JP3636848B2 - Cmosヒステリシス回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はCMOSヒステリシス回路に関し、詳しくは半導体集積回路化されたCMOSヒステリシス回路の回路構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
電池等を電源として動作する携帯用の電気機器等では、動作可能時間を延ばすため消費電力を容易に低減できるCMOS技術による半導体集積回路装置(以下「CMOSIC」と略す)を用いることが多いとともに、チャタリング防止やノイズ混入防止のため、入力回路等にヒステリシス特性を有するヒステリシス回路(「シュミットトリガ回路」ともいう)を用いることが多い。
【0003】
このようなヒステリシス回路としては、スレッショルド電圧の異なる複数の入力回路を用いたゲート回路によるヒステリシス回路や、特開昭56−72522のような出力帰還型のヒステリシス回路等が一般的である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したゲート回路によるヒステリシス回路は回路規模及びチップサイズが大きくなり易いとともに、入力信号が緩やかに変化する等して入力電圧がスレッショルド電圧付近のときに電源電圧と基準電位との間に貫通電流が流れることによって消費電流が大きくなり易かった。また、出力帰還型のヒステリシス回路は、回路規模は小さくできるものの、入力電圧がスレッショルド電圧付近のときの貫通電流によって消費電流が大きくなり易かった。
【0005】
そこで本発明はこれらの問題を解決し、貫通電流による消費電流を低減できる簡単な構成のヒステリシス回路を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上述の問題を解決するために、請求項1の記載に係わるCMOSヒステリシス回路は、第1及び第2のPMOSトランジスタと第1及び第2のNMOSトランジスタとが電源電圧と基準電位との間に直列に接続されるとともにそれぞれのゲートが入力端子に共通に接続され、第1のPMOSトランジスタと第1のNMOSトランジスタとの接続点がインバータ回路を介して出力端子に接続され、第2のPMOSトランジスタ及び第2のNMOSトランジスタには第3のPMOSトランジスタ及び第3のNMOSトランジスタがそれぞれ並列に接続され、第3のPMOSトランジスタ及び第3のNMOSトランジスタのゲートは前記出力端子に接続されているとともに、第2のMOSトランジスタの駆動能力が第1のMOSトランジスタまたは第3のMOSトランジスタの駆動能力に比べて低く設定されていることを特徴とする。
【0007】
また、請求項2の記載に係わるCMOSヒステリシス回路は、第1のPMOSトランジスタと第1のNMOSトランジスタとが電源電圧と基準電位との間に直列に接続されるとともに、第1のPMOSトランジスタと直列に第2のPMOSトランジスタ及び第1のNMOSトランジスタと直列に第2のNMOSトランジスタが接続され、それぞれのゲートが入力端子に共通に接続され、第1のPMOSトランジスタと第1のNMOSトランジスタとの接続点がインバータ回路を介して出力端子に接続され、第2のPMOSトランジスタまたは第2のNMOSトランジスタのいづれか一方には第3のPMOSトランジスタまたは第3のNMOSトランジスタが並列に接続され、第3のPMOSトランジスタまたは第3のNMOSトランジスタのゲートは前記出力端子に接続され、第2のMOSトランジスタの駆動能力が第1のMOSトランジスタまたは第3のMOSトランジスタの駆動能力に比べて低く設定されていることを特徴とする。本発明のような回路構成をとることにより、請求項1及び請求項2の記載に係わるCMOSヒステリシス回路は、入力電圧がヒステリシス特性の各スレッショルド電圧付近のときでも駆動能力の小さいMOSトランジスタによって大きな貫通電流が電源電圧と基準電位との間に流れることがなくなる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面を参照しながら詳細に説明する。尚、本明細書では全図面を通して同一または同様の回路要素には同一の符号を付して説明を簡略化している。
図1は本発明によるCMOS構成のヒステリシス回路の回路構成を示し、図2はその入出力特性を示す。図1において、INは半導体集積回路装置の端子または他の回路の出力に接続される入力端子、OUTは他の回路の入力に接続される出力端子を示している。また、駆動能力の高いMOSトランジスタとは、同じチャネル長のときにはよりチャネル幅の広い形状のMOSトランジスタ、または、同じチャネル幅のときにはよりチャネル長の短い形状のMOSトランジスタで、導通時の抵抗値がより小さいトランジスタをいう。
【0009】
図1のCMOSヒステリシス回路10は、Pチャネル型のMOSトランジスタ(以下「PMOS」と略す)11、12とNチャネル型のMOSトランジスタ(以下「NMOS」と略す)13、14とが電源電圧(VDD)と基準電位(GND)との間に直列に接続されるとともにそれぞれのゲートが入力端子INに共通に接続され、PMOS12とNMOS13との接続点がインバータ回路15を介して出力端子OUTに接続され、PMOS11及びNMOS14にはPMOS16及びNMOS17がそれぞれ並列に接続され、PMOS16及びNMOS17のゲートは出力端子OUTに接続された構成になっている。
【0010】
そして、各MOSトランジスタの駆動能力は、PMOSでは、PMOS12の駆動能力が最も高く、PMOS11の駆動能力が最も低くなるように設定されている。同様に、NMOSでは、NMOS13の駆動能力が最も高く、以下NMOS17、NMOS14と駆動能力が低下するように設定されている。このような構成により、PMOS16または及びNMOS17のチャネル幅を変更する等してその駆動能力を変更することにより、容易にヒステリシス幅を変更できるようになっている。
【0011】
図1及び図2に基づいて回路動作について説明する。尚、以下の説明では、入力端子INに入力される電圧を入力電圧、出力端子OUTから出力する電圧を出力電圧、ヒステリシス特性の高レベル側及び低レベル側のスレッショルド電圧をそれぞれVTH(V)及びVTL(V)、インバータ回路15に入力される電圧を入力レベル、インバータ回路15の入力スレッショルド電圧をVT (V)、PMOSの素子スレッショルド電圧をVTP(V)、NMOSの素子スレッショルド電圧をVTN(V)として説明している。また、図2中の矢印は出力電圧の変化の方向を表している。
【0012】
まず、入力電圧が基準電圧のときの回路状態について説明する。入力電圧が基準電位のときには、PMOS11及びPMOS12が導通状態になっているとともにNMOS13及びNMOS14が遮断状態になっているので、インバータ回路15の入力レベルは電源電圧となっている。従って、インバータ回路15及び出力端子OUTの電圧は基準電位となり、PMOS16が導通状態になるとともにNMOS17が遮断状態になり、電源電圧から基準電位へ電流が流れないようになっている。
【0013】
次に、入力電圧が基準電位から電源電圧に上昇する場合について説明する。入力電圧がVTHになるまで(図2のa部)は、PMOS11及びPMOS12の導通抵抗が入力電圧の上昇に伴い徐々に増大し、NMOS13及びNMOS14の導通抵抗が徐々に低下する。この間、PMOS11、PMOS12及びPMOS16の合成抵抗とNMOS13及びNMOS14の合成抵抗とにより分圧された電圧はインバータ回路15の入力レベルがVT よりも高いので、出力電圧に変化がないとともにPMOS16及びNMOS17の状態は変化しない。入力電圧がVTH付近になると、各MOSトランジスタにより分圧されたインバータ回路15の入力レベルが略VT になる。
【0014】
入力電圧が更に上昇しVTHを越える(図2のb→c部)とインバータ回路15の入力レベルがVT を越えてインバータ回路15の出力電圧が反転して高レベルになり、PMOS16が遮断状態になるとともにNMOS17が導通状態になるので、インバータ回路15の入力レベルは急激に低下し、インバータ回路15の入力レベルを再びVT 付近にするには入力電圧をVTLに下げなければならなくなる。そして、入力電圧が電源電圧に近づくにつれて、PMOS11及びPMOS12の導通抵抗が更に増大するとともにNMOS13及びNMOS14の導通抵抗が更に低下し、入力電圧が(電源電圧−VTP)以上のときには、PMOS11及びPMOS12が遮断状態になり、インバータ回路15の入力レベルは略基準電位、インバータ回路15及び出力端子OUTの出力電圧は略電源電圧となる。
【0015】
尚、入力電圧がVTHのときには、PMOS11、PMOS12及びPMOS16の合成抵抗値は、PMOS11及びPMOS12の抵抗値に比べてPMOS16の抵抗値が充分小さいので、PMOS12のみの抵抗値に略近似できるようになる。また、このときの各MOSトランジスタによる合成抵抗は最小になるので電源電圧と基準電位との間に流れる貫通電流が最大になるが、他のMOSトランジスタに比べてNMOS14の駆動能力を低くして抵抗値が大きくなるようにしているので、従来に比べて少ない貫通電流しか流れないようになっている。
【0016】
次に、入力電圧が電源電圧から基準電位に低下する場合について説明する。但し、入力電圧が電源電圧からVTLになるまで(図2のc部)及びVTLから基準電位になるまで(図2のa部)の状態は、前述の状態説明と同様なので省略する。入力電圧がVTL付近になると、各MOSトランジスタにより分圧されたインバータ回路15の入力レベルが略VT になる。入力電圧が更に低下しVTLを下回る(図2のd→a部)と、インバータ回路15の入力レベルがVT を下回ることによりインバータ回路15の出力電圧が反転して低レベルになり、PMOS16が導通状態になるとともにNMOS17が遮断状態になるので、インバータ回路15の入力レベルは急激に上昇し、インバータ回路15の入力レベルを再びVT 付近にするには入力電圧をVTHに上げなければならなくなる。そして、入力電圧が基準電位に近づくにつれて、PMOS11及びPMOS12の導通抵抗が更に低下するとともにNMOS13及びNMOS14の導通抵抗が更に増大し、入力電圧が(基準電位+VTN)以下のときには、NMOS13及びNMOS14が遮断状態になり、インバータ回路15の入力レベルは略電源電圧、インバータ回路15及び出力端子OUTの出力電圧は略基準電位となる。
【0017】
尚、入力電圧がVTL程度のときには、NMOS13、NMOS14及びNMOS17の合成抵抗値は、NMOS13及びNMOS14の抵抗値に比べてNMOS17の抵抗値が充分小さいので、NMOS13のみの抵抗値に略近似できるようになる。また、このとき、各MOSトランジスタによる合成抵抗は最小になるので電源電圧と基準電位との間に流れる貫通電流が最大になるが、他のMOSトランジスタに比べてPMOS11の駆動能力を低くして抵抗値が大きくなるようにしているので、従来に比べて少ない貫通電流しか流れないようになっている。
【0018】
このような回路動作により、入力電圧が基準電位から電源電圧に上昇する場合には図2のa→b→cに沿って出力電圧が変化し、入力電圧が電源電圧から基準電位に低下する場合には図2のc→d→aに沿って出力電圧が変化するヒステリシス特性が得られるようになっている。
図3のヒステリシス回路20は本発明の他の実施の形態例を示し、図1の回路に比べて、NMOS17による出力帰還がなくなった構成になっている。このような構成により、低レベル側のヒステリシス電圧VTL′が、図1の回路のVTLよりも高く、ヒステリシス幅が図1の回路よりも小さいヒステリシス特性を有するヒステリシス回路を構成できるようになる。尚、図1の回路からPMOS16による出力帰還をなくした構成でも、同様な効果を得られるのは勿論である。
【0019】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、請求項1及び請求項2の記載に係わるCMOSヒステリシス回路は、入力電圧がヒステリシス特性の各スレッショルド電圧付近のときでも駆動能力の小さいMOSトランジスタによって大きな貫通電流が電源電圧と基準電位との間に流れることがなくなるので、半導体集積回路の消費電流を低減できるようになり、電池等を用いた機器の動作時間を延ばせるようになるという効果がある。特に、ヒステリシス回路を数多く使っていたり、ヒステリシス特性の各スレッショルド電圧付近の電圧が頻繁に入力されたり、入力電圧の変化の多い信号が入力される半導体集積回路に本発明の回路を用いると、一層の効果を得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態例を示す回路図、
【図2】本発明の実施の形態例の入出力特性を示す説明図、
【図3】本発明の他の実施の形態例を示す回路図である。
【符号の説明】
10、20 :CMOSヒステリシス回路
11、12、16:PMOS
13、14、17:NMOS
15 :インバータ回路
IN :入力端子
OUT :出力端子
Claims (2)
- 第1及び第2のPMOSトランジスタと第1及び第2のNMOSトランジスタとが電源電圧と基準電位との間に直列に接続されるとともにそれぞれのゲートが入力端子に共通に接続され、第1のPMOSトランジスタと第1のNMOSトランジスタとの接続点がインバータ回路を介して出力端子に接続され、第2のPMOSトランジスタ及び第2のNMOSトランジスタには第3のPMOSトランジスタ及び第3のNMOSトランジスタがそれぞれ並列に接続され、第3のPMOSトランジスタ及び第3のNMOSトランジスタのゲートは前記出力端子に接続されているとともに、第2のMOSトランジスタの駆動能力が第1のMOSトランジスタまたは第3のMOSトランジスタの駆動能力に比べて低く設定されていることを特徴とするCMOSヒステリシス回路。
- 第1のPMOSトランジスタと第1のNMOSトランジスタとが電源電圧と基準電位との間に直列に接続されるとともに、第1のPMOSトランジスタと直列に第2のPMOSトランジスタ及び第1のNMOSトランジスタと直列に第2のNMOSトランジスタが接続され、それぞれのゲートが入力端子に共通に接続され、第1のPMOSトランジスタと第1のNMOSトランジスタとの接続点がインバータ回路を介して出力端子に接続され、第2のPMOSトランジスタまたは第2のNMOSトランジスタのいづれか一方には第3のPMOSトランジスタまたは第3のNMOSトランジスタが並列に接続され、第3のPMOSトランジスタまたは第3のNMOSトランジスタのゲートは前記出力端子に接続され、第2のMOSトランジスタの駆動能力が第1のMOSトランジスタまたは第3のMOSトランジスタの駆動能力に比べて低く設定されていることを特徴とするCMOSヒステリシス回路。
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