JP3548970B2 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体集積回路装置、さらにはトライステート出力バッファが組み込まれた半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関するものであって、たとえば3V系の低電圧電源で動作させられるCMOSあるいはBi−CMOSプロセスの半導体集積回路装置に利用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
論理用の半導体集積回路装置の分野では、高集積密度化、高速化、低消費電力化のために、標準の+5V電源電圧よりも低い+3.3V電源電圧で動作する3V系半導体集積回路装置が提供されている。
【0003】
この3V系半導体集積回路装置を標準の5V系システムのバスラインに接続して使用するためには、5V振幅のシステム信号が逆印加されても正常に動作することができるトライステート出力バッファを組み込む必要がある(たとえば、日経BP社刊行「日経マイクロデバイセス」1992年10月号83〜88ページ参照)。
【0004】
たとえば、図7に示すCMOS型のトライステート出力バッファは3V系の電源電圧で動作し、入力信号およびイネーブル信号の論理状態に応じて、pチャンネルMOSトランジスタP1がオンでnチャンネルMOSトランジスタN1がオフのH(高レベル)出力状態と、P1がオフでN1がオンのL(低レベル)出力状態と、P1とN1が共にオフのハイインピーダンス出力状態の3状態をとる。
【0005】
しかし、同図に示したトライステート出力バッファでは、出力がハイインピーダンス状態のときに、その出力にバスラインを介して5V振幅のシステム信号が逆印加されると、P1のドレインとウェル(バックゲート)11の間に構造上形成される寄生ダイオードDPの順方向を通して、出力から電源電位Vcc(+3.3V)に対して電流が流れ込んでしまう。さらに、その出力への逆印加電圧が、Vcc(+3.3V)に対してP1のゲートしきい値電圧以上になると、P1そのものがオン動作させられて、このP1を通して出力からVcc(+3.3V)に電流が流れ込んでしまうようになる。
【0006】
このため、図7に示したごときトライステート出力バッファを有する3V系半導体集積回路装置は、5V系システムとの間での信号のやりとりに使うことができない。
【0007】
そこで、図8または図9に示すようなトライステート出力バッファを有する半導体集積回路装置が開発されている。
【0008】
図8に示すトライステート出力バッファは出力段1がCMOS回路で構成され、その出力段1の電源側pチャンネルMOSトランジスタP1のウェル11と電源電位Vccの間に、ゲートが出力に接続されたpチャンネルMOSトランジスタP3を介在させることにより、出力をハイインピーダンス状態にしたときに、P1のウェル11をVccから切り離して浮遊(フローティング)させるようにしてある。これにより、出力がハイインピーダンス状態のときに、P1のドレインとウェル11の間に構造上形成される寄生ダイオードDPを通して出力からVccに電流が流れ込むことを阻止している。
【0009】
さらに、P1のゲート(n3)と入力回路2(n4)の間に、ゲートがVccに接続されたnチャンネルMOSトランジスタN2と、ゲートが出力に接続されたpチャンネルMOSトランジスタP2を、互いに並列状態で介在させることによって、出力をハイインピーダンス状態にしたときに、P1のゲート(n3)と入力回路2(n4)の間を遮断させるようにしてある。
【0010】
これに加えて、ゲートがVccに接続されたpチャンネルMOSトランジスタP4をP1のドレイン(出力)とゲートの間に接続させることにより、出力への逆印加電圧がVccに対してP1のしきい値以上に上昇した場合でも、P4を先に導通させてP1のドレイン・ゲート間を電圧バイパスさせることで、P1のドレイン・ゲート間の電圧がしきい値を越えないような電圧クランプを行わせ、これによりP1のオフ状態を保持させて、出力からVccへの電流の流れ込みを阻止するようにしてある。
【0011】
以上のようにして、図8に示したトライステート出力バッファでは、出力がハイインピーダンス状態のときに、寄生ダイオードDPおよび電源側pチャンネルMOSトランジスタP1のいずれの経路についても、出力から電源電位Vccへの電流の流れ込みを阻止するようにしてある。
【0012】
図9に示すトライステート出力バッファは、ショットキー型のnpnバイポーラ・トランジスタQ1,Q2と、出力のプルアップ駆動を補助するpチャンネルMOSトランジスタP1とによって、出力段1が構成されている(特開平5−259883号公報参照)。
【0013】
このトライステート出力バッファでは、pチャンネルMOSトランジスタP1のウェル11と電源電位Vccの間にショットキー・ダイオードD1を介在させることにより、出力がハイインピーダンス状態のときに、出力から電源電位Vccに電流が流れ込むのを阻止するようにしている。
【0014】
これとともに、出力段1のpチャンネルMOSトランジスタP1のゲートをHまたはLに駆動する前段CMOS回路12と電源電位Vccの間にショットキー・ダイオードD2を直列に介在させることにより、P1のゲートから電源電位Vccへ向けての通電路を遮断し、これに加えて、P1のゲートと出力の間をpチャンネルMOSトランジスタP2,P3で接続し、出力がハイインピーダンス状態のときに、その出力にシステム信号による逆印加電圧があっても、P2,P3により形成される電圧バイパスにより、P1のドレイン・ゲート間電圧がしきい値を越えないような電圧クランプを行わせる。これにより、出力への逆印加電圧が、Vccに対してP1のしきい値以上に上昇した場合でも、P1のオフ状態を保持させて、出力からVccへの電流の流れ込みを阻止するようにしてある。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した技術には、次のような問題のあることが本発明者らによってあきらかとされた。
【0016】
すなわち、図8に示したトライステート出力バッファでは、出力が入力信号に応じてHまたはLとなるイネーブル状態において、出力がHからLに駆動されるときに、pチャンネルMOSトランジスタP1のゲート(n3)と入力回路2(n4)の間に介在しているpチャンネルMOSトランジスタP2は、出力がLになってからでないとオン動作することができない。このため、P1のゲート電圧の立ち上がりに遅れが生じて、P1とN1が同時にオン状態となるタイミングが生じる。この結果、P1とN1を貫通して流れるリーク電流が増えて、消費電力の増大を招いてしまう、という問題が生じる。
【0017】
また、出力がハイインピーダンス状態のときに、pチャンネルMOSトランジスタP1〜P4のウェル11が浮遊状態になって、その電位が定まらぬために、ラッチアップ等を生じる危険が大きくなる、という問題があった。
【0018】
さらに、MOSトランジスタP2,P3は、そのゲートが出力に直接接続されているため、外部からのサージ等によりゲートが静電破壊される危険性が高く、これを防止するためには特別の保護対策が必要になる、という問題もあった。
【0019】
図9に示したトライステート出力バッファでは、前段CMOS回路12と電源電位Vccの間に直列に介在させたショットキー・ダイオードD2の順方向電圧降下により、P1のゲートにそのP1を確実にオフさせるのに十分なHレベルを与えることができず、これによりP1とQ1を貫通して流れるリーク電流が増えて、消費電力の増大を招いてしまう、という問題が生じる。
【0020】
また、pチャンネルMOSトランジスタP1〜P3のウェル11がショットキー・ダイオードD1によって電源電位Vccにプルアップされることにより、出力がハイインピーダンス状態のときの浮遊状態は一応回避されるが、出力をHまたはLに駆動するイネーブル状態に戻したときに、そのウェル11の電位を戻す方法がない。出力がハイインピーダンス状態のときのウェル11には、バスラインから出力に逆印加されるシステム信号電圧(5V振幅)がpチャンネルMOSトランジスタのドレイン・ウェル間の寄生ダイオードDPを介して印加されるが、この印加電圧によるウェル11の電位(+5V)は、出力がイネーブル状態に戻された後も、ダイオードDP,D1がそれぞれ逆方向で立ちはだかることによって逃げ場がないために、そのまま残されてしまう。このため、出力をHにするためにP1のゲート(n3)をLにすると、P1のウェル11とゲート(n3)の間に比較的高い電位差(5V)が生じるが、微細化されたプロセスでは、その電位差(5V)が素子破壊等の危険を招いてしまう。
【0021】
本発明の目的は、トライステート出力バッファが組み込まれた半導体集積回路装置にあって、貫通リーク電流を増大させることなく、電源電圧の高いシステムのバスラインに接続しても安全に動作させられるようにする、という技術を提供することにある。
【0022】
本発明の前記ならびにそのほかの目的と特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0024】
すなわち、出力段のプルアップ駆動側をなすpチャンネルMOSトランジスタのウェルから電源電位へ向けての通電を遮断するダイオードと、電源電位を越える電圧が出力に逆印加されたときに上記pチャンネルMOSトランジスタのドレイン・ゲート間の電圧がしきい値を越えないように制御する電圧バイパス回路と、上記pチャンネルMOSトランジスタのゲートと入力回路の間に介在するとともに、出力をイネーブル状態にするイネーブル信号によって直接オン設定されるスイッチ回路を設ける、というものである。
【0025】
【作用】
上述した手段によれば、ハイインピーダンス状態の出力に電源電位を越える電圧が逆印加された場合に、出力段のプルアップ駆動側をなすpチャンネルMOSトランジスタを介しての電源電位への電流の流れ込みを阻止させることができるとともに、イネーブル状態での上記pチャンネルMOSトランジスタのオン/オフを迅速かつ確実に行わせることができる。
【0026】
これにより、トライステート出力バッファが組み込まれた半導体集積回路装置にあって、貫通リーク電流を増大させることなく、電源電圧の高いシステムのバスラインに接続しても安全に動作させられるようにする、という目的が達成される。
【0027】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。
なお、図において、同一符号は同一あるいは相当部分を示すものとする。
【0028】
図1は本発明の技術が適用された半導体集積回路装置の要部における一実施例を示したものであって、1はCMOS型の出力段、11はウェル、2は入力回路、P1〜P5はpチャンネルMOSトランジスタ、N1〜N3はnチャンネルMOSトランジスタ、11はpチャンネルMOSトランジスタP1〜P5のウェル(バックゲート)、DPはpチャンネルMOSトランジスタのドレインとウェル11間に構造上形成される寄生ダイオード、D1はショットキー・ダイオード、Vccは3V系電源電位(+3.3V)、G1はNANDゲート、G2は不定論理入力を有するORゲートである。
【0029】
また、13はpチャンネルMOSトランジスタP3によって形成される電圧バイパス回路、14はnチャンネルMOSトランジスタN2とpチャンネルMOSトランジスタP2によって形成されるスイッチ回路、15はnチャンネルMOSトランジスタN3とpチャンネルMOSトランジスタP5によって形成される制御回路である。
【0030】
同図において、出力段1の主要部は、電源電位Vcc側から出力をプルアップ駆動するpチャンネルMOSトランジスタP1と、基準電位(0V)側から出力をプルダウン駆動するnチャンネルMOSトランジスタN1とによって構成されている。
【0031】
入力回路2はゲートG1,G2により構成され、入力信号とイネーブル信号に応じて、出力段1のMOSトランジスタP1,N1の各ゲートをそれぞれにHまたはLに駆動する論理信号を生成する。すなわち、イネーブル信号をHにすることにより設定されるイネーブル状態では、入力信号がLの場合にP1とN2の両ゲートにH信号を与えて出力をLにする一方、入力信号がHの場合にP1とN2の両ゲートにL信号を与えて出力をHにする。また。イネーブル信号をLにして設定されるディスイネーブル状態では、P1のゲートにHを与える一方、N1のゲートにLを与えることにより、P1とN1を共にオフ状態にし、これにより出力をハイインピーダンス状態にする。
【0032】
出力段1のプルアップ駆動側pチャンネルMOSトランジスタP1は、そのウェル11が他のpチャンネルMOSトランジスタP2〜P5と同電位に接続されているとともに、ショットキー・ダイオードD1を介して電源電位Vccに接続されている。つまり、ショットキー・ダイオードD1は、P1のウェル11と電源電位Vccの間に介在し、電源電位Vcc側からウェル11をプルアップする一方、出力に電源電位Vccを越える電圧が逆印加されたときには、その出力から電源電位Vccに電流が流れ込むのを阻止する。
【0033】
これとともに、出力段1のプルアップ駆動側pチャンネルMOSトランジスタP1のドレインとゲートの間には、pチャンネルMOSトランジスタP3が接続されている。このP3は、そのゲートに一定電位Vgが与えられていて、出力への逆印加電圧が電源電位Vccよりも高くなった場合に、P1よりも先にオン動作して電圧バイパスを行うことにより、P1のドレイン・ゲート間電圧がそのP1のゲートしきい値電圧以上とならないような一種の電圧クランプ制御を行う。つまり、P3は、電源電位Vccを越える電圧が出力に逆印加されたときにP1のドレイン・ゲート間の電圧がしきい値を越えないように制御する電圧バイパス回路を形成する。これにより、Vccを大きく越える電圧が出力に逆印加されても、P1を通しての電流の流れ込みを阻止することができる。
【0034】
上記一定電位Vgは、電源電位Vcc(+3.3V)からpチャンネルMOトランジスタのゲートしきい値Vth(p)を差し引いた電圧(Vcc−Vth(p))よりも高く設定され、P3,P4,P5の各ゲートに同じく与えられている。この一定電位Vgには電源電位Vcc(+3.3V)をそのまま使用してもよい。
【0035】
pチャンネルMOSトランジスタP4は、ソース側がウェル11に接続され、ドレイン側が出力に接続され、ゲートが一定電位Vgに接続されて、ウェル11の電位がVg+Vth(p)以上になるとオン動作させられるようになっている。これにより、ウェル11の電位はVg+Vth(p)を越えないようにクランプ制御されて、ウェル11が高電位になることによる素子破壊の危険が回避される。
【0036】
nチャンネルMOSトランジスタN2とpチャンネルMOSトランジスタP2はそれぞれ、出力段1のプルダウン駆動側pチャンネルMOSトランジスタP1のゲート(n3)と入力回路2(n4)の間に介在する一種のスイッチ回路14を形成するが、このスイッチ回路14は、ディスイネーブル状態のときに、P1のゲート(n3)を入力回路2(n4)から遮断し、出力への逆印加電圧を入力回路2側に印加させないように動作する。
【0037】
nチャンネルMOSトランジスタN3とpチャンネルMOSトランジスタP5は、上記スイッチ回路14をイネーブル信号によって直接オン設定する制御回路15を形成する。P5はN3のドレイン負荷として作用し、N3はイネーブル信号がHとなることにより設定されるイネーブル状態でオン動作してP2のゲートをLに立ち下げる。
【0038】
これにより、P2は、イネーブル状態のときに、入力回路2からのH信号をP1のゲートに伝達するパス状態となる。したがって、プルアップ駆動側pチャンネルMOSトランジスタP1は、出力がLになるのを待つことなく(図8参照)、入力回路2からのH信を受けて直ちにオンからオフの状態に切り替わることができる。この結果、P1とN1が同時にオンとなることによる貫通リーク電流が回避されるようになる。
【0039】
以上のようにして、ハイインピーダンス状態の出力に、電源電位Vccを越える電圧が逆印加された場合に、出力段1のプルアップ駆動側をなすpチャンネルMOSトランジスタP1を介しての電源電位Vccへの電流の流れ込みを阻止させることができるとともに、イネーブル状態における上記pチャンネルMOSトランジスタP1のオン/オフを迅速かつ確実に行わせることができる。
【0040】
また、P1のウェル11は、ダイオードD1またはMOSトランジスタP4を介して電源電位Vccまたは出力に接続されるため、ラッチアップの危険を伴う浮遊(フローティング)状態になることを免れている。
【0041】
さらに、各MOSトランジスタP1〜P5,N1〜N3は、いずれのゲートも出力には直接接続されていないので、外部からのサージ等による静電破壊の危険がなく、したがって特別な保護対策は不要である。
【0042】
このようにして、貫通リーク電流を増大させることなく、またラッチアップや静電破壊の危険を伴うことなく、電源電圧の高いシステムのバスラインに接続しても安全に動作するトライステート出力バッファが得られる。
【0043】
図2は、上述してきたトライステート出力バッファの各部(出力およびn1〜n6)での電圧を状態別に示した波形チャートである。同図において、Vccは電源電圧(+3.3V)、Voutはトライステート出力バッファのH出力電圧(約+3.3V)、Vxは5V系システムから出力へ逆印加される電圧、Vyは3V系システムから出力へ逆印加される電圧(約+3.3V)、Vth(p)はpチャンネルMOSトランジスタのしきい値電圧、Vf(D1)はショットキー・ダイオードD1の順方向電圧である。ここで、注目すべきことは、上述したトライステート出力バッファでは、電源を遮断して電源電位Vccが0Vとなった状態でも、出力がハイインピーダンス状態の場合と同様の動作により、出力への逆印加電圧による電流の流れ込みが防止されることである。これにより、電源を遮断してシステム全体の消費電力を低減させるという使い方も可能になっている。
【0044】
図3は本発明の第2の実施例を示したものであって、図1に示した実施例との相違点について説明すると、この第2の実施例では、pチャンネルMOSトランジスタP3,P4,P5のゲートに与えられる一定電位Vgを、ショットキー・ダイオードD31と抵抗R31によって生成している。これにより、その一定電位Vgは、電源電位Vcc(+3.3V)よりもショットキー・ダイオードD31の順方向電圧分だけ低い値に設定される。
【0045】
図4は本発明の第3の実施例を示したものであって、この第3の実施例では、pチャンネルMOSトランジスタP3,P4,P5のゲートに与えられる一定電位Vgを、pチャンネルMOSトランジスタP41と抵抗R41によって生成している。
【0046】
図5は本発明の第4の実施例を示したものであって、この第4の実施例では、インバータ51と、ウェルが基準電位(0V)に接続されたnチャンネルMOSトランジスタN51によって、出力のプルアップ駆動を補助させるようにしてある。N5は、入力回路2からの信号をソースフォロワで出力へ伝達することにより、出力段1でのプルアップ駆動動作を補助する。この場合、そのnチャンネルMOSトランジスタN51に構造上形成される寄生ダイオードは、出力に対しても電源電位Vccに対しても共に逆方向となるため、出力への逆印加電圧が流れ込む心配はない。
【0047】
図6は本発明の第4の実施例を示したものであって、この第5の実施例では、インバータ61とnpn型ショットキー・トランジスタQ61によって出力のプルアップ駆動を補助させるようにしてある。Q61は、入力回路2からの信号をエミッタフォロワで出力へ伝達することにより、出力段1でのプルアップ駆動動作を補助する。この場合も、そのnpn型ショットキー・トランジスタQ61に構造上形成されるダイオードは、出力に対しても電源電位Vccに対しても共に逆方向となるため、出力への逆印加電圧が流れ込む心配はない。
【0048】
以上、本発明者によってなされた発明を実施例にもとづき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、出力段1のブルダウン駆動側をなすnチャンネルMOSトランジスタN1はバイポーラ・トランジスタであってもよい。
【0049】
以上の説明では主として、本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野である論理用の半導体集積回路装置に適用した場合について説明したが、それに限定されるものではなく、たとえばアナログ・デジタル混在型の半導体集積回路装置にも適用できる。
【0050】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0051】
すなわち、トライステート出力バッファが組み込まれた半導体集積回路装置にあって、貫通リーク電流を増大させることなく、電源電圧の高いシステムのバスラインに接続しても安全に動作させることができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の技術が適用された半導体集積回路装置の第1の実施例の要部を示す回路図
【図2】図1に示した回路の各部における電圧を状態別に示す波形チャート
【図3】本発明の第2の実施例の要部を示す回路図
【図4】本発明の第3の実施例の要部を示す回路図
【図5】本発明の第4の実施例の要部を示す回路図
【図6】本発明の第5の実施例の要部を示す回路図
【図7】従来のトライステート出力バッファの第1の構成例を示す回路図
【図8】従来のトライステート出力バッファの第2の構成例を示す回路図
【図9】従来のトライステート出力バッファの第3の構成例を示す回路図
【符号の説明】
1 CMOS型の出力段
11 ウェル
2 入力回路
P1〜P5 pチャンネルMOSトランジスタ
N1〜N3 nチャンネルMOSトランジスタ
11 ウェル(バックゲート)
DP 寄生ダイオード
D1 ショットキー・ダイオード
Vcc 3V系電源電位(+3.3V)
G1 NANDゲート
G2 ORゲート
13 電圧バイパス回路
14 スイッチ回路
15 制御回路
41,51 インバータ
N41 nチャンネルMOSトランジスタ
Q51 npnバイポーラ・トランジスタ[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a technology effective when applied to a semiconductor integrated circuit device, and further to a semiconductor integrated circuit device incorporating a tri-state output buffer. For example, the present invention relates to a CMOS or Bi operated by a low-voltage power supply of 3V system. The present invention relates to a technology effective for use in a semiconductor integrated circuit device of a CMOS process.
[0002]
[Prior art]
In the field of semiconductor integrated circuit devices for logic, 3V-based semiconductor integrated circuit devices that operate at a + 3.3V power supply voltage lower than a standard + 5V power supply voltage have been used in order to achieve higher integration density, higher speed, and lower power consumption. Are provided.
[0003]
In order to use this 3V semiconductor integrated circuit device connected to a bus line of a standard 5V system, a tri-state output buffer capable of operating normally even when a system signal having a 5V amplitude is reversely applied is incorporated. (See, for example, "Nikkei Micro Devices," published by Nikkei BP, October 1992, pages 83-88.)
[0004]
For example, the CMOS type tri-state output buffer shown in FIG. 7 operates at a power supply voltage of 3V, and the p-channel MOS transistor P1 is turned on and the n-channel MOS transistor N1 is turned off in accordance with the logic states of the input signal and the enable signal. (High level) output state, an L (low level) output state in which P1 is off and N1 is on, and a high impedance output state in which both P1 and N1 are off.
[0005]
However, in the tri-state output buffer shown in the figure, when the output is in a high impedance state and a 5 V amplitude system signal is reversely applied to the output via the bus line, the drain and the well (back gate) of P1 are output. The current flows from the output to the power supply potential Vcc (+3.3 V) through the forward direction of the parasitic diode DP structurally formed during the step 11). Further, when the reverse applied voltage to the output becomes equal to or higher than the gate threshold voltage of P1 with respect to Vcc (+3.3 V), P1 itself is turned on and the output through this P1 causes Vcc (+3.3 V). ) Will flow current.
[0006]
Therefore, the 3V semiconductor integrated circuit device having the tristate output buffer as shown in FIG. 7 cannot be used for exchanging signals with the 5V system.
[0007]
Therefore, a semiconductor integrated circuit device having a tri-state output buffer as shown in FIG. 8 or 9 has been developed.
[0008]
In the tri-state output buffer shown in FIG. 8, the
[0009]
Further, an n-channel MOS transistor N2 whose gate is connected to Vcc and a p-channel MOS transistor P2 whose gate is connected to the output are connected in parallel between the gate (n3) of P1 and the input circuit 2 (n4). When the output is brought into the high impedance state, the gate (n3) of P1 and the input circuit 2 (n4) are cut off.
[0010]
In addition, by connecting a p-channel MOS transistor P4 having a gate connected to Vcc between the drain (output) of P1 and the gate, the reverse voltage applied to the output is reduced by a threshold value of P1 with respect to Vcc. Even if the voltage rises above, by conducting P4 first to bypass the voltage between the drain and gate of P1, voltage clamping is performed so that the voltage between the drain and gate of P1 does not exceed the threshold value. As a result, the off state of P1 is maintained, and the flow of current from the output to Vcc is prevented.
[0011]
As described above, in the tri-state output buffer shown in FIG. 8, when the output is in the high impedance state, any path of the parasitic diode DP and the power supply side p-channel MOS transistor P1 changes from the output to the power supply potential Vcc. The current is prevented from flowing.
[0012]
In the tri-state output buffer shown in FIG. 9, an
[0013]
In this tri-state output buffer, a current flows from the output to the power supply potential Vcc when the output is in a high impedance state by interposing a Schottky diode D1 between the
[0014]
At the same time, a Schottky diode D2 is interposed in series between the power supply potential Vcc and the preceding CMOS circuit 12 driving the gate of the p-channel MOS transistor P1 of the
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, the present inventors have clarified that the above-described technique has the following problems.
[0016]
That is, in the tri-state output buffer shown in FIG. 8, when the output is driven from H to L in the enable state where the output becomes H or L according to the input signal, the gate (n3 ) And the input circuit 2 (n4) cannot turn on the p-channel MOS transistor P2 until the output goes low. Therefore, a delay occurs in the rise of the gate voltage of P1, and a timing occurs in which P1 and N1 are simultaneously turned on. As a result, there arises a problem that a leak current flowing through P1 and N1 increases and power consumption increases.
[0017]
In addition, when the output is in a high impedance state, the
[0018]
Further, since the gates of the MOS transistors P2 and P3 are directly connected to the output, there is a high danger that the gates will be electrostatically damaged by an external surge or the like. Was required.
[0019]
In the tristate output buffer shown in FIG. 9, the gate of P1 reliably turns off P1 due to the forward voltage drop of Schottky diode D2 interposed in series between pre-stage CMOS circuit 12 and power supply potential Vcc. In this case, a sufficient H level cannot be given, thereby increasing the leak current flowing through P1 and Q1 and causing an increase in power consumption.
[0020]
Also, the
[0021]
An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device incorporating a tri-state output buffer, which can safely operate even when connected to a bus line of a system having a high power supply voltage without increasing through leakage current. To provide the technology of
[0022]
The above and other objects and features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0024]
That is, a diode for cutting off the current from the well of the p-channel MOS transistor serving as the pull-up drive side of the output stage toward the power supply potential, and the p-channel MOS transistor when a voltage exceeding the power supply potential is reversely applied to the output. A voltage bypass circuit for controlling the voltage between the drain and the gate of the p-channel MOS transistor so as not to exceed a threshold value, and an enable signal interposed between the gate of the p-channel MOS transistor and the input circuit and directly enabling an output. That is, a switch circuit that is turned on is provided.
[0025]
[Action]
According to the above-described means, when a voltage exceeding the power supply potential is reversely applied to the output in the high impedance state, the current flows into the power supply potential via the p-channel MOS transistor forming the pull-up drive side of the output stage. Can be prevented, and the p-channel MOS transistor in the enabled state can be turned on / off quickly and reliably.
[0026]
Thereby, in the semiconductor integrated circuit device in which the tri-state output buffer is incorporated, it is possible to safely operate the semiconductor integrated circuit device even when connected to a bus line of a system having a high power supply voltage without increasing a through leakage current. Is achieved.
[0027]
【Example】
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
[0028]
FIG. 1 shows an embodiment of a main part of a semiconductor integrated circuit device to which the technology of the present invention is applied, wherein 1 is a CMOS output stage, 11 is a well, 2 is an input circuit, and P1 to P5. Is a p-channel MOS transistor, N1 to N3 are n-channel MOS transistors, 11 is a well (back gate) of p-channel MOS transistors P1 to P5, and DP is a parasitic formed structurally between the drain and the well 11 of the p-channel MOS transistor. A diode, D1 is a Schottky diode, Vcc is a 3V system power supply potential (+ 3.3V), G1 is a NAND gate, and G2 is an OR gate having an undefined logic input.
[0029]
Reference numeral 13 denotes a voltage bypass circuit formed by a p-channel MOS transistor P3, 14 denotes a switch circuit formed by an n-channel MOS transistor N2 and a p-channel MOS transistor P2, and 15 denotes an n-channel MOS transistor N3 and a p-channel MOS transistor P5. Is a control circuit formed by
[0030]
In the figure, the main part of the
[0031]
The
[0032]
The pull-up drive side p-channel MOS transistor P1 of the
[0033]
At the same time, a p-channel MOS transistor P3 is connected between the drain and the gate of the pull-up driving side p-channel MOS transistor P1 of the
[0034]
The constant potential Vg is set higher than a voltage (Vcc-Vth (p)) obtained by subtracting the gate threshold Vth (p) of the p-channel MO transistor from the power supply potential Vcc (+3.3 V). It is also given to each gate of P5. The power supply potential Vcc (+3.3 V) may be used as it is for the constant potential Vg.
[0035]
The source of the p-channel MOS transistor P4 is connected to the well 11, the drain is connected to the output, the gate is connected to the constant potential Vg, and the p-channel MOS transistor P4 is turned on when the potential of the well 11 becomes equal to or higher than Vg + Vth (p). Has become. As a result, the potential of the well 11 is clamp-controlled so as not to exceed Vg + Vth (p), and the risk of element destruction due to the high potential of the well 11 is avoided.
[0036]
The n-channel MOS transistor N2 and the p-channel MOS transistor P2 form a kind of
[0037]
The n-channel MOS transistor N3 and the p-channel MOS transistor P5 form a control circuit 15 for directly turning on the
[0038]
Thereby, P2 is in a pass state in which the H signal from the
[0039]
As described above, when a voltage exceeding the power supply potential Vcc is reversely applied to the output in the high impedance state, the power supply potential Vcc via the p-channel MOS transistor P1 forming the pull-up drive side of the
[0040]
Further, since the well 11 of P1 is connected to the power supply potential Vcc or the output via the diode D1 or the MOS transistor P4, the well 11 is prevented from being in a floating state with a risk of latch-up.
[0041]
Further, since none of the gates of the MOS transistors P1 to P5 and N1 to N3 are directly connected to the output, there is no danger of electrostatic breakdown due to an external surge or the like, and thus no special protective measures are required. is there.
[0042]
In this way, a tri-state output buffer that operates safely without increasing through-leakage current and without risk of latch-up or electrostatic breakdown, even when connected to the bus line of a system with a high supply voltage. can get.
[0043]
FIG. 2 is a waveform chart showing the voltage at each part (output and n1 to n6) of the above-described tristate output buffer for each state. In this figure, Vcc is the power supply voltage (+3.3 V), Vout is the H output voltage of the tri-state output buffer (about +3.3 V), Vx is the voltage applied reversely from the 5 V system to the output, and Vy is the 3 V system. Vth (p) is a threshold voltage of a p-channel MOS transistor, and Vf (D1) is a forward voltage of the Schottky diode D1. Here, it should be noted that in the above-described tri-state output buffer, even when the power supply is cut off and the power supply potential Vcc becomes 0 V, the same operation as in the case where the output is in the high-impedance state is performed. This is to prevent the current from flowing due to the applied voltage. As a result, it is also possible to use the power supply shut off to reduce the power consumption of the entire system.
[0044]
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. Differences from the embodiment shown in FIG. 1 will be described. In the second embodiment, p-channel MOS transistors P3, P4, The constant potential Vg applied to the gate of P5 is generated by the Schottky diode D31 and the resistor R31. Thus, the constant potential Vg is set to a value lower than the power supply potential Vcc (+3.3 V) by the forward voltage of the Schottky diode D31.
[0045]
FIG. 4 shows a third embodiment of the present invention. In this third embodiment, a constant potential Vg applied to the gates of p-channel MOS transistors P3, P4 and P5 is applied to a p-channel MOS transistor. It is generated by P41 and resistor R41.
[0046]
FIG. 5 shows a fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, an output is provided by an
[0047]
FIG. 6 shows a fourth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment, an inverter 61 and an npn-type Schottky transistor Q61 assist output pull-up driving. . The Q61 assists the pull-up driving operation in the
[0048]
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and it can be said that various modifications can be made without departing from the gist of the invention. Not even. For example, n-channel MOS transistor N1 serving as the bull-down drive side of
[0049]
In the above description, the case where the invention made by the present inventor is applied to a semiconductor integrated circuit device for logic, which is a field of use as a background, has been mainly described. However, the present invention is not limited to this case. The present invention can also be applied to a digital mixed type semiconductor integrated circuit device.
[0050]
【The invention's effect】
The effects of typical inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0051]
That is, in a semiconductor integrated circuit device in which a tri-state output buffer is incorporated, it is possible to operate safely even when connected to a bus line of a system having a high power supply voltage without increasing through leakage current. Is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a main part of a first embodiment of a semiconductor integrated circuit device to which the technology of the present invention is applied. FIG. 2 is a waveform chart showing the voltage in each part of the circuit shown in FIG. FIG. 3 is a circuit diagram showing a main part of a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a circuit diagram showing a main part of a third embodiment of the present invention. FIG. 5 is a circuit diagram showing a main part of a fourth embodiment of the present invention. FIG. 6 is a circuit diagram showing a main part of a fifth embodiment of the present invention. FIG. 7 is a circuit diagram showing a first configuration example of a conventional tri-state output buffer. FIG. 9 is a circuit diagram showing a second configuration example of the tri-state output buffer of FIG. 9; FIG. 9 is a circuit diagram showing a third configuration example of the conventional tri-state output buffer;
1 CMOS
DP Parasitic diode D1 Schottky diode Vcc 3V system power supply potential (+ 3.3V)
G1 NAND gate G2 OR gate 13
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