JP3435007B2 - 低電圧技術による高い電圧の振れを出力するバッファ - Google Patents
低電圧技術による高い電圧の振れを出力するバッファInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—BASIC ELECTRONIC CIRCUITRY
- 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
- H03K19/018507—Interface arrangements
- H03K19/018521—Interface arrangements of complementary type, e.g. CMOS
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は集積回路の出力バッ
ファに関し、より詳しくは、出力バッファの中のトラン
ジスタが動作するよう設計された電圧よりも大きな値の
出力電圧の振れをもたらすことのできる集積回路出力バ
ッファに関する。
【0002】
【従来の技術】CMOS技術で作られる集積回路の出力
バッファは通常、p−チャンネルプルアップトランジス
タとn−チャンネルプルダウントランジスタを有する。
これらのトランジスタは、それぞれプラス側の電力供給
電圧VDDとマイナス側の電力供給電圧VSSの間に接続さ
れる。この配置はこれらの電圧に近い出力電圧の振れ、
換言すると、VSS=0v,VDD=5vである場合、0か
ら5vの電圧の振れをもたらす。これはこれらの電力供
給電圧と同じ電圧の振れで動作する他の集積回路と信号
をやりとりする場合、満足できるものである。しかしな
がら、集積回路技術の応用分野の増加につれて、異なる
電力供給電圧で動作する集積回路の間で信号をやりとり
し、従って、異なる出力(または入力)電圧の振れに適
合させることが必要になってきている。
【0003】例えば、電力供給電圧の低下傾向は、低い
電圧(例えば、3vまたはそれ以下)用技術で製造され
た集積回路が、それより高い電圧(例えば、5v)用技
術で製造された集積回路と信号をやりとりする必要が起
こることを暗に示している。双方向バスに、より高い電
圧レベルが存在するかもしれないので、より低い電圧デ
バイスの信頼性を確保するという問題が起こる。例え
ば、5vの出力信号が5vで動作するデバイスからバス
に出されることがあり、この電圧がやはりそのバスに接
続されている3vの出力バッファのn−チャンネルプル
ダウントランジスタのゲート酸化物間(例えば、ゲート
−ソース電極間またはゲート−ドレイン電極間)に現れ
る。(ここで、「3v」というのは標準3.3v±10
%の電力供給電圧を含む)。この3v用デバイスのゲー
ト酸化物は概して5v用デバイスのゲート酸化物より薄
いので、そのゲート酸化物の劣化がそれに掛かる高い電
界によって起こり得る。3v用デバイスの中のソース−
ドレイン間電圧も、通常は熱電子効果により、一般に約
3.3v+10%より低い値に制限されている。従来技
術では、この劣化は一般に、出力(または入力)バッフ
ァのゲート酸化物が5vの信号に耐えられるように5v
用技術で出力デバイスを製造することにより避けられて
いる。そして、入/出力バスと直接信号をやりとりしな
いデバイスの「コア」論理(内部だけで通用する論理信
号のレベル)が、例えば消費電力を減らすために、3.
3vレベルで動作されている。しかしながら、この方法
は、デバイスが3.3vの動作に最適化されていないの
で、コア論理の性能を著しく制限する。また、出力バッ
ファの中のプルアップデバイスおよびプルダウンデバイ
スを保護するために電圧降下トランジスタを用いること
も知られており、その詳細は例えば、本願と同じ者に譲
渡されている米国特許第5,381,062号を参照さ
れたい。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】比較的低い電圧用技術
を用いて製造され、出力導体を比較的高い電圧の振れで
駆動することのできる集積回路出力バッファを提供す
る。例えば、3.3vCMOS技術で作られた本発明の
バッファは5vの出力の振れを出すことができる。
【0005】
【課題を解決するための手段】比較的低い電圧用技術を
用いて製造され、出力導体を比較的高い電圧の振れで駆
動することのできる集積回路出力バッファは、順次高い
電圧レベルで動作する一つまたは二つ以上の中間インバ
−タを用いて、出力電圧の振れを低い電圧レベルからよ
り高い電圧レベルに増大させていくことにより達成され
る。望ましい実施例においては、分圧回路を流れる電流
を制限する電力節約回路を用いてそれらの電圧レベルが
もたらされる。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明は、出力バッファの中のト
ランジスタが動作するよう設計された電圧よりも大きな
値の出力電圧の振れをもたらすことのできる集積回路出
力バッファに関する。5vの出力の振れを出す3.3v
CMOS技術で作られた集積回路の場合がここで例示さ
れるが、他の電圧レベルに適用することが可能である。
例えば、もっと低い電圧が意図される場合には、2.5
vCMOS技術も現在用いられている。本発明の技術を
具現化する例示的回路が図1に示されている。プルダウ
ン側は直列な2つのn−チャンネルデバイスから成る。
ボンディングパッド(出力端)104に接続された出力
接続点103の近くのトランジスタ101はそのゲート
を3.3vの公称値を持つ電圧源VDDに永続的に接続さ
れている。第2のプルダウントランジスタ102はその
ゲートをインバ−タトランジスタ135−136により
電圧源VDDと電圧源VSS(アース)の間を切り替えられ
る。トランジスタ101は5vの電圧がボンディングパ
ッド104に印加されても接続点105がVDD−Vthn
(n−チャンネルトランジスタの閾値)以上に上がらな
いようにするので、トランジスタ101はトランジスタ
102のゲート酸化物がVDDを決して超えないように保
護する作用をする。このn−チャンネルプルダウンデバ
イスの保護は、例えば本願と同じ者に譲渡されている米
国特許第4,704,547号に示されているように、
従来から知られている。
【0007】例示的実施例の本発明の回路は更にプルア
ップデバイス118を保護する手段を含んでいる。この
目的のため、図1に示されている抵抗分圧回路網は直列
に接続された抵抗105−111を有する。この抵抗列
は接続点112−117にそれぞれ基準電圧VL1−V
L3およびVH1−VH3をもたらす。これらの基準電
圧は公称5vの電圧源VDD5 に比例する。これらの電圧
の値が下の表に示されている。抵抗105−111は例
えばn−タブあるいは高濃度にドープされたソース/ド
レイン領域のような半導体拡散領域に形成することがで
きる。これらの材料は一般に5vを超える破壊電圧を持
っているので、電圧源VDD5 に接続されても損傷を受け
ない。他の抵抗材料、例えば、ドープされた多結晶シリ
コンなども代わりに用いられ得る。
表:抵抗分圧器からの基準電圧
接続点 VX /VDD5 公称VX ( VDD5 =5vのときの電圧)
VL1 0.12 0.60
VL2 0.23 1.15
VL3 0.34 1.70
VH1 0.66 3.30
VH2 0.78 3.90
VH3 0.89 4.45
【0008】p−チャンネルプルアップトランジスタ1
18は、そのソースを5vの電圧源VDD5 に接続されて
いる。このトランジスタには本実施例の場合、バックゲ
ートが形成されていて、寄生ダイオードが導通するのを
防ぐためにそのバックゲートも電圧源VDD5 に接続され
ている。トランジスタ118のゲートは接続点119に
接続されている。接続点119がVDD5 のとき、トラン
ジスタ118はオフにされる。ゲート酸化物の3.3v
の限界を超えない間はオンにするために、接続点119
はトランジスタ120を介して基準電圧VL3(接続点
114)に接続されている。VL3とVDD5 の差は 2
/3×VDD5 、すなわち3.3vに等しい。従って、ト
ランジスタ118のゲート酸化物に掛かるゲート−基板
間電圧はこのトランジスタ118がオンのとき3.3v
を超えない。基準電圧VH3はVDD5 より約0.5v低
くなるように選ばれている。このことが、この電圧がト
ランジスタ121の閾電圧よりも常に低いので、接続点
122が高いときトランジスタ121がオフとされるの
を確実にする。
【0009】同様に、基準電圧VH2はVH3より0.
55v低く、また、VH1はVH2より0.6v低く、
それにより、トランジスタ124および127の入力接
続点(125、128)が高いとき、これらのトランジ
スタがそれぞれオフとされるのを確実にする。VH1=
2/3×VDD5 なので、それは3.3vに等しく、接続
点131がアース電位(0v)に引き下げられることが
でき、それにより、トランジスタ130のゲート電圧の
限界を超えることなくトランジスタ129をオフにす
る。同じように基準電圧VL2はVL3より0.55v
低く、また、VL1はVL2より0.6v低く選ばれ、
それにより、トランジスタ123、126および129
のそれぞれのゲート酸化物に掛かる電圧が3.3vを超
えることなく、それらトランジスタの入力接続点(12
5、128、131)が高くなれるようにする。これ
は、ブロック137として纏めて示されている中間イン
バ−タ群に、VDD側(VSS側)からVDD5 側に順次高く
なる階段状の電力供給電圧VH1(VL1)をもたらし
ている。このように電力供給電圧を階段状にすること
が、インバ−タ132−133の入力接続点134でア
ース電位からVDD(3.3v)になる入力信号Aが、ゲ
ート酸化物にVDDを超える電圧を決して掛けることなし
に、接続点103の出力をアース電位からVDD5 (5
v)にさせることのできる方法である。インバ−タトラ
ンジスタ135−136は、プルダウントランジスタ1
02を正しい位相で駆動するために、接続点134のバ
ッファ入力信号を反転させる役目をしていることに注意
されたい。
【0010】図1の基本的な回路は3.3v用の技術で
5vの出力をもたらす仕事をするが、それはいくつかの
方法で随意に改良され得る。分圧器の抵抗列105−1
11には常に直流電流が流れている。これらの抵抗の値
は、基準電圧VL1−3およびVH1−3の値をあまり
変えることなく中間インバ−タ群137のトランジスタ
群により発生されるスイッチング変位電流が供給/吸収
されるようにするために、あまり大きくすべきではな
い。勿論、これらの抵抗の値が小さければ小さいほど基
準電圧をより良く一定に保つが、それではより多くの直
流電力を消費してしまう。そこで、この抵抗列の電流
(一般に0.5mA程度)を20〜30μA以下に減ら
す低電力モードを有することが望ましい。これは図2に
示されている回路で達成される。通常の動作において、
モード選択信号LP=0、即ち接続点201は低くされ
る。したがって、インバ−タトランジスタ202−20
3により接続点204(ここは接続点204´に接続さ
れている)は高くなり、トランジスタ205−206に
より接続点207は低くなり、トランジスタ208−2
09により接続点210は高くなり、トランジスタ21
1−212により接続点213(ここは接続点213´
に接続されている)は低くなり、そして、トランジスタ
214−215により接続点216(ここは接続点21
6´に接続されている)は高くなる。そこで、トランジ
スタ217および218はオンとされ、トランジスタ2
26はオフとされる。トランジスタ217および218
のオン状態抵抗は抵抗219−225のいずれの値より
も遥かに小さい。この場合(図2での通常電力モードの
場合)、基準電圧VL1−3およびVH1−3は前掲の
表に示されている値を有しており、直流電力は消費され
る。接続点234および235にそれぞれ静電容量23
8および239が付加されていることに注意されたい。
これらの静電容量はスイッチング中のこれらの接続点の
電圧(VL3とVH1、それぞれ)を安定化する助けと
なる。
【0011】ゲート酸化物への3.3v限界を犯すこと
なくトランジスタ217をオン、オフさせるために付加
回路が備えられている。これはダイオードとして働くよ
うに構成された小型のトランジスタ227−229を含
む。これらのトランジスタは接続点230および231
にトランジスタ202−203、205−206、20
8−209、211−212および214−215から
成るインバ−タ列への基準電圧V33X およびV66X (こ
れらはVDD5 のそれぞれ1/3および2/3である)を
もたらす。他の分圧抵抗列ではなくトランジスタ227
−229を使用することは、非常に高いインピーダンス
では抵抗のために相当大きな面積を必要とするので、小
さな集積回路面積で済むという利点を有する。トランジ
スタ208−209、211−212および214−2
15で形成されたインバ−タ列は図1に示されている中
間インバ−タ列137と同様に動作する中間インバ−タ
列としての役目を果たす。このような設計はどのゲート
酸化物も3.3v限界を超えないことを確実にする。低
電力モードでは、モード選択信号LP=1、すなわち、
接続点201が高くされ、その結果、トランジスタ21
7および218がオフとされる。このとき、トランジス
タ226はオンとされて、接続点232−234(VL
1−3)および接続点235−237(VH1−3)を
公称3.3vのVDDに値に引き上げる。このときの直流
消費電力はトランジスタ227−229においてだけで
ある。小さなトランジスタ寸法(例えば、ゲート長2.
0μm、ゲート幅4.0μm)とすることで、直流電流
は公称19μAである。
【0012】更に2、3の随意の改良が図3に示されて
おり、それは出力バッファが5vに耐える入力段(図示
されていない)を含む双方向バッファとして使えるよう
にしている。図2に示されている分圧回路がブロック3
01として図3に示されており、それは接続点302−
307にそれぞれ基準電圧VL1−3およびVH1−3
を生成する。中間インバ−タ列はブロック308に示さ
れている。図3の実施例ではトライステートモードが追
加されている。ライン309上のトライステートイネー
ブル信号ENはライン310上の低電力モード信号LP
とAND(論理積)をとられる。高インピーダンス状態
(いわゆる「トライステート」)では出力トランジスタ
311および312はオフとされる。このとき接続点3
13はVDD5 であるので、もしボンディングパッド31
4に0vの入力電圧が印加されると、トランジスタ31
1のゲートに5vが掛かるという電位問題が起こる。こ
の問題を避けるために、トランジスタ315が追加され
ており、そのゲートは1/3VDD5 の電圧を有する接続
点304(VL3)に接続されている。したがって、ト
ランジスタ315は接続点316が接続点304(VL
3)より上に(すなわちプラス側に)ゲート−ソース閾
値(VGS)以上には行かないようにすることでトランジ
スタ311を保護する働きをする。この動作はこの出力
バッファがトライステート状態にある場合、5vの信号
が外部の信号源からボンディングパッド314に印加さ
れたとき、トランジスタ317がトランジスタ312を
保護する仕方と同様である。したがって、この出力バッ
ファはトライステート状態にある場合、ボンディングパ
ッド314が適当な入力バッファ(図示されていない)
への入力ボンディングパッドとして使われることを可能
にする。
【0013】再び図2に戻って、抵抗分圧器の接続点2
34に接続された静電容量238は基準電圧VL3を安
定化しないが、トランジスタ120(図1)がオンにさ
れる度にこの接続点に排出される比較的大きな変位電流
がこの接続点234をその直流値よりかなり高い値に平
衡させることが分かった。これはトランジスタ120お
よび123(図1)から利用できる駆動力を減ずること
になり、この出力バッファの動作を遅くする。図3に示
されているように、トランジスタ318と単純な単安定
マルチバイブレータ319の追加がこの問題を解決す
る。接続点320の入力信号Aが高くなるときはいつ
も、この単安定マルチバイブレータがトランジスタ31
8を約1nsの間オンにして、接続点304の電荷の一
部をアースに放電する。このことは、直流電力を追加す
ることなしに、抵抗分圧器301が基準電圧VL3をそ
の直流値の近くに維持するのを助ける。
【0014】最後の随意の改良は接続点321と322
の間への遅延段の追加である。これは4つの中間インバ
−タ列(308)が接続点323と313の間で遅延を
引き起こすので望ましい。トランジスタ323−327
で形成されている遅延段での遅延は中間インバ−タ列
(308)での遅延と合致して、トランジスタ311と
312の両方が同時にオンにされることによって引き起
こされるオーバーラップ電流を防ぐ。
【0015】例示した実施例では4つの中間昇圧インバ
−タ(ブロック308中の)がバッファ入力インバ−タ
(328、329)とバッファ出力インバ−タ(31
1、312)の間に用いられている。しかしながら、い
くつの(すなわち、一つまたはそれより多くの)中間昇
圧インバ−タでも用いられ得ることに注意されたい。ま
た、抵抗分圧器が用いられる場合、直流電流消費を減ら
すのに、実施例に示されているやり方以外にもこの技術
分野で知られている技法に従っていろいろな電流制限技
法が用いられ得る。更に、中間インバ−タ群に掛ける電
圧を発生するための他の技法も用いられ得る。例えば、
静電容量で形成された分圧器も用いられ得る。望まれる
なら、中間電圧は低電圧電源から電力を取り出す昇圧回
路からでも得られる。上述の実施例では中間インバ−タ
群の使用によりプルアップトランジスタが保護されてい
るが、プルダウントランジスタが同様に保護されてもよ
い。この場合、中間インバ−タ群は、バッファ入力信号
がバッファ群の入力側から出力側に向かって進むにつれ
て高い(最もプラス側の)レベルから低い(最もマイナ
ス側の)レベルへと低下していく電力供給電圧で動作す
る。所与の集積回路がより高い電圧、例えば、EEP
(電子的に消去・プログラミング可能な)ROMのプロ
グラミングまたは液晶表示のための、例えば15vで駆
動できるようにするのに本発明の技法は勿論適用でき
る。
【0016】出力バッファはCMOS技術で実施された
ものが示されているが、他の型も可能である。例えば、
プルアップデバイスとプルダウンデバイスの両方にn−
チャンネルトランジスタを用いることがこの技術分野で
知られている。バイポーラデバイスで本発明の技法を使
用することも容易に可能である。本発明の教示を実施す
る更に他の変形も可能である。
【図1】抵抗分圧器を用いた本発明の第1の実施例を示
す図である。
【図2】本発明の第2の実施例で用いられる、電流の低
減された分圧回路を示す図である。
【図3】更に望ましい電流の低減された分圧器を用いた
本発明の第3の実施例を示す図である。
101 トランジスタ 102 プルダウントランジスタ 105〜110 抵抗 112〜117 接続点 118 プルアップトランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−125515(JP,A) 特開 平1−246862(JP,A) 特開 昭62−250720(JP,A) 米国特許5483176(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 19/0175 H03K 17/10 H03K 17/687
Claims (10)
- 【請求項1】 比較的低い電圧技術で作られ、比較的高
い電圧出力の振れを出力するのに適した出力バッファか
らなる集積回路において、前記出力バッファは、低い電
力供給電圧で動作しかつ出力を有するバッファインバー
ターと、高い電力供給電圧で動作しかつ入力を有するバ
ッファ入力インバータと、該バッファ入力インバータの
出力に接続された入力と該バッファ出力インバータの入
力に接続された出力とを有しかつ該低い電力供給電圧よ
り大きくかつ該高い電力供給電圧より低い中間電力供給
電圧にて動作する少なくとも1つの中間インバータとを
備え、前記中間の電力供給電圧が、前記高い電力供給電
圧に接続された分圧回路網から得られており、前記分圧
回路網が一連の分圧抵抗を含み、そして、前記分圧回路
網が、更に、低電力モードの間、前記一連の分圧抵抗を
通って流れる電流を減少させるための少なくとも一つの
スイッチングデバイスを含むことを特徴とする集積回
路。 - 【請求項2】 前記バッファ入力インバ−タ、前記バッ
ファ出力インバ−タ、および前記少なくとも一つの中間
インバ−タが、おのおのp−チャンネルプルアップトラ
ンジスタとn−チャンネルプルダウントランジスタとを
含むものである請求項1に記載の集積回路。 - 【請求項3】 (a)前記比較的低い電圧技術が、公称
3.3vまたはこれより低く、そして(b)ゲート−ソ
ース間破壊電圧、ゲート−ドレイン間破壊電圧、および
ソース−ドレイン間電圧限界からなるグループから選択
される少なくとも一つの要件によって前記低い電力供給
電圧に制限されている請求項1に記載の集積回路。 - 【請求項4】 ゲート電極、ソース電極及びドレイン電
極を有するトランジスタを有する出力バッファを備え
た、所定の技術で作られた集積回路であって、該出力バ
ッファは、前記電極に印可されたならば、前記トランジ
スタの信頼性に低下を引き起こすことになる電圧より大
きい電圧を出力するようになっている集積回路におい
て、前記出力バッファは、出力インバータの入力に接続
された出力を有する第1の中間インバータの入力に接続
された出力を有する入力インバータを備え、該第1の中
間インバータは、前記低い電力供給電圧より大きく、か
つ前記高い電力供給電圧より小さい第1の中間電力供給
電圧にて動作することを特徴とする集積回路。 - 【請求項5】 前記第1の中間インバータの出力に接続
された入力と前記第1の出力インバータの入力に接続さ
れた出力を有し、そして該第1の中間インバータ電力供
給電圧より大きく、かつ前記高い電力供給電圧より小さ
い第2の中間電力供給電圧にて動作する少なくとも1つ
の追加の中間インバータをさらに備える請求項4に記載
の集積回路。 - 【請求項6】 前記中間の電力供給電圧が、前記高い電
力供給電圧に接続された分圧回路網から得られるもので
ある請求項4に記載の集積回路。 - 【請求項7】 前記分圧回路網が一連の分圧抵抗を含む
ものである請求項6に記載の集積回路。 - 【請求項8】 前記分圧回路網が、更に、低電力モード
の間、前記一連の分圧抵抗を通って流れる電流を減少さ
せるための少なくとも一つのスイッチングデバイスを含
むものである請求項7に記載の集積回路。 - 【請求項9】 前記バッファ入力インバ−タ、前記バッ
ファ出力インバ−タ、および前記少なくとも一つの中間
インバ−タが、おのおのp−チャンネルプルアップトラ
ンジスタとn−チャンネルプルダウントランジスタを含
むものである請求項4に記載の集積回路。 - 【請求項10】 前記比較的低い電圧技術が、(a)公
称3.3vまたはこれより低く、そして(b)ゲート−
ソース間破壊電圧、ゲート−ドレイン間破壊電圧、およ
びソース−ドレイン間電圧限界からなるグループから選
択される少なくとも一つの要件によって前記低い電力供
給電圧に制限されている請求項4に記載の集積回路。
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