JP3242042B2 - レベルシフト回路 - Google Patents
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- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/0175—Coupling arrangements; Interface arrangements
- H03K19/0185—Coupling arrangements; Interface arrangements using field effect transistors only
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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Description
【0001】
【発明の技術分野】本発明は、レベルシフト回路に関
し、特に、MOSトランジスタと電気抵抗(レジスタン
ス)素子とで構成して、レベルシフト量を適宜設定する
ことができるレベルシフト回路に関する。
し、特に、MOSトランジスタと電気抵抗(レジスタン
ス)素子とで構成して、レベルシフト量を適宜設定する
ことができるレベルシフト回路に関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、レベルシフト量を設定すること
ができる従来例のレベルシフト回路を示しており(特開
平8−18433号公報参照)、該従来例の回路におい
ては、同一の回路図で表されるCMOS構造の第1及び
第2のインバータ(比率型インバータ)I1及びI2を従
属接続している。そして、該インバータI1、I2それぞ
れにおいて、Pチャネルトランジスタ33、35のゲー
ト及びドレインが接続されており、Nチャネルトランジ
スタ34、36のゲートが各インバータI1、I2の入力
端として、ドレインが各インバータの出力端として構成
されている。
ができる従来例のレベルシフト回路を示しており(特開
平8−18433号公報参照)、該従来例の回路におい
ては、同一の回路図で表されるCMOS構造の第1及び
第2のインバータ(比率型インバータ)I1及びI2を従
属接続している。そして、該インバータI1、I2それぞ
れにおいて、Pチャネルトランジスタ33、35のゲー
ト及びドレインが接続されており、Nチャネルトランジ
スタ34、36のゲートが各インバータI1、I2の入力
端として、ドレインが各インバータの出力端として構成
されている。
【0003】このような構成のレベルシフト回路におい
て、入力電圧Viが第1のインバータI1に入力すると、
第1及び第2のインバータにより2段階に波形整形され
て、出力電圧Voとして出力される。該出力電圧Voは、
以下の式で表される。
て、入力電圧Viが第1のインバータI1に入力すると、
第1及び第2のインバータにより2段階に波形整形され
て、出力電圧Voとして出力される。該出力電圧Voは、
以下の式で表される。
【数1】 Vo=√{(βn1βn2)/(βp1βp2)}・Vi +{1−√(βn2/βp2)}・(Vdd+Vtp) −[√{(βn1βn2)/(βp1βp2)}−√(βn2/βp2)]・Vtn (1) ただし、βp1:Pチャネルトランジスタ33の利得係数 βn1:Nチャネルトランジスタ34の利得係数 βp2:Pチャネルトランジスタ35の利得係数 βn2:Nチャネルトランジスタ36の利得係数 Vdd:電源VDDの電圧 Vtp:Pチャネルトランジスタ33、35のしきい値電圧 Vtn:Nチャネルトランジスタ34、36のしきい値電圧
【0004】ここで、 βn1/βp1=βp2/βn2 (2) となるように、Pチャネルトランジスタ及びNチャネル
トランジスタを形成すると、式(1)は式(3)で表さ
れ、該式(3)の右辺の第2項がレベルシフト量Vsh表
すことになる。
トランジスタを形成すると、式(1)は式(3)で表さ
れ、該式(3)の右辺の第2項がレベルシフト量Vsh表
すことになる。
【数2】 Vo=Vi+{1−√(βp1/βn1)}・(Vdd+Vtp+Vtn) (3) Vsh={1−√(βp1/βn1)}・(Vdd+Vtp+Vtn) (4) よって、レベルシフト量Vshは、第1のインバータI1
中の2つのトランジスタの利得係数の比βp1/βn1に依
存して設定することができる。なお、このとき、式
(2)からβp1/βn1=βn2/βp2となり、したがっ
て、式(4)のβp1/βn1を変化させれば、必然的に第
2のインバータI2中の2つのトランジスタの利得係数
の比βn2/βp2も同様に変化させる必要がある。
中の2つのトランジスタの利得係数の比βp1/βn1に依
存して設定することができる。なお、このとき、式
(2)からβp1/βn1=βn2/βp2となり、したがっ
て、式(4)のβp1/βn1を変化させれば、必然的に第
2のインバータI2中の2つのトランジスタの利得係数
の比βn2/βp2も同様に変化させる必要がある。
【0005】そして、トランジスタの利得係数βは、ト
ランジスタのチャネル幅をW、チャネル長をLとし、プ
ロセスの利得係数をK′とすると、 β=2K′・W/L で表される。したがって、第1及び第2のインバータを
構成する各トランジスタのチャネンル幅W及びチャネン
ル長Lを適宜選択すれば(ただし、βp1/βn1=βn2/
βp2を満足する必要有り)、レベルシフト量を適宜設定
することができる。
ランジスタのチャネル幅をW、チャネル長をLとし、プ
ロセスの利得係数をK′とすると、 β=2K′・W/L で表される。したがって、第1及び第2のインバータを
構成する各トランジスタのチャネンル幅W及びチャネン
ル長Lを適宜選択すれば(ただし、βp1/βn1=βn2/
βp2を満足する必要有り)、レベルシフト量を適宜設定
することができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図4に示された従来例
のレベルシフト回路においては、上記したように、比率
型の第1及び第2のインバータを従属接続して構成し、
レベルシフト量Vshをインバータのトランジスタの利得
係数の比に基づいて設定している。したがって、ある入
力電圧Viが入力されてレベルシフトした出力電圧Voを
出力しているとき、第1及び第2のインバータそれぞれ
に、その利得係数によって定まるDC電流が電源VDDか
らアースに常時流れてしまい、これにより、レベルシフ
ト回路の消費電力が大きくなってしまうという問題点が
あった。本発明は、このような従来例の問題点に鑑みて
なされたものであり、その目的は、レベルシフト回路に
おいて、レベルシフト量を所望の値に容易に設定できる
ようにするとともに、消費電力を低減することができる
ようにすることである。
のレベルシフト回路においては、上記したように、比率
型の第1及び第2のインバータを従属接続して構成し、
レベルシフト量Vshをインバータのトランジスタの利得
係数の比に基づいて設定している。したがって、ある入
力電圧Viが入力されてレベルシフトした出力電圧Voを
出力しているとき、第1及び第2のインバータそれぞれ
に、その利得係数によって定まるDC電流が電源VDDか
らアースに常時流れてしまい、これにより、レベルシフ
ト回路の消費電力が大きくなってしまうという問題点が
あった。本発明は、このような従来例の問題点に鑑みて
なされたものであり、その目的は、レベルシフト回路に
おいて、レベルシフト量を所望の値に容易に設定できる
ようにするとともに、消費電力を低減することができる
ようにすることである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明のMOSトランジスタからなるレベルシ
フト回路においては、直列接続された第1及び第2のチ
ャネルタイプの第1及び第2のトランジスタからなるド
ライバ手段であって、前記第1のトランジスタのゲート
が前記入力端子に接続され、前記第1及び第2のトラン
ジスタのソースが前記出力端子に接続されているドライ
バ手段と、前記入力端子及び前記第2のトランジスタの
ゲートに接続された第1のバイアス電圧供給手段であっ
て、前記入力端子に供給された電圧をレベルシフトして
前記第2のトランジスタのゲートに供給する第1のバイ
アス電圧供給手段とを備えていることを特徴としてい
る。
ために、本発明のMOSトランジスタからなるレベルシ
フト回路においては、直列接続された第1及び第2のチ
ャネルタイプの第1及び第2のトランジスタからなるド
ライバ手段であって、前記第1のトランジスタのゲート
が前記入力端子に接続され、前記第1及び第2のトラン
ジスタのソースが前記出力端子に接続されているドライ
バ手段と、前記入力端子及び前記第2のトランジスタの
ゲートに接続された第1のバイアス電圧供給手段であっ
て、前記入力端子に供給された電圧をレベルシフトして
前記第2のトランジスタのゲートに供給する第1のバイ
アス電圧供給手段とを備えていることを特徴としてい
る。
【0008】本発明の好適な実施例においては、前記第
1のバイアス電圧供給手段は、2以上のm段の従属接続
されたバイアス電圧供給回路を含んでおり、各段のバイ
アス電圧供給回路は、負荷抵抗として機能する第1の抵
抗素子、前記第1のチャネルタイプのトランジスタ及び
電気抵抗として機能する第2の抵抗素子の直列接続で構
成されており、第1段のトランジスタのゲートが前記入
力端子に接続され、第i段(i=1,2,・・・,m−
1)のトランジスタのソースと第1の抵抗素子との接続
点が第i+1段のトランジスタのゲートに接続され、第
m段のトランジスタのソースと第1の抵抗素子との接続
点が前記第2のトランジスタのゲートに接続されてい
る。
1のバイアス電圧供給手段は、2以上のm段の従属接続
されたバイアス電圧供給回路を含んでおり、各段のバイ
アス電圧供給回路は、負荷抵抗として機能する第1の抵
抗素子、前記第1のチャネルタイプのトランジスタ及び
電気抵抗として機能する第2の抵抗素子の直列接続で構
成されており、第1段のトランジスタのゲートが前記入
力端子に接続され、第i段(i=1,2,・・・,m−
1)のトランジスタのソースと第1の抵抗素子との接続
点が第i+1段のトランジスタのゲートに接続され、第
m段のトランジスタのソースと第1の抵抗素子との接続
点が前記第2のトランジスタのゲートに接続されてい
る。
【0009】また、第1のチャネルタイプがPチャネル
である場合は、第2のチャネルタイプはNチャネルであ
って、第2のトランジスタのドレインが電源電圧の正極
側に接続されている。逆に、第1のチャネルタイプがN
チャネルである場合は、第2のチャネルタイプはPチャ
ネルであって、第2のトランジスタのドレインが電源電
圧の負極側に接続されている。さらに、第1及び第2の
抵抗素子は、ゲートとドレインが接続されたP及びNチ
ャネルトランジスタで構成されるか、又はゲートとドレ
インが接続されたN及びPチャネルトランジスタで構成
される。さらにまた、ドライバ手段はさらに、第1のト
ランジスタのドレインに直列接続された第3の抵抗素子
を含むこともできる。該第3の抵抗素子は、ゲートとド
レインとが接続されたP又はNチャネルトランジスタで
構成されている。
である場合は、第2のチャネルタイプはNチャネルであ
って、第2のトランジスタのドレインが電源電圧の正極
側に接続されている。逆に、第1のチャネルタイプがN
チャネルである場合は、第2のチャネルタイプはPチャ
ネルであって、第2のトランジスタのドレインが電源電
圧の負極側に接続されている。さらに、第1及び第2の
抵抗素子は、ゲートとドレインが接続されたP及びNチ
ャネルトランジスタで構成されるか、又はゲートとドレ
インが接続されたN及びPチャネルトランジスタで構成
される。さらにまた、ドライバ手段はさらに、第1のト
ランジスタのドレインに直列接続された第3の抵抗素子
を含むこともできる。該第3の抵抗素子は、ゲートとド
レインとが接続されたP又はNチャネルトランジスタで
構成されている。
【0010】本発明のさらに好適な実施例においては、
第1のチャネルタイプがPチャネルである場合に、2以
上のm段の従属接続されたバイアス電圧供給回路を有す
る第2のバイアス電圧供給手段を含んでおり、該第2の
バイアス電圧供給手段は、各段のバイアス電圧供給回路
が、負荷抵抗として機能する第4の抵抗素子、Nチャネ
ルのトランジスタ及び電気抵抗として機能する第5の抵
抗素子の直列接続で構成されており、第1段のトランジ
スタのゲートが前記入力端子に接続され、第i段(i=
1,2,・・・,m−1)のトランジスタのソースと第
4の抵抗素子との接続点が第i+1段のトランジスタの
ゲートに接続され、第m段のトランジスタのソースと第
4の抵抗素子との接続点が前記第1のトランジスタのゲ
ートに接続されていることを特徴としている。この場
合、第4の抵抗素子は、ゲートとドレインとが接続され
たPチャネルトランジスタで構成され、第5の抵抗素子
は、ゲートとドレインとが接続されたNチャネルトラン
ジスタで構成される。
第1のチャネルタイプがPチャネルである場合に、2以
上のm段の従属接続されたバイアス電圧供給回路を有す
る第2のバイアス電圧供給手段を含んでおり、該第2の
バイアス電圧供給手段は、各段のバイアス電圧供給回路
が、負荷抵抗として機能する第4の抵抗素子、Nチャネ
ルのトランジスタ及び電気抵抗として機能する第5の抵
抗素子の直列接続で構成されており、第1段のトランジ
スタのゲートが前記入力端子に接続され、第i段(i=
1,2,・・・,m−1)のトランジスタのソースと第
4の抵抗素子との接続点が第i+1段のトランジスタの
ゲートに接続され、第m段のトランジスタのソースと第
4の抵抗素子との接続点が前記第1のトランジスタのゲ
ートに接続されていることを特徴としている。この場
合、第4の抵抗素子は、ゲートとドレインとが接続され
たPチャネルトランジスタで構成され、第5の抵抗素子
は、ゲートとドレインとが接続されたNチャネルトラン
ジスタで構成される。
【0011】
【発明の実施の形態】図1には本発明のレベルシフト回
路の第1の実施例の回路図が示されており、該レベルシ
フト回路は、第1のバイアス電圧供給回路B1と、第2
のバイアス電圧供給回路B2と、ドライバ回路Dとによ
り構成されており、これらの3つの回路は順次、入出力
端間に従属接続されている。
路の第1の実施例の回路図が示されており、該レベルシ
フト回路は、第1のバイアス電圧供給回路B1と、第2
のバイアス電圧供給回路B2と、ドライバ回路Dとによ
り構成されており、これらの3つの回路は順次、入出力
端間に従属接続されている。
【0012】第1のバイアス電圧供給回路B1は、電源
VDDとアースとの間に直列接続されたNチャネルトラン
ジスタ1、Pチャネルトランジスタ2、及びPチャネル
トランジスタ3を含んでいる。Nチャネルトランジスタ
1は、第1のバイアス電圧供給回路B1の負荷抵抗とし
て機能し、ゲートとドレインとが共に電源VDDに接続さ
れており、ソースがPチャネルトランジスタ2のソース
に接続されて、その接続点は第1のバイアス供給回路B
1の出力ノードn1を形成する。Pチャネルトランジスタ
2は、ゲートに入力電圧Viが供給され、ドレインがP
チャネルトランジスタ3のソースに接続されている。P
チャネルトランジスタ3は、ゲートとドレインとが共に
アースに接続されており、所定の抵抗値を有する抵抗素
子として機能する。
VDDとアースとの間に直列接続されたNチャネルトラン
ジスタ1、Pチャネルトランジスタ2、及びPチャネル
トランジスタ3を含んでいる。Nチャネルトランジスタ
1は、第1のバイアス電圧供給回路B1の負荷抵抗とし
て機能し、ゲートとドレインとが共に電源VDDに接続さ
れており、ソースがPチャネルトランジスタ2のソース
に接続されて、その接続点は第1のバイアス供給回路B
1の出力ノードn1を形成する。Pチャネルトランジスタ
2は、ゲートに入力電圧Viが供給され、ドレインがP
チャネルトランジスタ3のソースに接続されている。P
チャネルトランジスタ3は、ゲートとドレインとが共に
アースに接続されており、所定の抵抗値を有する抵抗素
子として機能する。
【0013】第2のバイアス電圧供給回路B2は、電源
VDDとアースとの間に直列接続された負荷抵抗4、Pチ
ャネルトランジスタ5、及びPチャネルトランジスタ6
を含んでいる。負荷抵抗4の一端は電源VDDに接続さ
れ、他端はPチャネルトランジスタ5のソースに接続さ
れて、その接続点は第2のバイアス電圧供給回路B2の
出力ノードn2を形成する。Pチャネルトランジスタ5
は、ゲートが第1のバイアス電圧供給回路B1の出力ノ
ードn1に接続され、ドレインがPチャネルトランジス
タ6のソースに接続されている。Pチャネルトランジス
タ6は、ゲートとドレインとが共にアースに接続されて
おり、所定の抵抗値を有する抵抗素子として機能する。
VDDとアースとの間に直列接続された負荷抵抗4、Pチ
ャネルトランジスタ5、及びPチャネルトランジスタ6
を含んでいる。負荷抵抗4の一端は電源VDDに接続さ
れ、他端はPチャネルトランジスタ5のソースに接続さ
れて、その接続点は第2のバイアス電圧供給回路B2の
出力ノードn2を形成する。Pチャネルトランジスタ5
は、ゲートが第1のバイアス電圧供給回路B1の出力ノ
ードn1に接続され、ドレインがPチャネルトランジス
タ6のソースに接続されている。Pチャネルトランジス
タ6は、ゲートとドレインとが共にアースに接続されて
おり、所定の抵抗値を有する抵抗素子として機能する。
【0014】ドライバ回路Dは、電源VDDとアースとの
間に直列接続されたNチャネルトランジスタ7、Pチャ
ネルトランジスタ8、及びPチャネルトランジスタ9を
含んでいる。Nチャネルトランジスタ7は、ゲートが第
2のバイアス電圧供給回路B2の出力ノードn2に接続さ
れ、ドレインが電源VDDに接続され、ソースがPチャネ
ルトランジスタ8のソースに接続されて、その接続点が
出力Voを取り出す出力端子を形成する。Pチャネルト
ランジスタ8は、ゲートに入力電圧Viが供給され、ド
レインがPチャネルトランジスタ9のソースに接続され
ている。Pチャネルトランジスタ9は、ゲートとドレイ
ンが共にアースに接続されており、所定の抵抗値を有す
る抵抗素子として機能する。第1及び第2のバイアス電
圧供給回路B1、B2のPチャネルトランジスタ2、5、
並びにドライバ回路DのNチャネルトランジスタ7は、
入力信号Viの供給時に僅かにオン状態となるよう設計
されている。なお、すべてのトランジスタは、エンハン
スメント形のトランジスタで構成されており、Pチャネ
ルトランジスタのしきい値電圧は負、Nチャネルトラン
ジスタのしきい値電圧は正である。
間に直列接続されたNチャネルトランジスタ7、Pチャ
ネルトランジスタ8、及びPチャネルトランジスタ9を
含んでいる。Nチャネルトランジスタ7は、ゲートが第
2のバイアス電圧供給回路B2の出力ノードn2に接続さ
れ、ドレインが電源VDDに接続され、ソースがPチャネ
ルトランジスタ8のソースに接続されて、その接続点が
出力Voを取り出す出力端子を形成する。Pチャネルト
ランジスタ8は、ゲートに入力電圧Viが供給され、ド
レインがPチャネルトランジスタ9のソースに接続され
ている。Pチャネルトランジスタ9は、ゲートとドレイ
ンが共にアースに接続されており、所定の抵抗値を有す
る抵抗素子として機能する。第1及び第2のバイアス電
圧供給回路B1、B2のPチャネルトランジスタ2、5、
並びにドライバ回路DのNチャネルトランジスタ7は、
入力信号Viの供給時に僅かにオン状態となるよう設計
されている。なお、すべてのトランジスタは、エンハン
スメント形のトランジスタで構成されており、Pチャネ
ルトランジスタのしきい値電圧は負、Nチャネルトラン
ジスタのしきい値電圧は正である。
【0015】次に図1のレベルシフト回路の動作につい
て説明する。入力電圧Viが第1のバイアス電圧供給回
路B1に供給されると、その出力ノードn1から、電圧V
n1が発生される。このとき、Pチャネルトランジスタ2
のゲート・ソース間電圧VGS2は、VGS2=Vi−Vn1と
なるが、上記したように、該トランジスタ2が僅かにオ
ン状態となるよう、すなわち、 VGS2=Vtp+α1 (5) (Vtp:Pチャネルトランジスタのしきい値電圧) となるように設計されているから、Vn1は、 Vn1=Vi−Vtp−α1 (6) で表される。ただし、Pチャネルトランジスタ2はエン
ハンスメント形であるから、Vtp<0、かつα1<0で
ある。例えば、−0.4V≦α1≦−0.2V程度に設
定すると、通常Vtp=−0.7V程度であるから、−
1.1V≦VGS2≦−0.9Vとなる。
て説明する。入力電圧Viが第1のバイアス電圧供給回
路B1に供給されると、その出力ノードn1から、電圧V
n1が発生される。このとき、Pチャネルトランジスタ2
のゲート・ソース間電圧VGS2は、VGS2=Vi−Vn1と
なるが、上記したように、該トランジスタ2が僅かにオ
ン状態となるよう、すなわち、 VGS2=Vtp+α1 (5) (Vtp:Pチャネルトランジスタのしきい値電圧) となるように設計されているから、Vn1は、 Vn1=Vi−Vtp−α1 (6) で表される。ただし、Pチャネルトランジスタ2はエン
ハンスメント形であるから、Vtp<0、かつα1<0で
ある。例えば、−0.4V≦α1≦−0.2V程度に設
定すると、通常Vtp=−0.7V程度であるから、−
1.1V≦VGS2≦−0.9Vとなる。
【0016】第1のバイアス電圧供給回路B1からの電
圧Vn1が第2のバイアス電圧供給回路B2に供給される
と、その出力ノードn2から、 Vn2=Vi−2Vtp−α1−α2 (7) の電圧Vn2が発生される。α2(<0)は、Pチャネル
トランジスタ5を僅かにオン状態となるよう、ゲート・
ソース間の電圧VGS5=Vtp+α2とするものである。例
えば、−0.4V≦α2≦−0.2Vに設定すると、−
1.1V≦VGS5≦−0.9Vとなる。
圧Vn1が第2のバイアス電圧供給回路B2に供給される
と、その出力ノードn2から、 Vn2=Vi−2Vtp−α1−α2 (7) の電圧Vn2が発生される。α2(<0)は、Pチャネル
トランジスタ5を僅かにオン状態となるよう、ゲート・
ソース間の電圧VGS5=Vtp+α2とするものである。例
えば、−0.4V≦α2≦−0.2Vに設定すると、−
1.1V≦VGS5≦−0.9Vとなる。
【0017】さらに、第2のバイアス電圧供給回路B2
からの電圧Vn2がドライバ回路Dに供給されると、Nチ
ャネルトランジスタ7のソースから、出力電圧Voとし
て、 Vo=Vi−2Vtp−α1−α2−(Vtn+γ) (8) (Vtn:Nチャネルトランジスタのしきい値電圧) が得られる。γは、α1及びα2と同様に、Nチャネルト
ランジスタ7のゲート・ソース間電圧VGS7=Vtn+γ
として該トランジスタ7を僅かにオン状態とするための
ものである。なお、Nチャネルトランジスタはエンハン
スメント形であるから、Vtn>0、γ>0である。例え
ば、0.2≦γ≦0.4Vに設定すると、通常Vtn=
0.7であるから、0.9≦VGS7≦1.1となる。
からの電圧Vn2がドライバ回路Dに供給されると、Nチ
ャネルトランジスタ7のソースから、出力電圧Voとし
て、 Vo=Vi−2Vtp−α1−α2−(Vtn+γ) (8) (Vtn:Nチャネルトランジスタのしきい値電圧) が得られる。γは、α1及びα2と同様に、Nチャネルト
ランジスタ7のゲート・ソース間電圧VGS7=Vtn+γ
として該トランジスタ7を僅かにオン状態とするための
ものである。なお、Nチャネルトランジスタはエンハン
スメント形であるから、Vtn>0、γ>0である。例え
ば、0.2≦γ≦0.4Vに設定すると、通常Vtn=
0.7であるから、0.9≦VGS7≦1.1となる。
【0018】式(8)から明らかなように、図1のレベ
ルシフト回路におけるレベルシフト量Vshは、 Vsh=−(2Vtp+α1+α2)−(Vtn+γ) (9) となる。例えば、|Vtp|=Vtn=0.7V、及び−
(α1+α2)−γ=0.3Vとなるように設計すれば、
Vsh=1Vとなって、1Vのレベルシフト量が得られ
る。また、個々のトランジスタのサイズ等を適宜選択す
ることによりVtp、α1、α2、Vtn、γを変更すれば、
レベルシフト量Vshを種々の値に設定することができ
る。さらに、バイアス電圧供給回路の従属接続の段数を
増加させてm段とすれば、 Vsh1=−(mVtp+α1+α2+α3+・・+αm) −(Vtn+γ) (10) となり、レベルシフト量を大きく設定することができ
る。ただし、α3〜αmもα1、α2と同様に負である。
ルシフト回路におけるレベルシフト量Vshは、 Vsh=−(2Vtp+α1+α2)−(Vtn+γ) (9) となる。例えば、|Vtp|=Vtn=0.7V、及び−
(α1+α2)−γ=0.3Vとなるように設計すれば、
Vsh=1Vとなって、1Vのレベルシフト量が得られ
る。また、個々のトランジスタのサイズ等を適宜選択す
ることによりVtp、α1、α2、Vtn、γを変更すれば、
レベルシフト量Vshを種々の値に設定することができ
る。さらに、バイアス電圧供給回路の従属接続の段数を
増加させてm段とすれば、 Vsh1=−(mVtp+α1+α2+α3+・・+αm) −(Vtn+γ) (10) となり、レベルシフト量を大きく設定することができ
る。ただし、α3〜αmもα1、α2と同様に負である。
【0019】図1のレベルシフト回路においては、出力
端子と電源及びアースとの間、すなわちNチャネルトラ
ンジスタ7のソースと電源VDDとの間、及び、Pチャネ
ルトランジスタ8のソースとアースとの間には浮遊容量
が存在し、また通常、容量性負荷が接続される。この場
合、容量性負荷の充電電圧が所望値Vo以下の場合に
は、Nチャネルトランジスタ7のゲート・ソース間電圧
が大きくなっているので、該トランジスタ7は十分にオ
ン状態となって大電流を供給することができ、これによ
り容量性負荷を高速で充電することができる。逆に、容
量性負荷の充電電圧が所望値Vo以上の場合には、Pチ
ャネルトランジスタ8のゲート・ソース間電圧が大きく
なっており、該トランジスタ7からの大電流で容量性負
荷を高速で放電することができる。したがって、所望の
値の出力電圧を高速で出力することができる。
端子と電源及びアースとの間、すなわちNチャネルトラ
ンジスタ7のソースと電源VDDとの間、及び、Pチャネ
ルトランジスタ8のソースとアースとの間には浮遊容量
が存在し、また通常、容量性負荷が接続される。この場
合、容量性負荷の充電電圧が所望値Vo以下の場合に
は、Nチャネルトランジスタ7のゲート・ソース間電圧
が大きくなっているので、該トランジスタ7は十分にオ
ン状態となって大電流を供給することができ、これによ
り容量性負荷を高速で充電することができる。逆に、容
量性負荷の充電電圧が所望値Vo以上の場合には、Pチ
ャネルトランジスタ8のゲート・ソース間電圧が大きく
なっており、該トランジスタ7からの大電流で容量性負
荷を高速で放電することができる。したがって、所望の
値の出力電圧を高速で出力することができる。
【0020】そして、ドライバ回路DのPチャネルトラ
ンジスタ7はわずかにオン状態となるように設定されて
いるので、負荷の電圧が所望の出力電圧に一致している
状態では、ドライバ回路Dに流れる直流電流は極めて小
さく、よって、消費電力を低くすることができる。第1
及び第2のバイアス電圧供給回路B1及びB2に関して
も、ドライバ回路Dと同様に、Pチャネルトランジスタ
2及び5がわずかにオン状態となるように設定されてい
るので、これら回路に流れる直流電流も極めて小さく、
よって、消費電力が少ない。
ンジスタ7はわずかにオン状態となるように設定されて
いるので、負荷の電圧が所望の出力電圧に一致している
状態では、ドライバ回路Dに流れる直流電流は極めて小
さく、よって、消費電力を低くすることができる。第1
及び第2のバイアス電圧供給回路B1及びB2に関して
も、ドライバ回路Dと同様に、Pチャネルトランジスタ
2及び5がわずかにオン状態となるように設定されてい
るので、これら回路に流れる直流電流も極めて小さく、
よって、消費電力が少ない。
【0021】図1に示した本発明及び図4に示した従来
例のレベルシフト回路の出力端子に容量性負荷を接続し
て、以下の条件下でテストを行った。 電源電圧Vdd=5V 動作周波数f=100KHz(1サイクル=10μs) 負荷容量CL=5pF 入力電圧Vi=2.5V 出力電圧Vo=3.5V(すなわち、レベルシフト量V
sh=1V) このテストの結果、図4の従来例のレベルシフト回路に
おいては、直流電流が常時流れ、その電流値は約1mA
であった。
例のレベルシフト回路の出力端子に容量性負荷を接続し
て、以下の条件下でテストを行った。 電源電圧Vdd=5V 動作周波数f=100KHz(1サイクル=10μs) 負荷容量CL=5pF 入力電圧Vi=2.5V 出力電圧Vo=3.5V(すなわち、レベルシフト量V
sh=1V) このテストの結果、図4の従来例のレベルシフト回路に
おいては、直流電流が常時流れ、その電流値は約1mA
であった。
【0022】一方、本発明のレベルシフト回路において
は、Vo<3.5Vのとき、すなわち、負荷が所望の出
力電圧に充電されるまでは、5Vの電源から約1mA
(=1000μA)の電流が流れたが、Vo=3.5V
になった後は電流は約17.5μAであった。したがっ
て、本発明によれば、従来例に比べて、所望の出力電圧
が得られたときに消費電流が格段に小さくなることが実
証された。そして、本発明のレベルシフト回路を用いた
テストにおいては、容量性負荷がVo=3.5Vに充電
されるまでに0.5μsだけしか必要でなかった。した
がって、1サイクル中の0.5μs/10μs=1/2
00でのみ約1mAの電流が流れ、残りの1サイクルの
199/200では約17.5μAの電流しか流れな
い。さらに実際には、一旦所望の出力電圧に充電されれ
ば、その後は、負荷に対して充電電流を流す必要がない
ので、その後のサイクルでは電流は17.5μAであ
り、したがって、本発明は、従来例に比べて、ほぼ1
7.5μA/1000μA=1/57の消費電流に抑え
ることができる。
は、Vo<3.5Vのとき、すなわち、負荷が所望の出
力電圧に充電されるまでは、5Vの電源から約1mA
(=1000μA)の電流が流れたが、Vo=3.5V
になった後は電流は約17.5μAであった。したがっ
て、本発明によれば、従来例に比べて、所望の出力電圧
が得られたときに消費電流が格段に小さくなることが実
証された。そして、本発明のレベルシフト回路を用いた
テストにおいては、容量性負荷がVo=3.5Vに充電
されるまでに0.5μsだけしか必要でなかった。した
がって、1サイクル中の0.5μs/10μs=1/2
00でのみ約1mAの電流が流れ、残りの1サイクルの
199/200では約17.5μAの電流しか流れな
い。さらに実際には、一旦所望の出力電圧に充電されれ
ば、その後は、負荷に対して充電電流を流す必要がない
ので、その後のサイクルでは電流は17.5μAであ
り、したがって、本発明は、従来例に比べて、ほぼ1
7.5μA/1000μA=1/57の消費電流に抑え
ることができる。
【0023】図2は、本発明のレベルシフト回路の第2
の実施例を示している。図2のレベルシフト回路は、図
1のレベルシフト回路の要素を相補的な要素に置き換え
た、図1の回路のいわゆる相対回路である。すなわち、
図2のレベルシフト回路は、(a)図1のレベルシフト
回路におけるPチャネルトランジスタをNチャネルトラ
ンジスタに変更し、NチャネルトランジスタをPチャネ
ルトランジスタに変更し、かつ、(b)電源VDDとアー
スとを逆に接続したものである。図2において、図1の
要素と相補的な要素は、図1で用いた参照番号に「′」
を付加して表している。
の実施例を示している。図2のレベルシフト回路は、図
1のレベルシフト回路の要素を相補的な要素に置き換え
た、図1の回路のいわゆる相対回路である。すなわち、
図2のレベルシフト回路は、(a)図1のレベルシフト
回路におけるPチャネルトランジスタをNチャネルトラ
ンジスタに変更し、NチャネルトランジスタをPチャネ
ルトランジスタに変更し、かつ、(b)電源VDDとアー
スとを逆に接続したものである。図2において、図1の
要素と相補的な要素は、図1で用いた参照番号に「′」
を付加して表している。
【0024】図2のレベルシフト回路において、出力電
圧Voは、 Vo=Vi−(2Vtn+α1′+α2′)−(Vtp+γ′) (11) となる。図2のレベルシフト回路においても、バイアス
電圧供給回路の従属接続の段数をmとすれば、出力電圧
Voは、 Vo=Vi−(mVtn+α1′+α2′+α3′+・・+αm′) −(Vtp+γ′) (12) となって、大きなレベルシフト量を得ることができる。
その他の作用効果においても、図1のものと同様であ
る。ただし、α1′〜αm′>0であり、γ′<0であ
る。
圧Voは、 Vo=Vi−(2Vtn+α1′+α2′)−(Vtp+γ′) (11) となる。図2のレベルシフト回路においても、バイアス
電圧供給回路の従属接続の段数をmとすれば、出力電圧
Voは、 Vo=Vi−(mVtn+α1′+α2′+α3′+・・+αm′) −(Vtp+γ′) (12) となって、大きなレベルシフト量を得ることができる。
その他の作用効果においても、図1のものと同様であ
る。ただし、α1′〜αm′>0であり、γ′<0であ
る。
【0025】図3は、本発明の第3の実施例のレベルシ
フト回路を示している。図3のレベルシフト回路は、図
1のレベルシフト回路におけるドライバ回路DのPチャ
ネルトランジスタ9を削除するとともに、新たに付加し
た第3及び第4のバイアス電圧供給回路B3及びB4を介
してPチャネルトランジスタ8を駆動するようにしたも
のである。なお、図3においては、ドライバ回路を参照
符号D″で示している。また、第3及び第4のバイアス
電圧供給回路B3及びB4は、図2に示した第1及び第2
のバイアス電圧供給回路B1′及びB2′と同一の構成を
有しており、したがって、第3及び第4のバイアス電圧
供給回路中の構成要素にも、図2で用いた参照番号を付
している。
フト回路を示している。図3のレベルシフト回路は、図
1のレベルシフト回路におけるドライバ回路DのPチャ
ネルトランジスタ9を削除するとともに、新たに付加し
た第3及び第4のバイアス電圧供給回路B3及びB4を介
してPチャネルトランジスタ8を駆動するようにしたも
のである。なお、図3においては、ドライバ回路を参照
符号D″で示している。また、第3及び第4のバイアス
電圧供給回路B3及びB4は、図2に示した第1及び第2
のバイアス電圧供給回路B1′及びB2′と同一の構成を
有しており、したがって、第3及び第4のバイアス電圧
供給回路中の構成要素にも、図2で用いた参照番号を付
している。
【0026】図3のレベルシフト回路においては、出力
電圧Voは、 Vo=Vi−(2Vtp+α1+α2)−(Vtn+γ) =Vi−(2Vtn+α1′+α2′)−(Vtp+γ′) (13) となる。図3のレベルシフト回路においても、バイアス
電圧供給回路の従属接続の段数をmとすれば、レベルシ
フト量をより増大させることができることは言うまでも
ない。その他の作用効果も、図1及び図2のものと同様
である。なお、Nチャネルトランジスタ7及びPチャネ
ルトランジスタ8の前段に配置されるバイアス電圧供給
回路の段数を必ずしも同一にする必要がない。
電圧Voは、 Vo=Vi−(2Vtp+α1+α2)−(Vtn+γ) =Vi−(2Vtn+α1′+α2′)−(Vtp+γ′) (13) となる。図3のレベルシフト回路においても、バイアス
電圧供給回路の従属接続の段数をmとすれば、レベルシ
フト量をより増大させることができることは言うまでも
ない。その他の作用効果も、図1及び図2のものと同様
である。なお、Nチャネルトランジスタ7及びPチャネ
ルトランジスタ8の前段に配置されるバイアス電圧供給
回路の段数を必ずしも同一にする必要がない。
【0027】本発明においては、その他種々の変形、変
更が可能であることは勿論である。例えば、図1におけ
るNチャネルトランジスタ1、7、及びPチャネルトラ
ンジスタ3、6、9を抵抗に置換しても同様の作用効果
を奏することができ、逆に、抵抗4をMOSFETによ
り形成してもよい。また、必要に応じて、Nチャネルト
ランジスタ7と電源VDDとの間にMOSFET等からな
る抵抗素子を接続してもよい。図2及び図3に関しても
同様である。以上説明したように、本発明のレベルシフ
ト回路は、レベルシフト量を容易にかつ大きく設定する
ことが可能であるとともに、出力電圧を高速で所望の値
に一致させることができる。さらに、所望の出力電圧値
になった後は、電源からアースに流れる貫通電流が極め
て小さいので、消費電力を従来例と比較して極めて小さ
くすることができる。
更が可能であることは勿論である。例えば、図1におけ
るNチャネルトランジスタ1、7、及びPチャネルトラ
ンジスタ3、6、9を抵抗に置換しても同様の作用効果
を奏することができ、逆に、抵抗4をMOSFETによ
り形成してもよい。また、必要に応じて、Nチャネルト
ランジスタ7と電源VDDとの間にMOSFET等からな
る抵抗素子を接続してもよい。図2及び図3に関しても
同様である。以上説明したように、本発明のレベルシフ
ト回路は、レベルシフト量を容易にかつ大きく設定する
ことが可能であるとともに、出力電圧を高速で所望の値
に一致させることができる。さらに、所望の出力電圧値
になった後は、電源からアースに流れる貫通電流が極め
て小さいので、消費電力を従来例と比較して極めて小さ
くすることができる。
【図1】本発明のレベルシフト回路の第1の実施例を示
す回路図である。
す回路図である。
【図2】本発明のレベルシフト回路の第2の実施例を示
す回路図である。
す回路図である。
【図3】本発明のレベルシフト回路の第3の実施例を示
す回路図である。
す回路図である。
【図4】従来例のレベルシフト回路を示す回路図であ
る。
る。
Claims (11)
- 【請求項1】 入力端子に供給された電圧をレベルシフ
トして出力端子から出力する、MOSトランジスタから
なるレベルシフト回路において、 直列接続された第1及び第2のチャネルタイプの第1及
び第2のトランジスタからなるドライバ手段であって、
前記第1のトランジスタのゲートが前記入力端子に接続
され、前記第1及び第2のトランジスタのソースが前記
出力端子に接続されているドライバ手段と、 前記入力端子及び前記第2のトランジスタのゲートに接
続された第1のバイアス電圧供給手段であって、前記入
力端子に供給された電圧をレベルシフトして前記第2の
トランジスタのゲートに供給する第1のバイアス電圧供
給手段とを備えていることを特徴とするレベルシフト回
路。 - 【請求項2】 請求項1記載の記載のレベルシフト回路
において、前記第1のバイアス電圧供給手段は、2以上
のm段の従属接続されたバイアス電圧供給回路を含んで
おり、 各段のバイアス電圧供給回路は、負荷抵抗として機能す
る第1の抵抗素子、前記第1のチャネルタイプのトラン
ジスタ及び電気抵抗として機能する第2の抵抗素子の直
列接続で構成されており、 第1段のトランジスタのゲートが前記入力端子に接続さ
れ、 第i段(i=1,2,・・・,m−1)のトランジスタ
のソースと第1の抵抗素子との接続点が第i+1段のト
ランジスタのゲートに接続され、 第m段のトランジスタのソースと第1の抵抗素子との接
続点が前記第2のトランジスタのゲートに接続されてい
ることを特徴とするレベルシフト回路。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載のレベルシフト回路
において、 前記第1のチャネルタイプはPチャネルであり、前記第
2のチャネルタイプはNチャネルであり、 前記第2のトランジスタのドレインが電源電圧の正極側
に接続されていることを特徴とするレベルシフト回路。 - 【請求項4】 請求項2に従属する請求項3記載のレベ
ルシフト回路において、 前記第1の抵抗素子は、ゲートとドレインが接続された
Nチャネルトランジスタで構成され、 前記第2の抵抗素子は、ゲートとドレインが接続された
Pチャネルトランジスタで構成されていることを特徴と
するレベルシフト回路。 - 【請求項5】 請求項1又は2記載のレベルシフト回路
において、 前記第1のチャネルタイプはNチャネルであり、前記第
2のチャネルタイプはPチャネルであり、 前記第2のトランジスタのドレインが電源電圧の負極側
に接続されていることを特徴とするレベルシフト回路。 - 【請求項6】 請求項2に従属する請求項5記載のレベ
ルシフト回路において、 前記第1の抵抗素子は、ゲートとドレインが接続された
Pチャネルトランジスタで構成され、 前記第2の抵抗素子は、ゲートとドレインが接続された
Nチャネルトランジスタで構成されていることを特徴と
するレベルシフト回路。 - 【請求項7】 請求項1〜6いずれかに記載のレベルシ
フト回路において、前記ドライバ手段はさらに、前記第
1のトランジスタのドレインに直列接続された第3の抵
抗素子を含んでいることを特徴とするレベルシフト回
路。 - 【請求項8】 請求項3又は4に従属する請求項7記載
のレベルシフト回路において、前記第3の抵抗素子は、
ゲートとドレインとが接続されたPチャネルトランジス
タで構成されていることを特徴とするレベルシフト回
路。 - 【請求項9】 請求項5又は6に従属する請求項7記載
のレベルシフト回路において、前記第3の抵抗素子は、
ゲートとドレインが接続されたNチャネルトランジスタ
で構成されていることを特徴とするレベルシフト回路。 - 【請求項10】 請求項3又は4記載のレベルシフト回
路において、該回路はさらに、2以上のm段の従属接続
されたバイアス電圧供給回路を有する第2のバイアス電
圧供給手段を含んでおり、該第2のバイアス電圧供給手
段は、 各段のバイアス電圧供給回路が、負荷抵抗として機能す
る第4の抵抗素子、Nチャネルのトランジスタ及び電気
抵抗として機能する第5の抵抗素子の直列接続で構成さ
れており、 第1段のトランジスタのゲートが前記入力端子に接続さ
れ、 第i段(i=1,2,・・・,m−1)のトランジスタ
のソースと第4の抵抗素子との接続点が第i+1段のト
ランジスタのゲートに接続され、 第m段のトランジスタのソースと第4の抵抗素子との接
続点が前記第1のトランジスタのゲートに接続されてい
ることを特徴とするレベルシフト回路。 - 【請求項11】 請求項10記載のレベルシフト回路に
おいて、 前記第4の抵抗素子は、ゲートとドレインとが接続され
たPチャネルトランジスタで構成され、 前記第5の抵抗素子は、ゲートとドレインとが接続され
たNチャネルトランジスタで構成されていることを特徴
とするレベルシフト回路。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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EP97308650A EP0840454B1 (en) | 1996-10-30 | 1997-10-29 | Level shift circuit |
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AT97308650T ATE240613T1 (de) | 1996-10-30 | 1997-10-29 | Pegelverschiebungsschaltung |
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Publication Number | Publication Date |
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US6906552B2 (en) * | 2001-12-03 | 2005-06-14 | Broadcom Corporation | System and method utilizing a one-stage level shift circuit |
TWI238987B (en) * | 2003-01-24 | 2005-09-01 | Au Optronics Corp | Pre-charging system of active matrix display |
US6995598B2 (en) * | 2003-02-13 | 2006-02-07 | Texas Instruments Incorporated | Level shifter circuit including a set/reset circuit |
KR100711108B1 (ko) * | 2004-07-16 | 2007-04-24 | 삼성전자주식회사 | 레벨 쉬프터 및 레벨 쉬프팅 방법 |
KR101039027B1 (ko) | 2004-12-13 | 2011-06-07 | 삼성전자주식회사 | 레벨 시프터 및 이를 포함하는 표시 장치 |
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JPS60105320A (ja) * | 1983-11-14 | 1985-06-10 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | レベル変換回路 |
US4642488A (en) * | 1985-09-03 | 1987-02-10 | Codex Corporation | CMOS input buffer accepting TTL level inputs |
FR2587567B1 (fr) * | 1985-09-17 | 1987-11-20 | Thomson Csf | Circuit de conversion d'une entree differentielle en niveaux logiques cmos |
JPS62190923A (ja) * | 1986-02-18 | 1987-08-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | レベル変換回路 |
US4675557A (en) * | 1986-03-20 | 1987-06-23 | Motorola Inc. | CMOS voltage translator |
JPH02301323A (ja) * | 1989-05-16 | 1990-12-13 | Seiko Epson Corp | レベルシフト回路 |
US5206544A (en) * | 1991-04-08 | 1993-04-27 | International Business Machines Corporation | CMOS off-chip driver with reduced signal swing and reduced power supply disturbance |
US5381060A (en) * | 1992-02-14 | 1995-01-10 | International Business Machines Corporation | Differential current switch to super buffer logic level translator |
JPH07226670A (ja) * | 1994-02-14 | 1995-08-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Cmosレベルシフト回路 |
JP3623004B2 (ja) * | 1994-03-30 | 2005-02-23 | 松下電器産業株式会社 | 電圧レベル変換回路 |
JPH0818433A (ja) * | 1994-06-29 | 1996-01-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | レベルシフト回路 |
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