JP3214580B2 - Differential amplifier - Google Patents

Differential amplifier

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JP3214580B2
JP3214580B2 JP10579793A JP10579793A JP3214580B2 JP 3214580 B2 JP3214580 B2 JP 3214580B2 JP 10579793 A JP10579793 A JP 10579793A JP 10579793 A JP10579793 A JP 10579793A JP 3214580 B2 JP3214580 B2 JP 3214580B2
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繁 丸山
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は差動増幅器に関し、特
に、バイポーラトランジスタを能動素子とし、例えば半
導体メモリのセンスアンプとして用いられるなど、1チ
ップLSI上で動作する差動増幅器に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a differential amplifier, and more particularly to a differential amplifier which operates on a one-chip LSI, for example, using a bipolar transistor as an active element and used as a sense amplifier of a semiconductor memory.

【0002】[0002]

【従来の技術】差動増幅器は、差動対を構成する二つの
トランジスタのそれぞれの制御電極にそれぞれ入力され
る二つの入力信号の差電圧を増幅するものであって、例
えば、1チップ半導体メモリにおいて、メモリセルの二
つのデジット線の微小差電圧を増幅するためのセンスア
ンプなどに用いられる。差動増幅器には、そこに用いら
れる能動素子がMOSトランジスタのものとバイポーラ
トランジスタのものとがあるが、いずれの場合も、二入
力の差電圧を増幅するための差動トランジスタ対(増幅
部)と、この増幅部に定電流を流すための定電流源と、
増幅部の出力端に接続され負荷として作用するロード部
とから構成されている。以下に従来の差動増幅器につい
て、本発明に関連する部分、すなわちLSIチップ上に
おける増幅部、定電流源およびロード部の位置関係を中
心にして説明する。
2. Description of the Related Art A differential amplifier amplifies a difference voltage between two input signals input to respective control electrodes of two transistors forming a differential pair. In the sense amplifier for amplifying a minute difference voltage between two digit lines of a memory cell. Differential amplifiers include active transistors used in MOS transistors and bipolar transistors. In each case, a differential transistor pair (amplifying unit) for amplifying a two-input differential voltage is used. And a constant current source for flowing a constant current to the amplification unit;
And a load section connected to the output end of the amplification section and acting as a load. Hereinafter, a conventional differential amplifier will be described focusing on a portion related to the present invention, that is, a positional relationship between an amplifier, a constant current source, and a load on an LSI chip.

【0003】図3は、バイポーラトランジスタ用いて構
成した差動増幅器を1チップ半導体メモリのセンスアン
プに適用したときの、チップ上のレイアウトの一例を示
す図である。図3を参照するとこの半導体メモリは、同
一のチップ100上に配置されたメモリセル1、レベル
シフタ2、増幅部3、定電流源4およびロード部7を含
んでいる。メモリセル1の蓄積情報は、二つのデジット
線DA /DB のそれぞれを介してレベルシフタ2に入力
されレベルシフトされたのち、増幅部3に入力される。
増幅部3からの出力信号はその出力端に接続された配線
5A/5Bに伝達され、更に出力配線部6A/6Bによ
ってロード部7に伝達される。増幅部3は、デジット線
A /DB の対ごと、すなわちメモリセルの列ごとに対
応して複数設けられるが、ロード部7は、これら複数の
増幅部に共通して一つだけ設けられる。尚、図3中に
は、メモリセルとして共通のワード線(図示せず)に接
続された1ワード分のセルのみを示してあるが実際に
は、各デジット線対DA /DBのそれぞれにはそれらを
共通にする複数のメモリセルが接続されている。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a layout on a chip when a differential amplifier using bipolar transistors is applied to a sense amplifier of a one-chip semiconductor memory. Referring to FIG. 3, the semiconductor memory includes a memory cell 1, a level shifter 2, an amplifier 3, a constant current source 4, and a load 7 arranged on the same chip 100. Storage information of the memory cell 1, after being level shifted is input to the level shifter 2 via each of the two digit lines D A / D B, is input to the amplifier 3.
The output signal from the amplifier 3 is transmitted to the wiring 5A / 5B connected to its output terminal, and further transmitted to the load 7 by the output wiring 6A / 6B. Amplifying portion 3, each pair of digit lines D A / D B, i.e. is more provided corresponding to each column of the memory cell, the load unit 7 is provided only one common to the plurality of amplifying section . Although FIG. 3 shows only one word cell connected to a common word line (not shown) as a memory cell, each digit line pair D A / D B is actually Are connected to a plurality of memory cells that share them.

【0004】ここで、図3に示すチップ100上のレイ
アウトにおいて、メモリセル1の信号電圧(デジット線
A /DB それぞれの電圧)は、例えば50mVと小さ
いので、増幅部3と定電流源4とは、寄生容量や抵抗を
極力小さくするためおよびレイアウトのアンバランスな
どの影響を受けないようにするため、通常、メモリセル
1の直近に近接して配置される。これに対してロード部
7は、前述のようにチップ100上に一つだけ設けられ
るものであり又チップ外部の回路や装置との信号授受を
行う部分であることから、チップ100の周辺に配置さ
れる。したがって各増幅部3とロード部7との間の接続
は、例えば10mm程度の長い配線(出力配線部6A/
6B)を走らせ、増幅部3の出力端を配線5A/5Bに
よって引き出し、出力配線部6A/6Bに接続する構成
となっている。
[0004] Here, in the layout on the chip 100 shown in FIG. 3, the signal voltage (digit line D A / D B each voltage) of the memory cell 1 has, for example, 50mV and small, an amplifier 3 constant current source 4 is usually arranged in the immediate vicinity of the memory cell 1 in order to minimize the parasitic capacitance and resistance and to avoid the influence of layout imbalance. On the other hand, the load unit 7 is provided only on the chip 100 as described above, and is a part for transmitting and receiving signals to and from circuits and devices outside the chip. Is done. Therefore, the connection between each amplifying unit 3 and the load unit 7 is made by a long wiring of, for example, about 10 mm (the output wiring unit 6A /
6B), the output end of the amplifier 3 is drawn out by the wiring 5A / 5B, and connected to the output wiring 6A / 6B.

【0005】次に、図3に示すレイアウトを素子レベル
で模式的に表した場合の回路図を図4に示し、同図を用
いて差動増幅器の動作およびこれを1チップLSI上で
用いたときの動作上の特徴を説明する。尚、図4では、
メモリセル部分の詳細は図示省略してあるが、同図中、
メモリセル1からのデジット線DA /DB は、レベルシ
フタ2の二つのnpn型バイポーラトランジスタQ21
22のベース電極に接続されている。
Next, FIG. 4 is a circuit diagram schematically showing the layout shown in FIG. 3 at the element level, and the operation of the differential amplifier and its use on a one-chip LSI will be described with reference to FIG. The operational characteristics at this time will be described. In FIG. 4,
Although details of the memory cell portion are not shown,
The digit lines D A / D B from the memory cell 1, the level shifter 2 of the two npn-type bipolar transistor Q 21 /
It is connected to the base electrode of Q 22.

【0006】図4において、定電流源4内のnチャネル
MOSトランジスタQ41とQ42とは同じ電流能力を持つ
ようにされ、またロード部7では、定電流用nチャネル
MOSトランジスタQ73/Q74の電流能力が同一である
ようにされている。そして、これらの定電流用MOSト
ランジスタのゲート電位を制御するための入力端子8に
は、トランジスタQ41,Q42,Q43,Q73,Q74及びQ
75を飽和動作させるような電圧が入力される。この状態
でいま、レベルシフタ2の二つの入力端子21A/21
Bのうち入力端子21Aに電源レベルVCCが入力され、
入力端子21Bに(VCC−△V)(但し、△Vは正の微
小電圧)が入力されると、トランジスタQ21/Q22がオ
ン状態になる。この場合、節点N1Aすなわちトランジス
タQ21のエミッタ電極の電位は(VCC−Vf )(但し、
f はバイポーラトランジスタのベース・エミッタ間順
方向電圧)となり、節点N1BすなわちトランジスタQ22
のエミッタ電極の電位は(VCC−△V−Vf )となるの
で、節点N1Aの電位の方が節点N1Bの電位よりも高くな
る。
[0006] In FIG. 4, the n-channel MOS transistors Q 41 and Q 42 of the constant current source 4 is to have the same current capacity and the load unit 7, n-channel constant-current MOS transistor Q 73 / Q The current capabilities of the 74 are made identical. Input terminals 8 for controlling the gate potentials of these constant current MOS transistors are connected to transistors Q 41 , Q 42 , Q 43 , Q 73 , Q 74 and Q
A voltage that causes 75 to saturate is input. In this state, the two input terminals 21A / 21 of the level shifter 2 are
B, the power supply level V CC is input to the input terminal 21A,
When (V CC -ΔV) (where ΔV is a small positive voltage) is input to the input terminal 21B, the transistors Q 21 / Q 22 are turned on. In this case, the potential of the emitter electrode of the node N 1A i.e. transistor Q 21 (V CC -V f) ( where,
Vf is the forward voltage between the base and the emitter of the bipolar transistor), and the node N 1B, that is, the transistor Q 22
The potential of the emitter electrode - Since the (V CC △ V-V f ), towards the potential of the node N 1A becomes higher than the potential of the node N 1B.

【0007】一方、増幅部3において、npn型バイポ
ーラトランジスタQ31/Q32のベース電極の電位すなわ
ち節点N2A/N2Bの電位はそれぞれ、節点N1A/N1B
それぞれの電位から配線の寄生抵抗R1A/R1Bでの電圧
降下分だけ下った電位になるが、通常、増幅部3の入力
部分は電気的に対称になるように非常に注意して設計さ
れるので、節点N2A/N2Bの電位の大小関係は節点N1A
/N1Bの電位の大小関係を反映して、節点N2Aの電位の
方が節点N2Bの電位よりも高い関係になる。したがっ
て、トランジスQ31のコレクタ電極にはトランジスタQ
32のコレクタ電流よりも大きい電流が流れる。
On the other hand, in the amplifying section 3, the potential of the base electrode of the npn-type bipolar transistors Q 31 / Q 32 , that is, the potential of the nodes N 2A / N 2B , respectively, is changed from the potential of the nodes N 1A / N 1B to the parasitic of the wiring. becomes a voltage drop only down the potential at the resistor R 1A / R 1B, usually, the input portion of the amplifying portion 3 is designed electrically very careful to be symmetrical, the node N 2A / The magnitude relation of the potential of N 2B is the node N 1A
Reflecting the magnitude relation of the potential of / N 1B, the potential of the node N 2A is higher than the potential of the node N 2B . Therefore, the collector electrode of the transistor Q 31 transistors Q
A current larger than the collector current of 32 flows.

【0008】また、ロード部7内の節点N5 すなわちn
pn型バイポーラトランジスタQ71/Q72の共通ベース
電極の電位V5 は、定電流用nチャネルMOSトランジ
スタQ75の電流能力によって決る値となる。従って、出
力配線部6Aの節点N4AすなわちトランジスタQ72のエ
ミッタ電極の電位および出力配線部6Bの節点N4Bすな
わちバイポーラトランジスタQ71のエミッタ電極の電位
はほぼ(V5 −Vf )となり、節点N3Aすなわち増幅部
3のトランジスタQ31のコレクタ電極および節点N3B
なわちトランジスタQ32のコレクタ電極の電位はそれぞ
れ、節点N4Aの電位に寄生抵抗(R2A+R3A)を流れる
電流IA による電圧降下分を加えた電位および、節点N
4Bの電位に寄生抵抗(R2B+R3B)を流れる電流IB
よる電圧降下分を加えた電位になる。但し、寄生抵抗R
2AおよびR2Bはそれぞれ、配線5Aおよび5Bのそれぞ
れ毎に付随している寄生抵抗である。一方、寄生抵抗R
3AおよびR3Bはそれぞれ、出力配線部6Aおよび6Bに
付随する全寄生抵抗を集中的に表した抵抗である。
The node N 5 in the load section 7, that is, n
the potential V 5 of the common base electrode of the pn-type bipolar transistor Q 71 / Q7 2 has a value determined by the constant current n-channel MOS transistor Q 75 current capability. Therefore, node N4 A i.e. the potential of the emitter electrode of the node N4 B i.e. bipolar transistor Q 71 of the potential and the output wiring portion 6B of the emitter electrode of the transistor Q 72 of the output interconnection 6A is substantially (V 5 -V f), and the node The potential of N 3A, that is, the collector electrode of the transistor Q 31 of the amplification unit 3, and the potential of the node N 3B, that is, the collector electrode of the transistor Q 32 , are respectively the voltage of the current I A flowing through the parasitic resistance (R 2A + R 3A ) at the potential of the node N 4A. Potential plus the drop and node N
It becomes a potential obtained by adding the voltage drop due to current I B flowing through the parasitic resistance 4B potential (R 2 B + R 3B) . However, the parasitic resistance R
2A and R 2B are parasitic resistances associated with the wirings 5A and 5B, respectively. On the other hand, the parasitic resistance R
Reference numerals 3A and 3B denote resistors which collectively represent all parasitic resistances associated with the output wiring portions 6A and 6B.

【0009】ここで前述のとおり、定電流用のnチャネ
ルMOSトランジスタQ73/Q74は同一の電流能力を持
ち、しかもそれぞれのゲート電極には入力端子8からこ
れらのトランジスタを飽和動作させるような電圧が与え
られているので、トランジスタQ73/Q74に流れる電流
は同一となる。従って、寄生抵抗(R2A+R3A)に流れ
る電流IA と寄生抵抗(R2B+R3B)に流れる電流IB
の差はそのまま、ロード部7内の抵抗R4A/R4Bに流れ
る電流差となる。そして、抵抗R4A/R4Bの抵抗値が同
一であるので、これらの抵抗に流れる電流差に応じた電
位差が二つの出力端子71A/71Bの間に現れる。
As described above, the n-channel MOS transistors Q 73 / Q 74 for constant current have the same current capability, and their gate electrodes are operated from the input terminal 8 so as to saturate these transistors. Since the voltage is applied, the current flowing through the transistors Q 73 / Q 74 becomes the same. Therefore, the parasitic resistance parasitic resistance between the current I A flowing to the (R 2A + R 3A) current flows in the (R 2B + R 3B) I B
Is the current difference flowing through the resistors R 4A / R 4B in the load section 7 as it is. Since the resistance values of the resistors R 4A / R 4B are the same, a potential difference corresponding to the current difference flowing through these resistors appears between the two output terminals 71A / 71B.

【0010】次に、レベルシフタ2の入力が反転し、入
力端子21Aの入力レベルが(VCC−△V)となり入力
端子21Bの入力レベルがVCCになると、節点N1Aの電
位は(VCC−△V−Vf )となり節点N1Bの電位は(V
CC−Vf )となる。そしてその変化に応じて、節点N2A
の電位が(VCC−△V−Vf )に向って変化し始め、節
点N2Bの電位は(VCC−Vf )になるように変化する。
しかしこの場合、配線に付随する寄生抵抗R1A/R1B
よび寄生容量C1A/C1Bの影響によって、節点N2A/N
2Bの電位の反転変化には遅延が生じる。同様に、節点N
4A/N4Bおよび出力端子71A/71Bの電位もレベル
シフタ2の入力の変化に応じて反転しようとするが、そ
れらの電位変化には、配線5Aが持つ寄生抵抗R2Aおよ
び寄生容量C2Aと、出力配線部6Aに付随する寄生抵抗
3Aおよび寄生容量C3Aの影響により、遅延が生じる。
同様に、配線5Bの寄生抵抗R2Bおよび寄生容量C
2Bと、出力配線部6Bの寄生抵抗R3Bおよび寄生容量C
3Bとにより遅延が起る。
Next, when the input of the level shifter 2 is inverted, the input level of the input terminal 21A becomes (V CC- △ V) and the input level of the input terminal 21B becomes V CC , the potential of the node N 1A becomes (V CC − △ V−V f ) and the potential of the node N 1B becomes (V
CC - Vf ). Then, according to the change, the node N2 A
Starts to change toward (V CC- (V-V f ), and the potential at the node N 2B changes to (V CC -V f ).
However, in this case, the nodes N 2A / N 1 are affected by the parasitic resistances R 1A / R 1B and the parasitic capacitances C 1A / C 1B attached to the wiring.
There is a delay in the inversion change of the 2 B potential. Similarly, node N
4A / N 4B and although attempts reversed in accordance with change in the potential also input of the level shifter 2 output terminals 71A / 71B, the their potential change, and the parasitic resistance R2 A and the parasitic capacitance C 2A wiring 5A has, A delay occurs due to the influence of the parasitic resistance R 3A and the parasitic capacitance C 3A associated with the output wiring section 6A.
Similarly, the parasitic resistance R 2B and the parasitic capacitance C of the wiring 5B
2B , the parasitic resistance R 3B and the parasitic capacitance C of the output wiring portion 6B.
3B causes a delay.

【0011】尚、ここで、配線5Aの寄生容量C2Aは、
単に図示した一本の配線5Aの寄生容量のみでなく、図
示されていない他の全ての配線5Aのそれぞれが持つ寄
生容量が並列接続された容量を集中的に表したものであ
る。同様に、配線5Bの寄生容量C2Bは、全ての配線5
Bに寄生する容量の並列容量を表す。
Here, the parasitic capacitance C 2A of the wiring 5A is:
In addition to simply showing the parasitic capacitance of one wiring 5A shown in the drawing, the parasitic capacitance of each of all other wirings 5A not shown collectively represents the capacitance connected in parallel. Similarly, the parasitic capacitance C 2B of the wiring 5B is
B represents the parallel capacitance of the parasitic capacitance of B.

【0012】このように、差動増幅器を1チップLSI
のチップ上に実現した場合、増幅部3におけるトランジ
スタ対の反転動作に要する本来的な遅延に加えて、増幅
部3からロード部7に至る間の配線に付随する寄生容量
および寄生抵抗による動作速度の遅れが生じる。
As described above, the differential amplifier is a one-chip LSI.
In addition to the inherent delay required for the inversion operation of the transistor pair in the amplification unit 3, the operation speed due to the parasitic capacitance and the parasitic resistance attached to the wiring from the amplification unit 3 to the load unit 7 Delay.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
差動増幅器はこれを1チップLSI上で用いる場合、入
力信号源(この例の場合は、メモリセル1)の直近に、
レベルシフタ2、増幅部3および定電流源4がブロック
化され配置されている。そして、それぞれの差動増幅器
の出力端から配線5A/5Bを引き出して出力配線部6
A/6Bに接続することによって、増幅部3の出力信号
を遠く離れてチップの周辺部に配置されたロード部7へ
伝達するようにしている。この結果、差動増幅器の動作
速度は、配線5A/5Bと出力配線部6A/6Bとにお
ける寄生抵抗および寄生容量の影響を受けることにな
る。
As described above, when the conventional differential amplifier is used on a one-chip LSI, the differential amplifier is placed in the immediate vicinity of an input signal source (memory cell 1 in this example).
The level shifter 2, the amplifier 3, and the constant current source 4 are arranged in a block. Then, the wires 5A / 5B are pulled out from the output terminals of the respective differential amplifiers and output wiring portions 6
By connecting to the A / 6B, the output signal of the amplification unit 3 is transmitted to the load unit 7 disposed at the periphery of the chip far away. As a result, the operation speed of the differential amplifier is affected by the parasitic resistance and the parasitic capacitance in the wiring 5A / 5B and the output wiring 6A / 6B.

【0014】上記の配置構成は、MOSトランジスタを
用いた差動増幅器における配置構成を踏襲したものであ
る。すなわち、MOSトランジスタは本質的に電圧駆動
であるので、これを能動素子とする回路では過大な容量
性負荷(寄生容量と負荷容量とを含む)を高速で駆動す
ることが困難である。このためMOSトランジスタ回路
では、回路配置においても配線の寄生容量が極力少なく
なるように設計し、その動作速度への影響を避けるよう
に配慮する。図3に示す配置構成は、このようなMOS
トランジスタ構成の差動増幅器の配置構成をバイポーラ
トランジスタ構成の差動増幅器にも適用し、配線容量を
下げようとしたものであるが、それでも上記のような
幅部3からロード部7までの間の配線に寄生する抵抗お
よび容量は避けられない。
The above arrangement follows the arrangement in a differential amplifier using MOS transistors. That is, since a MOS transistor is essentially driven by a voltage, it is difficult to drive an excessive capacitive load (including a parasitic capacitance and a load capacitance) at a high speed in a circuit using the MOS transistor as an active element. For this reason, in the MOS transistor circuit, the parasitic capacitance of the wiring is designed to be as small as possible even in the circuit arrangement, and consideration is given to avoid the influence on the operation speed. The arrangement shown in FIG.
The arrangement of the differential amplifier transistor structure is also applied to a differential amplifier of a bipolar transistor structure, but in which attempted to lower the wiring capacitance, still increasing as the
Resistance and capacitance that are parasitic on the wiring between the width section 3 and the load section 7 are inevitable.

【0015】この場合、出力配線部6A/6Bにはメモ
リ容量に応じて多数の配線5A/5Bが並列に接続され
ることになるので、寄生容量の点から見ると、それぞれ
の増幅部からロード部に至る間の全体としての寄生容量
は非常に大きなものになる。
In this case, since a large number of wirings 5A / 5B are connected in parallel to the output wiring parts 6A / 6B according to the memory capacity, from the viewpoint of the parasitic capacitance, the load from each amplifying part is loaded. The parasitic capacitance as a whole until reaching the part becomes very large.

【0016】一方、寄生抵抗の点から見ると、それぞれ
の増幅部とロード部との間にはそれぞれの配線5A/5
Bでの寄生抵抗と出力配線部6A/6Bでの寄生抵抗の
直列抵抗が介在していることになる。ここで、出力配線
部6A/6Bは前述のように長い配線であるので、材料
および構造上、抵抗率が極力低くなるように設計されて
いる。すなわち例えば、チップ上の金属配線として上下
二層のアルミニウム配線を用いるLSIでは、出力配線
部6A/6Bには、アルミニウム層が厚く従って抵抗率
が低くしかも層間絶縁膜が厚くて寄生容量の小さい上層
のアルミニウム配線が割り当られる。その結果、増幅部
3から出力配線部6A/6Bまでの間の配線5A/5B
には、この上層アルミニウム配線よりも比較的薄くて抵
抗率が高く層間絶縁膜が薄くて寄生容量の大きい下層ア
ルミニウム配線を用いざるを得ないので、配線5A/5
Bの寄生抵抗が大きくなってしまう。しかも、増幅部
3、言い換えれば配線5A/5Bは、メモリセルの列ご
とに対応して設けられるものであるので、メモリ容量が
大きくなって各メモリセルの配列のピッチが狭くなれ
ば、それに応じて配線5A/5Bの線幅も圧縮され配線
抵抗が上昇する。
On the other hand, from the viewpoint of the parasitic resistance, each wiring 5A / 5
This means that the series resistance of the parasitic resistance at B and the parasitic resistance at the output wiring portions 6A / 6B is interposed. Here, since the output wiring portions 6A / 6B are long wirings as described above, the output wiring portions 6A / 6B are designed so that the resistivity is as low as possible in terms of material and structure. That is, for example, in an LSI in which two upper and lower aluminum wirings are used as metal wirings on a chip, the output wiring portions 6A / 6B have an aluminum layer that is thicker and therefore has a lower resistivity and a thicker interlayer insulating film and a smaller parasitic capacitance. Aluminum wiring is allocated. As a result, the wiring 5A / 5B between the amplifier 3 and the output wiring 6A / 6B
In this case, a lower aluminum wiring having a relatively smaller thickness than the upper aluminum wiring, a higher resistivity, a thin interlayer insulating film, and a large parasitic capacitance has to be used.
The parasitic resistance of B increases. Moreover, since the amplifying unit 3, in other words, the wirings 5A / 5B are provided corresponding to the respective columns of the memory cells, if the memory capacity is increased and the pitch of the arrangement of the respective memory cells is reduced, the amplifying unit 3 responds accordingly. As a result, the line width of the wiring 5A / 5B is also compressed, and the wiring resistance increases.

【0017】つまり、図3に示した従来の増幅器の配置
構成では、配線5A/5Bの寄生抵抗および寄生容量に
起因する動作速度の低下が避けられない。しかもこの寄
生容量および寄生抵抗の悪影響は、LSIの規模が大き
くなるにつれてより顕著になる。今後のLSIの大規模
化に対応して、差動増幅器での動作速度の低下を防止
し、更に高速化するためには、配線5A/5Bの寄生抵
抗および寄生容量を従来より更に小さくする工夫が必要
である。
That is, in the arrangement of the conventional amplifier shown in FIG. 3, it is inevitable that the operating speed is reduced due to the parasitic resistance and the parasitic capacitance of the wires 5A / 5B. Moreover, the adverse effects of the parasitic capacitance and the parasitic resistance become more remarkable as the scale of the LSI increases. In order to prevent a decrease in the operation speed of the differential amplifier and further increase the speed in response to the future increase in the scale of LSIs, the device for reducing the parasitic resistance and the parasitic capacitance of the wirings 5A / 5B is made smaller than before. is necessary.

【0018】従って本発明の目的は、1チップLSIに
用いた場合に、配線5A/5Bの寄生抵抗および寄生容
量による動作速度の低下の少ない、高速性に優れた差動
増幅器を提供することである。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a differential amplifier which is excellent in high-speed operation and has a small operation speed due to the parasitic resistance and parasitic capacitance of the wirings 5A / 5B when used in a one-chip LSI. is there.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】本発明の差動増幅器は、
同一半導体基板上に、一対のバイポーラトランジスタか
らなる増幅部と、この増幅部に定電流を供給する定電流
源と、これら増幅部および定電流源から離れて配置され
た一対の負荷回路からなるロード部と、増幅部とロード
部とを接続する出力配線部とを含んでなる差動増幅器で
あって、増幅部を出力配線部の直下に配置し、増幅部の
出力信号を実質的に直接出力配線部に伝達するように構
成した構成となっている。
According to the present invention, there is provided a differential amplifier comprising:
On the same semiconductor substrate, an amplifier comprising a pair of bipolar transistors, a constant current source for supplying a constant current to the amplifier, and a load comprising a pair of load circuits disposed apart from the amplifier and the constant current source And an output wiring section for connecting the amplification section and the load section, wherein the amplification section is disposed immediately below the output wiring section, and the output signal of the amplification section is substantially directly output. It is configured to transmit to the wiring section.

【0020】[0020]

【実施例】次に、本発明の好適な実施例について図面を
参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施例によ
る1チップ半導体メモリの本発明関連部分のブロック図
である。図1を参照すると、本実施例が図3に示す従来
の半導体メモリと異なるのは、差動増幅器の増幅部3と
定電流源4とをブロック化し、出力配線部6A/6Bの
直下に配置した点である。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a part related to the present invention of a one-chip semiconductor memory according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the present embodiment is different from the conventional semiconductor memory shown in FIG. 3 in that an amplifying section 3 and a constant current source 4 of a differential amplifier are divided into blocks and arranged immediately below output wiring sections 6A / 6B. That is the point.

【0021】本実施例における差動増幅器は、従来技術
による差動増幅器と同一の論理動作をするが、動作速度
が従来に比べて高速である。すなわち、本実施例では、
増幅部3および定電流源4を出力配線部6A/6Bの直
下に配置し、増幅部3からの信号を出力配線部6A/6
Bに直接伝達しているので、増幅部3からロード部7に
至る間の配線に寄生する寄生抵抗は、上層アルミニウム
配線による出力配線部6A/6Bの寄生抵抗のみにな
る。又、配線寄生容量も出力配線部6A/6Bに付随す
る寄生容量のみになる。つまり本実施例では、図3に示
す従来技術による半導体メモリに比べて、増幅部3から
出力配線部6A/6Bまでの配線5A/5Bにおける寄
生抵抗および寄生容量の分が軽減されるので、差動増幅
器の動作速度が従来の差動増幅器に比べて向上する。
The differential amplifier in the present embodiment performs the same logical operation as the conventional differential amplifier, but operates at a higher speed than the conventional one. That is, in this embodiment,
Amplifying section 3 and constant current source 4 are arranged immediately below output wiring sections 6A / 6B, and a signal from amplification section 3 is output from output wiring sections 6A / 6.
Since the signal is directly transmitted to B, the parasitic resistance parasitic on the wiring from the amplification section 3 to the load section 7 is only the parasitic resistance of the output wiring section 6A / 6B formed by the upper aluminum wiring. Also, the wiring parasitic capacitance is only the parasitic capacitance associated with the output wiring portions 6A / 6B. That is, in this embodiment, the parasitic resistance and the parasitic capacitance in the wirings 5A / 5B from the amplifying unit 3 to the output wiring units 6A / 6B are reduced as compared with the conventional semiconductor memory shown in FIG. The operation speed of the dynamic amplifier is improved as compared with the conventional differential amplifier.

【0022】本実施例が上述のような配置構成をとるこ
とができるのは、差動増幅器がバイポーラトランジスタ
を能動素子として用いているからである。すなわち、M
OSトランジスタ構成の差動増幅器では、増幅部3を本
実施例のように出力配線部6A/6Bの直下に配置する
ことは困難である。MOSトランジスタ構成の差動増幅
器の場合、増幅部(この場合は、差動トランジスタ対と
負荷回路とを含む)の出力信号レベルがMOSレベルで
あって典型的には5.0Vと高い。従って、増幅部を出
力配線(外部の回路や装置と信号の受け渡しをするため
の出力バッファと上記増幅部とを接続する配線であっ
て、図3における出力配線部6A/6Bに相当)の直下
に配置すると、増幅部と出力配線との間のカップリング
容量によってクロストークが起り出力配線の電位が変動
しやすい。これに対して、バイポーラトランジスタは本
質的に電流駆動であり、これを用いた差動増幅器で処理
する信号レベルは、例えばせいぜい100mV程度であ
る。このため、MOSトランジスタ構成の差動増幅器に
おけるような出力配線での電位の変動は実質的に起らな
い。
The present embodiment can have the above arrangement because the differential amplifier uses a bipolar transistor as an active element. That is, M
In the differential amplifier having the OS transistor configuration, it is difficult to dispose the amplifying unit 3 immediately below the output wiring units 6A / 6B as in the present embodiment. In the case of a differential amplifier having a MOS transistor configuration, the output signal level of the amplifying section (in this case, including the differential transistor pair and the load circuit) is a MOS level and is typically as high as 5.0V. Accordingly, the amplifying unit is connected to the output wiring (corresponding to the output wiring unit 6A / 6B in FIG. 3), which is a wiring connecting the output buffer for transferring signals to and from an external circuit or device and the amplifying unit. In this case, crosstalk occurs due to the coupling capacitance between the amplifying unit and the output wiring, and the potential of the output wiring is likely to fluctuate. On the other hand, a bipolar transistor is essentially a current drive, and a signal level processed by a differential amplifier using the bipolar transistor is, for example, at most about 100 mV. Therefore, there is substantially no change in potential on the output wiring as in a differential amplifier having a MOS transistor configuration.

【0023】次に、本発明の第2の実施例による1チッ
プ半導体メモリのレイアウトを示す図2を参照すると、
本実施例が図1に示す第1の実施例と異なるのは、レベ
ルシフタ2と定電流源4とがブロック化されている点で
ある。本実施例でも、増幅部3は出力配線部6A/6B
の直下に配置されているので、第1の実施例と同様に動
作速度が高速化される。このように、本発明の差動増幅
器においては、定電流源を特に出力配線部の直下に配置
しなくても動作速度の高速化を達成することができる。
Next, referring to FIG. 2 showing a layout of a one-chip semiconductor memory according to a second embodiment of the present invention,
This embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the level shifter 2 and the constant current source 4 are blocked. Also in this embodiment, the amplifying unit 3 includes the output wiring units 6A / 6B.
, The operating speed is increased as in the first embodiment. As described above, in the differential amplifier according to the present invention, it is possible to achieve an increase in operating speed without particularly disposing the constant current source immediately below the output wiring section.

【0024】尚、上記二つの実施例はいずれも、メモリ
セル1からの信号をレベルシフタ2を介して差動増幅器
の増幅部3に入力する構成となっているが、信号源(実
施例の場合は、メモリセル1)からの信号レベルによっ
ては、レベルシフタ2は特に必要とされるものでないこ
とは言うまでもない。
In each of the above two embodiments, the signal from the memory cell 1 is input to the amplifier 3 of the differential amplifier via the level shifter 2, but the signal source (in the case of the embodiment) Needless to say, the level shifter 2 is not particularly required depending on the signal level from the memory cell 1).

【0025】[0025]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
差動増幅器を構成する増幅部を、この増幅部とロード部
との間を結ぶ出力配線部の直下に配置し、増幅部からの
信号を直接出力配線部に伝達することにより、増幅部か
ら出力配線部に至る引き出し配線に付随する寄生抵抗お
よび寄生容量が原因となって生じる動作速度の低下を防
止し、高速性に優れた差動増幅器を提供することができ
る。
As described above, according to the present invention,
An amplifier that constitutes a differential amplifier is disposed immediately below an output wiring section that connects the amplifier and the load section, and a signal from the amplifier is directly transmitted to the output wiring section, so that an output from the amplifier section is output. It is possible to prevent a decrease in operation speed caused by a parasitic resistance and a parasitic capacitance attached to a lead-out line leading to a wiring portion, and to provide a differential amplifier excellent in high-speed operation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例による1チップ半導体メ
モリの本発明関連部分のブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram of a part related to the present invention of a one-chip semiconductor memory according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施例による1チップ半導体メ
モリの本発明関連部分のブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram of a part related to the present invention of a one-chip semiconductor memory according to a second embodiment of the present invention;

【図3】従来の技術による1チップ半導体メモリの、本
発明関連部分のブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram of a part related to the present invention in a conventional one-chip semiconductor memory.

【図4】図3に示すブロック図をバイポーラトランジス
タを用いた差動増幅器によって実現した場合の状態を模
式的に示す、素子レベルの回路図である。
4 is an element-level circuit diagram schematically showing a state in which the block diagram shown in FIG. 3 is realized by a differential amplifier using bipolar transistors.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 メモリセル 2 レベルシフタ 3 増幅部 4 定電流源 5A,5B 配線部 6A,6B 出力配線部 7 ロード部 8 入力端子 21A,21B 入力端子 71A,71B 出力端子 100 チップ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Memory cell 2 Level shifter 3 Amplification part 4 Constant current source 5A, 5B Wiring part 6A, 6B Output wiring part 7 Load part 8 Input terminal 21A, 21B Input terminal 71A, 71B Output terminal 100 chip

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H03F 3/45 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G11C 11/41 G11C 11/401 G11C 11/416 H01L 21/8242 H01L 27/108 H03F 3/45 ──────────────────────────────────────────────────の Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 identification code FI H03F 3/45 (58) Investigated field (Int.Cl. 7 , DB name) G11C 11/41 G11C 11/401 G11C 11/416 H01L 21/8242 H01L 27/108 H03F 3/45

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 同一半導体基板上に、一対のバイポーラ
トランジスタからなる増幅部と、 前記増幅部に定電流を供給する定電流源と、 前記増幅部および前記定電流源から離れて配置された一
対の負荷回路からなるロード部と、 前記増幅部と前記ロード部とを接続する出力配線部とを
含んでなる差動増幅器において、 前記増幅部を前記出力配線部の直下に配置し、前記増幅
部の出力信号を実質的に直接前記出力配線部に伝達する
ように構成したことを特徴とする差動増幅器。
1. An amplifying unit comprising a pair of bipolar transistors on a same semiconductor substrate, a constant current source for supplying a constant current to the amplifying unit, and a pair of remote units arranged apart from the amplifying unit and the constant current source. A differential amplifier comprising: a load section comprising a load circuit; and an output wiring section connecting the amplifying section and the load section, wherein the amplifying section is disposed immediately below the output wiring section, Wherein the output signal is transmitted substantially directly to the output wiring section.
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