JP3537500B2 - インバータ装置 - Google Patents
インバータ装置Info
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- supply voltage
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/003—Modifications for increasing the reliability for protection
- H03K19/00346—Modifications for eliminating interference or parasitic voltages or currents
- H03K19/00361—Modifications for eliminating interference or parasitic voltages or currents in field effect transistor circuits
Description
するのに適した低ノイズのインバータ装置に関するもの
である。
回路で用いるインバータ以外に、出力電流が100μA
以上にも及ぶような大電流インバータを用いることがあ
る。このような大電流インバータは、低ノイズを要求さ
れる高精度のアナログ回路を内蔵する集積回路に用いる
場合、そのインバータがスイッチングする際にシリコン
基板、電源線、接地線に発生するノイズを抑制すること
は、この集積回路のアナログ性能を左右する重要な課題
となっている。
しては、レイアウトによって、その大電流を発生するイ
ンバータを他のアナログ回路から距離を隔てたり、ある
いは電源線又は接地線の幅を広くする等の工夫を行って
きた。
の入力に1対のインバータを設け、その主インバータを
構成するPMOSトランジスタ及びNMOSトランジス
タの各スイッチング時間に時間差を設け、それによりそ
れらトランジスタが同時にONするのを防ぐようにした
ものも知られている。しかし、このような回路構造のイ
ンバータでも、依然として、ある種の高精度のアナログ
回路、例えば高確度のデジタル−アナログ変換器に使お
うとした場合、そのノイズ発生量が大き過ぎて問題にな
る場合がある。
発生を低減させたインバータ装置を提供することであ
る。
ログ回路において十分使用できる低ノイズのインバータ
装置を提供することである。
め、本発明によるインバータ装置は、 イ)入力信号を受けるための入力端子と、出力信号を発
生するための出力端子と、 ロ)第1の導電型の第1のトランジスタと第1の導電型
とは異なった第2の導電型の第2のトランジスタを含む
第1のインバータ回路であって、前記第1のトランジス
タは、第1の電源電圧導体に接続した第1の電流搬送電
極と、前記出力端子に接続した第2の電流搬送電極と、
制御電極と、を有し、前記第2のトランジスタは、第2
の電源電圧導体に接続した第1の電流搬送電極と、前記
出力端子に接続した第2の電流搬送電極と、制御電極
と、を有する、前記の第1インバータ回路と、ハ)前記
入力端子と前記第1トランジスタの前記制御電極との間
に接続しており、前記入力信号に応答して可変遅延の第
1の遅延出力信号を発生する第1の可変遅延手段であっ
て、第1のキャパシタを含み、また前記第1トランジス
タを導通状態にかつ前記第2トランジスタを非導通状態
にする第1の方向に前記入力信号が変化するときには、
第1の遅延を前記第1遅延出力信号にもたせ、前記第1
トランジスタを非導通状態にかつ前記第2トランジスタ
を導通状態にする第2の方向に前記入力信号が変化する
ときには、第1の遅延より短い第2の遅延を前記第1遅
延出力信号にもたせるようになった、前記の第1の可変
遅延手段と、 ニ)前記入力端子と前記第2トランジスタの前記制御電
極との間に接続しており、前記入力信号に応答して可変
遅延の第2の遅延出力信号を発生する第2の可変遅延手
段であって、第2のキャパシタを含み、また前記第1方
向に前記入力信号が変化するときには、前記第1遅延よ
り短い第3の遅延を前記第2遅延出力信号にもたせ、前
記第2方向に前記入力信号が変化するときには、前記第
2遅延より長い第4の遅延を前記第2遅延出力信号にも
たせるようになった、前記の第2の可変遅延手段と、を
備える。
第1及び第2のキャパシタは、前記第1遅延と前記第2
遅延との差、並びに前記第3遅延と前記第4遅延との差
を大きくするように作用する。
手段は、 イ)前記第1電源電圧導体と前記第2電源電圧導体との
間に接続した少なくとも1段の第2のインバータ回路
と、 ロ)該第2インバータ回路の出力を受けるように接続し
た入力と、前記第1トランジスタの前記制御電極に接続
した出力とを有する、前記第1キャパシタを含む第1の
ローパスフィルタと、を含み、前記第2可変遅延手段
は、 イ)前記第1電源電圧導体と前記第2電源電圧導体との
間に接続した少なくとも1段の第3のインバータ回路
と、 ロ)該第3インバータ回路の出力を受けるように接続し
た入力と、前記第2トランジスタの前記制御電極に接続
した出力とを有する、前記第2キャパシタを含む第2の
ローパスフィルタと、を含むようにできる。
のインバータ回路の各々は、1段のインバータ回路から
成るようにできる。この場合、前記第2インバータ回路
は、 イ)前記第1導電型の第3のトランジスタであって、前
記第1電源電圧導体に接続した第1の電流搬送電極と、
第1の共通接続点に接続した第2の電流搬送電極と、前
記入力端子に接続した制御電極と、を有する前記の第3
のトランジスタと、 ロ)前記第2導電型の第4のトランジスタであって、前
記第2電源電圧導体に接続した第1の電流搬送電極と、
前記第1共通接続点に接続した第2の電流搬送電極と、
前記入力端子に接続した制御電極と、を有する前記の第
4トランジスタと、を含み、前記第3インバータ回路
は、 イ)前記第1導電型の第5のトランジスタであって、前
記第1電源電圧導体に接続した第1の電流搬送電極と、
第2の共通接続点に接続した第2の電流搬送電極と、前
記入力端子に接続した制御電極と、を有する前記の第5
のトランジスタと、 ロ)前記第2導電型の第6のトランジスタであって、前
記第2電源電圧導体に接続した第1の電流搬送電極と、
前記第2共通接続点に接続した第2の電流搬送電極と、
前記入力端子に接続した制御電極と、を有する前記の第
6トランジスタと、を含むようにできる。
トランジスタは、P型MOSトランジスタとし、前記第
2導電型のトランジスタは、N型MOSトランジスタと
することができる。この場合、前記第3トランジスタの
チャンネル幅は、前記第4トランジスタのチャンネル幅
より大きく、前記第5トランジスタのチャンネル幅は、
前記第6トランジスタのチャンネル幅より小さくでき
る。
フィルタは、 イ)前記第1共通接続点と前記第1トランジスタの制御
電極との間に接続した第1の抵抗器と、 ロ)前記第1トランジスタの制御電極と前記第1及び第
2の電源電圧導体の一方又は双方に接続した前記第1キ
ャパシタと、を含み、前記第2ローパスフィルタは、 イ)前記第2共通接続点と前記第2トランジスタの制御
電極との間に接続した第2の抵抗器と、 ロ)前記第2トランジスタの制御電極と前記第1及び第
2の電源電圧導体の一方又は双方に接続した前記第2キ
ャパシタと、を含むようにできる。
について詳細に説明する。
タ装置を示す回路図である。図示のように、このインバ
ータ装置は、入力信号INを受ける入力端子1と、入力
信号を反転した出力信号OUTを発生する出力端子2
と、をもっている。また、このインバータ装置は、電源
電圧導体3と接地電圧導体4との間に主インバータ回
路、即ち、直列に接続したPMOSトランジスタ5とN
MOSトランジスタ6を含んでいる。尚、トランジスタ
5と6のドレインどうしが互いに接続され、また出力端
子2に接続されている。また、入力端子1とトランジス
タ5と6の各ゲートとの間には、第1の可変遅延部7と
第2の可変遅延部8とを設けている。
タ5をONにかつトランジスタ6をOFFにする第1の
方向、即ち値が増大する方向に入力信号INが変化する
ときには、第1の遅延t1D1を遅延出力信号DO1にも
たせ、またトランジスタ5をOFFにかつトランジスタ
6をONにする第2の方向、即ち値が減少する方向に入
力信号INが変化するときには、第1の遅延t1D1より
短い第2の遅延t1D2を遅延出力信号DO1にもたせる
ようにする。一方、第2可変遅延部8は、上記第1方向
に入力信号INが変化するときには、第1可変遅延部の
遅延t1D1より短い第1の遅延t2D1を第2遅延出力信号
DO2にもたせ、上記第2方向に入力信号INが変化す
るときには、第1可変遅延部の第2遅延t1D2より長い
第2の遅延t2D2を第2遅延出力信号DO2にもたせる
ようにする。
より具体化したインバータ装置について説明する。この
実施例のインバータ装置は、図1の要素に対応して、入
力端子10、出力端子20、PMOSトランジスタ50
とNMOSトランジスタ60とから成る主インバータ回
路IV0、第1可変遅延部70、第2可変遅延部80と
を備えている。トランジスタ50は、電源電圧導体に対
し接続点30で接続し、一方トランジスタ60は、接地
導体に対し接続点40で接続している。また、この実施
例では、各可変遅延部は、インバータ回路とローパスフ
ィルタとで構成している。即ち、遅延部70のインバー
タ回路IV1は、ドレインどうしを互いに接続したPM
OSトランジスタ72とNMOSトランジスタ74とか
ら成り、そしてそのローパスフィルタLPF1は、トラ
ンジスタ72のドレインとトランジスタ50のゲートと
の間に接続した抵抗器Rnと、トランジスタ50のゲー
トと接地導体との接続点46との間に接続したキャパシ
タCnとを含んでいる。トランジスタ72のソースは、
電源電圧導体に対し接続点32で接続し、一方トランジ
スタ74のソースは、接地導体に対し接続点42で接続
している。同じく、遅延部80のインバータ回路IV2
は、ドレインどうしを互いに接続したPMOSトランジ
スタ82とNMOSトランジスタ84とから成り、そし
てそのローパスフィルタLPF2は、トランジスタ82
のドレインとトランジスタ60のゲートとの間に接続し
た抵抗器Rpと、トランジスタ60のゲートと接地導体
との接続点48との間に接続したキャパシタCpとを含
んでいる。トランジスタ82のソースは、電源電圧導体
に対し接続点34で接続し、一方トランジスタ84のソ
ースは、接地導体に対し接続点44で接続している。
尚、前述のように、ノイズ抑制のため、電源電圧導体と
の接続点30は、他の接続点32,34からできるだけ
離し、また接地導体との接続点40は、他の接続点4
2,44,46,48からできるだけ離すのが好まし
い。
ジスタのチャンネル幅(W)/チャンネル長(L)の1
例を以下に示す。
く知られているように、そのトランジスタのONしきい
値/OFFしきい値、ON抵抗、並びにそのトランジス
タの駆動力即ち電流供給能力に関係している。チャンネ
ル幅が小さくなると、ON抵抗は高くなり、通常、ON
抵抗は、数百Ωから数十KΩの範囲にある。図2の実施
例では、トランジスタ72のON抵抗は、トランジスタ
74よりも小さく、またトランジスタ82のON抵抗
は、トランジスタ84よりも大きい。
力信号INが0ボルトから5ボルトに立ち上がるときに
は、4.3ボルトのしきい値で動作し、そして入力信号
INが5ボルトから0ボルトに立ち下がるときには、
1.3ボルトのしきい値で動作する。一方、インバータ
IV2は、入力信号INの立ち上がり時には、IV1よ
りも低い(即ち早い)3.4ボルトのしきい値で動作
し、そして入力信号INの立ち下がり時には、IV1よ
りも低い(即ち遅い)0.7ボルトのしきい値で動作す
る。
実現する場合には、上記のローパスフィルタは、図3の
等価回路に示すような配線抵抗Rと、配線容量Cによっ
て形成する。配線抵抗Rは、通常、例えば0.5Ω程度
であり、従ってローパスフィルタの抵抗として現実に作
用するのは、配線抵抗よりもはるかに大きいトランジス
タ72又は74のON抵抗と、トランジスタ82又は8
4のON抵抗である。一方、上記配線容量即ちキャパシ
タ素子Cは、例えば0.5pFであり、単なる浮遊容量
よりもはるかに大きい。
構造を平面図と断面図とで示している。図に示すよう
に、キャパシタ素子Cnは、トランジスタ72と74か
ら成るCMOSインバータの出力側で格子状に引き回し
た金属配線700と、この配線の周囲の電源電圧に設定
された集積回路シリコン基板702、図4には示してい
ない金属電源配線704(これは基板702とスルーホ
ールを通して接続している)、金属接地配線706のい
ずれか、あるいはそれらの組合せたものと、の間の絶縁
層708と710とによって形成する。キャパシタ素子
Cpもこれと同様に形成できる。
図2のインバータ装置の動作について説明する。先ず初
めに、図6に、入力信号INが0ボルトから5ボルトに
遷移そしてまた再び0ボルトに遷移した場合、その時の
遅延出力DO1,DO2,そしてインバータ出力OUT
の波形を示す。図から分かるように、入力INが0ボル
トから5ボルトに立ち上がる時には、遅延出力DO2の
方がDO1よりも急な傾斜(トランジスタ84の方がト
ランジスタ74よりもチャンネル幅が大きくON抵抗が
小さいため、キャパシタCpの方がCnより早く放電す
るため)で早く立ち下がって、トランジスタ60を早く
ONからOFFへスイッチングし、そしてその後、DO
1がトランジスタ50をOFFからONへスイッチング
し、これによって出力OUTが立ち上がって行く。この
時、DO2の遅延時間(t2D1)はほぼ0.75ナノ秒で
あり、DO1の遅延時間(t1D1)はほぼ2.25ナノ秒
である。一方、入力INが逆に5ボルトから0ボルトに
立ち下がるとき、今度はDO1の方がDO2よりも急な
傾斜(トランジスタ72の方がトランジスタ82よりも
チャンネル幅が大きくON抵抗が小さいため、キャパシ
タCnの方がCpより早く充電するため)で早く立ち上
がってトランジスタ50を早くONからOFFへ切り換
え、その後DO2がトランジスタ60をOFFからON
に切り換え、これにより出力OUTが立ち下がり始め
る。この時のDO1の遅延時間(t1D 2)はほぼ0.75
ナノ秒であり、DO2の遅延時間(t2D2)はほぼ2.2
5ナノ秒である。
タCn,Cpを設けたインバータ装置の特性と、そのよ
うなキャパシタのない従来のインバータ装置(図2のも
のからキャパシタCnとCpを除いた回路)の特性とを
比較する。従来例のものでは、前述のようなインバータ
IV1,IV2自体のしきい値の違いにより、遅延出力
DO1’とDO2’とは、立ち上がり立ち下がり共に、
ある程度の初期遅延時間差と、そして傾斜に若干の差が
ある。これに対し、本発明では、しきい値の違いに加え
ローパスフィルタが作用するため、遅延出力DO1とD
O2には、立ち上がり立ち下がり共に、傾斜により大き
な差が生じるため、従来とほぼ同程度の初期遅延時間差
にも拘わらず、遅延出力間の実効部分の遅延時間差が従
来のものよりも大きくなっている。例えば、(A)にお
いて、遅延出力が5ボルトから上記の両しきい値を越え
て3ボルトに立ち下がる場合、従来ではほぼ0.7ナノ
秒の遅延時間差に対し、本発明では、1.25ナノ秒の
時間差がある。一方、(B)において、遅延出力が0ボ
ルトから上記の両しきい値を越えて2ボルトに立ち上が
る場合、従来ではほぼ0.35ナノ秒の遅延時間差に対
し、本発明では、1.1ナノ秒の時間差がある。この結
果、上記のように、主インバータ回路IV0のトランジ
スタ50と60とのON/OFF動作により大きな時間
差が生じる。
記従来例の各インバータ装置内のスイッチングにより生
じる電源電圧変動について、比較して説明する。図8
は、本発明における5ボルト電源電圧の変動を示したも
のであり、一方、図9は、従来例での5ボルト電源電圧
変動を示したものである。図から分かるように、従来例
では、5Vの電源電圧を中心として、およそ4.85V
から5.23Vまで、大きく変動しているのに対して、
本発明では、4.96Vから5.11Vまでと著しく電源
電圧変動の抑制効果を発揮している。
間は、0.75ns、2.25nsを用いたが、これ以外
の値に選ぶこともできる。また、ローパスフィルタの構
成方法も、前述の配線層の組合せの中から選択可能であ
る。
タ装置において、主インバータの1対のトランジスタ
に、より大きな時間差でスイッチングを起こさせること
ができるようになる。これにより、インバータ装置が電
源電圧あるいはこの電源に接続された他の回路に対し与
えるノイズを大いに低減させることができる。従って、
より高精度のアナログ回路と一緒に支えるインバータ装
置が得られる。
図。
置の実施例を示す回路図。
るときの回路要素を示す図。
パシタの構造を示す平面図。
ションによる波形図であり、入力信号INが0ボルトか
ら5ボルトに遷移しそして再び0ボルトに遷移した場
合、その時の遅延出力DO1,DO2,そしてインバー
タ出力OUTの波形を示す。
ータ装置の特性と、そのようなキャパシタのない従来の
インバータ装置(図2のものからキャパシタCnとCp
を除いた回路)の特性とを比較して示す、シミュレーシ
ョンによる波形図。
生じる5ボルト電源電圧の変動の様子を示す、シミュレ
ーションによる図。
により生じる5ボルト電源電圧の変動の様子を示す、シ
ミュレーションによる図。
Claims (9)
- 【請求項1】インバータ装置であって、 イ) 入力信号を受けるための入力端子と、出力信号を
発生するための出力端子と、 ロ) 第1の導電型の第1のトランジスタと第1の導電
型とは異なった第2の導電型の第2のトランジスタを含
む第1のインバータ回路であって、前記第1のトランジ
スタは、第1の電源電圧導体に接続した第1の電流搬送
電極と、前記出力端子に接続した第2の電流搬送電極
と、制御電極と、を有し、前記第2のトランジスタは、
第2の電源電圧導体に接続した第1の電流搬送電極と、
前記出力端子に接続した第2の電流搬送電極と、制御電
極と、を有する、前記の第1インバータ回路と、 ハ) 前記入力端子と前記第1トランジスタの前記制御
電極との間に接続しており、前記入力信号に応答して可
変遅延の第1の遅延出力信号を発生する、第1の可変遅
延手段であって、第1のキャパシタを含んでおり、また
前記第1トランジスタを導通状態にかつ前記第2トラン
ジスタを非導通状態にする第1の方向に前記入力信号が
変化するときには、第1の遅延を前記第1遅延出力信号
にもたせ、前記第1トランジスタを非導通状態にかつ前
記第2トランジスタを導通状態にする第2の方向に前記
入力信号が変化するときには、第1の遅延より短い第2
の遅延を前記第1遅延出力信号にもたせるようになっ
た、前記の第1の可変遅延手段と、 ニ) 前記入力端子と前記第2トランジスタの前記制御
電極との間に接続しており、前記入力信号に応答して可
変遅延の第2の遅延出力信号を発生する第2の可変遅延
手段であって、第2キャパシタを含んでおり、また前記
第1方向に前記入力信号が変化するときには、前記第1
遅延より短い第3の遅延を前記第2遅延出力信号にもた
せ、前記第2方向に前記入力信号が変化するときには、
前記第2遅延より長い第4の遅延を前記第2遅延出力信
号にもたせるようになった、前記の第2の可変遅延手段
と、を備えたインバータ装置。 - 【請求項2】請求項1記載の装置であって、 前記第1可変遅延手段は、 イ) 前記第1電源電圧導体と前記第2電源電圧導体と
の間に接続した少なくとも1段の第2のインバータ回路
と、 ロ) 該第2インバータ回路の出力を受けるように接続
した入力と、前記第1トランジスタの前記制御電極に接
続した出力とを有する、前記第1キャパシタを含む第1
のローパスフィルタと、を含み、 前記第2可変遅延手段は、 イ) 前記第1電源電圧導体と前記第2電源電圧導体と
の間に接続した少なくとも1段の第3のインバータ回路
と、 ロ) 該第3インバータ回路の出力を受けるように接続
した入力と、前記第2トランジスタの前記制御電極に接
続した出力とを有する、前記第2キャパシタを含む第2
のローパスフィルタと、を含むこと、を特徴とするイン
バータ装置。 - 【請求項3】請求項2記載の装置であって、 前記第2及び第3のインバータ回路の各々は、1段のイ
ンバータ回路から成ること、を特徴とするインバータ装
置。 - 【請求項4】請求項3記載の装置であって、 前記第2インバータ回路は、 イ) 前記第1導電型の第3のトランジスタであって、
前記第1電源電圧導体に接続した第1の電流搬送電極
と、第1の共通接続点に接続した第2の電流搬送電極
と、前記入力端子に接続した制御電極と、を有する前記
の第3のトランジスタと、 ロ) 前記第2導電型の第4のトランジスタであって、
前記第2電源電圧導体に接続した第1の電流搬送電極
と、前記第1共通接続点に接続した第2の電流搬送電極
と、前記入力端子に接続した制御電極と、を有する前記
の第4トランジスタと、を含み、 前記第3インバータ回路は、 イ) 前記第1導電型の第5のトランジスタであって、
前記第1電源電圧導体に接続した第1の電流搬送電極
と、第2の共通接続点に接続した第2の電流搬送電極
と、前記入力端子に接続した制御電極と、を有する前記
の第5のトランジスタと、 ロ) 前記第2導電型の第6のトランジスタであって、
前記第2電源電圧導体に接続した第1の電流搬送電極
と、前記第2共通接続点に接続した第2の電流搬送電極
と、前記入力端子に接続した制御電極と、を有する前記
の第6トランジスタと、を含むこと、を特徴とするイン
バータ装置。 - 【請求項5】請求項4に記載の装置であって、 前記第1導電型のトランジスタは、P型MOSトランジ
スタであり、 前記第2導電型のトランジスタは、N型MOSトランジ
スタであること、を特徴とするインバータ装置。 - 【請求項6】請求項5記載の装置であって、 前記第3トランジスタのチャンネル幅は、前記第4トラ
ンジスタのチャンネル幅より大きく、 前記第5トランジスタのチャンネル幅は、前記第6トラ
ンジスタのチャンネル幅より小さいこと、を特徴とする
インバータ装置。 - 【請求項7】請求項4から6のいずれかに記載の装置で
あって、 前記第1インバータ回路を前記第1と第2の電源電圧導
体に接続した各接続点は、前記第2及び第3のインバー
タ回路を前記第1と第2の電源電圧導体に接続した各接
続点から遠ざけたこと、を特徴とするインバータ装置。 - 【請求項8】請求項4から7のいずれかに記載の装置で
あって、 前記第1ローパスフィルタは、 イ) 前記第1共通接続点と前記第1トランジスタの制
御電極との間に接続した第1の抵抗器と、 ロ) 前記第1トランジスタの制御電極と前記第1及び
第2の電源電圧導体の一方又は双方に接続した前記第1
キャパシタと、を含み、 前記第2ローパスフィルタは、 イ) 前記第2共通接続点と前記第2トランジスタの制
御電極との間に接続した第2の抵抗器と、 ロ) 前記第2トランジスタの制御電極と前記第1及び
第2の電源電圧導体の一方又は双方に接続した前記第2
キャパシタと、を含むこと、を特徴とするインバータ装
置。 - 【請求項9】請求項8記載の装置であって、 該インバータ装置は、集積回路上で形成したものであ
り、 前記第1と第2の抵抗器は各々、配線抵抗で形成し、 前記第1キャパシタは、 イ)前記第1共通接続点と前記第1トランジスタの制御
電極とを接続する第1の金属配線と、 ロ)該第1金属配線の周囲にある、集積回路基板、金属
電源配線、又は金属接地配線と、 ハ)これらと前記第1金属配線との間にある絶縁層と、
によって形成し、 前記第2キャパシタは、 イ)前記第2共通接続点と前記第2トランジスタの制御
電極とを接続する第2の金属配線と、 ロ)該第2金属配線の周囲にある、前記集積回路基板、
前記金属電源配線、又は前記金属接地配線と、 ハ)これらと前記第2金属配線との間にある絶縁層と、
によって形成したこと、を特徴とするインバータ装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP19257094A JP3537500B2 (ja) | 1994-08-16 | 1994-08-16 | インバータ装置 |
US08/496,501 US5694065A (en) | 1994-08-16 | 1995-06-29 | Switching control circuitry for low noise CMOS inverter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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