、
本例のMRはPMOSトランジスタであってもよい。
【0017】図11は、本発明の第九の実施例を示す図
である。本例が、図4の回路と異なる点は、NMOSト
ランジスタMRが付加されている点のみである。よっ
て、本例でも図1で述べた議論が同様に成立し、入力数
nを増加しても、切り換わり時間が増加しない。なお、
本例でMRを付加した理由は、図10と同様PMOSト
ランジスタMPとNMOSトランジスタMNとがオンす
るのに要する時間Δtrを小さくするためである。ただ
し、本例ではMRのゲートにクロック信号CLKを入力
することにより、MN,MPのゲートにバイアス電流を
供給しゲート電圧が変化するタイミングをCLKで制御
できるようにしている。このように本論理回路にラッチ
機能を付加すると、例えば特願昭63−320379号
公報に記載のラッチ回路に本回路を使用することができ
る。なお、本例のMRはPMOSトランジスタであって
もよい。
【0018】
【発明の効果】本発明によれば、多入力論理回路の入力
数が増加しても、切り換わり時間は増加せず、例えば、
信号の入力数nが5の場合、本発明により、切り換わり
時間を従来の約1/3に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例を示す回路図。
【図2】従来例を示す回路図。
【図3】本発明の効果を示す説明図。
【図4】本発明の第二の実施例を示す回路図。
【図5】本発明の第三の実施例を示す回路図。
【図6】本発明の第四の実施例を示す回路図。
【図7】本発明の第五の実施例を示す回路図。
【図8】本発明の第六の実施例を示す回路図。
【図9】本発明の第七の実施例を示す回路図。
【図10】本発明の第八の実施例を示す回路図。
【図11】本発明の第九の実施例を示す回路図。
【符号の説明】
MP…PMOSトランジスタ、MN…NMOSトランジ
スタ、X1〜Xn,A,B…入力信号、ADR…アドレ
ス入力信号、AB…アドレスバッファ、DEC…デコー
ダ、MC…メモリセル、R…抵抗。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金谷 一男 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 出井 陽治 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 大畠 賢一 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイ スエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 櫻井 義彰 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイ スエンジニアリング株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 19/0944

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ゲートが入力端子に接続され、ソースが第
    一の接続点に接続され、ドレインが第二の接続点に接続
    される複数の第一導電形の電界効果トランジスタと、 ゲートが入力端子に接続され、ソースが第三の接続点に
    接続され、ドレインが第四の接続点に接続される複数の
    第二導電形の電界効果トランジスタと、 ゲートが前記第二の接続点に接続され、ソースが前記第
    一の接続点に接続され、ドレインが前記第四の接続点に
    接続される第一導電形の電界効果トランジスタと、 ゲートが前記第四の接続点に接続され、ソースが前記第
    三の接続点に接続され、ドレインが前記第二の接続点に
    接続される第二導電形の電界効果トランジスタとで構成
    され、少なくとも前記第二の接続点または前記第四の接
    続点を出力端子に接続したことを特徴とする多入力論理
    回路。
  2. 【請求項2】前記請求項1において、第一の接続点にベ
    ースが接続され、エミッタが第一の電圧源に接続され、
    コレクタが前記第二または第四の接続点に接続されるP
    NPバイポーラトランジスタと、前記第三の接続点にベ
    ースが接続され、エミッタが第二の電圧源に接続され、
    コレクタが前記第二または第四の接続点に接続されるN
    PNバイポーラトランジスタとを含む多入力論理回路。
  3. 【請求項3】請求項1または2において、ゲートが第二
    の接続点に接続され、ソースが前記第一の接続点に接続
    され、ドレインが前記第四の接続点に接続される第一導
    電形の電界効果トランジスタ、 または、 ゲートが前記第四の接続点に接続され、ソースが前記第
    三の接続点に接続され、ドレインが前記第二の接続点に
    接続される第二導電形の電界効果トランジスタの少なく
    とも一方を、デプレッション形にした多入力論理回路。
  4. 【請求項4】請求項1または2において、前記第二の接
    続点または第四の接続点にバイアス電流を供給する手段
    を設けた多入力論理回路。
  5. 【請求項5】ドレインまたはソースが前記第二の接続点
    に接続され、ソースまたはドレインが前記第四の接続点
    に接続され、ゲートにクロック信号が入力される電界効
    果トランジスタを設けた多入力論理回路。
  6. 【請求項6】請求項1、2、3、4または5において、
    多入力論理回路でデコーダを構成した半導体メモリ。
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