JP3556533B2 - レベルシフタ回路 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、その動作電源電圧が異なる回路を内蔵した半導体集積回路装置に於いて、低電源電圧動作回路よりの出力信号をレベルシフトして高電源電圧動作回路へ出力するレベルシフタ回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図2は、従来のレベルシフタ回路の構成例を示す回路図である(特開平7−193488号公報参照)。
【0003】
このレベルシフタ回路は、低電源電圧動作インバータINV1、INV2、高電源電圧動作インバータINV3、及びNチャネル型MOS(以下、「NMOS」と略す)トランジスタNT1、NT2、NT3、NT4、Pチャネル型MOS(以下、「PMOS」と略す)トランジスタPT1、PT2により構成されている。低電源電圧動作インバータINV1の出力と低電源電圧動作インバータINV2の入力、及びNMOSトランジスタNT1、NT3のゲートが接続され、低電源電圧動作インバータINV2の出力とNMOSトランジスタNT2、NT4のゲートが接続されている。高電源電圧動作インバータINV3の入力と、NMOSトランジスタNT2、PMOSトランジスタPT2のドレイン及びPMOSトランジスタPT1のゲート、並びにNMOSトランジスタNT3のソースが接続され、NMOSトランジスタNT1、PMOSトランジスタPT1のドレインとPMOSトランジスタPT2のゲート、及びNMOSトランジスタNT4のソースが接続されている。そして、PMOSトランジスタPT1、PT2のソース、及びNMOSトランジスタNT3、NT4のドレインが高電源電圧源の供給ラインに接続され、低電源電圧動作インバータINV1の入力が入力端子Vin1となり、高電源電圧動作インバータINV3の出力が出力端子Vout1となっている。
【0004】
以上のように構成された従来のレベルシフタ回路について、以下、その動作について説明する。低電源電圧動作回路からの入力信号端子Vin1より、VSSレベル(以下、「Lレベル」と略す)からVDD1レベル(以下、「Hレベル」と略す)に変化する信号が入力したとき、低電源電圧動作インバータINV1の出力信号は、HレベルからLレベルへと変化する。そのとき、NMOSトランジスタNT1、NT3のオン抵抗が徐々に上昇し、NMOSトランジスタNT1、NT3のソース−ドレイン間電圧が上昇する。ほぼ同時に、低電源電圧動作インバータINV2からの出力信号がLレベルからHレベルに変化し、NMOSトランジスタNT2、NT4が導通して、そのオン抵抗が徐々に低下し、NMOSトランジスタNT2、NT4のソース−ドレイン間電圧が低下する。NMOSトランジスタNT4がオンすることで、PMOSトランジスタPT2のゲート電位が中間電位まで上昇し、そのオン抵抗が上昇する。これにより、NMOSトランジスタNT2によるノードn2の電位の低下が生じる。同時に、ノードn2の電位の低下によりPMOSトランジスタPT1のオン抵抗が低下し、ノードn1の電位が上昇する。完全に低電源電圧動作回路からの入力信号端子Vin1がHレベルとなると、NMOSトランジスタNT1、NT3はオフ、NMOSトランジスタNT2、NT4はオン、PMOSトランジスタPT1はオン、PMOSトランジスタPT2はオフとなって、高電源電圧動作回路への出力信号端子Vout1の信号はVDD2レベル(以下、「HHレベル」と略す)となって安定する。
【0005】
一方、低電源電圧動作回路からの入力信号端子Vin1より、HレベルからLレベルに変化する信号が入力したとき、低電源電圧動作インバータINV1の出力信号は、LレベルからHレベルへと変化する。そのとき、NMOSトランジスタNT1、NT3のオン抵抗が徐々に低下し、NMOSトランジスタNT1、NT3のソース−ドレイン間電圧が低下する。ほぼ同時に、低電源電圧動作インバータINV2からの出力信号がHレベルからLレベルに変化し、NMOSトランジスタNT2、NT4が非導通となって、そのオン抵抗が徐々に上昇し、NMOSトランジスタNT2、NT4のソース−ドレイン間電圧が上昇する。NMOSトランジスタNT3がオンすることで、PMOSトランジスタPT1のゲート電位が中間電位まで上昇し、そのオン抵抗が上昇する。これにより、NMOSトランジスタNT1によるノードn1の電位の低下が生じる。同時に、ノードn1の電位の低下によりPMOSトランジスタPT2のオン抵抗が低下し、ノードn2の電位が上昇する。完全に低電源電圧動作回路からの入力信号端子Vin1がLレベルとなると、NMOSトランジスタNT1、NT3はオン、NMOSトランジスタNT2、NT4はオフ、PMOSトランジスタPT1はオフ、PMOSトランジスタPT2はオンとなって、高電源電圧動作回路への出力信号端子Vout1の信号はLレベルとなって安定する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のレベルシフタ回路には、以下に示す問題点があった。すなわち、従来のレベルシフタ回路では、例えば、低電源電圧動作回路からの入力信号端子Vin1より、LレベルからHレベルに変化する信号が入力したとき、低電源電圧動作インバータINV1の出力信号は、HレベルからLレベルへと変化し、低電源電圧動作インバータINV2の出力信号は、LレベルからHレベルへと変化する。そのとき、低電源電圧動作インバータINV2の出力信号は、低電源電圧動作インバータINV1の出力信号より遅れて変化するため、一時的にNMOSトランジスタNT1、NT2、NT3、NT4及びPMOSトランジスタPT1、PT2がオフし、ノードn1、n2の電位が不安定になり、高速動作が難しいという問題点があった。また、このことは、低電源電圧動作回路からの入力信号端子Vin1より、HレベルからLレベルに変化する信号が入力したときについても、言えることである。
【0007】
本発明は、従来のレベルシフタ回路における上記問題点を解決できるレベルシフタ回路を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明のレベルシフタ回路は、低電源電圧動作回路よりの出力信号をレベルシフトして高電源電圧動作回路へ出力するレベルシフタ回路に於いて、
記低電源電圧動作回路よりの出力信号を、その入力端子に受け、記低電源電圧で動作する第1のインバータと、第1及び第2のMOSトランジスタからなり、前記第1のインバータの出力端子と、前記高電源電圧を発生する電源との間に設けられる抵抗分割回路と、ソース端子が前記抵抗分割回路の出力端子に接続され、前記第1のインバータの出力信号に応じてオン・オフ制御される第3のMOSトランジスタと、前記抵抗分割回路よりの出力信号が入力され、前記高電源電圧で動作する第2のインバータと、から構成され、
前記第1から第3のMOSトランジスタのサイズ比を所定の関係に設定することを特徴とする。
【0009】
また、本発明のレベルシフタ回路は、そのゲート及びドレインが記高電源電圧に接続された第1のNチャネル型MOSトランジスタとそのゲートが記高電源電圧に接続され、そのドレインが記第1のNチャネル型MOSトランジスタのソースに接続され、そのソースが記第1のインバータの出力端子に接続された第2のNチャネル型MOSトランジスタとそのゲートが記第1のインバータの出力端子に接続され、そのドレインが記接地電圧に接続され、そのソースが、記第1のNチャネル型MOSトランジスタのソースと記第2のNチャネル型MOSトランジスタのドレインとの接続点に接続された第1のPチャネル型MOSトランジスタとから成り、記第1のNチャネル型MOSトランジスタのソースと記第2のNチャネル型MOSトランジスタのドレインと記第1のPチャネル型MOSトランジスタのソースとの接続点を、その出力端子とする記抵抗分割回路を設けて成ることを特徴とする。
【0010】
更に、本発明のレベルシフタ回路は、記第1のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル長をL1、同チャネル幅をW1とし、また、記第2のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル長をL2、同チャネル幅をW2とし、更に、記第1のPチャネル型MOSトランジスタのチャネル長をL3、同チャネル幅をW3とするとき、L3/W3≪L1/W1≪L2/W2の関係を満足するように、記第1及び第2のNチャネル型MOSトランジスタ、並びに記第1のPチャネル型MOSトランジスタが構成されて成ることを特徴とする。

【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
【0012】
図1は、本発明の一実施形態であるレベルシフタ回路の構成を示す回路図である。
【0013】
本実施形態のレベルシフタ回路は、低電源電圧動作インバータINV4、高電源電圧動作インバータINV5、及びNMOSトランジスタNT5、NT6、PMOSトランジスタPT3により構成されている。低電源電圧動作インバータINV4の出力とNMOSトランジスタNT6のソース、及びPMOSトランジスタPT3のゲートが接続され、高電源電圧動作インバータINV5の入力と、NMOSトランジスタNT6のドレイン、及びNMOSトランジスタNT5、PMOSトランジスタPT3のソースが接続されている。そして、NMOSトランジスタNT5のドレイン、及びNMOSトランジスタNT5、NT6のゲートが高電源電圧源の供給ラインに接続され、低電源電圧動作インバータINV4の入力が入力信号端子Vin2となり、高電源電圧動作インバータINV5の出力が出力信号端子Vout2となっている。また、NMOSトランジスタNT5のチャネル長をL1、同チャネル幅をW1とし、NMOSトランジスタNT6のチャネル長をL2、同チャネル幅をW2とし、PMOSトランジスタPT3のチャネル長をL3、同チャネル幅をW3とするとき、L3/W3≪L1/W1≪L2/W2の関係を満足するように、上記NMOSトランジスタNT5、NT6、及びPMOSトランジスタPT3のトランジスタサイズは決定されている。
【0014】
以上のように構成された本実施形態のレベルシフタ回路について、以下、その動作について説明する。低電源電圧動作回路からの入力信号端子Vin2より、LレベルからHレベルに変化する信号が入力したとき、低電源電圧動作インバータINV4の出力信号は、HレベルからLレベルへと変化する。そのとき、PMOSトランジスタPT3のオン抵抗が徐々に低下し、PMOSトランジスタPT3のソース−ドレイン間電圧が低下し、ノードn3の電位が低下する。完全に低電源電圧動作回路からの入力信号端子Vin2がHレベルになると、ノードn3の電位は、NMOSトランジスタNT5と、NMOSトランジスタNT6、インバータINV4の接地側NMOSトランジスタ(図示せず)、及びPMOSトランジスタPT3のオン抵抗で分割されたものとなる。ここで、NMOSトランジスタNT6を通る電流経路と、PMOSトランジスタPT3とは並列であり、L2/W2≫L3/W3であることから、該並列回路の合成抵抗値は、ほぼ、PMOSトランジスタPT3のオン抵抗に等しくなる。また、NMOSトランジスタNT5とPMOSトランジスタPT3とは直列接続であり、L1/W1≫L3/W3であるために、PMOSトランジスタPT3のオン抵抗が、NMOSトランジスタNT5のオン抵抗と比較して極めて小さいことから、ノードn3の電位は、ほぼ、Lレベルとなる。これにより、高電源電圧動作回路への出力信号端子Vout2の信号はHHレベルとなって安定する。
【0015】
一方、低電源電圧動作回路からの入力信号端子Vin2より、HレベルからLレベルに変化する信号が入力したとき、低電源電圧動作インバータINV4の出力信号は、LレベルからHレベルへと変化する。そのとき、PMOSトランジスタPT3のオン抵抗が徐々に上昇し、PMOSトランジスタPT3のソース−ドレイン間電圧が上昇し、ノードn3の電位が上昇する。完全に低電源電圧動作回路からの入力信号端子Vin2がLレベルになると、PMOSトランジスタPT3はオフとなり、ノードn3の電位は、高電源電圧VDD2−低電源電圧VDD1間の電位差が、ほぼNMOSトランジスタNT5とNMOSトランジスタNT6のオン抵抗で分割されたものとなる(低電源電圧動作インバータINV4の電源側PMOSトランジスタのオン抵抗は、上記両NMOSトランジスタNT5、NT6のオン抵抗に比較して極めて小さい)。ここで、NMOSトランジスタNT5とNMOSトランジスタNT6とは直列接続であり、L2/W2≫L1/W1であるために、NMOSトランジスタNT5のオン抵抗が、NMOSトランジスタNT6のオン抵抗と比較して極めて小さいことから、ノードn3の電位は、ほぼ、HHレベルとなる。これにより、高電源電圧動作回路への出力信号端子Vout2の信号はLレベルとなって安定する。
【0016】
以上に説明したように、本実施形態のレベルシフタ回路によれば、入力信号のレベル遷移時に、その電位が不安定になるノードが存在しないので、NMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタのトランジスタサイズを調整することにより、容易に高速動作を実現することができるものである。また、上記従来のレベルシフタ回路と比較して、極めて少ない素子数で、レベルシフタ回路を構成することができるものである。すなわち、図2の従来のレベルシフタ回路では、12個のMOSトランジスタを要していたものが、本実施形態の構成によれば、わずか7個のMOSトランジスタによってレベルシフタ回路を構成することができるものである。
【0017】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、容易に高速動作を実現できるとともに、その構成素子数も少ない、極めて有用なレベルシフタ回路を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態のレベルシフタ回路の構成を示す回路図である。
【図2】従来のレベルシフタ回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
INV4 低電源電圧動作インバータ
INV5 高電源電圧動作インバータ
NT5、NT6 NMOSトランジスタ
PT3 PMOSトランジスタ
Vin2 入力信号端子
Vout2 出力信号端子
n3 ノード

Claims (3)

  1. 低電源電圧動作回路よりの出力信号をレベルシフトして高電源電圧動作回路へ出力するレベルシフタ回路に於いて、
    記低電源電圧動作回路よりの出力信号を、その入力端子に受け、記低電源電圧で動作する第1のインバータと、
    第1及び第2のMOSトランジスタからなり、前記第1のインバータの出力端子と、前記高電源電圧を発生する電源との間に設けられる抵抗分割回路と、
    ソース端子が前記抵抗分割回路の出力端子に接続され、前記第1のインバータの出力信号に応じてオン・オフ制御される第3のMOSトランジスタと、
    前記抵抗分割回路よりの出力信号が入力され、前記高電源電圧で動作する第2のインバータと、から構成され、
    前記第1から第3のMOSトランジスタのサイズ比を所定の関係に設定することを特徴とするレベルシフタ回路。
  2. そのゲート及びドレインが記高電源電圧に接続された第1のNチャネル型MOSトランジスタと
    そのゲートが記高電源電圧に接続され、そのドレインが記第1のNチャネル型MOSトランジスタのソースに接続され、そのソースが記第1のインバータの出力端子に接続された第2のNチャネル型MOSトランジスタと
    そのゲートが記第1のインバータの出力端子に接続され、そのドレインが記接地電圧に接続され、そのソースが、記第1のNチャネル型MOSトランジスタのソースと記第2のNチャネル型MOSトランジスタのドレインとの接続点に接続された第1のPチャネル型MOSトランジスタとから成り、
    記第1のNチャネル型MOSトランジスタのソースと記第2のNチャネル型MOSトランジスタのドレインと記第1のPチャネル型MOSトランジスタのソースとの接続点を、その出力端子とする記抵抗分割回路を設けて成ることを特徴とする請求項1に記載のレベルシフタ回路。
  3. 記第1のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル長をL1、同チャネル幅をW1とし、また、記第2のNチャネル型MOSトランジスタのチャネル長をL2、同チャネル幅をW2とし、更に、記第1のPチャネル型MOSトランジスタのチャネル長をL3、同チャネル幅をW3とするとき、L3/W3≪L1/W1≪L2/W2の関係を満足するように、記第1及び第2のNチャネル型MOSトランジスタ、並びに記第1のPチャネル型MOSトランジスタが構成されて成ることを特徴とする請求項2に記載のレベルシフタ回路。
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