JP3422921B2 - 半導体集積回路 - Google Patents
半導体集積回路Info
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Description
論理回路を備えた半導体集積回路に関し、より詳しく
は、歩留まりの向上及びコストダウンを図ることができ
る半導体集積回路に関する。
費電力化、高速化及びチップ面積の小面積化が要請され
ており、このような要請に応える技術として、パストラ
ンジスタ論理による回路構成法が、例えば、日経BP社
より刊行された文献「低電力LSIの技術白書;p98
〜104」で提案されている。
論理をNMOSトランジスタで構成しているため、
“L”レベルの信号の導電性には優れているものの、
“H”レベルの信号を通す際に出力の電圧レベルが、基
板効果のためにNMOSトランジスタの閾値分だけ低下
するという問題がある。
タ論理回路では、NMOSトランジスタの閾値分だけ低
下した不完全な“H”レベルをフルスイングさせ、次段
への駆動能力を得るために種々の手法を採用している。
ているCPL(Complementary Pass
−Transistor Logic)では、出力部に
CMOSインバータを設け、これにより、鈍った“H”
レベルの論理レベルを元に戻すとともに、PMOS交差
ラッチを設け、これにより、CMOSインバータのスタ
ティック電流を抑制することにより後段負荷の駆動力を
増強する手法を採用している。
ano,T.Yamanaka,T.Nishida,
M.saito,K.Shimohigashi,an
dA.Shimizu,“A 3.8ns CMOS
16×16−b Multiplier Using
Complementary Pass−Transi
stor Logic”,IEEE J.Solid−
State Circuits.,Vol.25,N
o.2,pp.388−395(1990).」に記載
されているので、ここでは説明を省略する。
より提案されているSRPL(Swing Resto
red Pass−Transistor Logi
c)では、出力の保証にCMOSラッチを用いる手法を
採用している。
arameswar,H.Hara,and T.Sa
kurai,“A High Speed,Low P
ower,Swing Restored Pass−
Transistor Logic Based Mu
ltiply and Accumulate Cir
cuit for Multimedia Appli
cations,”Proc.IEEE 1994 C
ICC,pp.278−281,May 1994」に
記載されているので、ここでは説明を省略する。
理回路においては、一定段数毎のトランジスタ継続接続
に対してCMOSバッファを挿入し、これにより、信号
レベルを回復する手法を採用している。
CMOS論理を用いた回路設計に代わって、パストラン
ジスタ論理を用いることによりLSIの更なる低消費電
力化、高速化及びチップ面積の小面積化を図らんとすれ
ば、現状のパストランジスタ論理回路方式では“H”レ
ベルを駆動するためにPMOSトランジスタの利用が不
可欠である。
キャリアの移動度の違いにより、NMOSトランジスタ
と比較して3倍程度スピードが劣るため、これは、CM
OS論理回路と比較して高速であるというパストランジ
スタ論理回路の特徴に制限を与えるものとなる。
回路では、NMOSトランジスタに準じる程度までPM
OSトランジスタの動作スピードを上げるために、NM
OSトランジスタのサイズと比較してPMOSトランジ
スタのサイズを大きくする必要がある結果、チップ面積
の小面積化を図ることが困難であった。
OSトランジスタで論理を構成しているため、CMOS
論理回路に比べてNMOSトランジスタ領域がPMOS
トランジスタ領域と比較して大きくなることが多く、従
来のCMOSプロセスで採用されているレイアウト手法
を用いると、Pウエルに無駄な領域ができやすいため、
従来のCMOS論理回路と比較すると、トランジスタ数
に対するチップ面積が大きくなる傾向がある。
回路を用いた半導体集積回路では、上記した2つの理由
により、チップ面積の小面積化を図る上で制約があった
のが現状である。
たものであり、低消費電力化及び高速化を享受した上
で、チップ面積の小面積化を図ることができ、結果的
に、歩留まりの向上及びコストダウンを図ることができ
る半導体集積回路を提供することを目的とする。
は、NMOSトランジスタのみを用いたパストランジス
タ論理回路を備えた半導体集積回路において、該パスト
ランジスタ論理回路の出力レベルを補償する出力バッフ
ァを有し、該出力バッファがNMOSトランジスタのみ
を用いたブートストラップ回路で構成されており、該ブ
ートストラップ回路は、一方電極が電源電圧V DD に固定
された第1トランジスタT 1 と、該第1トランジスタT
1 からゲートノードBに電源電圧V DD −第1トランジス
タ閾値電圧V TH が供給可能とされ、ゲートとソース間に
ブートスキャパシタが形成された第2トランジスタT 2
とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成
される。
駆動力補助用のトランジスタを付加する構成とする。
論理回路をNMOSトランジスタで構成する。
鈍った“H”レベルの出力レベルを回復し、次段への
“H”レベルの駆動能力を得る手段である出力バッファ
として、ブートストラップ回路を用いている。
の実施形態の説明で用いる図1及び図2示すように、N
MOSトランジスタを通して鈍った“H”レベルの出力
レベルを、PMOSトランジスタを用いることなく、電
源電圧(VDD)レベル迄昇圧することができる。
ンジスタのみでパストランジスタ論理回路を構成できる
ので、PMOSトランジスタを必要に応じて使用する上
記従来のパストランジスタ論理回路に比べて、チップ面
積を小面積化することが可能になる。即ち、従来のパス
トランジスタ論理回路の低消費電力化及び高速化を享受
した上で、チップ面積の小面積化を図ることができる。
OSプロセスで半導体集積回路を作製できるため、CM
OSプロセスと比較してプロセスを簡略化できる。この
ため、Turn Around Timeを大幅に短縮
できる。
め、この点においても、チップ面積の小面積化が可能と
なる。
する構成によれば、後述の実施形態中で説明する理由に
より、消費電力を一層低減できる半導体集積回路を実現
できる。
に基づき具体的に説明する。
は本発明のパストランジスタ論理回路を備えた半導体集
積回路の出力バッファとして用いられるブートストラッ
プ回路の実施形態を示す。このブートストラップ回路
は、NMOSトランジスタT2と、NMOSトランジス
タからなる分離トランジスタT1とを備え、NMOSト
ランジスタT2のゲートとソース間にキャパシタ(ブー
トスキャパシタ)CBが形成されている。
(端子)を示し、BはNMOSトランジスタT2のゲー
トノードを示す。
T1は、NMOSトランジスタT2のゲートノードBが高
電位でフローティング状態になるように設けられてい
る。このため、NMOSトランジスタT2を通して鈍っ
た“H”レベルの出力を電源電圧まで昇圧することがで
きる。これにより、本実施形態のブートストラップ回路
によれば、PMOSトランジスタを用いることなく高電
圧と高インダクタンスを得ることができる。
の動作原理について説明する。まず、図1において、節
点Enが“H”レベルにある時に、節点Aに“H”レベ
ル(=VDD)を与えると、ゲートノードBはVDD−VTH
(NMOSトランジスタT1閾値電圧)にチャージされ
る。この時、節点Enを“L”レベルに下げるか、或は
節点Aに“H”レベルを与え続けた場合は、ゲートノー
ドBはVDD−VTHレベルを保ったままフローティング状
態となる。
まで上昇することを想定すると、この状態においては、
NMOSトランジスタT2のゲートノードBは、VDD−
VTHが印加された状態でフローテイング状態にある。こ
のため、NMOSトランジスタT2も自身のゲート容
量、即ち、入力端子とゲートノードB間の容量により一
種のブートストラップ回路として動作する。
する。一方、ゲートノードB、即ち節点Bのノードはキ
ャパシタCBの力ップリングにより、初期のVDD−VTH
という電位差を保ったまま、節点Cの電位によってVH
+VDD−VTHまで上昇する。よって、節点Cのノードを
閾値電圧分の電圧降下なく、節点Dに等しい電圧まで駆
動できる。
形に基づき今少し具体的に説明する。上記のように、節
点Enが“H”レベルにある時に、節点Aにも“H”レ
ベルを与えると、図2に示すように、節点Bの電位は
“H”レベル(VDD−VTH)にチャージされる。
と、節点BはVDD−VTHのレベルを保ったまま浮遊状態
となる。この状態において、NMOSトランジスタT2
は開(ON)状態にあるため、節点Dが“L”レベルの
時、節点Cにも“L”レベルが伝達される。
ベルに変化すると、図2に示すように、節点CもNMO
SトランジスタT2を介して電圧レベルが上昇する。こ
こで、分離トランジスタT1によって遮断された状態に
おいては、節点Cと節点Bとの電位差は一定に保たれる
ため、節点Bには現在の電圧レベルVDD−VTHに節点C
の電圧レベルを上乗せした値が現われる。
剰駆動され、節点Dに与えた“H”の電圧(VDD)レベ
ルまで節点Cの電位が上昇する。
プ回路を出力補償用の出力バッファとして用いると、前
段のパストランジスタ論理回路の鈍った“H”レベルの
出力レベルを、PMOSトランジスタを用いることな
く、電源電圧(VDD)レベル迄昇圧できることがわか
る。
記のブートストラップ回路をパストランジスタ論理回路
の出力補償用の出力バッファとして用いた半導体集積回
路の一例として、インバータ回路に適用した場合の実施
形態について説明する。
を用いて構成する半導体集積回路において、パストラン
ジスタ論理回路を通過した“H”レベルの信号の劣化
を、プルアップトランジスタ及び分離トランジスタの役
割を果たすNMOSトランジスタT1と、ブートストラ
ップキャパシタCBとを設けることで、PMOSトラン
ジスタを用いることなく回復できるので、本実施形態の
インバータ回路は、上述のブートストラップ回路をパス
トランジスタ論理回路の出力補償用の出力バッファとし
て用いている。
ンバータ回路は、パストランジスタ論理回路1の後段
に、出力補償用の出力バッファを設けてあり、この出力
バッファは、NMOSトランジスタT1,T2,T3と、
ブートスキャパシタCBとで構成されている。以下にそ
の動作を説明する。
トランジスタT1により、常に“H”レベル(=VDD−
VTH)にあり、このNMOSトランジスタT1はフロー
ティング状態である。即ち、このNMOSトランジスタ
T1は分離トランジスタとしての役割を果たしている。
力A・B(=節点a)が“H”レベルの時、NMOSト
ランジスタT2が導通しているため、出力は“L”レベ
ルになる。この時、NMOSトランジスタT3は常に導
通しているため、NMOSトランジスタT2のコンダク
タンスはNMOSトランジスタT3のコンダクタンスに
比べて大きくとっておく必要がある。
落ちると、インバータ出力OUT(バーA・B)は、N
MOSトランジスタT3によって充電されるため電位が
上昇する。これに伴い、b点の電位はブートストラップ
キャパシタCBとの力ップリング効果により電源電圧
(VDD)以上に昇圧し、NMOSトランジスタT3を過
剰駆動する。
キャパシタCBの容量値を適切な値に設定しておけば、
パストランジスタ論理回路がNMOSトランジスタのみ
からなる回路構成で“H”レベルの出力の劣化を生じな
いインバータ回路を構成することができる。
Tが“H”レベルにある時、ゲートが過剰駆動されるN
MOSトランジスタT3を通じて常に電源電圧VDDにプ
ルアップされるため、スタティックにレベル保持をする
必要はなく、出力OUTの“H”レベルは常に保証され
る。
MOSトランジスタのみでパストランジスタ論理回路を
構成できるので、上記従来のパストランジスタ論理回路
に比べて、チップ面積を小面積化することが可能にな
る。
製できるため、Turn Around Timeを大
幅に短縮できる。更には、PMOS領域を必要としない
ため、この点においても、チップ面積の小面積化が可能
となる。
電源からグランドヘの直流パス、即ち、電源→NMOS
トランジスタT3→NMOSトランジスタT2→グランド
の直流パスが形成されるため、消費電力の観点からは、
NMOSトランジスタT3のWは小さく、Lは大きくし
ておく方が望ましい。
小さく、Lを大きくすると、次段を“H”レベルで駆動
する場合に間題が出てくる。即ち、NMOSトランジス
タT3のサイジングである。
の実施形態2で解決されている。
発明を適用したインバータ回路の実施形態2を示す。こ
のインバータ回路は、パストランジスタ論理回路2の相
補出力、即ち、出力A・B、バーA・Bを用い、且つ新
たにNMOSトランジスタT4、即ち、駆動力補助用の
NMOSトランジスタT4を設けることによって、上記
問題、即ち、NMOSトランジスタT3のサイジングの
問題を解決し、同時に、消費電力の低減化を達成したも
のである。
ングの問題はNMOSトランジスタT4を設けることで
解決した。図4において、NMOSトランジスタT
4は、パストランジスタ論理回路2からの入力バーA・
Bが“H”レベルの時、つまり、入力A・Bが“L”レ
ベルの時は動作せず、入力A・Bが“H”レベルの時に
のみ動作するので、これにより、NMOSトランジスタ
T3の駆動力を補うことが可能である。よって、NMO
SトランジスタT3のサイジングの問題は解決されてい
る。
と同様であり、プルアップ及び分離トランジスタT1、
ブートストラップキャパシタCBを設けることで、パス
トランジスタ論理回路2の出力に劣化のない“H”レベ
ルを保障している。以下にその動作を説明する。
ーA・Bが“H”レベルの時、即ちA・B(=節点a)
が“L”レベルの時、NMOSトランジスタT2が導通
しているため出力は“L”レベルになる。
と、即ち、入力A・B(=節点a)が“H”レベルの
時、出力OUTはNMOSトランジスタT3によって充
電されるため電位が上昇する。これに伴い、b点の電位
はブートストラップキャパシタCBとの力ップリング効
果により電源電圧VDD以上に昇圧し、NMOSトランジ
スタT3を過剰駆動し、出力に劣化のない“H”レベル
を伝達する。
(ON)ため、NMOSトランジスタT3のWのサイズ
を小さく或はLのサイズを大きくしたとしても、次段へ
の駆動力の問題は生じない。
ンジスタ入力A及びBへの入力波形(シミュレーション
波形)を示し、図6は出力OUT(A・B)の動作波形
を示している。
形態1のインバータ回路よりも消費電力を低減できる利
点がある。
ップキャパシタCBの容量値に関しては、この容量値は
プロセスに依存するため一概には示せないが、それほど
大きな容量を用意する必要はない。更なる高速動作を望
むときのみ、より大きなキャパシタを用意すれば良い。
は、上記のインバータ回路に限定されるものではなく、
パストランジスタ論理回路を備えた半導体集積回路に広
く応用できるものである。
ジスタのみでパストランジスタ論理回路を構成できるの
で、PMOSトランジスタを必要に応じて使用する上記
従来のパストランジスタ論理回路に比べて、チップ面積
を小面積化することが可能になる。即ち、従来のパスト
ランジスタ論理回路の低消費電力化及び高速化を享受し
た上で、チップ面積の小面積化を図ることができる。
体集積回路の歩留まりの向上及びコストダウンを図るこ
とができる。
によれば、駆動力補助用のトランジスタが付加されてい
るので、消費電力を一層低減できる半導体集積回路を実
現できる利点がある。
論理回路をNMOSトランジスタのみで構成できるの
で、従来周知のNMOSプロセスで半導体集積回路を作
製できるため、CMOSプロセスと比較してプロセスを
簡略化できる。このため、Turn Around T
imeを大幅に短縮できる。加えて、PMOS領域を必
要としないため、この点においても、チップ面積の小面
積化が可能となる。
波形図。
1を示す回路図。
2を示す回路図。
びBへの入力波形を示すシミュレーション波形図。
作波形を示すシミュレーション波形図。
Claims (2)
- 【請求項1】 NMOSトランジスタのみを用いたパス
トランジスタ論理回路を備えた半導体集積回路におい
て、 該パストランジスタ論理回路の出力レベルを補償する出
力バッファを有し、該出力バッファがNMOSトランジ
スタのみを用いたブートストラップ回路で構成されてお
り、 該ブートストラップ回路は、一方電極が電源電圧V DD に
固定された第1トランジスタT 1 と、該第1トランジス
タT 1 からゲートノードBに電源電圧V DD −第1トラン
ジスタ閾値電圧V TH が供給可能とされ、ゲートとソース
間にブートスキャパシタが形成された第2トランジスタ
T 2 とを有する 半導体集積回路。 - 【請求項2】 前記ブートストラップ回路に駆動力補助
用のトランジスタが付加されている請求項1記載の半導
体集積回路。
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