JP3251393B2 - 半導体メモリ - Google Patents

半導体メモリ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体メモリに関するも
ので、特に、占有面積及び消費電力の小さな半導体メモ
リに関する。
【0002】
【従来の技術】半導体メモリでは、書き込みを行う場
合、書き込みを行うアドレスを指定するアドレス信号
と、書き込むデータを指定するデータ入力信号と、書き
込みを許可する書き込みパルスを印加する。一般に、書
き込みパルスはメモリセルアレーの応答特性から決まる
所定のパルス幅を有し、かつ、アドレス信号及びデータ
入力信号或いはクロック信号に対して、所定のセットア
ップ時間,ホールド時間を確保して印加される必要があ
る。書き込みパルスに対するこれらのタイミング条件
は、半導体メモリの高速化に伴いますます厳しくなって
おり、サイクル時間の高速化を阻む最も大きな要因とな
っている。
【0003】一方、書き込みパルスを発生する論理LS
IとメモリLSIの間の配線には大きな寄生容量や寄生
インダクタンスが存在する。従って、論理LSIで形成
された書き込みパルスは、これらの寄生容量等によって
遅延され、その波形が変形される。このため、上述のよ
うな厳しいタイミング条件を満たす書き込みパルスをメ
モリLSIの外部で形成することは困難となってきてい
る。
【0004】そこで、この問題を解決する方法として、
メモリLSI内部に書き込みパルス発生回路を設け、ク
ロック信号に同期してメモリLSI内部で書き込みパル
スを発生させる方法がある。この方法によれば、論理L
SIとメモリLSIの間の配線容量や寄生インダクタン
スの影響を受けることなく安定、かつ、高速に書き込み
を行うことができ、サイクル時間を高速化することがで
きる。
【0005】メモリLSI内部に書き込みパルス発生回
路を設けた従来技術の例としては、特開昭63−308789号
公報に記載されたものがある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来技術では、書き込
みパルス発生回路(以下、WPGと略す)は通常の論理回
路で構成されいた。一方、例えばバイポーラメモリセル
では、SBD(SchottkyBarrier Diode ),pnpトラ
ンジスタ,シート抵抗の非常に高い抵抗素子,微細トラ
ンジスタなど、通常の論理回路では使用されない素子を
含んでいる。さらに、メモリセルアレーを駆動する書き
込み回路の回路構成は通常の論理回路とは異なってい
る。このため、製造上のばらつきにより素子特性が変動
した場合、WPGの回路特性の変動とメモリセルアレー
の応答特性の変動は全く異なったものになる。例えば、
SBDの接合容量が増加してメモリセルの反転時間が増
加しても、WPGが発生する書き込みパルスのパルス幅
は変化しない。このため、従来技術では素子特性の変動
によるメモリセルアレーの応答特性の変動をあらかじめ
見込んで、書き込みパルスのパルス幅,セットアップ時
間,ホールド時間にマージンを持たせていた。
【0007】図3を用いてこのタイミングマージンの大
きさを説明する。例えば、メモリセルを構成する素子特
性のばらつきにより、書き込みが始まってからメモリセ
ルの情報が反転するまでの時間trevが±30%変動する
ものとする。また、論理回路を構成する素子特性のばら
つきにより、WPGが発生する書き込みパルスのパルス
幅twが±20%変動するものとする。従来技術では、W
PGとメモリセルの構成素子及び回路構成は全く異なる
ので、trevとtwは全く独立に変動しうる。このため、tr
evが30%大きくなり(A点)、かつ、twが20%小さ
くなる場合(B点)が起こりうる。従って、素子特性が
どのように変動しても必ず書き込みが行えるようにWP
Gを設計するには、twの設計中心値tw(typ)とtrevの中
心値trev(typ)は、図3に示すように、
【0008】
【数1】0.8tw(typ) > 1.3trev(typ) ∴tw(typ) > 1.625trev(typ) の関係を満たす必要がある。すなわち、trevは30%し
か変動しないにも関わらず、tw(typ)はtrev(typ)よりも
62.5% も大きく設計する必要がある。セットアップ
時間及びホールド時間についても同様にかなり大きなタ
イミングマージンを取る必要があり、書き込みサイクル
時間をさらに高速化する上での障害となっていた。
【0009】この問題を解決するため、発明者らは既に
図4に示す半導体メモリを提案している(特願平4−3461
04号明細書)。図4はこの半導体メモリの構成を示した
図であり、図5は各信号のタイミング関係を示した図で
ある。図4において、WPGは書き込みパルス発生回
路、WAはライトアンプ、CAはセルアレー、BDはビ
ット線駆動回路である。WPGはデュアルポートセルD
PCを含むダミーセルアレーDCA,ダミービット線駆
動回路DBD,ダミーライトアンプDWA,デュアルポ
ートセルの情報を検出するセンスアンプDSA,マスタ
スレーブラッチ回路DL,比較回路CMP,インバータ
INV,パルス幅伸長回路STR,遅延回路DLY,オ
ア回路ORからなる。
【0010】ダミーセルアレーDCAはデュアルポート
セルDPC 1個と、メモリセルC0〜Cnと全く同じ
構造のダミーセルDC1〜DCn n個からなり、ビッ
ト線に接続されるセルの数はセルアレーCAと等しくす
る。DPCのワード線には高電位VHを、ダミーセルD
C1〜DCnのワード線には低電位VLを印加し、DP
Cに書き込みが行われるように構成する。DPCは書き
込みポート一つと読み出しポート一つからなり、書き込
み中でも読み出しを行うことができる。デュアルポート
セルは本体メモリセルに若干の変更を加えるだけで構成
できるので、書き込み動作に対する応答はメモリセルと
ほとんど同じである。また、ダミービット線駆動回路D
BD及びダミーライトアンプDWAの回路構成もBD及
びWAと全く同じように構成する。このように構成する
ことにより、どのように素子特性が変動しても、ダミー
セルアレーDCAとセルアレーCAにおけるメモリセル
の反転時間のtrevを等しくすることができる。
【0011】DLはマスタースレーブラッチであり、ク
ロック信号CLKの立上りエッジでデータを取り込む。
【0012】ダミーライトアンプDWAはダミー書き込
み信号DWEが“0”のとき、DPCにダミーデータ信号
DDIBの情報を書き込むように働く。
【0013】比較回路CMPはEXOR回路で構成し、
入力信号が一致した場合は“0”を、不一致の場合は
“1”を出力する。
【0014】以下、図5を参照しながら本回路の動作を
詳しく説明する。本回路はクロック信号CLKに同期し
て動作し、1サイクルはCLKの立上りから始まるもの
とする。
【0015】CLKが立上がると、ラッチ回路DLにデ
ュアルポートセルDPCの情報が取り込まれる。図5の
例ではDPCの最初の記憶情報は“0”であるので、D
PCの読み出しデータ信号RDは“0”であり、ラッチ
回路の出力DDIは“0”となる。このため、比較回路
CMPの出力DWEは“0”となる。また、DDIはイ
ンバータINVにより反転され、その出力信号DDIB
は“1”となる。従って、ダミーセルアレーDCAに
“1”書き込み動作が始まる。DPCの記憶情報が反転
して“1”となると、センスアンプがこれを検出しRD
が“1”へ変化するため、CMPの出力DWEは“1”
となり、書き込み動作は終了する。
【0016】このように、本回路ではCLK信号に同期
してDWEを“0”とし、DPCに反転書き込みを行
い、その情報が反転したことをセンスアンプDSAで検
出し、比較回路CMPによりDWEを“1”に戻す。こ
のため、DWEのパルス幅はDPCの反転時間とDSA
及びCMPの遅延時間の和となる。通常、DSA及びC
MPの遅延時間はセルの反転時間に比べて非常に小さい
ので、DWEのパルス幅はセルの反転時間にほぼ等しく
なる。このDWEをパルス幅伸長回路STRによりパル
ス幅を大きくし必要最小限のマージンを持たせ、遅延回
路DLYで所望のセットアップ時間だけ遅延させ、書き
込み制御信号R/Wとオアをとって、書き込みサイクル
のみ書き込みパルスをライトアンプに供給する。
【0017】以上説明したように、本回路では、セルア
レーと同じ応答をするダミーセルアレーを設け、デュア
ルポートセルの情報が反転したことを検出して、書き込
みパルス幅を決めるので、素子特性がどのように変動し
ても、書き込みパルスの幅twとセルの反転時間trevの変
動量を等しくすることができる。従って、従来技術のよ
うにtrevが大きくなり、かつ、twが小さくなることは起
こりえない。本発明により、従来必要であったタイミン
グマージンを大幅に低減できるので、サイクル時間の高
速化が可能となる。
【0018】また、本回路において、パルス幅伸長回路
STRは、例えば、図6のように複数のインバータとN
OR回路で構成される。入力信号INをインバータi0
で反転させた後に偶数段のインバータ形遅延回路i1〜
i4で遅延させる。遅延回路としては、インバータに容
量を付加し、通常のインバータよりも遅延時間を大きく
した回路が用いられる。遅延回路の出力Bと遅延させる
前の信号AのNORを取ることにより入力信号INより
も幅の広いパルスOUTが得られる。この時のパルス幅
の伸長量は遅延回路i1〜i4の遅延時間に等しいの
で、遅延回路の段数を調節することで、所望のパルス幅
が得られる。
【0019】しかし、半導体メモリでは、パルス幅伸長
回路内の遅延回路の段数が多くなり、書き込みパルス発
生回路の占有面積及び消費電力が大きくなるという問題
があった。以下、この問題点を図7を用いて説明する。
同図は遅延回路の出力信号の立上り時間或いは立下り時
間よりも小さなパルス幅を有する信号が入力された場合
のパルス幅伸長回路STRの動作波形を示している。信
号Aが論理しきい値VTHを越えると、遅延回路i1の
出力D1は下がり始める。しかし、入力信号のパルス幅
が小さいため、D1が完全に低電位になる前に信号A高
電位から低電位に変化し、D1は図のような三角波とな
る。このため、D1のパルス幅は入力信号のパルス幅よ
りも小さくなってしまう。同様にして、次段のi2の出
力信号D2のパルス幅は更に小さくなり、信号D3,B
ではパルスは消滅してしまう。その結果、図に示すよう
にパルス幅の伸長は行われなくなってしまう。これを防
止するには、入力信号のパルス幅よりも遅延回路の立上
り時間及び立下り時間を小さくする必要がある。
【0020】同様の議論により、セットアップ時間を確
保するための遅延回路(図4のDLY)の立上り時間及び立
下り時間は入力信号のパルス幅よりも小さくする必要が
ある。しかし、このように設計すると、遅延回路1段当
たりの遅延時間が小さく制限されるため、遅延回路の段
数が増加し、占有面積及び消費電力が増加するという問
題があった。
【0021】本発明の目的は、占有面積及び消費電力の
小さな半導体メモリを提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、格子状に配置した複数のメモリセル
と、外部からのクロック信号と書き込み制御信号を受け
て、書き込みパルスを発生する書き込みパルス発生回路
と、上記書き込みパルスとデータ入力信号を受けて、上
記メモリセルにデータを書き込む書き込み回路を有する
半導体メモリにおいて、上記書き込みパルス発生回路
は、書き込みポートと読み出しポートを有しかつ上記メ
モリセルと同じ構成を含むデュアルポートメモリセルを
少なくとも有してメモリセルの応答特性を擬似する手段
と、上記書き込みポートに書き込み出力を与える書き込
み回路と、上記読み出しポートからの信号を検出し読み
出しデータ信号を出力するセンス回路と、上記読み出し
データ信号を遅延させる第一の遅延回路と、上記クロッ
ク信号を遅延させる第二の遅延回路と、上記読み出しデ
ータ信号を上記第二の遅延回路により遅延されたクロッ
ク信号を受けて保持するラッチ回路と、上記ラッチ回路
の出力信号と上記第一の遅延回路により遅延された読み
出しデータ信号を比較する比較回路とを含むよう構成す
る。
【0023】また、上記デュアルポートメモリセルは上
記メモリセルと、ゲートを情報保持ノードに接続し、ソ
ースを共通接続した一対のトランジスタと、上記ソース
共通接続点に接続した定電流源を含むように構成するこ
とが望ましい。
【0024】
【作用】本発明では、上記第一及び第二の遅延回路によ
り書き込みパルス幅とセットアップ時間の調節をするこ
とができるが、これらの遅延回路に、パルス幅の狭い信
号が入力されることが無いため、遅延回路一段当たりの
遅延時間を大きく設計できる。従って、遅延回路の段数
を低減することができ、占有面積及び消費電力の小さな
半導体メモリを実現することができる。
【0025】
【実施例】図1は本発明のブロック図であり、図2は各
信号のタイミングチャートである。図4の半導体メモリ
とは、パルス幅伸長とセットアップ時間用の遅延の実現
方法が異なる。すなわち、図1の実施例では、パルス幅
伸長回路STR及びセットアップ時間用遅延回路DLY
の代わりに、第一の遅延回路DLY1及び第二の遅延回
路DLY2が設けられている。第一の遅延回路DLY1
はデュアルポートセル用センスアンプの出力信号RDを
遅延させ、第二の遅延回路DLY2はクロック信号を遅
延させる。
【0026】以下、図2を参照しながら本回路の動作を
詳しく説明する。本回路はクロック信号CLKに同期し
て動作し、1サイクルはCLKの立上りから始まるもの
とする。
【0027】ラッチ回路DLはCLKを遅延回路DLY
2により遅延されたCLKDにより起動される。CLK
Dが立上がると、ラッチ回路DLにデュアルポートセル
DPCの情報が取り込まれる。図2の例ではDPCの最初
の記憶情報は“0”であるので、DPCの読み出し情報
RDは“0"であり、ラッチ回路の出力DDIは“0"と
なる。このため、比較回路CMPの出力DWEは“0”
となる。また、DDIはインバータINVにより反転さ
れ、その出力信号DDIBは“1”となる。従って、ダ
ミーセルアレーDCAに“1”書き込み動作が始まる。
DPCの記憶情報が反転して“1”となると、センスア
ンプがこれを検出しRDが“1”へ変化する。RDは遅
延回路DLY1により遅延されRDDとなる。RDDを
受けて、CMPの出力DWEは“1”となり、書き込み
動作は終了する。
【0028】本実施例において、DLY1の遅延時間を
大きくすると、デュアルポートセルが反転してからRD
Dが変化するまでの時間が長くなるので、DWEのパル
ス幅は大きくなる。すなわち、DLY1の遅延時間を調
節することで書き込みパルス幅に適当なマージンを持た
せることができる。また、DLY2の遅延時間を大きく
すると、ラッチ回路DLが起動されるタイミングが遅れ
る。従って、書き込みパルスのセットアップ時間が長く
なる。すなわち、DLY2の遅延時間を調節すること
で、適当なセットアップ時間を確保することができる。
【0029】また本実施例では、遅延回路DLY1に入
力される信号RDのパルス幅は、サイクル時間と等し
く、遅延回路DLY2に入力される信号CLKのパルス
幅は、サイクル時間の1/2であり、図4の半導体メモ
リのように狭いパルス幅の信号が入力されることは無
い。従って、遅延回路の立上り時間及び立下り時間はサ
イクル時間の1/2程度まで大きくできるので、遅延回
路一段当たりの遅延時間を大きくすることができ、DL
Y1,DLY2を構成する遅延回路の段数を減らすこと
ができる。これにより、占有面積及び消費電力の小さな
半導体メモリを実現することができる。
【0030】図8はダミーセルアレーDCA及びデュア
ルポートセル用センスアンプDSAの実施例を示したも
のである。ここでは、メモリセルを低電圧CMOSメモ
リセルで構成した場合を示している。低電圧CMOSメ
モリセル技術は例えば、特開平3−76096号公報に記載さ
れているもので、CMOSメモリセルにチップの電源電
圧よりも小さい電圧を印加することにより、ワード線及
びビット線の駆動振幅を低減し高速動作を実現するもの
である。
【0031】ダミーセルDC1〜DCnは通常のCMO
SフリップフロップとNMOSトランスファゲートから
なり、その電源電圧VEはチップの電源電圧よりも小さ
い。例えば、チップの電源電圧が5.2V のとき、VE
は3V程度に設定される。ダミーセルの構造,配置は本
体のセルアレーと全く同じに構成する。デュアルポート
セルDPCは本体セルに読み出しポート用MOS MT
R0,MTR1をつけ加えて構成する。フリップフロッ
プ及び書き込みポート用トランスファゲート部分(MP
D0,MPD1,MND0,MND1,MTW0,MT
W1)は、ダミーセルと同じである。このため、書き込
み動作に対する応答は本体メモリセルとほとんど同じに
できる。読み出しポート用MOS MTR0,MTR1
のゲートはDPCの情報保持ノードに、ソースは定電流
源ISに接続され、ドレインはセンスアンプDSAに接
続される。センスアンプDSAは負荷抵抗RL0,RL
1と差動増幅回路からなる。今、例えば、MND0が導
通しており、MND1が非導通であったとすると、MT
R1が導通,MTR0が非導通となり、RL1に電流I
Sが流れ、バイポーラトランジスタQS0のベース電位
が低下する。この電位変化をトランジスタQS0,QS
1,QEF0,QEF1,抵抗RS0,RS1,電流源
ISからなる差動増幅回路で増幅して、デュアルポート
セルの読み出しデータ信号RD0,RD1を出力する。
この様な構成を採ることにより、書き込み中でもDPC
の状態をモニタしつづけることができ、DPCの情報反
転を検出することができる。
【0032】なおここで、MTR0,MTR1のソース
に定電流源ISを接続しているのは、MTR0,MTR
1の特性が変動しても、負荷抵抗RL0,RL1に流れ
る電流を一定に保ち、DPCの情報反転検出時間を一定
にするためである。またここでは、フリップフロップを
CMOSで構成したメモリセルを例に説明しているが、
フリップフロップはNMOSと抵抗で構成しても良い
し、NMOSと多結晶シリコン膜を用いたPMOSで構
成しても良い。
【0033】図9は遅延回路DLY1の実施例を示した
ものである。遅延回路D1〜Dnは差動入出力のECL
回路で構成され、遅延時間は負荷抵抗RD0と容量CD
0の積を変えることで調節できる。遅延回路を差動信号
の回路で構成することで、参照電圧(VBB)のずれに
よる遅延時間の変動を防止することができ、高精度な遅
延回路を実現することができる。
【0034】なお、本実施例はもちろん遅延回路DLY
2にも適用できる。
【0035】
【発明の効果】本発明では、書き込みパルス幅とセット
アップ時間を調節する遅延回路に、狭いパルス幅の信号
が入力されることが無いため、遅延回路一段当たりの遅
延時間を大きく設計できる。従って、遅延回路の段数を
低減することができ、占有面積及び消費電力の小さな半
導体メモリを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成を示したブロック図。
【図2】本発明の各信号のタイミングチャート。
【図3】従来技術の説明図。
【図4】従来技術の問題を解決した半導体メモリのブロ
ック図。
【図5】図4の各信号のタイミングチャート。
【図6】図4の半導体メモリのパルス幅伸長回路図。
【図7】図6の各信号のタイミングチャート。
【図8】本発明のダミーセルアレー及びセンス回路図。
【図9】本発明の遅延回路図。
【符号の説明】
WPG…書き込みパルス発生回路、CA…セルアレー、
BD…ビット線駆動回路、WA…ライトアンプ、DCA
…ダミーセルアレー、DBD…ダミービット線駆動回
路、DWA…ダミーライトアンプ、DC1〜DCn…ダ
ミーセル、DPC…デュアルポートセル、STR…パル
ス幅伸長回路、DLY,DLY1,DLY2…遅延回路。
フロントページの続き (72)発明者 南部 博昭 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 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 増田 徹 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 (56)参考文献 特開 平1−223691(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G11C 11/41

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】格子状に配置した複数のメモリセルと、 外部からのクロック信号と書き込み制御信号を受けて、
    書き込みパルスを発生する書き込みパルス発生回路と、 上記書き込みパルスとデータ入力信号を受けて、上記メ
    モリセルにデータを書き込む書き込み回路を有する半導
    体メモリにおいて、 上記書き込みパルス発生回路は、書き込みポートと読み
    出しポートを有し、上記メモリセルと同じ構成を含むデ
    ュアルポートメモリセルを含み、メモリセルの応答特性
    を擬似する手段と、上記書き込みポートに書き込み出力
    を与えるダミー書き込み回路と、上記読み出しポートか
    らの信号を検出し読み出しデータ信号を出力するセンス
    回路と、上記読み出しデータ信号を遅延させる第一の遅
    延回路と、上記クロック信号を遅延させる第二の遅延回
    路と、上記読み出しデータ信号を上記第二の遅延回路に
    より遅延されたクロック信号を受けて保持するラッチ回
    路と、上記ラッチ回路の出力信号と上記第一の遅延回路
    により遅延された読み出しデータ信号を比較する比較回
    路とを含み、上記比較回路の出力信号をダミー書き込み
    信号として、上記ダミー書き込み回路に入力することを
    特徴とする半導体メモリ。
  2. 【請求項2】請求項1において、上記デュアルポートメ
    モリセルは上記メモリセルと、ゲートを情報保持ノード
    に接続し、ソースを共通接続した一対のトランジスタ
    と、上記ソース共通接続点に接続した定電流源を含む半
    導体メモリ。
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