JP3641481B2 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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Description

本発明は微細MOSトランジスタで構成された半導体集積回路に係り、特に高速・低電力動作に適した回路に関する。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit composed of fine MOS transistors, and more particularly to a circuit suitable for high speed and low power operation.

非特許文献1に述べられているように、MOSトランジスタが微細化されるにつれてその耐圧が低下するために、その動作電圧を低くせざるを得ない。特に、電池動作の携帯用機器などで用いられる半導体装置では、低消費電力化のために、一層動作電圧が下げられる。   As described in Non-Patent Document 1, the breakdown voltage decreases as the MOS transistor is miniaturized, and thus the operating voltage must be lowered. In particular, in a semiconductor device used in a battery-operated portable device or the like, the operating voltage is further reduced in order to reduce power consumption.

この場合に、高速動作を維持するためには、動作電圧の低下に見合ってMOSトランジスタのしきい電圧(VT)も低下させる必要がある。これは、動作速度は、MOSトランジスタの実効ゲート電圧、すなわち動作電圧からVTを差し引いた値で支配され、この値が大きいほど高速だからである。例えば、上記文献によれば、チャネル長0.25μmで1.5V動作を行うトランジスタのしきい電圧の標準値は、0.35Vと予想される。周知のスケーリング則に従えば、動作電圧を1Vとすれば、しきい電圧の標準値は0.24V程度になる。しかし、VTを0.4V程度以下にすると、以下に述べるように、MOSトランジスタのサブスレッショルド特性(テーリング特性)によって、トランジスタを完全にオフすることはもはやできなくなり、直流電流が流れるという現象が生ずる。したがって、1.5V以下の動作では、この電流は実用上大きな問題となる。 In this case, in order to maintain high-speed operation, it is necessary to reduce the threshold voltage (V T ) of the MOS transistor in accordance with the decrease in the operating voltage. This is because the operating speed is governed by the effective gate voltage of the MOS transistor, that is, the value obtained by subtracting V T from the operating voltage, and the larger this value, the higher the speed. For example, according to the above document, the standard value of the threshold voltage of a transistor that operates at 1.5 V with a channel length of 0.25 μm is expected to be 0.35 V. According to a well-known scaling law, if the operating voltage is 1V, the standard value of the threshold voltage is about 0.24V. However, when the V T below about 0.4V, as described below, by the sub-threshold characteristics of the MOS transistor (tailing characteristics), a phenomenon that transistor completely no longer able longer to turn off the DC current to flow Arise. Therefore, in an operation of 1.5 V or less, this current becomes a serious problem in practical use.

図49に示す従来のCMOSインバータについて説明する。理想的には、入力信号INが低レベル(=VSS)の時はNチャネルMOSトランジスタMNがオフ、INが高レベル(=VCC)の時はPチャネルMOSトランジスタMPがオフになり、いずれにしても電流が流れることはない。しかし、MOSトランジスタのVTが低くなると、サブスレッショルド特性を無視することができなくなる。 A conventional CMOS inverter shown in FIG. 49 will be described. Ideally, when the input signal IN is at a low level (= V SS ), the N-channel MOS transistor MN is turned off, and when IN is at a high level (= V CC ), the P-channel MOS transistor MP is turned off. In any case, no current flows. However, when the V T of the MOS transistor is lowered, the subthreshold characteristic cannot be ignored.

図50に示すように、サブスレッショルド領域におけるドレイン電流IDSは、ゲート・ソース間電圧VGSの指数関数に比例し、次式で表される。

Figure 0003641481
ただし、WはMOSトランジスタのチャネル幅、I0、W0はVTを定義する際の電流値およびチャネル幅、Sはテーリング係数(VGS-log IDS特性の傾きの逆数)である。したがって、VGS=0でもサブスレッショルド電流
Figure 0003641481
が流れる。図49のCMOSインバータでオフ状態のトランジスタはVGS=0であるから、非動作時において高電源電圧VCCから接地電位である低電源電圧VSSに向かって上記の電流ILが流れることになる。 As shown in FIG. 50, the drain current I DS in the subthreshold region is proportional to an exponential function of the gate-source voltage V GS, it is expressed by the following equation.
Figure 0003641481
Where W is the channel width of the MOS transistor, I 0 and W 0 are the current value and channel width when defining V T , and S is the tailing coefficient (the reciprocal of the slope of the V GS -log I DS characteristic). Therefore, even if V GS = 0, the subthreshold current
Figure 0003641481
Flows. Since the off-state transistor in the CMOS inverter of FIG. 49 has V GS = 0, the current I L flows from the high power supply voltage V CC toward the low power supply voltage V SS , which is the ground potential, when not operating. Become.

このサブスレッショルド電流は、図50に示すように、しきい電圧をVTからVT'に低下させると、ILからIL'に指数関数的に大きくなる。 The subthreshold current, as shown in FIG. 50, 'Lowering the, I L from I L' V T the threshold voltage from V T exponentially increases in the.

数2の上式から明らかなように、サブスレッショルド電流を低減するためには、VTを大きくするかSを小さくすればよい。しかし、前者は実効ゲート電圧の低下による速度の低下を招く。特に、耐圧の点から微細化とともに動作電圧を低くしていくと、速度低下は顕著になり、微細化の利点を生かせなくなるので好ましくない。また後者は、室温動作を前提とする限り、次の理由により困難である。 As is clear from the above equation, in order to reduce the subthreshold current, V T may be increased or S may be decreased. However, the former causes a decrease in speed due to a decrease in effective gate voltage. In particular, if the operating voltage is lowered along with miniaturization from the point of withstand voltage, the speed drop becomes remarkable, and the advantage of miniaturization cannot be utilized, which is not preferable. The latter is difficult for the following reasons as long as room temperature operation is assumed.

テーリング係数Sは、ゲート絶縁膜の容量COXとゲート下の空乏層の容量CDにより、次のように表される。

Figure 0003641481
ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは素電荷である。上式から明らかなように、COXおよびCDの如何にかかわらずS≧kT ln 10/qであり、室温では60mV以下にすることは困難である。 Tailing factor S is the capacitance C D of the depletion layer capacitance C OX and under the gate of the gate insulating film is represented as follows.
Figure 0003641481
Here, k is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature, and q is an elementary charge. As is apparent from the above equation, S ≧ kT ln 10 / q regardless of C OX and C D , and it is difficult to make it 60 mV or less at room temperature.

以上述べた現象のために、多数のMOSトランジスタで構成された半導体集積回路の実質的な直流電流は著しく増大してしまう。すなわち、動作速度が一定のもとでは、動作電圧を低くしていくほどVTも小さくしなければならないので、低電圧動作させるほど深刻になる。特に高温動作時には、VTが低くSが大きくなるため、この問題はさらに深刻になる。低電力化が重要である今後のコンピュータ等のダウンサイジング時代においては、このサブスレッショルド電流の増大は本質的な問題である。特に、0.9〜1.6Vといった電池1個で動作させたい電子装置などでも、この電流の増大に対処することがきわめて重要である。 Due to the phenomenon described above, the substantial direct current of a semiconductor integrated circuit composed of a large number of MOS transistors increases remarkably. That is, under a constant operating speed, V T must be reduced as the operating voltage is lowered, so that the more serious the operation is, the lower the voltage is. In particular, during high temperature operation, V T is low and S is large, so this problem becomes more serious. In the future of downsizing of computers and the like where low power consumption is important, this increase in subthreshold current is an essential problem. In particular, it is extremely important to cope with this increase in current even in an electronic device or the like that is desired to operate with one battery of 0.9 to 1.6V.

1989 インターナショナル シンポジウム オン ブイ・エル・エス・アイ テクノロジー,システムズ アンド アプリケーションズ、プロシーディングズ オブ テクニカル ペーパーズ(1989年5月)第188頁から第192頁(1989 International Symposium on VLSI Technology, Systems and Applications, Proceedings of Technical Papers, pp.188-192 (May 1989))1989 International Symposium on VLSI Technology, Systems and Applications, Proceedings on VLSI Technology, Systems and Applications, Proceedings of Technical Papers (May 1989), pages 188-192 of Technical Papers, pp.188-192 (May 1989))

本発明の目的は、MOSトランジスタを微細化しても高速・低電力の半導体集積回路を提供し、電池駆動などといった低電圧動作の電子装置を低電流で実現することにある。   An object of the present invention is to provide a high-speed and low-power semiconductor integrated circuit even if a MOS transistor is miniaturized, and to realize an electronic device operating at a low voltage such as battery driving with a low current.

上記目的を達成するため、本発明では、MOSトランジスタのソースと電源の間に大電流と小電流との電流供給を制御する制御回路手段を挿入し、用途に応じてこれらの電流を切り換えてMOSトランジスタ回路に供給する。たとえば、高速動作が要求される時は大電流を供給し、低消費電力が要求される時は小電流を供給する。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a control circuit means for controlling a current supply of a large current and a small current is inserted between the source and the power source of the MOS transistor, and these currents are switched according to the application. Supply to transistor circuit. For example, a large current is supplied when high speed operation is required, and a small current is supplied when low power consumption is required.

通常動作時には高速動作が要求されるので、上記電流供給手段から大電流をMOSトランジスタ回路に供給し、高速動作を可能にする。この時、MOSトランジスタ回路には前述のとおり直流電流が流れるが、動作電流すなわち負荷の充放電電流に比べて普通十分小さいので差し支えない。   Since high-speed operation is required during normal operation, a large current is supplied from the current supply means to the MOS transistor circuit to enable high-speed operation. At this time, a direct current flows through the MOS transistor circuit as described above. However, the operating current, that is, the charging / discharging current of the load is usually sufficiently small, so that it does not matter.

一方、待機時には低消費電力が要求されるので、供給される電流を小電流に切り換え、サブスレッショルド電流を抑える。この時、電流が制限されることにより、MOSトランジスタ回路の論理振幅は一般に大電流供給時よりも小さくなるが、論理レベルを保証できる程度であれば差し支えない。   On the other hand, since low power consumption is required during standby, the supplied current is switched to a small current to suppress the subthreshold current. At this time, the current is limited, so that the logic amplitude of the MOS transistor circuit is generally smaller than that when a large current is supplied.

以上説明したように、本発明によれば、高速・低消費電力のMOSトランジスタ回路、およびそれで構成された半導体集積回路が実現できる。   As described above, according to the present invention, a high-speed and low-power consumption MOS transistor circuit and a semiconductor integrated circuit including the same can be realized.

以下、図を参照して本発明の具体的な実施例を、より詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

〔実施例1〕
まず、図1は本発明の原理を説明するのに好適な実施例である。
[Example 1]
First, FIG. 1 shows a preferred embodiment for explaining the principle of the present invention.

図1(a)は本発明の実施例によるインバータの回路図である。図中、LはCMOSインバータであり、PチャネルMOSトランジスタMPとNチャネルMOSトランジスタMNからなる。本発明は、後述のように、インバータだけでなくNAND、NORなどの論理ゲートあるいは論理ゲート群にも適用できるが、ここでは簡単のためインバータの場合について説明する。SCおよびSSはスイッチ、RCおよびRSは抵抗であり、本実施例の特徴は、インバータLの電源端子VCL、VSLと電源VCC、VSSの間にそれぞれスイッチSC、SSと抵抗RC、RSが並列に挿入されていることであり、これにより以下に説明するようにサブスレッショルド電流低減が実現される。 FIG. 1A is a circuit diagram of an inverter according to an embodiment of the present invention. In the figure, L is a CMOS inverter, which consists of a P-channel MOS transistor MP and an N-channel MOS transistor MN . As will be described later, the present invention can be applied not only to an inverter but also to a logic gate or a group of logic gates such as NAND and NOR. Here, for simplicity, the case of an inverter will be described. S C and S S are switches, and R C and R S are resistors. The feature of this embodiment is that switches S C , V SL, and power supplies V CC , V SS are respectively connected between the power terminals V CL , V SL of the inverter L. This is that S S and resistors R C and R S are inserted in parallel, and as a result, subthreshold current reduction is realized as described below.

高速動作が要求される時間帯には、スイッチSC、SSをオンにし、VCC、VSSを直接インバータLに印加する(以下、高速動作モードという)。MP、MNのしきい電圧(VT)を低く設定しておけば、高速動作させることができる。この時、前述のようにインバータLにはサブスレッショルド電流が流れるが、これは普通、動作電流すなわち負荷の充放電電流に比べて十分小さいので問題にならない。 In a time zone in which high speed operation is required, the switches S C and S S are turned on, and V CC and V SS are directly applied to the inverter L (hereinafter referred to as a high speed operation mode). If the threshold voltages (V T ) of M P and M N are set low, high speed operation can be achieved. At this time, as described above, the sub-threshold current flows through the inverter L, but this is not a problem because it is usually sufficiently smaller than the operating current, that is, the charge / discharge current of the load.

一方、低消費電力が要求される時間帯には、スイッチSC、SSをオフにして、抵抗RC、RSを通してインバータに電源を供給する(以下、低消費電力モードという)。サブスレッショルド電流が抵抗を通して流れることによる電圧降下により、VCLはVCCよりも低下し、VSLはVSSよりも上昇する。図2に示すように、この電圧降下により、次の2種の機構によってサブスレッショルド電流が減少する。尚、入力信号INが低レベル(VSS)の場合のMNについて説明するが、INが高レベル(VCC)の場合のMPも同様である。 On the other hand, in a time zone in which low power consumption is required, the switches S C and S S are turned off and power is supplied to the inverter through the resistors R C and R S (hereinafter referred to as a low power consumption mode). Due to the voltage drop caused by the subthreshold current flowing through the resistor, V CL falls below V CC and V SL rises above V SS . As shown in FIG. 2, due to this voltage drop, the subthreshold current is reduced by the following two mechanisms. Although the input signal IN is explained M N in the case of a low level (V SS), IN is also M P in the case of high level (V CC).

(i)ソース電位VSLが上昇するため、バックゲートバイアスVBS=VSS−VSL=−VMがかかり、しきい電圧がVT0からVT1まで上昇する。しきい電圧の上昇分は、

Figure 0003641481
である。これにより、サブスレッショルド電流はIL0からIL1まで減少する。減少率は、
Figure 0003641481
である。ここでKは基板効果係数である。例えば、VM=0.3V、K=0.4√V、S=100mV/decade、2ψ=0.64Vならば、サブスレッショルド電流は21%に低減される。 (i) Since the source potential V SL rises, it takes back gate bias V BS = V SS -V SL = -V M, the threshold voltage increases from V T0 to V T1. The increase in threshold voltage is
Figure 0003641481
It is. As a result, the subthreshold current decreases from I L0 to I L1 . Decrease rate is
Figure 0003641481
It is. Here, K is a substrate effect coefficient. For example, if V M = 0.3 V, K = 0.4√V, S = 100 mV / decade, 2ψ = 0.64 V, the subthreshold current is reduced to 21%.

(ii)ソース電位VSLが上昇するため、ゲート・ソース間電圧VGS=VSS−VSL=−VMが負になる。これにより、サブスレッショルド電流はさらにIL1からIL2まで減少する。減少率は、

Figure 0003641481
である。例えば、VM=0.3V、S=100mV/decadeならば、サブスレッショルド電流は0.1%に低減される。 (ii) Since the source potential V SL rises, the gate-source voltage V GS = V SS -V SL = -V M is negative. As a result, the subthreshold current further decreases from I L1 to I L2 . Decrease rate is
Figure 0003641481
It is. For example, if V M = 0.3 V and S = 100 mV / decade, the subthreshold current is reduced to 0.1%.

(i)(ii)の効果を併せると、

Figure 0003641481
となる。例えば、VM=0.3Vならば0.02%になる。ここで、VMは方程式
Figure 0003641481
の解である。 Combining the effects of (i) and (ii),
Figure 0003641481
It becomes. For example, if V M = 0.3V, it becomes 0.02%. Where V M is the equation
Figure 0003641481
Is the solution.

尚、インバータLのMOSトランジスタMP、MNのバックゲートはそれぞれのソース(VCL、VSL)に接続してもよいが、(i)の効果を得るためには図1(a)のようにVCC、VSSに接続する方が望ましい。 Note that the back gates of the MOS transistors M P and M N of the inverter L may be connected to their respective sources (V CL , V SL ), but in order to obtain the effect (i), FIG. Thus, it is preferable to connect to V CC and V SS .

図3にサブスレッショルド電流低減効果を示す。ここでは、将来の超低電圧動作の超高集積LSIを想定し、バックゲートバイアスが0のときのしきい電圧VT0=0.05〜0.15V、LSI全体のオフ状態のトランジスタのチャネル幅の総和W=100mである場合について計算している。抵抗を大きくするほどVMが大きくなり、効果が大きくなる。極端な場合として、抵抗が無限大、すなわち抵抗を除去することもできる。 FIG. 3 shows the effect of reducing the subthreshold current. Here, assuming an ultra-highly integrated LSI of ultra-low voltage operation in the future, the threshold voltage V T0 = 0.05 to 0.15 V when the back gate bias is 0, and the total channel width W of the off-state transistors of the entire LSI = Calculated for the case of 100 m. V M The larger the resistance is increased, the effect is large. In an extreme case, the resistance is infinite, that is, the resistance can be removed.

ただし、図1(b)に示すように、出力信号OUTの論理振幅は入力信号INの論理振幅よりも小さくなるので、多段接続の際は信号の電圧レベルに注意しなければならないが、これについては後述する。   However, as shown in FIG. 1B, since the logical amplitude of the output signal OUT is smaller than the logical amplitude of the input signal IN, attention must be paid to the voltage level of the signal in multistage connection. Will be described later.

また、本発明にはしきい電圧のバラツキを自動的に補償する作用がある。すなわち、しきい電圧が低くサブスレッショルド電流が大きいときは、抵抗による電圧降下VMが大きくなり、しきい電圧が高くサブスレッショルド電流が小さいときは、VMが小さくなる。いずれの場合も、電流の変動が抑制される。図3から明らかなように、サブスレッショルド電流の変動は抵抗値が大きいほど小さい。例えば、抵抗値を3kΩ以上にすれば、しきい電圧が±0.05Vばらついても、サブスレッショルド電流ILの変動は±20%以内に抑えられる。 The present invention also has an effect of automatically compensating for variations in threshold voltage. That is, when the threshold voltage subthreshold current is large low voltage drop V M due to resistance is increased, when the threshold voltage is high and the subthreshold current is small, V M becomes smaller. In either case, current fluctuation is suppressed. As is apparent from FIG. 3, the variation in the subthreshold current is smaller as the resistance value is larger. For example, if the resistance value is 3 kΩ or more, even if the threshold voltage varies by ± 0.05 V, the variation of the subthreshold current I L can be suppressed to within ± 20%.

〔実施例2〕
次に、実施例1で説明したスイッチと抵抗の具体的な実現方法を示す。図4は、スイッチと抵抗とをともにMOSトランジスタで実現した例である。
[Example 2]
Next, a specific method for realizing the switches and resistors described in the first embodiment will be described. FIG. 4 shows an example in which both the switch and the resistor are realized by MOS transistors.

スイッチ用のMOSトランジスタMC1とMS1は、コンダクタンスの大きいMOSトランジスタであり、それぞれ図1のスイッチSC、SSに相当する。高速動作モードの時は、信号φCを低レベル、φSを高レベルにすることによって、MC1、MS1はオンになる。φC、φSの電圧レベルは、それぞれVSS、VCCでもよいが、MC1、MS1のコンダクタンスをより大きくするために、φCをVSSよりも低く、φSをVCCよりも高くしてもよい。そのための電圧は、チップの外部から与えるか、EEPROMやDRAMで周知のオンチップ昇圧回路で発生させればよい。 The MOS transistors M C1 and M S1 for switching are MOS transistors having a large conductance, and correspond to the switches S C and S S in FIG. In the high-speed operation mode, M C1 and M S1 are turned on by setting the signal φ C to a low level and φ S to a high level. The voltage levels of φ C and φ S may be V SS and V CC , respectively, but in order to increase the conductance of M C1 and M S1 , φ C is lower than V SS and φ S is higher than V CC. May be higher. The voltage for this purpose may be applied from the outside of the chip or generated by an on-chip booster circuit well known for EEPROM and DRAM.

低消費電力モードのときは逆に、φCを高レベル、φSを低レベルにすることによって、MC1、MS1はオフになる。この時は、電流を確実に抑止できるようにしなければならない。そのためには、次の2通りの方法がある。第1の方法は、外部電圧またはオンチップ昇圧回路によって、φCをVCCよりも高く、φSをVSSよりも低くすることである。第2の方法は、MC1、MS1として、インバータLに用いられているものよりもしきい電圧が高い(よりエンハンスメントの)トランジスタを用いることである。第1の方法は、しきい電圧の異なるトランジスタを作るための工程が不要であるという利点がある。一方、第2の方法は、外部電圧を受ける端子あるいはオンチップ昇圧回路が不要であるから、面積の点で有利である。 Conversely, in the low power consumption mode, by setting φ C to a high level and φ S to a low level, M C1 and M S1 are turned off. At this time, the current must be reliably suppressed. For this purpose, there are the following two methods. The first method is to make φ C higher than V CC and φ S lower than V SS by an external voltage or an on-chip booster circuit. The second method is to use transistors having higher threshold voltages (more enhanced) than those used for the inverter L as M C1 and M S1 . The first method has an advantage that a step for producing transistors having different threshold voltages is unnecessary. On the other hand, the second method is advantageous in terms of area because it does not require a terminal for receiving an external voltage or an on-chip booster circuit.

MOSトランジスタMC2とMS2はコンダクタンスの小さいMOSトランジスタであり、それぞれ図1の抵抗RC、RSに相当する。これらのトランジスタは、ゲートがそれぞれVSS、VCCに接続されており、常にオンである。これらのトランジスタはオフにする必要がないので、そのしきい電圧は低くても差し支えない。 MOS transistors M C2 and M S2 are low conductance MOS transistors and correspond to the resistances R C and R S of FIG. These transistors have their gates connected to V SS and V CC , respectively, and are always on. Since these transistors need not be turned off, their threshold voltage can be low.

尚、MC2としてNチャネルMOSトランジスタを用い、MS2としてPチャネルMOSトランジスタを用いることもできる。例えば、MC2のNチャネルMOSトランジスタを例にとると、そのゲートとドレインを互いに接続した端子をVCC端子に接続し、そのソースをVCL端子に結線した、いわゆるダイオード接続でも実効的に抵抗を実現できる。該NチャネルMOSトランジスタのチャネル幅としきい電圧を調整することによって、たとえば待機時にはVCLの電圧をVCCから該NチャネルMOSトランジスタのしきい電圧だけ降下した電圧に設定でき、サブスレッショルド電流を大幅に低減できる。 An N channel MOS transistor can be used as M C2 and a P channel MOS transistor can be used as M S2 . For example, taking an N C2 N-channel MOS transistor as an example, a resistor having a gate and drain connected to each other is connected to a V CC terminal, and its source is connected to a V CL terminal. Can be realized. By adjusting the channel width and threshold voltage of the N-channel MOS transistor, for example, during standby, the voltage of V CL can be set to a voltage that is lowered from V CC by the threshold voltage of the N-channel MOS transistor, greatly increasing the subthreshold current. Can be reduced.

次に、本発明が適用される時間帯について述べる。図5に信号φC、φSのタイミングの例を示す。 Next, the time zone to which the present invention is applied will be described. FIG. 5 shows an example of the timing of the signals φ C and φ S.

図5(a)および(b)は、本発明をメモリLSIに適用した場合である。メモリLSIは、外部からのクロック信号であるチップエネーブル信号CE ̄(補信号)が低レベルのとき動作状態、高レベルのとき待機状態になる。図5(a)の場合は、内部信号φCは、CE ̄の立下りに同期して低レベルになり、CE ̄の立上りからやや遅れて高レベルになる。内部信号φSはその逆である。従って、図中のaの時間帯は高速動作モード、bの時間帯は低消費電力モードになる。一般に多数のメモリLSIを用いたメモリ装置では、動作状態にあるLSIは少数であり、大多数のLSIは待機状態にある。従って、待機状態にあるLSIを本発明を用いて低消費電力にすれば、メモリ装置全体の低消費電力化に大きく寄与する。なお、CE ̄の立上りから低消費電力モードに入るまでに遅延を設ける理由は、この間にLSIの内部回路のリセットが行われるからである。 FIGS. 5A and 5B show a case where the present invention is applied to a memory LSI. The memory LSI is in an operating state when the chip enable signal CE (complementary signal), which is an external clock signal, is at a low level, and is in a standby state when it is at a high level. In the case of FIG. 5A, the internal signal φ C becomes low level in synchronization with the falling edge of CEC and becomes high level with a slight delay from the rising edge of CE ̄. The internal signal φ S is the opposite. Accordingly, the time zone a in the figure is the high speed operation mode, and the time zone b is the low power consumption mode. In general, in a memory device using a large number of memory LSIs, a small number of LSIs are in an operating state, and a majority of LSIs are in a standby state. Therefore, if the LSI in the standby state is reduced in power consumption using the present invention, it greatly contributes to the reduction in power consumption of the entire memory device. The reason for providing a delay from the rise of CE to the low power consumption mode is that the internal circuit of the LSI is reset during this period.

図5(b)はさらに低消費電力化を図った例である。ここでは、CE ̄が変化した直後のみを高速動作モードにしている。すなわち、CE ̄が低レベルになった直後はデータの読出し/書込みが行なわれ、CE ̄が高レベルになった直後は内部回路のリセットが行なわれるので、これらの時間帯は本発明による高速動作モードとし、その他の時間帯は本発明による低消費電力モードにしている。なお、ここには記載されていないが、アドレス信号が変化したときに高速動作モードに入るようにしてもよい。   FIG. 5B shows an example of further reducing power consumption. Here, the high-speed operation mode is set only immediately after CE ̄ changes. That is, data read / write is performed immediately after CE ̄ becomes low level, and internal circuit is reset immediately after CE 高 becomes high level. The mode is set to the low power consumption mode according to the present invention in other time zones. Although not described here, the high-speed operation mode may be entered when the address signal changes.

図5(c)は本発明をマイクロプロセッサに適用した例である。通常動作状態では、クロックCLKが印加されている。このとき、信号φCは低レベル、φSは高レベルであり、高速動作モードである。マイクロプロセッサが待機状態またはデータ保持状態になると、クロックCLKが停止し、信号BUが高レベルになる。これに同期して、φCは高レベル、φSは低レベルになり、低消費電力モードになる。これにより、マイクロプロセッサの消費電力が低減され、電池などの小容量の電源で長時間バックアップすることが可能になる。 FIG. 5C shows an example in which the present invention is applied to a microprocessor. In the normal operation state, the clock CLK is applied. At this time, the signal φ C is at a low level and φ S is at a high level, which is a high-speed operation mode. When the microprocessor enters a standby state or a data holding state, the clock CLK is stopped and the signal BU goes high. In synchronization with this, φ C becomes high level, φ S becomes low level, and a low power consumption mode is set. Thereby, the power consumption of the microprocessor is reduced, and it becomes possible to back up for a long time with a small-capacity power source such as a battery.

図6は、図4の回路を実現するためのデバイス構造の一例である。この図のポリシリコン130、131、132、133がそれぞれ図4のMC2、MP、MN、MS2のゲートに相当する(MC1、MS1はここには記載されていない)。 FIG. 6 is an example of a device structure for realizing the circuit of FIG. The polysilicons 130, 131, 132 and 133 in this figure correspond to the gates of M C2 , M P , M N and M S2 in FIG. 4 (M C1 and M S1 are not described here).

注意すべきことは、MC2とMPとが同一のnウェル101(n+拡散層120を介してVCCに接続されている)を共有していることである。MNとMS2も同様にp基板(VSSに接続されている)100を共有している。これからわかるように、MOSトランジスタのバックゲートをVCC、VSSに接続する方が、ソースに接続する場合に比べて、前述の(i)の効果が得られるだけでなく、レイアウト面積の点でも有利である。 It should be noted that M C2 and M P share the same n-well 101 (connected to V CC via the n + diffusion layer 120). M N and M S2 share a p-substrate (connected to V SS ) 100 as well. As can be seen, connecting the back gate of the MOS transistor to V CC and V SS not only provides the effect of (i) described above, but also in terms of layout area compared to the case of connecting to the source. It is advantageous.

ここに示した例では、p基板中にnウェルを形成しているが、逆にn基板中にpウェルを形成してもよい。あるいは、アイ・エス・エス・シー・シー、ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ、第248頁から第249頁、1989年2月(ISSCC Digest of Technical Papers, pp.248-249, Feb.1989)に記載されているような三重ウェル構造を用いてもよい。   In the example shown here, the n well is formed in the p substrate, but conversely, the p well may be formed in the n substrate. Alternatively, ISSC, Digest of Technical Papers, 248-249, February 1989 (ISSCC Digest of Technical Papers, pp.248-249, Feb.1989) A triple well structure as described in 1) may be used.

〔実施例3〕
図7にスイッチと抵抗の他の実現方法を示す。本実施例の特徴は、カレントミラー回路を用いていることである。すなわち、しきい電圧が同じMOSトランジスタMC2とMC3は、ゲートとソースを共有するいわゆるカレントミラー回路を成しており、MC2には電流源I0に比例する電流が流れ、そのインピーダンスは大きい。MS2とMS3についても同様である。したがって、MC2、MS2は高抵抗とみなすことができる。尚、電流源I0とMC3、MS3から成る回路CSを複数の論理ゲートで共有してもよい。
Example 3
FIG. 7 shows another method for realizing a switch and a resistor. The feature of this embodiment is that a current mirror circuit is used. That is, the MOS transistors M C2 and M C3 having the same threshold voltage form a so-called current mirror circuit sharing the gate and the source, and a current proportional to the current source I 0 flows through M C2 , and its impedance is large. The same applies to M S2 and M S3 . Therefore, M C2 and M S2 can be regarded as high resistance. The circuit CS composed of the current source I 0 and M C3 and M S3 may be shared by a plurality of logic gates.

カレントミラー回路はここに示した回路だけでなく、他の回路でもよい。例えば、MOSトランジスタの代わりにバイポーラトランジスタを用いてもよい。   The current mirror circuit is not limited to the circuit shown here, but may be other circuits. For example, a bipolar transistor may be used instead of the MOS transistor.

このように、スイッチと抵抗の実現方法は、いろいろな変形がありうる。要は、高速動作が要求される時間帯には大電流を、低消費電力が要求される時間帯には小電流を流す手段であればよい。以下の図面では、簡単のため、図1のようにスイッチと抵抗で表すことにする。   As described above, the method of realizing the switch and the resistance can be variously modified. In short, any means may be used as long as it allows a large current to flow during a time zone requiring high-speed operation and a small current to flow during a time zone requiring low power consumption. In the following drawings, for the sake of simplicity, they are represented by switches and resistors as shown in FIG.

〔実施例4〕
インバータのMOSトランジスタのバックゲートは、VCC、VSSに限らず別の電源に接続してもよく、その電圧を可変にしてもよい。図8にその例を示す。ここでは、MP、MNのバックゲートをそれぞれ電源VWW、VBBに接続し、それらのバックゲート電圧値を動作時と待機時とで変えている。VBBについて言えば、高速動作が要求される時間帯にはVBBを浅くして(あるいは極端な場合わずかに正にして)MNのVTを低くして高速動作を可能にする。低消費電力が要求される時間帯にはVBBを深くしてMNのVTを高くして、サブスレッショルド電流を抑える。これにより、前記(i)の効果がさらに大きくなる。以上VBBについて述べたが、VWWも電圧の極性が逆になるだけで同様である。なお、この種のバックゲート電圧発生回路は、例えばアイ・エス・エス・シー・シー、ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ、第254頁から第255頁、1985年2月(ISSCC Digest of Technical Papers, pp.254-255, Feb.1985)に記載されている。
Example 4
The back gate of the MOS transistor of the inverter is not limited to V CC and V SS, and may be connected to another power source, or its voltage may be variable. An example is shown in FIG. Here, the back gates of M P and M N are connected to the power sources V WW and V BB , respectively, and their back gate voltage values are changed between during operation and during standby. As for V BB, the time zone in which high-speed operation is required by shallow V BB (or in extreme cases slightly positively) that enable high-speed operation by reducing the V T of M N. The time zone requiring low power consumption by increasing the V T of M N to deepen the V BB, suppress the subthreshold current. Thereby, the effect of (i) is further increased. Although V BB has been described above, V WW is the same except that the polarity of the voltage is reversed. Note that this type of back gate voltage generation circuit is disclosed in, for example, ISCS, Digest of Technical Papers, pages 254 to 255, February 1985 (ISSCC Digest of Technical Papers). , pp.254-255, Feb.1985).

図9は、図8の回路を実現するためのデバイス構造の一例である。ここでは、前述の三重ウェル構造を用いており、nウェル105(PチャネルMOSトランジスタのバックゲート)はn+拡散層120を介してVWWに、pウェル103(NチャネルMOSトランジスタのバックゲート)はp+拡散層127を介してVBBに接続されている。 FIG. 9 is an example of a device structure for realizing the circuit of FIG. Here, the above-described triple well structure is used, and n well 105 (P channel MOS transistor back gate) is connected to V WW via n + diffusion layer 120, and p well 103 (N channel MOS transistor back gate) is connected. The p + diffusion layer 127 is connected to V BB .

この三重ウェル構造は、Pチャネル、Nチャネル共に回路ごとに独立したウェルに入れることができるので、回路ごとにバックゲート電圧を設定できるという利点がある。例えば、1つのLSI内に動作状態にある回路と待機状態にある回路が混在する場合、前者のバックゲート電圧を浅く、後者のバックゲート電圧を深くすることができる。   This triple well structure has an advantage that a back gate voltage can be set for each circuit because both the P channel and the N channel can be placed in independent wells for each circuit. For example, when a circuit in an operation state and a circuit in a standby state coexist in one LSI, the former back gate voltage can be made shallower and the latter back gate voltage can be made deeper.

〔実施例5〕
次に、インバータを多段接続したインバータ列の場合について述べる。簡単のため、まず2段の場合で原理を説明する。
Example 5
Next, the case of an inverter train in which inverters are connected in multiple stages will be described. For simplicity, the principle will be described first in the case of two stages.

図10(a)は、CMOSインバータL1、L2を接続した場合の回路図である。各段のインバータごとに、スイッチSCi、SSiと抵抗RCi、RSi(i=1,2)が挿入されている。 FIG. 10A is a circuit diagram when CMOS inverters L 1 and L 2 are connected. Switches S Ci and S Si and resistors R Ci and R Si (i = 1, 2) are inserted for each stage of the inverter.

高速動作モードでは、4個のスイッチをすべてオンにし、VCC、VSSを直接インバータL1、L2に印加する。インバータのMOSトランジスタのしきい電圧(VT)を低く設定しておけば、高速動作させることができる。一方、低消費電力モードでは、4個のスイッチをすべてオフにして、抵抗を通してインバータに電源を供給する。サブスレッショルド電流が抵抗を通して流れることによる電圧降下により、VCL1、VCL2はVCCよりも低下し、VSL1、VSL2はVSSよりも上昇する。 In the high-speed operation mode, all four switches are turned on, and V CC and V SS are applied directly to the inverters L 1 and L 2 . If the threshold voltage (V T ) of the inverter MOS transistor is set low, the inverter can be operated at high speed. On the other hand, in the low power consumption mode, all four switches are turned off and power is supplied to the inverter through resistors. Due to the voltage drop caused by the subthreshold current flowing through the resistor, V CL1 and V CL2 fall below V CC , and V SL1 and V SL2 rise above V SS .

第1段のインバータL1については、図1の場合と同様に、前記(i)(ii)の機構によってサブスレッショルド電流が減少する。しかし、図10(b)に示すように、L1の出力N1の論理振幅は入力信号INの論理振幅よりも小さい。すなわち、INが低レベル(=VSS)の時はN1の電圧レベルはVCL1になり、INが高レベル(=VCC)の時はN1の電圧レベルはVSL1になる。これが第2段のインバータL2の入力となるから、L2のサブスレッショルド電流低減のためには、VCC>VCL1>VCL2、VSS<VSL1<VSL2となるように抵抗値を設定するのが望ましい。これにより、L2についても前記(i)(ii)の機構によってサブスレッショルド電流が減少する。VCL1=VCL2、VSL1=VSL2の時は、(i)による効果は得られるが(ii)による効果は得られない。 For the first-stage inverter L 1 , the subthreshold current is reduced by the mechanisms (i) and (ii) as in the case of FIG. However, as shown in FIG. 10B, the logical amplitude of the output N 1 of L 1 is smaller than the logical amplitude of the input signal IN. That is, when IN is at a low level (= V SS ), the voltage level of N 1 is V CL1 , and when IN is at a high level (= V CC ), the voltage level of N 1 is V SL1 . Since this is the input to the second-stage inverter L 2 , the resistance value is reduced so that V CC > V CL1 > V CL2 and V SS <V SL1 <V SL2 in order to reduce the subthreshold current of L 2. It is desirable to set. As a result, the subthreshold current also decreases for L 2 by the mechanisms (i) and (ii). When V CL1 = V CL2 and V SL1 = V SL2 , the effect (i) is obtained, but the effect (ii) is not obtained.

〔実施例6〕
図11(a)に示す多段接続の場合も上と同様で、VCC>VCL1>VCL2>……>VCLk、VSS<VSL1<VSL2<……<VSLkとなるようにするのがよい。ただし、図11(b)に示すように、1段ごとに論理振幅が小さくなるので、適宜レベル変換回路を挿入して振幅を回復させる。この例では、k段のインバータの後にレベル変換回路LCを付加して、出力信号OUTの論理振幅が入力信号INと同じになるようにしている。この種のレベル変換回路は、例えばシンポジウム・オン・ブイ・エル・エス・アイ・サーキッツ、ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ、第82頁から第83頁、1992年6月(Symposium on VLSI Circuits, Digest of Technical Papers, pp.82-83, June 1992)に記載されている。
Example 6
In the case of the multi-stage connection shown in FIG. 11 (a), V CC > V CL1 > V CL2 >......> V CLk and V SS <V SL1 <V SL2 <...... <V SLk. It is good to do. However, as shown in FIG. 11 (b), the logic amplitude becomes smaller for each stage, so that the amplitude is restored by inserting a level conversion circuit as appropriate. In this example, a level conversion circuit LC is added after the k-stage inverter so that the logical amplitude of the output signal OUT is the same as that of the input signal IN. This type of level conversion circuit is described in, for example, Symposium on VLSI Circuits, Symposium on VLSI Circuits, Digest of Technical Papers, pages 82-83, June 1992. Digest of Technical Papers, pp.82-83, June 1992).

レベル変換回路LCは高速動作時には不要である。なぜなら、スイッチがすべてオンになっているので、VCL1=VCL2=……=VCLk=VCC、VSL1=VSL2=……=VSLk=VSSであり、論理振幅の減少がないからである。したがって、高速動作時には、スイッチSLCをオンにしてレベル変換回路をバイパスさせることによって、遅延を避けることができる。 The level conversion circuit LC is not necessary at high speed operation. Because all the switches are on, V CL1 = V CL2 = …… = V CLk = V CC , V SL1 = V SL2 = …… = V SLk = V SS , and there is no decrease in logic amplitude Because. Therefore, during high-speed operation, the delay can be avoided by turning on the switch SLC to bypass the level conversion circuit.

〔実施例7〕
図12(a)に多段接続インバータ列の他の例を示す。この例では、スイッチSC、SSと抵抗RC、RSがすべてのインバータL1〜Lkにより共有されており、電圧VCL、VSLはL1〜Lkに共通である。それゆえに、図10の説明で述べたように、前記(i)の機構によるサブスレッショルド電流低減効果は得られるが(ii)による効果は得られない。したがって、サブスレッショルド電流低減効果は前実施例よりも小さくなる。
Example 7
FIG. 12A shows another example of a multistage connected inverter array. In this example, the switches S C and S S and the resistors R C and R S are shared by all the inverters L 1 to L k, and the voltages V CL and V SL are common to L 1 to L k . Therefore, as described in the explanation of FIG. 10, the subthreshold current reduction effect by the mechanism (i) can be obtained, but the effect by (ii) cannot be obtained. Therefore, the subthreshold current reduction effect is smaller than in the previous embodiment.

しかし、その反面スイッチと抵抗のレイアウト面積が節約できるという利点がある。また、図12(b)に示すように、すべての信号(入出力信号を含めて)の電圧レベルが同一であり、前実施例のような論理振幅の減少がないという特長がある。そのため、レベル変換回路は不要であり、また、NAND、NORなどの論理が組みやすいという利点がある。   However, there is an advantage that the layout area of the switch and the resistor can be saved. Further, as shown in FIG. 12B, all the signals (including the input / output signals) have the same voltage level, and there is a feature that there is no decrease in the logic amplitude as in the previous embodiment. Therefore, there is no need for a level conversion circuit, and there is an advantage that logic such as NAND and NOR can be easily assembled.

〔実施例8〕
次に、本発明を一般の組合せ論理回路に適用する場合について述べる。
Example 8
Next, the case where the present invention is applied to a general combinational logic circuit will be described.

例えば、図13に示す組合せ論理回路を考える。これに本発明を適用するには、まず論理ゲートを図13のようにグループ分けする。この例では、15個の論理ゲートL1〜L15が3つのグループG1、G2、G3に分けられている。グループ分けに当たっては、第i番目のグループに含まれる論理ゲートの出力信号は、第(i+1)番目以降のグループの論理ゲートにのみ入力されるようにする。 For example, consider the combinational logic circuit shown in FIG. To apply the present invention to this, first, the logic gates are grouped as shown in FIG. In this example, 15 logic gates L 1 to L 15 are divided into three groups G 1 , G 2 , and G 3 . In grouping, the output signals of the logic gates included in the i-th group are input only to the logic gates of the (i + 1) -th and subsequent groups.

次に、図14に示すように、各グループごとに電源との間にスイッチと抵抗を挿入する。論理ゲートの出力信号の論理振幅は、図11の場合と同様に、1段ごとに小さくなるから、図14に示すようにレベル変換回路群GC1、GC2を挿入して振幅を回復させる。尚、図示されていないが、高速動作時には図11の場合と同様にレベル変換回路群GC1、GC2をパイパスさせてもよい。 Next, as shown in FIG. 14, a switch and a resistor are inserted between each group and the power source. Since the logic amplitude of the output signal of the logic gate becomes smaller for each stage as in the case of FIG. 11, the level conversion circuit groups GC 1 and GC 2 are inserted to restore the amplitude as shown in FIG. Although not shown, the level conversion circuit groups GC 1 and GC 2 may be bypassed at the time of high-speed operation as in the case of FIG.

本実施例の特徴の1つは、同じグループに含まれる論理ゲートは、スイッチと抵抗を共有していることである。図13の例で言えば、グループG1に含まれる3個のインバータは、スイッチSC1、SS1と抵抗RC1、RS1を共有している。 One of the features of this embodiment is that logic gates included in the same group share a resistance with a switch. In the example of FIG. 13, the three inverters included in the group G 1 share the switches S C1 and S S1 and the resistors R C1 and R S1 .

本実施例のもう1つの特徴は、レベル変換回路の前後のグループでスイッチと抵抗を共有していることである。すなわち、グループG1とGk+1はスイッチSC1、SS1および抵抗RC1、RS1を、グループG2とGk+2はスイッチSC2、SS2および抵抗RC2、RS2を、……、グループGkとG2kはスイッチSCk、SSkおよび抵抗RCk、RSkをそれぞれ共有している。 Another feature of this embodiment is that the switch and the resistor are shared by the groups before and after the level conversion circuit. That is, the groups G 1 and G k + 1 have switches S C1 and S S1 and resistors R C1 and R S1 , and the groups G 2 and G k + 2 have switches S C2 and S S2 and resistors R C2 and R S2 . ... Groups G k and G 2k share switches S Ck and S Sk and resistors R Ck and R Sk , respectively.

このように、複数の論理ゲートでスイッチと抵抗を共有することにより、LSI全体として見ればスイッチと抵抗との数を低減でき、レイアウト面積を節約できる。   Thus, by sharing switches and resistors with a plurality of logic gates, the number of switches and resistors can be reduced as a whole LSI, and the layout area can be saved.

〔実施例9〕
図15に本発明の他の実施例を示す。図15の実施例がこれまでの実施例と相違するのは、電圧リミッタ(降圧回路、昇圧回路)VC1、VC2、……、VCk、VS1、VS2、……、VSkを用いていることである。
Example 9
FIG. 15 shows another embodiment of the present invention. The embodiment of FIG. 15 is different from the preceding examples, a voltage limiter (step-down circuit, a boosting circuit) VC 1, VC 2, ...... , VC k, VS 1, VS 2, ......, a VS k It is to use.

低消費電力が要求される時には、スイッチTC1〜TCk、TS1〜TSkを図示の側に切換え、電圧リミッタによって論理ゲート群に電源を供給する。電圧リミッタVC1、VC2、……、VCkは、電源電圧VCC側の降圧回路として動作し、VCCよりも低くほぼ安定化された内部電圧VCL1、VCL2、……、VCLkをそれぞれ発生する。一方、VS1、VS2、……、VSkは、接地VSS側の昇圧回路として動作し、VSSよりも高くほぼ安定化された内部電圧VSL1、VSL2、……、VSLkをそれぞれ発生する。発生する電圧は前述の実施例と同様に、VCC>VCL1>VCL2>……>VCLk、VSS<VSL1<VSL2<……<VSLkとするのがよい。尚、この種の電圧リミッタについては、特開平2−246516号公報に開示されている。 When low power consumption is required, the switches T C1 to T Ck and T S1 to T Sk are switched to the illustrated side, and power is supplied to the logic gate group by the voltage limiter. The voltage limiters VC 1 , VC 2 ,..., VC k operate as a step-down circuit on the power supply voltage V CC side, and are substantially lower than V CC and stabilized by the internal voltages V CL1 , V CL2 ,. Are generated respectively. Meanwhile, VS 1, VS 2, ...... , VS k operates as a boost circuit ground V SS side, the internal voltage V SL1 which is substantially stabilized higher than V SS, V SL2, ......, a V SLk Each occurs. Voltage generated is similar to the previous embodiment, V CC> V CL1> V CL2>......> V CLk, V SS <V SL1 <V SL2 <...... < preferably set to V SLk. This type of voltage limiter is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-246516.

逆に、高速動作が要求される時は、スイッチを図示されているのとは反対側に切換えて、VCC、VSSを直接論理ゲート群に印加して、高速動作を可能にする。尚、この時は電圧リミッタは不要になるので、その動作を停止させてもよい。 Conversely, when high speed operation is required, the switch is switched to the opposite side to that shown in the figure, and V CC and V SS are applied directly to the logic gate group to enable high speed operation. At this time, since the voltage limiter is not necessary, the operation may be stopped.

〔実施例10、11〕
これまでの実施例は、インバータ列や組合せ論理回路といったフィードバックのない回路であったが、本発明はフィードバックのある回路にも適用できる。一例として、図16(a)に示す2個のNANDゲートを組合せたラッチ回路の場合について説明する。
[Examples 10 and 11]
Although the embodiments so far have been circuits without feedback such as inverter trains and combinational logic circuits, the present invention can also be applied to circuits with feedback. As an example, a case of a latch circuit combining two NAND gates shown in FIG. 16A will be described.

図16(b)に回路図を示す。2個のNANDゲートL1、L2と電源Vccおよび接地Vssとの間に、それぞれスイッチSC1、SS1、SC2、SS2および抵抗RC1、RS1、RC2、RS2が挿入されている。VCL1、VCL2がVCCよりも低下し、VSL1、VSL2がVSSよりも上昇し、前記(i)の機構によってサブスレッショルド電流が低減される。 FIG. 16B shows a circuit diagram. Switches S C1 , S S1 , S C2 , S S2 and resistors R C1 , R S1 , R C2 , R S2 are inserted between the two NAND gates L 1 , L 2 and the power source Vcc and the ground Vss, respectively. ing. V CL1 and V CL2 drop below V CC , V SL1 and V SL2 rise above V SS, and the subthreshold current is reduced by the mechanism (i).

図17は、さらにサブスレッショルド電流を低減するために、情報のラッチに用いられる4個のMOSトランジスタMP12、MP22、MN12、MN22のしきい電圧VTを他のMOSトランジスタMP11、MP21、MN11、MN21のしきい電圧より高く(よりエンハンスメントに)した例である。入力信号が印加される他のMOSトランジスタMP11、MP21、MN11、MN21のしきい電圧VTは低いままであるから、高速動作が可能である。この場合、VSS側のスイッチと抵抗は不要である。なぜならば、高しきい電圧のVSS側トランジスタMN12、MN22によって電流を確実に抑止できるからである。 17, in order to further reduce the subthreshold current, four MOS transistors used in the latch information M P12, M P22, M N12 , M threshold voltage V T of the other MOS transistor M P11 of N22, In this example, the threshold voltages of M P21 , M N11 and M N21 are higher (more enhanced). Since the threshold voltages V T of the other MOS transistors M P11 , M P21 , M N11 , and M N21 to which the input signal is applied remain low, high speed operation is possible. In this case, a switch and a resistor on the V SS side are unnecessary. This is because the current can be reliably suppressed by the V SS side transistors M N12 and M N22 having a high threshold voltage.

〔実施例12、13〕
これまでの実施例は、入力信号が低レベルでも高レベルでもサブスレッショルド電流を低減できるものであった。しかし実際のLSIでは、サブスレッショルド電流低減が必要な時間帯、例えば待機状態における特定の信号のレベルは予め判っていることが多い。このような場合は、より簡単な回路でサブスレッショルド電流を低減することができる。
[Examples 12 and 13]
In the embodiments so far, the subthreshold current can be reduced regardless of whether the input signal is at a low level or a high level. However, in an actual LSI, a time zone in which the subthreshold current needs to be reduced, for example, the level of a specific signal in a standby state is often known in advance. In such a case, the subthreshold current can be reduced with a simpler circuit.

図18は、待機状態における入力信号INは低レベル(“L”)であると判っている場合のインバータ列の回路例である。INが低レベルであるから、ノードN1、N3、N5、……は高レベル、N2、N4、N6、……は低レベルになり、PチャネルMOSトランジスタのうちMP2、MP4、……がオフ、NチャネルMOSトランジスタのうちMN1、MN3、……がオフである。スイッチと抵抗は、これらのオフ状態のトランジスタのソースにのみ挿入すれば十分である。サブスレッショルド電流が流れるのはオフ状態のトランジスタだからである。 FIG. 18 is a circuit example of the inverter train when the input signal IN in the standby state is known to be at a low level (“L”). Since IN is at a low level, nodes N 1 , N 3 , N 5 ,... Are at a high level, N 2 , N 4 , N 6 ,. M P4 ,... Are off, and M N1 , M N3,. It is sufficient to insert the switch and resistor only at the source of these off-state transistors. This is because the subthreshold current flows because it is an off-state transistor.

また、図19に示すように、スイッチと抵抗を複数のインバータで共有しても差し支えない。   Further, as shown in FIG. 19, a switch and a resistor may be shared by a plurality of inverters.

これらの実施例は、入力信号のレベルが判っていなければならないという制約はあるが、簡単な回路でサブスレッショルド電流を低減できるという利点がある。図18、19を図11と比較してみれば明らかなように、スイッチと抵抗の数が少なくなり、レベル変換回路が不要になる。   These embodiments have the advantage that the subthreshold current can be reduced with a simple circuit, although there is a restriction that the level of the input signal must be known. As apparent from comparing FIGS. 18 and 19 with FIG. 11, the number of switches and resistors is reduced, and the level conversion circuit is not required.

〔実施例14、15〕
インバータだけでなくNAND、NORなどの論理ゲートでも、待機状態における入力信号のレベルが判っている場合は、より簡単な回路でサブスレッショルド電流を低減することができる。
[Examples 14 and 15]
If not only the inverter but also the logic gates such as NAND and NOR know the level of the input signal in the standby state, the subthreshold current can be reduced with a simpler circuit.

図20は2入力NANDゲート、図21は2入力NORゲートの例である。2つの入力信号IN1とIN2がいずれも低レベル、あるいはいずれも高レベルの場合は、これらのゲートは実質的にインバータと等価であるから、図18、図19で説明した方法が適用できる。問題は、図のように一方の入力が低レベル(“L”)、他方の入力が高レベル(“H”)の場合である。 FIG. 20 shows an example of a 2-input NAND gate, and FIG. 21 shows an example of a 2-input NOR gate. When the two input signals IN 1 and IN 2 are both at a low level or both are at a high level, these gates are substantially equivalent to inverters, and therefore the method described in FIGS. 18 and 19 can be applied. . The problem is when one input is at a low level (“L”) and the other input is at a high level (“H”) as shown in the figure.

図20のNANDゲートの場合は、PチャネルMOSトランジスタMP12とNチャネルMOSトランジスタMN11がオフであるが、出力OUTは高レベルであるから、サブスレッショルド電流が流れるのはMN11である。従って、VSS側にスイッチと抵抗を挿入すればよい。図21のNORゲートの場合は逆に、サブスレッショルド電流が流れるのはPチャネルMOSトランジスタMP14である。従って、VCC側にスイッチと抵抗を挿入すればよい。 In the case of the NAND gate of FIG. 20, the P-channel MOS transistor M P12 and the N-channel MOS transistor M N11 are off, but since the output OUT is at a high level, the subthreshold current flows through M N11 . Therefore, a switch and a resistor may be inserted on the V SS side. On the contrary, in the case of the NOR gate of FIG. 21, it is the P-channel MOS transistor M P14 that the subthreshold current flows. Therefore, a switch and a resistor may be inserted on the V CC side.

図20、図21は本発明を2入力論理ゲートに適用した例であるが、3入力以上の論理ゲートでも同様にできる。また、スイッチと抵抗は、他の論理ゲートと共有してもよいことはもちろんである。   20 and 21 are examples in which the present invention is applied to a two-input logic gate, but the same can be applied to a logic gate having three or more inputs. Of course, the switch and the resistor may be shared with other logic gates.

〔実施例16〕
図22はクロックインバータにおいて、待機状態ではクロックCLK1は低レベル、CLK2は高レベルであると判っている場合の回路例である。この場合は、MOSトランジスタMP16、MN16が共にオフであるから、出力OUTは高インピーダンスになり、その電圧レベルはOUTに接続されている他の回路(図示せず)によって決まる。電圧レベルによってMOSトランジスタMP16、MN16のいずれにサブスレッショルド電流が流れるかが決まるから、この場合は、図のようにスイッチと抵抗をVCC側、VSS側の両方に挿入すればよい。
Example 16
FIG. 22 shows a circuit example of the clock inverter when it is known that the clock CLK 1 is at a low level and CLK 2 is at a high level in a standby state. In this case, since both the MOS transistors M P16 and M N16 are off, the output OUT has a high impedance, and its voltage level is determined by another circuit (not shown) connected to OUT. Since the sub-threshold current flows to which of the MOS transistors M P16 and M N16 depends on the voltage level, in this case, a switch and a resistor may be inserted on both the V CC side and the V SS side as shown in the figure.

〔実施例17〕
一般の組合せ論理回路の場合も、入力信号のレベルが予め判っている場合は、より簡単な回路でサブスレッショルド電流を低減することができる。図13に示した組合せ論理回路を例にとりあげて説明する。
Example 17
Even in the case of a general combinational logic circuit, if the level of the input signal is known in advance, the subthreshold current can be reduced with a simpler circuit. The combinational logic circuit shown in FIG. 13 will be described as an example.

図23は、この回路の入力IN1〜IN6がすべて低レベルと判っている場合の回路構成例である。インバータL1〜L3、L5、L6については、図18、図19と同様に、L1〜L3のVSS側とL5、L6のVCC側にスイッチと抵抗を挿入する。NORゲートL7は、入力信号がいずれも低レベルであるから、実質的にインバータと等価である。従って、VSS側にスイッチと抵抗を挿入すればよい。NORゲートL4は、入力信号の一方が低レベル、他方が高レベルであるから、図21と同様に、VCC側にスイッチと抵抗を挿入する。8個のNANDゲートのうち、L12だけは3つの入力信号がすべて高レベルであり、インバータと等価であるから、VCC側にスイッチと抵抗を挿入する。他のNANDゲートは、入力信号に低レベルのものと高レベルのものが混在するから、図20と同様に、VSS側にスイッチと抵抗を挿入すればよい。 FIG. 23 is a circuit configuration example in the case where all the inputs IN 1 to IN 6 of this circuit are known to be at a low level. As for the inverters L 1 to L 3 , L 5 and L 6 , switches and resistors are inserted on the V SS side of L 1 to L 3 and the V CC side of L 5 and L 6 , as in FIGS. . NOR gate L 7, since both the input signal is low, is equivalent to a substantially inverter. Therefore, a switch and a resistor may be inserted on the V SS side. NOR gate L 4 are, one low-level input signal, since the other is high, as in FIG. 21, to insert a switch and resistor to V CC side. Of the eight NAND gates, only L 12 has all three input signals at a high level and is equivalent to an inverter. Therefore, a switch and a resistor are inserted on the V CC side. Since other NAND gates have both low level and high level input signals, a switch and a resistor may be inserted on the V SS side as in FIG.

以上の説明から明らかなように、出力が高レベルである論理ゲートにはVSS側に、出力が低レベルである論理ゲートにはVCC側に、スイッチと抵抗を挿入すればよい。図23に示すように、これらのスイッチと抵抗を複数の論理ゲートで共有することにより、レイアウト面積を節約できる。 As is clear from the above description, a switch and a resistor may be inserted on the V SS side for a logic gate whose output is high and on the V CC side for a logic gate whose output is low. As shown in FIG. 23, the layout area can be saved by sharing these switches and resistors by a plurality of logic gates.

〔実施例18〕
フィードバックがある回路についても、信号のレベルが予め判っている場合は、より簡単な回路でサブスレッショルド電流を低減することができる。図24は、図16(a)のラッチに適用した例である。
Example 18
Even in a circuit with feedback, if the signal level is known in advance, the subthreshold current can be reduced with a simpler circuit. FIG. 24 shows an example applied to the latch of FIG.

この種のラッチは、待機状態においては普通、入力信号IN1、IN2が共に高レベルであり、出力信号OUT1、OUT2のうちの一方が低レベル、他方が高レベルとなって1ビットの情報を保持している。図24は、OUT1が低レベル、OUT2が高レベルであると判っている場合の回路構成例である。NANDゲートL1は、2つの入力信号が共に高レベルであるから、インバータと等価であり、図18、図19と同様に、VCC側にスイッチと抵抗を挿入する。NANDゲートL2は、入力信号の一方が低レベル、他方が高レベルであるから、図20と同様に、VSS側にスイッチと抵抗を挿入すればよい。これらのスイッチと抵抗は、他の論理ゲートと共有してもよいことはもちろんである。 In this type of latch, the input signals IN 1 and IN 2 are normally at a high level in a standby state, and one of the output signals OUT 1 and OUT 2 is at a low level and the other is at a high level. Information is retained. FIG. 24 shows a circuit configuration example when it is known that OUT 1 is at a low level and OUT 2 is at a high level. The NAND gate L 1 is equivalent to an inverter because the two input signals are both at a high level, and a switch and a resistor are inserted on the V CC side as in FIGS. NAND gate L 2, while the low level of the input signal, since the other is high, as in FIG. 20, may be inserted switch and resistor to V SS side. Of course, these switches and resistors may be shared with other logic gates.

〔実施例19〕
図25は、本発明をメモリLSIなどで周知のデータ出力バッファに適用した例である。待機状態においては、出力エネーブル信号OEが低レベルであり、NANDゲートL21及びL22の出力は高レベル、インバータL23の出力は低レベルである。従って、出力段L24を構成する2個のMOSトランジスタMP20およびMN20は共にオフであり、出力DOUTは高インピーダンスである。
Example 19
FIG. 25 shows an example in which the present invention is applied to a well-known data output buffer such as a memory LSI. In the standby state, the output enable signal OE is the low level, the output is high level NAND gate L 21 and L 22, an output of the inverter L 23 is a low level. Thus, the output stage L 24 2 pieces of MOS transistors M P20 and M N20 constituting a are both off, the output DOUT is high impedance.

論理ゲートL21〜L23については、図23の説明で述べた方針に従って、VSS側もしくはVCC側にスイッチと抵抗を挿入すればよい。出力段L24については、図22のクロックインバータの場合と同様に、スイッチと抵抗をVCC側、VSS側の両方に挿入すればよい。 For logic gates L 21 to L 23 , a switch and a resistor may be inserted on the V SS side or the V CC side in accordance with the policy described in the explanation of FIG. For the output stage L 24 , as in the case of the clock inverter of FIG. 22, a switch and a resistor may be inserted on both the V CC side and the V SS side.

〔実施例20〕
図26は、本発明をメモリLSIなどで周知のデータ入力バッファに適用した例である。図中、SBは待機状態のときに高レベルになる信号である。インバータL31およびL32の出力は、図4および図7に示したように、それぞれφS、φCとしてスイッチの制御に用いることができる。L33はNANDゲートであり、その入力はφSとデータ入力信号DINである。待機状態のときはφSは低レベルであるから、DINの如何にかかわらずL33の出力は高レベル、従ってインバータL34の出力dINの出力は低レベルになる。一方、動作状態のときは、SBが低レベルであるから、dINはDINに追随する。
Example 20
FIG. 26 shows an example in which the present invention is applied to a well-known data input buffer such as a memory LSI. In the figure, SB is a signal that becomes high level in the standby state. The outputs of the inverters L 31 and L 32 can be used for controlling the switches as φ S and φ C , respectively, as shown in FIGS. L 33 is a NAND gate whose inputs are the phi S and the data input signal D IN. Since φ S is at a low level in the standby state, the output of L 33 is at a high level regardless of D IN , and therefore the output at the output d IN of inverter L 34 is at a low level. On the other hand, when the operating state, since SB is low, d IN follows the D IN.

NANDゲートL33とインバータL34については、それぞれVSS側、VCC側にスイッチと抵抗を挿入することにより、サブスレッショルド電流を低減できる。インバータL31とL32についてはこの手法は使えないが、MOSトランジスタのしきい電圧を高くすることにより、サブスレッショルド電流を低減できる。待機状態と動作状態の切り換えにはそれほど高速性は要求されないことが多いから、しきい電圧の高いMOSトランジスタを用いても差し支えない。 For NAND gate L 33 and the inverter L 34 are each V SS side, by inserting a switch and resistor to VCC side, it can be reduced subthreshold current. Although this method cannot be used for the inverters L 31 and L 32 , the subthreshold current can be reduced by increasing the threshold voltage of the MOS transistor. Since switching between the standby state and the operating state is often not required to be very fast, a MOS transistor having a high threshold voltage may be used.

以上、データ入力バッファについて述べたが、アドレス信号その他の信号の入力バッファも同様である。   Although the data input buffer has been described above, the same applies to the input buffer for address signals and other signals.

図18〜25の実施例は、簡単な回路でサブスレッショルド電流を低減できるという利点がある反面、サブスレッショルド電流低減が必要な時間帯、例えば待機状態における信号レベルが判っていなければ適用できないという制約がある。従って、このときには、LSI内のできるだけ多くのノードのレベルが確定するようにすることが望ましい。このための手段としては、図26の入力バッファのような回路を用いることによって、このときの信号dINのレベルを低レベルに確定させることができる。このレベルを確定させる方法としては、この他に、例えば「待機状態のときはデータ入力端子DINは低レベル(または高レベル)にする」という仕様を定めておく方法もある。 Although the embodiments of FIGS. 18 to 25 have the advantage that the subthreshold current can be reduced with a simple circuit, the restriction that the subthreshold current cannot be applied unless the signal level in the standby state, for example, the standby state is known, is known. There is. Therefore, at this time, it is desirable to determine the levels of as many nodes as possible in the LSI. As means for this, by using a circuit such as the input buffer of FIG. 26, the level of the signal d IN at this time can be determined to be low. As another method for determining this level, for example, there is a method of defining a specification that “the data input terminal DIN is set to a low level (or a high level) in a standby state”.

図18〜図26の実施例は、メモリLSIに適用するのに好適である。メモリLSIでは、待機状態の時に高レベルであるか低レベルであるかが判っているノードが比較的多く、さらに図26の入力バッファを用いることによってほとんどのノードのレベルを確定させられるからである。   The embodiment of FIGS. 18 to 26 is suitable for application to a memory LSI. In the memory LSI, there are a relatively large number of nodes that are known to be at a high level or a low level in a standby state, and the levels of most nodes can be determined by using the input buffer of FIG. .

マイクロプロセッサのようなランダムロジックLSIなどにおいては、内部のレジスタの出力を固定したり、リセット機能付きフリップフロップ回路などの論理を追加して、問題となるノードの電圧を強制的に固定することも有効である。図35に、出力を固定できるラッチ回路の構成例を示す。この回路は、通常のラッチ回路中のインバータをNAND回路で置き換えただけの簡単な構成である。図36に示すように、φSが高レベルの間は通常のラッチ回路とし動作し、φSが低レベルの間(スリープモード)は出力信号Qのレベルを高レベルに確定させる。ここで、スリープモードとは、消費電流低減のために、LSI全体もしくは回路ブロック単位の動作を停止させるモードである。なお、スリープモードの間、φtを低レベル,φbを高レベルにしておけば、ラッチ回路自身のサブスレッショルド電流も低減できる。このラッチ回路を用いた場合、φSが低レベルになることによりノードN41が強制的に高レベルになるため、スリープモードによりレジスタの情報が消去される。しかし、CPU中の必要な情報を主記憶へ退避しておき、スリープモード後にリセット状態から再開するような使い方、例えばノートパソコンで入力が一定時間無いときに待機状態にするレジューム機能などでは問題ない。図37は出力を強制的に固定できるラッチ回路の別な構成例である。図38に示すように、この回路も、φSが高レベルの間は通常のラッチ回路とし動作し、φSが低レベルの間は出力信号Qのレベルを高レベルに確定させる。このラッチ回路は、φSが低レベルになってもノードN41に影響しないため、スリープモードの間も情報を保持できる。スリープモード解除後にスリープモード前の状態からそのまま再開でき、CPUがタスクを実行している間でもスリープモードにできる。そのため、スリープモードから比較的短時間で復帰するような場合に好適である。 In a random logic LSI such as a microprocessor, the output of the internal register can be fixed, or logic such as a flip-flop circuit with a reset function can be added to forcibly fix the voltage at the problem node. It is valid. FIG. 35 shows a configuration example of a latch circuit that can fix the output. This circuit has a simple configuration in which an inverter in a normal latch circuit is simply replaced with a NAND circuit. As shown in FIG. 36, during phi S is high normal to operate the latch circuit, phi S is between low level (sleep mode) to determine the level of the output signal Q to the high level. Here, the sleep mode is a mode in which the entire LSI or circuit block unit operation is stopped in order to reduce current consumption. Note that if φt is set to a low level and φb is set to a high level during the sleep mode, the subthreshold current of the latch circuit itself can also be reduced. When this latch circuit is used, the node N 41 is forced to be high when φ S is low, so that the register information is erased in the sleep mode. However, there is no problem in the usage method that saves necessary information in the CPU to the main memory and resumes from the reset state after the sleep mode, for example, the resume function in the standby state when there is no input for a certain time on the notebook personal computer. . FIG. 37 shows another configuration example of a latch circuit capable of forcibly fixing the output. As shown in FIG. 38, this circuit also, during phi S is high normal to operate the latch circuit, phi S is between low levels to determine the level of the output signal Q to the high level. Since this latch circuit does not affect the node N 41 even when φ S goes low, information can be held even during the sleep mode. After the sleep mode is canceled, the state before the sleep mode can be resumed as it is, and the sleep mode can be set even while the CPU is executing the task. Therefore, it is suitable for the case of returning from the sleep mode in a relatively short time.

図25、26の実施例は、LSIチップの外部端子に対する入出力回路としてだけでなく、例えばマイクロプロセッサの内部バスに対するドライバ/レシーバとしても用いることができる。   25 and 26 can be used not only as an input / output circuit for an external terminal of an LSI chip but also as a driver / receiver for an internal bus of a microprocessor, for example.

〔実施例21〕
これまでは本発明をCMOS回路に適用した実施例について述べてきたが、本発明は、単一極性のMOSトランジスタで構成された回路にも適用できる。図27にNチャネルMOSトランジスタのみで構成された回路の例を示す。図中、PCはプリチャージ信号、IN1、IN2は入力信号である。
Example 21
So far, the embodiment in which the present invention is applied to a CMOS circuit has been described. However, the present invention can also be applied to a circuit composed of a single polarity MOS transistor. FIG. 27 shows an example of a circuit composed of only N-channel MOS transistors. In the figure, PC is a precharge signal, and IN 1 and IN 2 are input signals.

待機時、すなわちプリチャージ状態では、PCが高レベル、IN1とIN2は低レベルであり、出力OUTは高レベル(=VCC−VT)にプリチャージされている。動作時には、PCが低レベルになった後、IN1とIN2は高レベルになるかあるいは低レベルにとどまる。IN1とIN2のうち少なくとも一方が高レベルになれば、OUTは低レベルになり、両方共低レベルにとどまれば、OUTは高レベルのままである。すなわち、この回路はIN1とIN2のNORを出力する回路である。 In the standby state, that is, in the precharge state, PC is at a high level, IN 1 and IN 2 are at a low level, and the output OUT is precharged to a high level (= V CC −V T ). In operation, after PC goes low, IN 1 and IN 2 go high or remain low. If at least one of IN 1 and IN 2 goes high, OUT goes low, and if both stay low, OUT stays high. In other words, this circuit outputs the NOR of IN 1 and IN 2 .

この回路では、待機時にオフになっているトランジスタは、VSS側のMN41N42であり、これらのトランジスタにサブスレッショルド電流が流れる。従って、この回路に本発明を適用するには、図に示すように、VSS側にスイッチと抵抗を挿入すればよい。VCC側には不要である。 In this circuit, the transistors that are turned off during standby are M N41 and N42 on the V SS side, and a subthreshold current flows through these transistors. Therefore, in order to apply the present invention to this circuit, a switch and a resistor may be inserted on the V SS side as shown in the figure. It is not necessary on the V CC side.

尚、ランダムロジックLSIのように複雑な動作をするLSI等においては、例えば待機状態でのチップ内部の各ノードの論理(電圧)状態をデザインオートメーション(DA)の手法を用いて求め、その結果に応じて、DAで上述したスイッチと抵抗を挿入する位置を自動的に決めることができる。   In an LSI or the like that performs a complex operation such as a random logic LSI, for example, the logic (voltage) state of each node in the chip in the standby state is obtained using a design automation (DA) method, and the result is obtained. In response, the position where the switch and the resistor described above are inserted by DA can be automatically determined.

以上説明したように、本発明は、MOSトランジスタ回路およびそれで構成された半導体集積回路の低消費電力化にきわめて有効である。半導体集積回路の低消費電力化に対する要求は、最近特に強く、例えば日経エレクトロニクス1991年9月2日号、第106頁から第111頁には、低電力バックアップモードを有するマイクロプロセッサシステムについて記載されている。バックアップモードでは、クロックを停止させたり、不要な部分への電源の供給を停止したりして、低消費電力化を図っている。しかし、サブスレッショルド電流の低減についてまでは考慮されていない。これらのプロセッサシステムは3.3〜5Vで動作するために、十分に高いしきい電圧のトランジスタが使えるので、サブスレッショルド電流は問題にならないほど小さい。しかし、将来動作電圧が2Vあるいは1.5Vと低くなり、しきい電圧も低くせざるを得なくなると、従来のCMOS回路を使うやり方ではもはや過大なサブスレッショルド電流は低減できなくなる。本発明を、例えばレジューム用回路(バックアップモードでも電源が供給されている)に適用すれば、さらに低消費電力化が実現できる。   As described above, the present invention is extremely effective for reducing the power consumption of a MOS transistor circuit and a semiconductor integrated circuit composed thereof. The demand for lower power consumption of semiconductor integrated circuits is particularly strong recently. For example, Nikkei Electronics, September 2, 1991, pages 106 to 111, describes a microprocessor system having a low power backup mode. Yes. In the backup mode, the power consumption is reduced by stopping the clock or stopping the supply of power to unnecessary portions. However, the reduction of the subthreshold current is not taken into consideration. Since these processor systems operate at 3.3-5V, transistors with a sufficiently high threshold voltage can be used, so the subthreshold current is small enough not to be a problem. However, if the operating voltage is lowered to 2V or 1.5V in the future and the threshold voltage has to be lowered, the excessive subthreshold current can no longer be reduced by the method using the conventional CMOS circuit. For example, if the present invention is applied to a resume circuit (power is supplied even in the backup mode), further reduction in power consumption can be realized.

以上の例では、論理振幅が段数の増加とともに低下したり、入力信号の電圧レベルが予め判っていない場合にはやや複雑な設計が必要であるといった問題がある。図28は、これらを解決するもので、論理出力が確定するまでの所要時間帯は、これまで述べてきたようにスイッチをオンにして、通常の高速動作をさせる。それ以外の時間帯では、スイッチをオフにすることによって、論理回路(図はCMOSインバータの例)のサブスレッショルド電流経路を遮断するものである。ただし、スイッチがオフになると電源電圧の供給路が断たれるため、論理回路の出力はフローティングとなり、論理出力は確定しなくなる。そこで、その出力に、電圧レベルを保持する一種のラッチ回路(レベルホールド回路)を設けていることが特長である。レベルホールド回路にしきい電圧の高いトランジスタなどを使えば、レベルホールド回路のサブスレッショルド電流は無視できるほど小さくなり、全体としてはサブスレッショルド電流は小さくできる。遅延時間は、レベルホールド回路の影響は小さく、論理回路により定まる。論理回路に駆動能力の大きい高速な回路を用いても、待機状態では論理回路を通じて電流が流れないため、消費電流はレベルホールド回路を通じて流れる電流だけである。レベルホールド回路は、出力を保持するだけなので駆動能力が小さくて良く、消費電流は小さくできる。スイッチをオフにしても、レベルホールド回路により論理回路の出力が保持されるので、出力が反転する恐れが無く、安定に動作する。したがって、低消費電力で高速に安定動作を行う半導体装置を実現できる。本発明によれば、電圧レベルが常にレベルホールド回路で一定値に保証されるので、論理段数の増加とともに論理振幅が低下することはない。また、論理入力によらず効力を発揮する。   In the above example, there is a problem that the logic amplitude decreases with an increase in the number of stages, or a slightly complicated design is required when the voltage level of the input signal is not known in advance. FIG. 28 solves these problems. In the time zone required until the logic output is determined, the switch is turned on as described above to perform normal high-speed operation. In other time periods, the subthreshold current path of the logic circuit (shown as an example of a CMOS inverter) is cut off by turning off the switch. However, when the switch is turned off, the supply path for the power supply voltage is cut off, so that the output of the logic circuit becomes floating and the logic output is not fixed. Therefore, the output is provided with a kind of latch circuit (level hold circuit) that holds the voltage level. If a transistor having a high threshold voltage is used for the level hold circuit, the subthreshold current of the level hold circuit becomes so small that it can be ignored, and the subthreshold current can be reduced as a whole. The delay time is less influenced by the level hold circuit and is determined by the logic circuit. Even if a high-speed circuit having a large driving capability is used for the logic circuit, no current flows through the logic circuit in the standby state, so the current consumption is only the current flowing through the level hold circuit. Since the level hold circuit only holds the output, the drive capability may be small and the current consumption can be reduced. Even when the switch is turned off, the output of the logic circuit is held by the level hold circuit, so that there is no fear of the output being inverted and the operation is stable. Therefore, it is possible to realize a semiconductor device that operates stably at high speed with low power consumption. According to the present invention, the voltage level is always guaranteed to a constant value by the level hold circuit, so that the logic amplitude does not decrease as the number of logic stages increases. It is effective regardless of logical input.

図28を用いてさらに本実施例を説明する。論理回路LCが、スイッチSWH及びSWLを介して、高電位の電源線VHH及び低電位の電源線VLLに接続される。ここでVHHならびにVLLは、これまで述べてきたVCC、VSSにそれぞれ対応させることもできる。論理回路LCの出力端子OUTには、レベルホールド回路LHが接続される。スイッチSWHとSWLは、制御パルスCKで制御され、同時にオン,オフする。論理回路LCは、インバータ、NAND回路、NOR回路などの論理ゲートやフリップフロップ回路、あるいはそれら複数個の組合せで構成される。レベルホールド回路LHは、正帰還回路により構成できる。 This embodiment will be further described with reference to FIG. The logic circuit LC is connected to the high-potential power line VHH and the low-potential power line VLL via the switches SWH and SWL. Here, VHH and VLL can also correspond to V CC and V SS described above , respectively. A level hold circuit LH is connected to the output terminal OUT of the logic circuit LC. The switches SWH and SWL are controlled by a control pulse CK and are turned on and off at the same time. The logic circuit LC is composed of logic gates such as inverters, NAND circuits, and NOR circuits, flip-flop circuits, or combinations thereof. The level hold circuit LH can be configured by a positive feedback circuit.

論理回路LCの動作は、スイッチSWH及びSWLをオンにして行う。論理回路LCの入力INに応じた出力OUTが確定した後、スイッチSWH及びSWLをオフにして、論理回路LCを介したVHHからVSSへの電流経路を遮断し、論理回路LCの出力をレベルホールド回路LHにより保持する。   The operation of the logic circuit LC is performed with the switches SWH and SWL turned on. After the output OUT corresponding to the input IN of the logic circuit LC is determined, the switches SWH and SWL are turned off, the current path from VHH to VSS via the logic circuit LC is cut off, and the output of the logic circuit LC is level-held. It is held by the circuit LH.

回路の遅延時間には、レベルホールド回路LHの影響は小さく、論理回路LCにより定まる。論理回路LCに駆動能力の大きい回路を用いて遅延時間の短い高速な動作を行うことができる。例えば待機状態では論理回路LCを通じて電流が流れないため、消費電流はレベルホールド回路LHを通じて流れる電流だけである。レベルホールド回路LHは、駆動能力が小さくて良いので、消費電流は小さくできる。しかも、レベルホールド回路LHにより論理回路LCの出力OUTが維持されるため、誤動作の恐れがない。したがって、低消費電力で高速に安定動作を行う回路を実現できる。   The circuit delay time is less affected by the level hold circuit LH and is determined by the logic circuit LC. A high-speed operation with a short delay time can be performed by using a circuit having a large driving capability for the logic circuit LC. For example, since no current flows through the logic circuit LC in the standby state, the consumption current is only the current flowing through the level hold circuit LH. Since the level hold circuit LH may have a small driving capability, the current consumption can be reduced. In addition, since the output OUT of the logic circuit LC is maintained by the level hold circuit LH, there is no risk of malfunction. Therefore, a circuit that operates stably at high speed with low power consumption can be realized.

本発明をCMOSインバータに適用した実施例を、図29に示す。NMOSトランジスタMN1,PMOSトランジスタMP1が、それぞれ図28でのスイッチSWL,SWHとして動作する。オフにしたときのリーク電流を小さくするため、トランジスタMN1,MP1のしきい値電圧は十分大きくする。オン抵抗が大きくならないようにチャネル幅/チャネル長を定める。NMOSトランジスタMN1のゲートには制御パルスCKが、PMOSトランジスタMP1のゲートには制御パルスCKBが入力される。CKBはCKの相補信号である。NMOSトランジスタMN2とPMOSトランジスタMP2からなるCMOSインバータINVを、MN1,MP1に接続する。低電圧動作で駆動能力を大きくするため、トランジスタMN2,MP2のしきい値電圧は小さくする。インバータINVの出力端子OUTには、NMOSトランジスタMN3,MN4とPMOSトランジスタMP3,MP4からなるレベルホールド回路LHが接続される。出力を保持している間の貫通電流を小さくするため、トランジスタMN3,MN4,MP3,MP4のしきい値電圧を十分大きくし、チャネル幅/チャネル長を十分小さくする。電源電圧としきい値電圧の数値例を挙げる。VLLを接地電位0Vとし、VHHを外部電源電圧1Vとする。NMOSトランジスタのしきい値電圧は、MN2は0.2V,MN1とMN3及びMN4は0.4Vとする。PMOSトランジスタのしきい値電圧は、MP2は−0.2V,MP1とMP3及びMP4は−0.4Vとする。   An embodiment in which the present invention is applied to a CMOS inverter is shown in FIG. The NMOS transistor MN1 and the PMOS transistor MP1 operate as the switches SWL and SWH in FIG. In order to reduce the leakage current when the transistor is turned off, the threshold voltages of the transistors MN1 and MP1 are sufficiently increased. The channel width / channel length is determined so as not to increase the on-resistance. A control pulse CK is input to the gate of the NMOS transistor MN1, and a control pulse CKB is input to the gate of the PMOS transistor MP1. CKB is a complementary signal of CK. A CMOS inverter INV composed of an NMOS transistor MN2 and a PMOS transistor MP2 is connected to MN1 and MP1. In order to increase the driving capability in the low voltage operation, the threshold voltages of the transistors MN2 and MP2 are decreased. A level hold circuit LH including NMOS transistors MN3 and MN4 and PMOS transistors MP3 and MP4 is connected to the output terminal OUT of the inverter INV. In order to reduce the through current while maintaining the output, the threshold voltages of the transistors MN3, MN4, MP3, and MP4 are sufficiently increased, and the channel width / channel length is sufficiently decreased. Take numerical examples of power supply voltage and threshold voltage. VLL is set to ground potential 0V, and VHH is set to external power supply voltage 1V. The threshold voltage of the NMOS transistor is 0.2V for MN2, and 0.4V for MN1, MN3, and MN4. The threshold voltage of the PMOS transistor is -0.2V for MP2, and -0.4V for MP1, MP3 and MP4.

図30に示すタイミング図を用いて、動作を説明する。まず、制御パルスCKをVHHに上げ、CKBをVLLに下げて、トランジスタMN1,MP1をオンにして、インバータINVをVHH,VLLに接続する。入力信号INがVLLからVHHに上がることにより、MP2がオフにMN2がオンになり、出力OUTがVHHからVLLに放電される。トランジスタMN2は飽和領域で導通を始め、MN2を流れる電流値はゲート(入力端子IN)−ソース(ノードNL)間の電圧で定まる。トランジスタMN1がノードNLとVLLとの間に設けられているので、MN1のオン抵抗とMN2から流れる電流によりノードNLの電位が一時的に上昇する。しかし、MN1のゲートはVHHとなっているので、しきい値電圧が大きくても、オン抵抗が十分小さくなるように設計することができ、遅延時間に対する影響を小さくできる。また、出力OUTがVLLに反転するとき、レベルホールド回路LHは出力OUTをVHHに保つように、MN4がオフにMP4がオンになっている。そのため、MN2がオンになることによりVHHからMP4,MN2を通じてVLLに貫通電流が流れるが、MN2に比べてMP4の駆動能力を小さく設計することにより、遅延時間や消費電流に対する影響は小さい。出力OUTが下がることにより、MN3がオフにMP3がオンになり、レベルホールド回路内のノードNLHがVLLからVHHに反転し、MN4がオンにMP4がオフになって、レベルホールド回路LHは出力OUTをVLLに保つように動作し、貫通電流は流れなくなる。MP2はゲート,ソースが共にVHHなのでオフであるが、しきい値電圧が小さいため、リーク電流が大きく貫通電流がインバータINVを通じて流れる。そして、制御パルスCKをVLLに下げ、CKBをVHHに上げて、トランジスタMN1,MP1をオフにして、インバータINVをVHH,VLLから分離する。このとき、MN1,MP1はゲート,ソースが等電位で、しきい値電圧が大きいため完全にオフになる。レベルホールド回路LHの正帰還により、出力OUTはVHHに保たれる。このとき、NMOSトランジスタMN2がオンなので、ノードNLはVLLに保たれる。一方、ノードNHから出力端子OUTへのPMOSトランジスタMP2のリーク電流のため、ノードNHの電圧は低下し始める。そして、MP2はゲート電位よりもソース電位が下がり完全にオフとなる。その結果、待機状態でインバータINVの貫通電流は流れない。そして、入力信号INが変化する前に、制御パルスCKをVHHに上げ、CKBをVLLに下げて、トランジスタMN1,MP1をオンにして、ノードNHをVHHにする。入力INがVHHからVLLに反転することにより、出力OUTがVLLからVHHに反転する。   The operation will be described with reference to the timing chart shown in FIG. First, the control pulse CK is raised to VHH, CKB is lowered to VLL, the transistors MN1 and MP1 are turned on, and the inverter INV is connected to VHH and VLL. When the input signal IN rises from VLL to VHH, MP2 is turned off and MN2 is turned on, and the output OUT is discharged from VHH to VLL. The transistor MN2 starts to conduct in the saturation region, and a current value flowing through the MN2 is determined by a voltage between the gate (input terminal IN) and the source (node NL). Since the transistor MN1 is provided between the nodes NL and VLL, the potential of the node NL temporarily rises due to the ON resistance of the MN1 and the current flowing from the MN2. However, since the gate of MN1 is VHH, the on-resistance can be designed to be sufficiently small even if the threshold voltage is large, and the influence on the delay time can be reduced. Further, when the output OUT is inverted to VLL, the level hold circuit LH has the MN4 turned off and the MP4 turned on so as to keep the output OUT at VHH. Therefore, when MN2 is turned on, a through current flows from VHH to VLL through MP4 and MN2, but the influence on delay time and current consumption is small by designing the driving capacity of MP4 smaller than that of MN2. When the output OUT decreases, MN3 turns off and MP3 turns on, the node NLH in the level hold circuit is inverted from VLL to VHH, MN4 turns on and MP4 turns off, and the level hold circuit LH outputs the output OUT Is kept at VLL, and no through current flows. MP2 is off because the gate and source are both VHH, but the threshold voltage is small, so that the leakage current is large and the through current flows through the inverter INV. Then, the control pulse CK is lowered to VLL, CKB is raised to VHH, the transistors MN1 and MP1 are turned off, and the inverter INV is separated from VHH and VLL. At this time, MN1 and MP1 are completely turned off because their gates and sources are equipotential and the threshold voltage is large. The output OUT is kept at VHH by the positive feedback of the level hold circuit LH. At this time, since the NMOS transistor MN2 is on, the node NL is kept at VLL. On the other hand, the voltage at the node NH starts to decrease due to the leakage current of the PMOS transistor MP2 from the node NH to the output terminal OUT. Then, MP2 is completely turned off because the source potential is lower than the gate potential. As a result, the through current of the inverter INV does not flow in the standby state. Then, before the input signal IN changes, the control pulse CK is raised to VHH, CKB is lowered to VLL, the transistors MN1 and MP1 are turned on, and the node NH is set to VHH. When the input IN is inverted from VHH to VLL, the output OUT is inverted from VLL to VHH.

インバータINVとレベルホールド回路LHを通じて貫通電流が流れる期間が短くなるように、レベルホールド回路LHが出力OUTにすばやく追従するのが望ましい。そのため、インバータINVとレベルホールド回路LHは近接して配置し、配線遅延を小さくする。   It is desirable that the level hold circuit LH quickly follows the output OUT so that the period during which the through current flows through the inverter INV and the level hold circuit LH is shortened. Therefore, the inverter INV and the level hold circuit LH are arranged close to each other to reduce the wiring delay.

本実施例から明らかなように、スイッチとして用いるMOSトランジスタのしきい値電圧を、従来サブスレッショルド電流を小さくするために必要とされている0.4V程度以上にすれば、待機状態の貫通電流を増加させずに、論理回路中のMOSトランジスタのしきい値電圧を小さくすることができる。動作電圧を1V以下に低電圧化しても、MOSトランジスタのしきい値電圧を0.25V以下にして駆動能力を確保できる。したがって、低電圧化による低消費電力化が実現できる。また、従来のスケーリング則に基づき、素子のスケーリングによる性能向上が実現できる。しかも、スイッチとレベルホールド回路を負荷すること以外は、従来のCMOS論理回路と同じ構成であるので、従来と同じ設計手法を用いることができる。   As is clear from the present embodiment, when the threshold voltage of the MOS transistor used as a switch is set to about 0.4 V or more which has been conventionally required for reducing the subthreshold current, the through current in the standby state can be reduced. Without increasing, the threshold voltage of the MOS transistor in the logic circuit can be reduced. Even if the operating voltage is lowered to 1V or lower, the threshold voltage of the MOS transistor can be reduced to 0.25V or lower to ensure driving capability. Therefore, low power consumption can be realized by reducing the voltage. Moreover, based on the conventional scaling law, the performance improvement by scaling of an element is realizable. Moreover, since the configuration is the same as that of the conventional CMOS logic circuit except that the switch and the level hold circuit are loaded, the same design method as the conventional one can be used.

図31は、本発明をCMOSインバータチェーンに適用した実施例を示している。図29に示した1段のインバータにスイッチ2個とレベルホールド回路も設けた構成を多段接続すればインバータチェーンが実現できるが、本実施例はスイッチやレベルホールド回路を複数のインバータで共有して、素子数及び面積を小さくした例である。ここでは4段のインバータチェーンの場合を例にとるが、他の段数の場合も同様に構成される。4個のインバータINV1,INV2,INV3,INV4が直列接続される。最終段のインバータINV4の出力端子OUTにレベルホールド回路LHが接続される。各インバータは、図29中のINVと同様にPMOSトランジスタとNMOSトランジスタ1個ずつで構成される。各インバータのトランジスタサイズは、同じであっても異なっていても良い。ドライバとしてよく用いられるように、チャネル長を同じにして、一定の段間でチャネル幅をINV1,INV2,INV3,INV4の順に大きくしていくこともできる。各インバータのPMOSトランジスタのソースはノードNHに、NMOSトランジスタのソースはノードNLに接続される。ノードNLと低レベルの電源VLLとの間にスイッチSWLが、ノードNHと高レベルの電源VHHとの間にスイッチSWHが設けられる。スイッチSWLとSWHは制御パルスCKにより制御され、同時にオン,オフする。図29に示したように、スイッチSWLはNMOSトランジスタで、SWHはCKの相補信号をゲートに入力したPMOSトランジスタで実現される。   FIG. 31 shows an embodiment in which the present invention is applied to a CMOS inverter chain. If a single stage inverter shown in FIG. 29 with two switches and a level hold circuit is connected in multiple stages, an inverter chain can be realized. In this embodiment, the switch and level hold circuit are shared by a plurality of inverters. This is an example in which the number of elements and the area are reduced. Here, the case of a four-stage inverter chain is taken as an example, but the configuration is the same for other stages. Four inverters INV1, INV2, INV3, INV4 are connected in series. The level hold circuit LH is connected to the output terminal OUT of the final stage inverter INV4. Each inverter is composed of one PMOS transistor and one NMOS transistor as in the case of INV in FIG. The transistor size of each inverter may be the same or different. As is often used as a driver, the channel length can be increased in the order of INV1, INV2, INV3, and INV4 between fixed stages with the same channel length. The source of the PMOS transistor of each inverter is connected to the node NH, and the source of the NMOS transistor is connected to the node NL. A switch SWL is provided between the node NL and the low-level power supply VLL, and a switch SWH is provided between the node NH and the high-level power supply VHH. The switches SWL and SWH are controlled by a control pulse CK and are turned on and off at the same time. As shown in FIG. 29, the switch SWL is realized by an NMOS transistor, and SWH is realized by a PMOS transistor in which a complementary signal of CK is inputted to the gate.

インバータチェーンの動作は、スイッチSWL,SWHをオンにして行う。例えば、入力INが低レベルVLLから高レベルVHHに反転すると、インバータINV1によりノードN1がVHHからVLLに反転し、INV2によりノードN2がVLLからVHHに反転し、INV3によりノードN3がVHHからVLLに反転し、INV4により出力端子OUTがVLLからVHHに反転する。OUTがVHHに確定すると、レベルホールド回路LHはOUTをVHHに保つように動作する。待機状態では、スイッチSWL,SWHをオフにすることにより、インバータを介したVHHからVLLへの電流経路を遮断する。   The operation of the inverter chain is performed with the switches SWL and SWH turned on. For example, when the input IN is inverted from the low level VLL to the high level VHH, the inverter INV1 inverts the node N1 from VHH to VLL, INV2 inverts the node N2 from VLL to VHH, and INV3 inverts the node N3 from VHH to VLL. The output terminal OUT is inverted from VLL to VHH by INV4. When OUT is fixed at VHH, the level hold circuit LH operates to keep OUT at VHH. In the standby state, by turning off the switches SWL and SWH, the current path from VHH to VLL via the inverter is interrupted.

インバータチェーンに本発明を適用する場合、本実施例の様にインバータチェーンをまとめて一つの論理回路として取扱うことにより、その出力端子にのみレベルホールド回路を設ければ良い。また、スイッチSWL,SWHを複数のインバータで共有できる。スイッチSWL、SWHの大きさは、流れるピーク電流の大きさで決定される。複数個のインバータを流れる電流和のピークは、各インバータのピーク電流での和よりも小さくなる。例えば、段間比を3としてインバータチェーンを構成する場合、電流和のピークは最終段のピーク電流にほぼ同じになる。したがって、複数のインバータでスイッチを共有する方が、インバータごとにスイッチを設ける場合に比べて、スイッチの面積が小さくて済む。   When the present invention is applied to an inverter chain, it is only necessary to provide a level hold circuit only at its output terminal by treating the inverter chain as a single logic circuit as in this embodiment. Further, the switches SWL and SWH can be shared by a plurality of inverters. The magnitudes of the switches SWL and SWH are determined by the magnitude of the flowing peak current. The peak of the current sum flowing through the plurality of inverters is smaller than the sum of the peak currents of the inverters. For example, when an inverter chain is configured with an interstage ratio of 3, the peak of the current sum is substantially the same as the peak current of the final stage. Therefore, sharing the switch among a plurality of inverters requires a smaller switch area than when providing a switch for each inverter.

図32は、本発明をインバータチェーンに適用した別の実施例を示している。図31と同様に4段のインバータチェーンの場合を例にとるが、他の段数の場合も同様に構成される。4個のインバータINV1,INV2,INV3,INV4が直列接続される。インバータINV3の出力端子でINV4の入力端子であるノードN3とINV4の出力端子OUTに、それぞれレベルホールド回路LH3,LH4が接続される。各インバータは、図29中のINVと同様にPMOSトランジスタとNMOSトランジスタ1個ずつで構成される。奇数番目のインバータINV1,INV3はノードNL1及びNH1に、偶数番目のインバータINV2,INV4はノードNL2及びNH2に接続される。ノードNL1,NL2と低レベルの電源VLLとの間にそれぞれスイッチSWL1,SWL2が、ノードNH1,NH2と高レベルの電源VHHとの間にそれぞれスイッチSWH1,SWH2が設けられる。スイッチSWL1,SWL2とSWH1,SWH2は制御パルスCKにより制御され、同時にオン,オフする。   FIG. 32 shows another embodiment in which the present invention is applied to an inverter chain. The case of a four-stage inverter chain is taken as an example in the same manner as in FIG. Four inverters INV1, INV2, INV3, INV4 are connected in series. Level hold circuits LH3 and LH4 are connected to an output terminal of the inverter INV3 and a node N3 which is an input terminal of INV4 and an output terminal OUT of INV4, respectively. Each inverter is composed of one PMOS transistor and one NMOS transistor as in the case of INV in FIG. The odd-numbered inverters INV1 and INV3 are connected to the nodes NL1 and NH1, and the even-numbered inverters INV2 and INV4 are connected to the nodes NL2 and NH2. Switches SWL1 and SWL2 are respectively provided between the nodes NL1 and NL2 and the low-level power supply VLL, and switches SWH1 and SWH2 are respectively provided between the nodes NH1 and NH2 and the high-level power supply VHH. The switches SWL1, SWL2 and SWH1, SWH2 are controlled by a control pulse CK and are turned on and off at the same time.

インバータの動作は、スイッチSWL1,SWL2,SWH1,SWH2をオンにして行う。例えば、入力INが低レベルVLLから高レベルVHHに反転すると、ノードN1がVHHからVLLに、ノードN2がVLLからVHHに、ノードN3がVHHからVLLに、INV4により出力端子OUTがVLLからVHHに順次反転する。N3がVLLに確定すると、レベルホールド回路LH1はN3をVLLに保つように動作する。また、OUTがVHHに確定すると、レベルホールド回路LHはOUTをVHHに保つように動作する。たとえば待機状態では、スイッチSWL1,SWL2,SWH1,SWH2をオフにすることにより、インバータを介したVHHからVLLへの電流経路を遮断する。このとき、ノードN3がレベルホールド回路LH3により低レベルVLLに保たれるため、ノードNL1もインバータINV3を通じてVLLに保たれる。さらに、インバータINV1を通じてノードN1がVLLに保たれる。同様に、出力端子OUTがレベルホールド回路LH4により高レベルVHHに保たれることにより、ノードNH2及びN2もVHHに保たれる。したがって、インバータ間を接続するノードがVHHとVLLのいずれかに保たれる。   The operation of the inverter is performed with the switches SWL1, SWL2, SWH1, and SWH2 turned on. For example, when the input IN is inverted from the low level VLL to the high level VHH, the node N1 is changed from VHH to VLL, the node N2 is changed from VLL to VHH, the node N3 is changed from VHH to VLL, and the output terminal OUT is changed from VLL to VHH by INV4. Invert sequentially. When N3 is fixed at VLL, the level hold circuit LH1 operates to keep N3 at VLL. When OUT is fixed at VHH, the level hold circuit LH operates to keep OUT at VHH. For example, in the standby state, by turning off the switches SWL1, SWL2, SWH1, and SWH2, the current path from VHH to VLL via the inverter is interrupted. At this time, since the node N3 is held at the low level VLL by the level hold circuit LH3, the node NL1 is also held at VLL through the inverter INV3. Further, the node N1 is kept at VLL through the inverter INV1. Similarly, when the output terminal OUT is held at the high level VHH by the level hold circuit LH4, the nodes NH2 and N2 are also held at VHH. Therefore, the node connecting the inverters is kept at either VHH or VLL.

以上のように、スイッチを2組設け、奇数番目のインバータと偶数番目のインバータとを違うスイッチに接続し、奇数番目のインバータのいずれかの出力端子と偶数番目のインバータのいずれかの出力端子とに、それぞれレベルホールド回路を接続することにより、インバータ間のノードN1,N2,N3が全て高レベルと低レベルのいずれかに保たれる。待機状態が長く続いてもインバータの入力が中間レベルとならないため安定に動作し、スイッチをオンにしたときに情報が反転したり貫通電流が流れたりする恐れがない。   As described above, two sets of switches are provided, the odd-numbered inverters and the even-numbered inverters are connected to different switches, and either one of the output terminals of the odd-numbered inverters and one of the output terminals of the even-numbered inverters Further, by connecting the level hold circuits respectively, the nodes N1, N2, and N3 between the inverters are all kept at either the high level or the low level. Even if the standby state continues for a long time, the input of the inverter does not become an intermediate level, so that the inverter operates stably, and there is no possibility that information is inverted or a through current flows when the switch is turned on.

以上本発明を、CMOSインバータやインバータチェーンに適用した実施例を示しながら説明してきたが、論理回路にスイッチとレベルホールド回路を負荷して低消費電力で高速に安定動作を行うという本発明の趣旨を逸脱しないかぎり、これまでに述べた実施例に限定されるものではない。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments in which the present invention is applied to a CMOS inverter and an inverter chain, the purpose of the present invention is to perform stable operation at high speed with low power consumption by loading a switch and a level hold circuit in a logic circuit. Unless it deviates from, it is not limited to the Example described so far.

例えば、本発明をCMOSインバータに適用した別の実施例を図33に示す。図29に示した実施例では、スイッチとして動作するトランジスタMN1,MP2をCMOSインバータINVと電源VLL,VHHとの間に設けている。それに対して、本実施例ではNMOSトランジスタとPMOSトランジスタとの間に設ける。   For example, another embodiment in which the present invention is applied to a CMOS inverter is shown in FIG. In the embodiment shown in FIG. 29, transistors MN1 and MP2 operating as switches are provided between the CMOS inverter INV and the power supplies VLL and VHH. In contrast, in this embodiment, it is provided between the NMOS transistor and the PMOS transistor.

2個のNMOSトランジスタMN2,MN1と2個のPMOSトランジスタMP1,MP2が直列に、低レベルの電源VLLと高レベルの電源VHHの間に接続される。NMOSトランジスタMN1,PMOSトランジスタMP1は、スイッチとして動作する。オフにしたときのリーク電流を小さくするため、トランジスタMN1,MP1のしきい値電圧は大きくする。NMOSトランジスタMN1のゲートには制御パルスCKが、PMOSトランジスタMP1のゲートにはCKの相補信号の制御パルスCKBが入力される。NMOSトランジスタMN2とPMOSトランジスタMP2は、ゲートが入力端子INに接続され、CMOSインバータとして動作する。低電圧動作で駆動能力を大きくするため、トランジスタMN1,MP1のしきい値電圧は小さくする。出力端子OUTには、図29と同様に構成されたレベルホールド回路LHが接続される。   Two NMOS transistors MN2 and MN1 and two PMOS transistors MP1 and MP2 are connected in series between a low-level power supply VLL and a high-level power supply VHH. The NMOS transistor MN1 and the PMOS transistor MP1 operate as switches. In order to reduce the leakage current when the transistor is turned off, the threshold voltages of the transistors MN1 and MP1 are increased. A control pulse CK is input to the gate of the NMOS transistor MN1, and a control pulse CKB of a complementary signal of CK is input to the gate of the PMOS transistor MP1. The NMOS transistor MN2 and the PMOS transistor MP2 have gates connected to the input terminal IN and operate as CMOS inverters. In order to increase the driving capability in the low voltage operation, the threshold voltages of the transistors MN1 and MP1 are decreased. A level hold circuit LH configured in the same manner as in FIG. 29 is connected to the output terminal OUT.

図29に示した実施例と同様に、動作を行う。制御パルスCK,CKBにより、トランジスタMN1,MP1をオンにして、トランジスタMN2,MP2をCMOSインバータとして動作させる。例えば、入力INが低レベルVLLから高レベルVHHに反転すると、それまでオフであったトランジスタMN2が導通し始め飽和領域で動作する。このときMN2の電流値はゲート−ソース間の電圧で定まる。本実施例では、トランジスタMN1がMN2と出力端子OUTとの間に設けられているので、MN1のオン抵抗はMN2のドレインに接続される。そのため、MN1のオン抵抗の、MN2の電流値に対する影響は小さい。出力OUTが確定後、トランジスタMN1,MP1をオフにして、貫通電流を防止し、レベルホールド回路LHにより出力OUTを維持する。   The operation is performed similarly to the embodiment shown in FIG. The transistors MN1 and MP1 are turned on by the control pulses CK and CKB, and the transistors MN2 and MP2 are operated as CMOS inverters. For example, when the input IN is inverted from the low level VLL to the high level VHH, the transistor MN2 that has been turned off until then starts to conduct and operates in the saturation region. At this time, the current value of MN2 is determined by the voltage between the gate and the source. In this embodiment, since the transistor MN1 is provided between MN2 and the output terminal OUT, the on-resistance of MN1 is connected to the drain of MN2. Therefore, the influence of the ON resistance of MN1 on the current value of MN2 is small. After the output OUT is determined, the transistors MN1 and MP1 are turned off to prevent a through current, and the output OUT is maintained by the level hold circuit LH.

本実施例のようにスイッチを論理回路の出力端子側に挿入すると、スイッチを複数の論理ゲートで共有することは出来ないが、スイッチのオン抵抗の影響が小さい。スイッチとして用いるトランジスタが同じ場合、図29に示した実施例の様にスイッチを論理回路の電源側に設ける場合に比べて、遅延時間が短くなる。あるいは、遅延時間が同じになるように設計すると、スイッチとして用いるトランジスタのチャネル幅/チャネル長が小さくて済み、その面積を小さくできる。   When a switch is inserted on the output terminal side of the logic circuit as in this embodiment, the switch cannot be shared by a plurality of logic gates, but the influence of the on-resistance of the switch is small. When the transistors used as the switches are the same, the delay time is shorter than when the switches are provided on the power supply side of the logic circuit as in the embodiment shown in FIG. Alternatively, if the delay time is designed to be the same, the channel width / channel length of a transistor used as a switch can be reduced, and the area can be reduced.

図34は、レベルホールド回路の別な構成例である。このレベルホールド回路を、図29に示した実施例でNMOSトランジスタMN3,MN4とPMOSトランジスタMP3,MP4で構成されているレベルホールド回路LHと置き換えて、用いた場合について説明する。   FIG. 34 shows another configuration example of the level hold circuit. The case where this level hold circuit is used in place of the level hold circuit LH constituted by NMOS transistors MN3 and MN4 and PMOS transistors MP3 and MP4 in the embodiment shown in FIG. 29 will be described.

このレベルホールド回路は、それぞれ3個のNMOSトランジスタMN3,MN4,MN5とPMOSトランジスタMP3,MP4,MP5で構成される。待機状態でのリーク電流を低減するため、各トランジスタのしきい値電圧は大きくする。例えば、NMOSトランジスタは0.4V,PMOSトランジスタは−0.4Vとする。MN3,MP3はインバータを構成しており、MN4,MN5,MP4,MP5はスイッチングインバータを構成している。MN5のゲートには制御パルスCKBが、MP5のゲートには制御パルスCKが入力される。 動作タイミングは、図29に示したレベルホールド回路LHを用いた場合と同じで、図30に示したとおりである。制御パルスCKを高レベルVHHに上げ、CKBを低レベルVLLに下げてインバータINVを動作させる。この時、レベルホールド回路で、トランジスタMN5,MP5がオフとなる。そのため、出力OUTが反転するときに、インバータINVとレベルホールド回路を通じて貫通電流が流れることがなく、遅延時間と消費電流が小さくて済む。待機状態では、制御パルスCKを低レベルVLLに下げ、CKBを高レベルVHHに上げてインバータINVを電源VLL,VHHから切り離す。この時、レベルホールド回路で、トランジスタMN5,MP5がオンとなり、正帰還により出力OUTが保持される。   This level hold circuit is composed of three NMOS transistors MN3, MN4, MN5 and PMOS transistors MP3, MP4, MP5, respectively. In order to reduce the leakage current in the standby state, the threshold voltage of each transistor is increased. For example, it is assumed that the NMOS transistor is 0.4V and the PMOS transistor is −0.4V. MN3 and MP3 constitute an inverter, and MN4, MN5, MP4 and MP5 constitute a switching inverter. A control pulse CKB is input to the gate of MN5, and a control pulse CK is input to the gate of MP5. The operation timing is the same as that when the level hold circuit LH shown in FIG. 29 is used, and is as shown in FIG. The control pulse CK is raised to the high level VHH and CKB is lowered to the low level VLL to operate the inverter INV. At this time, the transistors MN5 and MP5 are turned off by the level hold circuit. Therefore, when the output OUT is inverted, no through current flows through the inverter INV and the level hold circuit, and the delay time and current consumption can be reduced. In the standby state, the control pulse CK is lowered to the low level VLL, CKB is raised to the high level VHH, and the inverter INV is disconnected from the power sources VLL and VHH. At this time, in the level hold circuit, the transistors MN5 and MP5 are turned on, and the output OUT is held by positive feedback.

このように、レベルホールド回路をインバータとスイッチングインバータの組合せで構成することにより、トランジスタが2個増えるが、論理回路とレベルホールド回路が競合することが無くなり、遅延時間と消費電流が小さくて済む。また、レベルホールド回路の駆動能力を大きくしてもよく、出力端子でのリークが大きい場合でも出力が変動する恐れがなく安定動作ができる。   Thus, by configuring the level hold circuit with a combination of an inverter and a switching inverter, two transistors are added, but the logic circuit and the level hold circuit do not compete with each other, and the delay time and current consumption can be reduced. In addition, the drive capability of the level hold circuit may be increased, and stable operation can be performed without the possibility of fluctuations in output even when the leak at the output terminal is large.

図39は、2相クロックで論理動作を行う論理回路に適用した実施例である。通常のマイクロプロセッサ等のLSIでは、チップ内の論理動作のほとんどが2相クロックで同期をとって行なわれることが多い。論理回路をLC1,LC2の二つに分け、各々の出力にはクロックCK1b,CK2bで制御されるラッチ回路LT1,LT2を付加する。本実施例では、ラッチ回路LT1,LT2がレベルホールド回路の役割を果たす。ここで、LC1,LC2は1個の論理ゲートもしくは複数の論理ゲートからなる組合せ論理回路である。二つの論理回路LC1,LC2はクロックに同期して交互に動作を行うので、スイッチSWH1とSWL1,SWH2とSWL2をクロックによって交互にオン,オフし、動作を行わない論理回路のサブスレッショルド電流を遮断する。本実施例を用いれば低動作電圧でしかもサブスレッショルド電流の小さい低電力LSIが実現できる。   FIG. 39 shows an embodiment applied to a logic circuit that performs a logic operation with a two-phase clock. In an LSI such as an ordinary microprocessor, most of the logic operations in a chip are often performed in synchronization with a two-phase clock. The logic circuit is divided into LC1 and LC2, and latch circuits LT1 and LT2 controlled by the clocks CK1b and CK2b are added to the respective outputs. In this embodiment, the latch circuits LT1 and LT2 serve as level hold circuits. Here, LC1 and LC2 are combinational logic circuits composed of one logic gate or a plurality of logic gates. Since the two logic circuits LC1 and LC2 operate alternately in synchronization with the clock, the switches SWH1 and SWL1, SWH2 and SWL2 are alternately turned on and off by the clock, and the subthreshold current of the logic circuit that does not operate is cut off. To do. If this embodiment is used, a low-power LSI with a low operating voltage and a small subthreshold current can be realized.

図40に示す具体的回路例と、図41に示すその制御クロックのタイミングを用いて、動作を説明する。ここでは、簡単のため論理回路LC1,LC2としてインバータ1個ずつを示している。また、ラッチ回路LT1,LT2としては図34に示したレベルホールド回路を用いているが、図29に示した回路を用いても良い。クロックCK1t,CK2tは互いに重なること無く交互に高レベルになる。クロックCK1b,CK2bは、それぞれCK1t,CK2tを反転させた信号である。ここで、論理回路LC1,LC2を構成するMOSトランジスタのしきい電圧を低くしておけば高速動作が可能である。一方、クロックがゲートに入力されるMOSトランジスタは、オフ時にサブスレッショルド電流を遮断できなければならない。そのためには、しきい電圧を高くするか、あるいはクロックの高レベルをVHHよりも高く,低レベルをVLLよりも低くすればよい。   The operation will be described using the specific circuit example shown in FIG. 40 and the control clock timing shown in FIG. Here, for the sake of simplicity, one inverter is shown as each of the logic circuits LC1 and LC2. Further, although the level hold circuit shown in FIG. 34 is used as the latch circuits LT1 and LT2, the circuit shown in FIG. 29 may be used. The clocks CK1t and CK2t alternately become high level without overlapping each other. The clocks CK1b and CK2b are signals obtained by inverting CK1t and CK2t, respectively. Here, if the threshold voltage of the MOS transistors constituting the logic circuits LC1 and LC2 is lowered, high speed operation is possible. On the other hand, a MOS transistor to which a clock is input to the gate must be able to cut off the subthreshold current when it is off. For this purpose, the threshold voltage is increased, or the high level of the clock is set higher than VHH and the low level is set lower than VLL.

動作モードでは、CK1tが高レベルの間、論理回路LC1が動作を行う。このとき、CK2tは低レベルなので、ラッチ回路LT2はLC1の入力となる情報を保持している。また、論理回路LC2は動作を行わなくても良いので、トランジスタMP12及びMN12をオフにしてサブスレッショルド電流を遮断する。CK2tが高レベルの間は逆に、LT2は情報を保持し、LC2が動作を行うので、LC1のサブスレッショルド電流を遮断することができる。すなわち、常にLC1とLC2のいずれか一方の電流を遮断できるので、サブスレッショルド電流は従来の半分になる。   In the operation mode, the logic circuit LC1 operates while CK1t is at a high level. At this time, since CK2t is at a low level, the latch circuit LT2 holds information to be input to LC1. Since the logic circuit LC2 does not have to operate, the transistors MP12 and MN12 are turned off to cut off the subthreshold current. Conversely, while CK2t is at a high level, LT2 retains information and LC2 operates, so that the subthreshold current of LC1 can be cut off. That is, since either one of the currents LC1 and LC2 can always be cut off, the subthreshold current is half that of the conventional one.

最近の3.3Vから5Vで動作するマイクロプロセッサでは、前述したように低電力化するために、低電力バックアップモード(スリープモード)などでは不必要な回路へのクロックの印加を停止させ充放電電流を低減したりしている。本実施例では、図41に示すように、スリープモードの間クロックCK1t,CK2tをともに低レベルにすることにより、トランジスタMP11及びMN11,MP12及びMN12がいずれもオフになり、論理回路LC1,LC2の両方の貫通電流が遮断される。そのため、スリープモードでは動作モードよりも、サブスレッショルド電流を低減する効果がさらに大きい。   In recent microprocessors operating from 3.3V to 5V, in order to reduce the power as described above, the application of the clock to unnecessary circuits is stopped in the low power backup mode (sleep mode) and the charge / discharge current. Or reduce it. In this embodiment, as shown in FIG. 41, by setting both the clocks CK1t and CK2t to low level during the sleep mode, the transistors MP11 and MN11, MP12 and MN12 are all turned off, and the logic circuits LC1 and LC2 Both through currents are interrupted. Therefore, the effect of reducing the subthreshold current is even greater in the sleep mode than in the operation mode.

図42は、本発明の別の実施例を示す図であって、ゲートアレイに適用した例である。ゲートアレイはデジタル論理回路であるので、既に示した実施例を適用してサブスレッショルド電流を低減することが可能である。しかし、一般にゲートアレイでは、以下に述べるように、論理回路を構成する際、使用せずに不活性化されるゲートが発生する。図42(A)は、2入力NANDを基本セルにするゲートアレイの1回路ブロックに於て(B)に示す論理を構成した例を示している。図中破線A001、A002、A003が基本NANDセルである。また、INN1およびOUT1はそれぞれこの論理回路ブロックの入力および出力である。同図のようにNANDセルでインバータを構成する場合には、入力の一方であるA004やA005を高レベル(VCC)に固定し、対応するゲートを不活性化することが一般的に行われている。この不活性化されたゲートは、利用可能なゲートの数十%にのぼることがしばしば起こるため、トランジスタのしきい電圧がスケーリングされた低電圧ゲートアレイにおいては、不活性化ゲートを流れるサブスレッショルド電流も無視できない。図中に示すように、VCCからトランジスタMCおよび抵抗RCを介して分離された第2の電源線VCLにトランジスタMA01、MA03のソースを接続し、省電力モードにおいてφCを高レベルにしてMCをカットオフ状態にすれば、トランジスタMA01、MA03のゲート・ソース間が逆バイアスされ深いカットオフ状態になるので、不活性化ゲートのサブスレッショルド電流を大幅に低減出来る。ただし、活性ゲートに関しては、既に述べたと同様に、低消費電力が必要な時間帯、例えば待機時における各ゲート出力の論理状態(図中高レベル:“H&#34ないし低レベル:“L&#34)に対応して、PチャネルトランジスタのソースはVCCないしVCLに、NチャネルトランジスタのソースはVSLないしVSSにそれぞれ接続すれば、やはりリーク電流を防止できることは勿論である。なお、非活性ゲートについては、動作時においてもトランジスタに電流を流す必要がないので、VCLではなく、最小配線幅で形成されたインピーダンスの高い他の配線を用いても良く、そのような配線に対しては、トランジスタMCは必ずしも必要ではなく、抵抗RCのみとすることも可能である。 FIG. 42 is a diagram showing another embodiment of the present invention, which is an example applied to a gate array. Since the gate array is a digital logic circuit, it is possible to reduce the subthreshold current by applying the embodiment already shown. However, in general, in a gate array, as described below, when a logic circuit is configured, gates that are deactivated without being used are generated. FIG. 42 (A) shows an example in which the logic shown in (B) is configured in one circuit block of a gate array having a 2-input NAND as a basic cell. Broken lines A001, A002, and A003 in the figure are basic NAND cells. INN1 and OUT1 are the input and output of this logic circuit block, respectively. When an inverter is configured with NAND cells as shown in the figure, it is common practice to fix A004 or A005, which is one of the inputs, to a high level (V CC ) and deactivate the corresponding gate. ing. This deactivated gate often occurs up to tens of percent of the available gate, so in a low voltage gate array with a scaled transistor threshold voltage, the subthreshold current flowing through the deactivated gate. Cannot be ignored. As shown in the figure, the transistor from V CC M C and resistor R C to the second power supply line V CL separated via connecting the source of transistor MA01, MA03, high levels phi C in the power saving mode if the cut-off state M C in the, transistors MA01, since inter MA03 gate-source is reversed biased deeper cut off, the sub-threshold current of the inactivation gate can be significantly reduced. However, for the active gate, as described above, the logical state of each gate output during a time period where low power consumption is required, for example, standby (high level: “H &# 34 or low level:“ L &# 34 ”in the figure) Correspondingly, if the source of the P channel transistor is connected to V CC to V CL and the source of the N channel transistor is connected to V SL to V SS , it is a matter of course that leakage current can be prevented. For the inactive gate, it is not necessary to pass a current through the transistor even during operation. Therefore, instead of VCL , another wiring with a high impedance formed with a minimum wiring width may be used. On the other hand, the transistor M C is not always necessary, and only the resistor R C can be used.

図43は、本発明の別の実施例を示す図であって、2入力NORを基本セルにするゲートアレイにおける不活性ゲートに、本発明によるサブスレッショルド電流防止を施した例を示す。同図は図43(B)に示した論理をNORセルで構成した例を示している。図中破線A011、A012、A013が基本NORセルである。NORセルでインバータを構成する場合には、入力の一方であるA014やA015をLOW(VSS)に固定し、対応するゲートを不活性化することが一般的に行われている。このとき、トランジスタMA11、MA13のソースをVSLに接続すれば、既に説明した動作原理によりこれらトランジスタを深いカットオフ状態にすることができ、サブスレッショルド電流を防止できる。 FIG. 43 is a diagram showing another embodiment of the present invention, and shows an example in which sub-threshold current prevention according to the present invention is applied to an inactive gate in a gate array having a two-input NOR as a basic cell. This figure shows an example in which the logic shown in FIG. 43B is configured by NOR cells. Broken lines A011, A012, and A013 in the figure are basic NOR cells. When an inverter is constituted by a NOR cell, generally, A014 or A015, which is one of inputs, is fixed to LOW (V SS ) and the corresponding gate is inactivated. In this case, by connecting the sources of the transistors MA11, MA13 to V SL, it is possible to make these transistors in a deep cut-off state by the operation to previously described principles, it is possible to prevent the sub-threshold current.

また、LSIチップが大規模化するにつれて、チップ内部に他の回路群をテストするためのテスト回路が内蔵されるのが普通になる。このテスト回路は、テスト時以外の通常動作時には動作を停止させることができる。この場合にテスト回路のサブスレッショルド電流を低減するためには、これまで述べた実施例が有効である。   Further, as the LSI chip becomes larger, it is normal that a test circuit for testing another circuit group is built in the chip. The test circuit can be stopped during normal operation other than during testing. In this case, the embodiments described so far are effective in reducing the subthreshold current of the test circuit.

以上述べた各実施例を、シングルチップ・マイクロプロセッサに適用した例を以下に示す。まずこれまでの電力低減機構を持つマイクロプロセッサについて述べる。従来のマイクロプロセッサでは、チップ全体を一度に制御することにより電力を制御していた。例えば、インテル社のi386SLでは、内部回路が完全スタティックになっているため、チップへのクロックの入力を停止しても内部状態が保持され、再度クロックの入力を再開すれば動作を再開できる。このように、クロックの入力を停止することにより、チップ全体の動作を停止させ、これによりシステム全体の電力を低減しようとしていた。しかしこれは、従来までのように電源電圧が3.3V〜5Vと高い場合にのみ可能であった。CMOS回路を構成するMOSトランジスタのしきい電圧が0.4〜0.5V程度と高くとれるために、サブスレッショルド電流が無視できるほど小さくできるためである。しかし、前述したように、電源電圧が2V以下あるいは0.9〜1.6V程度のような電池1個の電圧で動作させる高速システムでは、もはやクロックを停止しても低電力化はできない。一般に、ランダムゲートを主体とした論理ゲートからなるLSIでは、チップ内の多数の論理ゲートの中で、論理ゲートの入力電圧が変化する論理ゲート数は全体の約2割程度といわれている。その他の約8割の論理ゲートでは、その入力は変化しない。幸いにして従来のCMOS回路ではしきい電圧が高かったために、この8割の数の論理ゲートの電力がほとんど無視できて、チップ全体を低電力にできていたわけである。しかし、停電源電圧ではもはやこれは期待できなくなる。以下、低電源電圧動作においてチップ全体が低電力になるような電子装置の一例としてマイクロプロセッサを取り上げる。   An example in which each of the embodiments described above is applied to a single chip microprocessor will be described below. First, a microprocessor with a conventional power reduction mechanism will be described. In conventional microprocessors, power is controlled by controlling the entire chip at once. For example, in the Intel i386SL, the internal circuit is completely static, so that the internal state is maintained even if the clock input to the chip is stopped, and the operation can be resumed by restarting the clock input. Thus, by stopping the input of the clock, the operation of the entire chip is stopped, thereby reducing the power of the entire system. However, this was possible only when the power supply voltage was as high as 3.3 V to 5 V as in the prior art. This is because the threshold voltage of the MOS transistor constituting the CMOS circuit can be as high as about 0.4 to 0.5 V, so that the subthreshold current can be made small enough to be ignored. However, as described above, in a high-speed system that operates with a voltage of one battery such as a power supply voltage of 2 V or less or about 0.9 to 1.6 V, the power can no longer be reduced even if the clock is stopped. In general, in an LSI composed of logic gates mainly composed of random gates, it is said that the number of logic gates in which the input voltage of the logic gates changes among a large number of logic gates in a chip is about 20% of the total. In other 80% logic gates, the input does not change. Fortunately, since the threshold voltage was high in the conventional CMOS circuit, the power of this 80% logic gate was almost negligible, and the entire chip was made low power. However, this can no longer be expected at the power supply voltage. Hereinafter, a microprocessor will be taken as an example of an electronic device in which the entire chip has low power in low power supply voltage operation.

図44に本発明の電力低減機構を内蔵するシングルチップ・マイクロプロセッサを示す。以下に述べるように、チップ内部でユニット別にアクティブ/スタンドバイをコントロールする機構を設けているのが特長である。600がシングルチップのマイクロプロセッサである。このマイクロプロセッサ600上には、中央処理部(以下、CPUと略す)601、コプロセッサA(以下、COPAと略す)602、コプロセッサB(以下、COPBと略す)603、ローカルメモリ(以下、LMと略す)604、バス制御部(以下、BUSCと略す)605が内蔵されている。これらの各ユニットはチップ上の内部バス651によって接続されている。また、チップ外部とはBUSC605を介して、外部バス652と接続される。外部バス652にはメインメモリ(以下、MSと略す)606、入出力デバイス(以下、IOと略す)607等が接続される。CPG606はクロックジェネレータであり、チップ内部の各ユニットはCPG606から生成されるクロック信号653に同期して動作する。   FIG. 44 shows a single-chip microprocessor incorporating the power reduction mechanism of the present invention. As will be described below, a mechanism for controlling active / standby for each unit is provided within the chip. Reference numeral 600 denotes a single-chip microprocessor. On the microprocessor 600, there are a central processing unit (hereinafter abbreviated as CPU) 601, a coprocessor A (hereinafter abbreviated as COPA) 602, a coprocessor B (hereinafter abbreviated as COPB) 603, a local memory (hereinafter referred to as LM). 604 and a bus control unit (hereinafter abbreviated as BUSC) 605 are incorporated. Each of these units is connected by an internal bus 651 on the chip. Further, the outside of the chip is connected to the external bus 652 via the BUSC 605. A main memory (hereinafter abbreviated as MS) 606, an input / output device (hereinafter abbreviated as IO) 607, and the like are connected to the external bus 652. A CPG 606 is a clock generator, and each unit in the chip operates in synchronization with a clock signal 653 generated from the CPG 606.

COPA602、COPB603、LM604は、それぞれ二つの動作状態を持っている。その一つはスリープ状態である。この状態では、各ユニットの動作は停止しており、消費される電力は極めて小さい。他の一つはアクティブ状態である。この状態では、ユニットがデータの読み出し/書き込み動作や演算処理動作等の処理を実行している。このため、消費電力を極めて小さく抑えることはしない。これらの各ユニットを構成する論理回路は、例えば図18〜26、図28〜32、図39〜41等の回路を使用している。これにより、スリープ状態の消費電力を低減できる。さらにアクティブ状態においても、例えば図39〜41の回路を用いて、2相クロックのフェーズごとにきめ細かく活性化状態をコントロールすることにより、電力を低減できる。MS606とIO607もアクティブ/スリープ状態を持つ。マイクロプロセッサ600から出力される信号654及び655は、MS606とIO607がそれぞれアクティブ状態になることを指示する信号である。   The COPA 602, COPB 603, and LM 604 each have two operating states. One of them is the sleep state. In this state, the operation of each unit is stopped, and the power consumed is extremely small. The other is active. In this state, the unit performs processing such as data read / write operation and arithmetic processing operation. For this reason, power consumption is not suppressed very small. As the logic circuit constituting each of these units, for example, circuits such as FIGS. 18 to 26, FIGS. 28 to 32, and FIGS. 39 to 41 are used. Thereby, power consumption in the sleep state can be reduced. Even in the active state, power can be reduced by finely controlling the activation state for each phase of the two-phase clock using, for example, the circuits of FIGS. MS 606 and IO 607 also have an active / sleep state. Signals 654 and 655 output from the microprocessor 600 are signals that instruct the MS 606 and the IO 607 to be in an active state, respectively.

COPA602,COPB603は、基本的に同種のユニットで、CPUで実行されたプログラム中にCOPAあるいはCOPBの演算を要求する命令があるときだけ、指定された演算を実行する。この時だけアクティブとなり、他の期間はスリープで良い。通常のプログラムでは、この演算要求の頻度はそれほど高くない。内部には、多量のレジスタファイル,トランジスタ数の多い専用演算器を(時には複数個)もち、全体のトランジスタ数が多いのが特徴である。   The COPA 602 and the COPB 603 are basically the same type of units, and execute a specified operation only when there is an instruction requesting an operation of COPA or COPB in a program executed by the CPU. It becomes active only at this time, and sleep may be performed during other periods. In a normal program, the frequency of this calculation request is not so high. It is characterized by having a large number of register files, dedicated arithmetic units with a large number of transistors (sometimes multiple), and a large number of transistors as a whole.

また、LM604は、CPUが必要とするプログラムやデータが格納されているため、アクセス頻度は高い。しかし、CPU内部にキャッシュメモリが内蔵されているような場合には、CPU内部で閉じて処理が行われるため、アクセス頻度が下がり、スリープ状態の期間が長くなる、といった特徴がある。   The LM 604 is frequently accessed because it stores programs and data required by the CPU. However, in the case where a cache memory is built in the CPU, the processing is performed by closing the CPU, and thus the access frequency is lowered and the sleep period is extended.

CPU601は、命令を実行し、データを処理する部分で、常にプログラムを実行している(活性化率100%)。CPU内部は汎用レジスタ,演算器など通常のプロセッサの基本部分が含まれる。時には、キャッシュメモリを含む場合もある。命令やデータは、LM604あるいはMS606に格納されている。LM604は小容量であるが高速にアクセス可能なオンチップ上のメモリで、頻繁にCPU601によって使われる命令やデータが格納されている。それほど頻繁にアクセスする必要のない命令やデータは大容量であるが中低速なメモリのMS606に格納されている。CPU601は内部バス651を介して直接LM604をアクセスすることができる。一方、MS606に対するアクセスは、内部バス651、BUSC605、外部バス652を介する。BUSC605は、32〜128ビット幅程度の外部バス用バッファを含む。CPUがチップ外部のメモリやデバイスに対してアクセスするときだけ、アクティブになれば良い。CPUが必要とするプログラムやデータがチップ内部に存在するときにはスリープ状態で良い。   The CPU 601 executes instructions and processes data, and always executes a program (activation rate 100%). The CPU includes basic parts of a normal processor such as general-purpose registers and arithmetic units. Sometimes it includes a cache memory. Instructions and data are stored in the LM 604 or the MS 606. The LM 604 is a small-capacity on-chip memory that can be accessed at high speed, and stores instructions and data frequently used by the CPU 601. Instructions and data that do not need to be accessed so frequently are stored in the MS 606, which has a large capacity but a medium to low speed. The CPU 601 can directly access the LM 604 via the internal bus 651. On the other hand, access to the MS 606 is via the internal bus 651, BUSC 605, and external bus 652. The BUSC 605 includes an external bus buffer having a width of about 32 to 128 bits. It only needs to be active when the CPU accesses a memory or device outside the chip. When programs and data required by the CPU exist in the chip, the sleep state may be used.

COPA602は乗算、除算、平方根、絶対値の計算を実行するコプロセッサであり、これらの演算を高速に処理する専用演算器を内蔵する。COPB603は三角関数、距離計算等の関数演算を実行するコプロセッサであり、これらの演算を高速に処理する専用演算器を内蔵する。CPU601は、内部バス651を経由して、COPA602、COPB603内のコマンドレジスタCMDA609、CMDB610に要求する演算を指示するコマンドを書き込むことにより、各コプロセッサに演算の起動をかける。演算の起動がかかるまで、各コプロセッサはスリープ状態にあり、電力をほとんど消費しない。   The COPA 602 is a coprocessor that performs multiplication, division, square root, and absolute value calculation, and includes a dedicated arithmetic unit that processes these operations at high speed. The COPB 603 is a coprocessor that executes functional operations such as trigonometric functions and distance calculations, and has a built-in dedicated arithmetic unit that processes these operations at high speed. The CPU 601 starts the operation of each coprocessor by writing a command instructing the requested operation to the command registers CMDA 609 and CMDB 610 in the COPA 602 and COPB 603 via the internal bus 651. Until the calculation is started, each coprocessor is in a sleep state and consumes little power.

図45はCOPA602の内部構成図である。内部は二つのブロックITFA700とEXA701からなる。ITFA700は、コマンドレジスタCMDA609、コマンドデコーダDEC706、オペランドレジスタRA702,RB703,RC704、および制御回路CNT705を持つ。EXA701は乗算、除算、平方根、絶対値の計算を高速に処理する専用演算器とそれを制御する制御回路が内蔵されている。内部バス651経由で、CPU601から送られてきたコマンドはCMDA609に保持され、DEC706でそのコマンドがデコードされ、EXA701にそのコマンドで指示された演算を実行させる。コマンドは乗算、除算、平方根、絶対値の4種類がある。演算のためのオペランドはRA702,RB703にCPU601から送られてきたソースオペランドが格納され、演算結果はEXA701で演算終了後、RC704に格納され、CPU601から読み出される。EXA701は演算を行っていないときには、スリープ状態である。DEC706でそのコマンドがデコードされると、EXA701にそのコマンドで指示された演算を実行させる信号が生成され、EXA701が演算を開始する。演算実行中、EXA701はアクティブ状態になる。演算終了後、EXA701はRC704に結果を格納し、CMDA609をゼロクリアする。CMDA609の内容がゼロであることをDEC706が検出し、SLEEP707信号がアサートされることにより、EXA701がスリープ状態に入る。CNT705は各レジスタ609、702、703、704に対するリード/ライト、ゼロクリア等の動作を制御する。ITFA700は、常にCPUからのコマンドを受け付けられるようにするために、常にアクティブ状態である。CPG606から生成されたクロック信号653は、ITFA700で使用される。また、ゲート回路709を介してEXA用クロック信号710が出力され、これがEXA701のクロックとして使われる。SLEEP707がアサートされたときには、ゲート回路709がEXA用クロック710を停止させ、EXA701にクロックが供給されなくなる。これにより、スリープ状態では、EXA701のクロックも停止状態になる。このSLEEP信号によって、例えば、図18〜26あるいは図28〜32等の回路のスイッチが制御され、スリープ状態でのサブスレッショルド電流が低減される。   FIG. 45 is an internal configuration diagram of the COPA 602. The interior consists of two blocks ITFA 700 and EXA 701. The ITFA 700 has a command register CMDA609, a command decoder DEC706, operand registers RA702, RB703, RC704, and a control circuit CNT705. The EXA 701 includes a dedicated arithmetic unit that processes multiplication, division, square root, and absolute value calculation at high speed, and a control circuit that controls the dedicated arithmetic unit. The command sent from the CPU 601 via the internal bus 651 is held in the CMDA 609, the command is decoded by the DEC 706, and the EXA 701 is caused to execute the operation designated by the command. There are four types of commands: multiplication, division, square root, and absolute value. Source operands sent from the CPU 601 are stored in the RA 702 and RB 703 as operands for the calculation, and the calculation result is stored in the RC 704 after the calculation ends in the EXA 701 and read from the CPU 601. The EXA 701 is in a sleep state when not performing calculations. When the command is decoded by the DEC 706, a signal for causing the EXA 701 to execute the operation instructed by the command is generated, and the EXA 701 starts the operation. The EXA 701 is in an active state during the execution of the calculation. After completion of the calculation, EXA 701 stores the result in RC 704 and clears CMDA 609 to zero. When the DEC 706 detects that the content of the CMDA 609 is zero and the SLEEP 707 signal is asserted, the EXA 701 enters a sleep state. The CNT 705 controls operations such as read / write and zero clear for the registers 609, 702, 703, and 704. The ITFA 700 is always in an active state in order to always accept commands from the CPU. The clock signal 653 generated from the CPG 606 is used in the ITFA 700. Further, an EXA clock signal 710 is output via the gate circuit 709 and used as a clock for the EXA 701. When SLEEP 707 is asserted, the gate circuit 709 stops the EXA clock 710 so that the clock is not supplied to the EXA 701. Thereby, in the sleep state, the clock of the EXA 701 is also stopped. By this SLEEP signal, for example, the switches of the circuits of FIGS. 18 to 26 or FIGS. 28 to 32 are controlled, and the subthreshold current in the sleep state is reduced.

EXA701の内部には、専用の演算器とともに演算の途中結果を保持しておくレジスタや演算状態を保持するレジスタ、演算制御のためのラッチなどが含まれる。これらのレジスタやラッチには、例えば図35や図37の回路が使用される。図35の回路の場合は、一旦スリープ状態に入るとラッチ内部の状態は破壊される。一方、図37の回路の場合は、スリープ状態に入ってもラッチ内部の状態は破壊されない。このため、一旦スリープ状態に入った後、アクティブ状態に戻ったとき、途中で停止した演算動作を再開することができる。   The EXA 701 includes a dedicated arithmetic unit, a register for holding a result of the operation, a register for holding an operation state, a latch for operation control, and the like. For these registers and latches, for example, the circuits of FIGS. 35 and 37 are used. In the case of the circuit of FIG. 35, once the sleep state is entered, the state inside the latch is destroyed. On the other hand, in the case of the circuit of FIG. 37, the state inside the latch is not destroyed even when the sleep state is entered. For this reason, once the computer enters the sleep state and then returns to the active state, the arithmetic operation stopped halfway can be resumed.

COPB603は、三角関数、距離計算等の関数演算を実行するコプロセッサであるが、その内部構成および動作はCOPA602と同様である。   The COPB 603 is a coprocessor that executes function operations such as trigonometric functions and distance calculations, but the internal configuration and operation thereof are the same as those of the COPA 602.

図46にLM604の内部構成を示す。MEM901は命令/データ等の情報を格納しておくメモリ部である。MCNT902はCPU601からのアクセス要求を受け取り、MEM901に格納されているデータを読み出したり、MEM901にデータを書き込む制御を行う。CPU601からアクセス要求があったときにMCNT902はMEM901をアクティブ状態にする信号ACT903をアサートしてMEM901を動作状態にする。アクセス要求がないときにはACT903がネゲートされているためMEM901はスリープ状態にある。このACT信号によって、例えば図18〜26あるいは図28〜32等の回路のスイッチが制御され、スリープ状態でのサブスレッショルド電流が低減される。なお、この状態でもメモリには情報が保持されている。MCNT902は、常にCPUからのアクセス要求を受け付けられるようにするために、常にアクティブ状態である。   FIG. 46 shows the internal configuration of the LM604. The MEM 901 is a memory unit that stores information such as instructions / data. The MCNT 902 receives an access request from the CPU 601 and performs control to read data stored in the MEM 901 and write data to the MEM 901. When there is an access request from the CPU 601, the MCNT 902 asserts a signal ACT 903 that activates the MEM 901 to put the MEM 901 into an operating state. When there is no access request, the MEM 901 is in the sleep state because the ACT 903 is negated. By this ACT signal, for example, the switches of the circuits of FIGS. 18 to 26 or FIGS. 28 to 32 are controlled, and the subthreshold current in the sleep state is reduced. Even in this state, information is held in the memory. The MCNT 902 is always in an active state in order to always accept an access request from the CPU.

CPU601がMS606に命令やデータをアクセスする時は、内部バス651、BUSC605、外部バス652を介する。BUSC605はこのときだけアクティブ状態になる。図47にBUSC605の内部構成を示す。BCNT800はCPU601の要求に応じて外部バス652へのアクセスを制御する回路である。OUTB801は内部バス651から外部バス652へデータを流すときに外部バス652をドライブするドライバ回路であり、このときだけアクティブになる。INB802は外部バス652から内部バス651へデータを流すときに内部バス651をドライブするドライバ回路であり、このときだけアクティブになる。BCNT800はCPU601からチップ外部のMS606やIO607に対しての書き込み要求を受け取ると、ACTW803をアサートしてOUTB801をアクティブにする。逆に、BCNT800はCPU601からチップ外部のMS606やIO607からの読み出し要求を受け取ると、ACTR804をアサートしてINB802をアクティブにする。これらのとき以外、OUTB801,INB802はスリープ状態にある。BCNT800は、常にチップ外部に対するアクセス要求を受け付けられるようにするために、常にアクティブ状態である。BCNT800はMS606に対するアクティブ支持信号654とIO607に対するアクティブ指示信号655も出力する。CPU601がBCNT800にたいし、MS606へアクセス要求した場合、BCNT800はそれを検出し信号654をアサートし、MS606をアクティブ状態にする。信号655も同様の目的で使われる。   When the CPU 601 accesses an instruction or data to the MS 606, it passes through the internal bus 651, BUSC 605, and external bus 652. The BUSC 605 becomes active only at this time. FIG. 47 shows the internal configuration of BUSC 605. The BCNT 800 is a circuit that controls access to the external bus 652 in response to a request from the CPU 601. OUTB 801 is a driver circuit that drives the external bus 652 when data flows from the internal bus 651 to the external bus 652, and becomes active only at this time. The INB 802 is a driver circuit that drives the internal bus 651 when data flows from the external bus 652 to the internal bus 651, and becomes active only at this time. When the BCNT 800 receives a write request from the CPU 601 to the MS 606 or the IO 607 outside the chip, the BCNT 800 asserts ACTW 803 to activate the OUTB 801. Conversely, when the BCNT 800 receives a read request from the MS 606 or the IO 607 outside the chip from the CPU 601, the BCNT 800 asserts ACTR 804 to activate the INB 802. Other than these times, OUTB 801 and INB 802 are in a sleep state. The BCNT 800 is always in an active state so that an access request to the outside of the chip can always be accepted. The BCNT 800 also outputs an active support signal 654 for the MS 606 and an active instruction signal 655 for the IO 607. When the CPU 601 makes an access request to the BCNT 800 to the MS 606, the BCNT 800 detects it and asserts the signal 654, and makes the MS 606 active. Signal 655 is also used for similar purposes.

OUTB801には、例えば図25の出力バッファ回路が使われ、ACTW信号に従ってスイッチSS、SCが制御される。OUTBは、大きな負荷(外部バス652)を駆動するので、チャネル幅の大きなMOSトランジスタを、バス幅(例えば64ビット)の数だけ必要とし、そのチャネル幅の合計は非常に大きい。したがって、OUTBのサブスレッショルド電流を低減することは、システム全体の電流低減に大きく寄与する。 For example, the output buffer circuit shown in FIG. 25 is used for OUTB 801, and switches S S and S C are controlled according to the ACTW signal. Since OUTB drives a large load (external bus 652), MOS transistors having a large channel width are required by the number of bus widths (for example, 64 bits), and the total channel width is very large. Therefore, reducing the sub-threshold current of OUTB greatly contributes to the current reduction of the entire system.

INB802には、例えば図26の入力バッファ回路が使われ、ACTR信号がSB端子に供給される。これにより、スリープ状態のときの内部バス651の電圧レベルを確定させることができる。したがって、このバスに接続されたユニットCOPA、COPB、LMに、例えば図18〜25の回路を用いることができ、これらのユニットのサブスレッショルド電流低減が容易になる。   For the INB 802, for example, the input buffer circuit of FIG. 26 is used, and the ACTR signal is supplied to the SB terminal. As a result, the voltage level of the internal bus 651 in the sleep state can be determined. Therefore, for example, the circuits of FIGS. 18 to 25 can be used for the units COPA, COPB, and LM connected to the bus, and the subthreshold current of these units can be easily reduced.

MS606には、例えばDRAMが用いられる。DRAMとしては、普通のDRAMでもよいが、アイ・イー・イー・イー・スペクトラム、第43頁から第49頁、1992年10月(IEEE Spectrum, pp.43-49, Oct.1992)に記載されているシンクロナスDRAMでもよい。シンクロナスDRAMでは、クロックエネーブル/ディスエーブル信号によってチップ内部へのクロックの供給を制御できるので、この信号を活用すれば効果的に消費電流を低減できる。すなわち、スリープ状態のときはチップ内部へのクロックの供給を停止する。さらに、図26の回路をシンクロナスDRAMの入力バッファとして用い、クロックエネーブル/ディスエーブル信号をSB端子に印加することにより、内部回路のサブスレッショルド電流を低減できる。   For example, a DRAM is used for the MS 606. The DRAM may be a normal DRAM, but is described in IEE Spectrum, pages 43 to 49, October 1992 (IEEE Spectrum, pp.43-49, Oct.1992). A synchronous DRAM may be used. In the synchronous DRAM, the clock supply to the chip can be controlled by the clock enable / disable signal, and the current consumption can be effectively reduced by using this signal. That is, the supply of the clock to the chip is stopped in the sleep state. Further, the sub-threshold current of the internal circuit can be reduced by using the circuit of FIG. 26 as an input buffer of the synchronous DRAM and applying a clock enable / disable signal to the SB terminal.

図48はマイクロプロセッサ600全体の動作例を示す。横軸は時刻を表し、斜線は各ユニット、各ブロックがアクティブである状態を示す。この例では、CPU601は時刻T1にCOPA602に除算コマンドを発行し、これに従いCOPA602はT1からT2まで除算を実行し、時刻T2に演算終了をCPU601に報告して再びスリープ状態に入る。その後、CPU601は時刻T3にCOPB603に距離計算コマンドを発行し、これに従いCOPB603はT3からT4まで距離計算を実行し、時刻T4に計算終了をCPU601に報告して再びスリープ状態に入る。LM604はCPU601からデータのアクセス要求があるときだけアクティブになる。BUSC605もCPU601が外部にたいしてアクセスするときだけアクティブになる。このように、マイクロプロセッサ600内部できめ細かく各ユニット、各ブロックのアクティブ/スリープ状態を制御することによりマイクロプロセッサ600の消費電力を大幅に低減することが可能になる。   FIG. 48 shows an operation example of the entire microprocessor 600. The horizontal axis represents time, and the diagonal lines indicate the state in which each unit and each block is active. In this example, the CPU 601 issues a division command to the COPA 602 at time T1, and the COPA 602 executes division from T1 to T2 accordingly, reports the completion of calculation to the CPU 601 at time T2, and enters the sleep state again. Thereafter, the CPU 601 issues a distance calculation command to the COPB 603 at time T3, and the COPB 603 executes distance calculation from T3 to T4 accordingly, reports the completion of calculation to the CPU 601 at time T4, and enters the sleep state again. The LM 604 becomes active only when there is a data access request from the CPU 601. The BUSC 605 is also active only when the CPU 601 accesses the outside. As described above, the power consumption of the microprocessor 600 can be greatly reduced by finely controlling the active / sleep state of each unit and each block within the microprocessor 600.

本実施例は一つのチップ内部での本発明を適用したケースであるが、これを複数のチップからなる、計算機システムの実施例にも拡張することは自明である。例えば、第44図における601から605の各ユニットがそれぞれ別チップで構成されるケースで本発明を適用することは容易である。   The present embodiment is a case where the present invention is applied inside one chip, but it is obvious that this embodiment can be extended to an embodiment of a computer system comprising a plurality of chips. For example, it is easy to apply the present invention in a case where each of the units 601 to 605 in FIG.

本発明の実施例1のインバータを示す図である。It is a figure which shows the inverter of Example 1 of this invention. 本発明によるサブスレッショルド電流低減の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the subthreshold current reduction by this invention. 本発明によるサブスレッショルド電流低減効果を示す図である。It is a figure which shows the subthreshold current reduction effect by this invention. 本発明の実施例2のインバータの回路図である。It is a circuit diagram of the inverter of Example 2 of this invention. 本発明の信号のタイミングを示す図である。It is a figure which shows the timing of the signal of this invention. 本発明のデバイス構造を示す図である。It is a figure which shows the device structure of this invention. 本発明の実施例3のインバータの回路図である。It is a circuit diagram of the inverter of Example 3 of this invention. 本発明の実施例4のインバータの回路図である。It is a circuit diagram of the inverter of Example 4 of this invention. 本発明のデバイス構造を示す図である。It is a figure which shows the device structure of this invention. 本発明の実施例5のインバータ列を示す図である。It is a figure which shows the inverter row | line of Example 5 of this invention. 本発明の実施例6のインバータ列を示す図である。It is a figure which shows the inverter row | line of Example 6 of this invention. 本発明の実施例7のインバータ列を示す図である。It is a figure which shows the inverter row | line of Example 7 of this invention. 本発明が適用される組合せ論理回路のグループ分けの例を示す図である。It is a figure which shows the example of grouping of the combinational logic circuit to which this invention is applied. 本発明の実施例8の組合せ論理回路を示す図である。It is a figure which shows the combinational logic circuit of Example 8 of this invention. 本発明の実施例9の組合せ論理回路を示す図である。It is a figure which shows the combinational logic circuit of Example 9 of this invention. 本発明の実施例10のラッチを示す図である。It is a figure which shows the latch of Example 10 of this invention. 本発明の実施例11のラッチの回路図である。It is a circuit diagram of the latch of Example 11 of this invention. 本発明の実施例12のインバータ列の回路図である。It is a circuit diagram of the inverter row | line of Example 12 of this invention. 本発明の実施例13のインバータ列の回路図である。It is a circuit diagram of the inverter row | line of Example 13 of this invention. 本発明の実施例14のNANDゲートの回路図である。It is a circuit diagram of the NAND gate of Example 14 of the present invention. 本発明の実施例15のNORゲートの回路図である。It is a circuit diagram of the NOR gate of Example 15 of the present invention. 本発明の実施例16のクロックインバータの回路図である。It is a circuit diagram of the clock inverter of Example 16 of this invention. 本発明の実施例17の組合せ論理回路の回路図である。It is a circuit diagram of the combinational logic circuit of Example 17 of this invention. 本発明の実施例18のラッチの回路図である。It is a circuit diagram of the latch of Example 18 of this invention. 本発明の実施例19の出力バッファの回路図である。It is a circuit diagram of the output buffer of Example 19 of this invention. 本発明の実施例20の入力バッファの回路図である。It is a circuit diagram of the input buffer of Example 20 of this invention. 本発明の実施例21のNMOSダイナミック回路の回路図である。It is a circuit diagram of the NMOS dynamic circuit of Example 21 of the present invention. 概念的実施例を示す図である。FIG. 6 illustrates a conceptual example. CMOSインバータに適用した実施例の回路図である。It is a circuit diagram of the Example applied to the CMOS inverter. CMOSインバータに適用した実施例の動作タイミング図である。It is an operation | movement timing diagram of the Example applied to the CMOS inverter. インバータチェーンに適用した実施例を示す図である。It is a figure which shows the Example applied to the inverter chain. インバータチェーンに適用した別の実施例を示す図である。It is a figure which shows another Example applied to the inverter chain. CMOSインバータに適用した別の実施例を示す図である。It is a figure which shows another Example applied to the CMOS inverter. レベルホールド回路の別の構成例の回路図である。It is a circuit diagram of another structural example of a level hold circuit. 出力を固定できるラッチ回路の回路図である。It is a circuit diagram of the latch circuit which can fix an output. 制御クロックのタイミング図である。It is a timing diagram of a control clock. 出力を固定できるラッチ回路の回路図である。It is a circuit diagram of the latch circuit which can fix an output. 制御クロックのタイミング図である。It is a timing diagram of a control clock. 2相クロック論理回路を示す図である。It is a figure which shows a two-phase clock logic circuit. 2相クロックで動作するインバータの回路図である。It is a circuit diagram of the inverter which operate | moves with a two-phase clock. 制御クロックのタイミング図である。It is a timing diagram of a control clock. 本発明によるゲートアレイを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a gate array according to the present invention. 本発明によるゲートアレイを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a gate array according to the present invention. 本発明によるシングルチップ・マイクロプロセッサのブロック図である。1 is a block diagram of a single chip microprocessor according to the present invention. FIG. コプロセッサの内部構成図である。It is an internal block diagram of a coprocessor. ローカルメモリの内部構成図である。It is an internal block diagram of a local memory. バス制御部の内部構成図である。It is an internal block diagram of a bus control part. マイクロプロセッサの動作タイミング図である。It is an operation | movement timing diagram of a microprocessor. 従来のCMOSインバータの回路図である。It is a circuit diagram of a conventional CMOS inverter. MOSトランジスタのサブスレッショルド特性を示す図である。It is a figure which shows the subthreshold characteristic of a MOS transistor.

符号の説明Explanation of symbols

L、L1〜Lk……論理ゲート
1〜Gk……論理ゲート群、
C、SC1〜SCk
S、SS1〜SSk……スイッチ
C、RC1〜RCk、RS、RS1〜RSk……抵抗
L, L 1 to L k ... Logic gates G 1 to G k .
S C , S C1 to S Ck ,
S S , S S1 to S Sk ...... Switches R C , R C1 to R Ck , R S , R S1 to R Sk ...... resistance

Claims (5)

第1のプロセッサと、
コマンドデコーダと、演算器及び保持回路を含む演算回路とを含む第2のプロセッサとを有し、
上記演算器は論理ゲート及びスイッチを含み、
上記論理ゲートは、第1導電型の第1MOSトランジスタと上記第1MOSトランジスタのソース・ドレイン経路と直列接続された第2導電型の第2MOSトランジスタとを有し、上記第1MOSトランジスタの上記ソース・ドレイン経路と上記第2のMOSトランジスタの上記ソース・ドレイン経路との共通接続点である出力ノードから出力信号を得る如く構成され、
上記スイッチは、上記第1MOSトランジスタのソースにそのドレインが接続される第1導電型の第3MOSトランジスタを含み、
上記第3MOSトランジスタのゲートに供給される制御信号を第1状態に設定することにより上記第3MOSトランジスタをオン状態として、上記論理ゲートを動作させることを許容せしめ、
上記制御信号を上記第1状態と異なる第2状態に設定することにより上記第3MOSトランジスタをオフ状態として、上記論理ゲートに流れるサブスレッショルド電流を制限せしめ、
上記第2のプロセッサのコマンドデコーダは上記第1のプロセッサからのコマンドをデコードし、上記演算回路に上記コマンドに応じた演算を実行させ、上記演算の終了を検出することで上記第2のプロセッサのコマンドデコーダはスリープ信号をアサートし、
上記スリープ信号がアサートされることにより、上記制御信号は上記第2状態に設定されるとともに、上記保持回路はその情報が保持されることを特徴とする半導体集積回路装置。
A first processor;
A second processor including a command decoder and an arithmetic circuit including an arithmetic unit and a holding circuit;
The arithmetic unit includes a logic gate and a switch,
The logic gate includes a first conductivity type first MOS transistor and a second conductivity type second MOS transistor connected in series with a source / drain path of the first MOS transistor, and the source / drain of the first MOS transistor. Configured to obtain an output signal from an output node which is a common connection point between the path and the source / drain path of the second MOS transistor;
The switch includes a third MOS transistor of a first conductivity type, the drain of which is connected to the source of the first MOS transistor,
Setting the control signal supplied to the gate of the third MOS transistor to a first state, thereby turning on the third MOS transistor and allowing the logic gate to operate;
By setting the control signal to a second state different from the first state, the third MOS transistor is turned off to limit a subthreshold current flowing through the logic gate,
The command decoder of the second processor decodes a command from the first processor, causes the arithmetic circuit to execute an operation according to the command, and detects the end of the operation, thereby detecting the end of the second processor. The command decoder asserts the sleep signal,
When the sleep signal is asserted, the control signal is set to the second state, and the holding circuit holds the information.
請求項1において、
上記保持回路は上記演算回路における演算の途中結果を保持するレジスタであることを特徴とする半導体集積回路装置
In claim 1,
2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the holding circuit is a register for holding an intermediate result of an operation in the arithmetic circuit .
請求項1において、
上記保持回路は上記演算回路における演算を制御するためのラッチであることを特徴とする半導体集積回路装置
In claim 1,
2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the holding circuit is a latch for controlling an operation in the arithmetic circuit .
請求項1において、
上記演算回路にスリープ信号がアサートされることにより、上記演算回路へのクロック供給が停止されることを特徴とする半導体集積回路装置。
In claim 1,
A semiconductor integrated circuit device, wherein a clock signal to the arithmetic circuit is stopped when a sleep signal is asserted to the arithmetic circuit.
請求項1乃至4のいずれかにおいて、
上記保持回路は、第1インバータ回路と、第2インバータ回路と、NAND回路とを有し、
上記第1インバータ回路の入力は、上記論理ゲートの出力及び上記第2インバータ回路の出力に接続され、
上記第2インバータ回路の入力は、上記第1インバータ回路の出力に接続され、
上記NAND回路の第1入力は、上記第2インバータ回路の出力に接続され、
上記NAND回路の第2入力は、上記制御信号が入力され、
上記NAND回路の出力が、上記レジスタの出力とされることを特徴とする半導体集積回路装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The holding circuit includes a first inverter circuit, a second inverter circuit, and a NAND circuit,
The input of the first inverter circuit is connected to the output of the logic gate and the output of the second inverter circuit,
The input of the second inverter circuit is connected to the output of the first inverter circuit,
A first input of the NAND circuit is connected to an output of the second inverter circuit;
The control signal is input to the second input of the NAND circuit,
The semiconductor integrated circuit device, wherein an output of the NAND circuit is an output of the register.
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