JP3692032B2 - フリップフロップ回路及び半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期動作する順序論理回路に係り、特にDET(Double Edge Trigger)のフリップフロップ及びこのDETフリップフロップを搭載した半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、LSIの動作周波数の高速化に伴って、フリップフロップ等の同期回路を駆動するクロックツリーで消費される電力が増大し、LSIチップ全体の消費電力に占める割合が大きくなってきている。また、高速なクロックを大面積のチップ全体にクロックスキューを小さく抑えつつ分配する場合、特にクロック周波数がGHzオーダーに達した場合にクロック配線に寄生するインダクタンス成分の効果が顕著となり、スキューの小さいクロック信号を分配することが困難となる。
【0003】
このような問題を解決する一つの手段として、分配するクロック周波数を従来の1/2に下げて、その代りに従来クロック信号の立上がり/立下がり(rise/fall)いずれか一方のエッジでしかラッチ動作をしないsingle edge trigger 型フリップフロップ(SET−F/F)を、立上がり/立下がりの両方のエッジで動作するフリップフロップ(DET−F/F)に置き換える方法がある。
【0004】
また、パイプライン動作するロジックLSI回路では、動作周波数の増大と伴にパイプラインステージを分割するフリップフロップ回路の個数が増加し、フリップフロップがチップレイアウト全体の面積に占める割合が増大してきている。このことから、フリップフロップ回路の小面積化もLSI回路設計において非常に重要な課題となる。
【0005】
まず、以降の説明に必要な回路単位の定義を図9〜図16に示す。図9は入力クロック信号CKがローレベルの期間に値をラッチするマスターラッチを示しており、(1)がクロック生成回路を、(2)がラッチ回路を、(3)はマスターラッチを表す記号を示している。
【0006】
図10は入力クロック信号CKがハイレベルの期間に値をラッチするスレーブラッチを示しており、(1)がクロック生成回路を、(2)がラッチ回路を示し、ローカルクロック(CKP、CKPB)のゲート入力が図9と反対になっている。(3)はスレーブラッチを表した記号を示している。
【0007】
図11は2−1マルチプレクサを示しており、(1)がXとXBのいずれかを選択して出力するマルチプレクサの回路を、(2)はマルチプレクサを表した記号を示している。
【0008】
図12はクロック制御インバータを示しており、(1)がクロック制御インバータの回路を、(2)はX,Y及びそれらの反転信号XB,YBで制御されるクロック制御インバータを表した記号を示している。図13はインバータを構成するMOSトランジスタのサイズが標準サイズ(×1)と2倍サイズ(×2)の2通りの場合を示しており、白抜きに対して斜線で示したものは2倍のサイズであることを示している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記の定義を用いて、従来のSET−F/Fおよび2種類のDET−F/Fを消費電力とレイアウト面積の点から比較した場合、各々のフリップフロップ回路で以下に述べるような問題が存在する。
【0010】
図14は最も一般的なSET−F/Fの従来構成例である。図14のようにマスターラッチ1とスレーブラッチ2を直列接続してSET−F/Fが構成されている。50はSET−F/Fを表す記号である。このフリップフロップ回路では入力クロックCK1の立上がりエッジのみで入力データDの論理値をラッチするため、後述するDET−F/Fと同一タイミングでラッチ動作をさせるためには、DET−F/Fに供給するクロックの2倍の周波数のクロック信号を供給する必要があり、LSI内のクロックツリー(図示せず)での消費電力が大きくなるという欠点がある。
【0011】
図15はDET−F/Fの従来構成例(従来例1)である。図に示す如くマスターラッチ3とスレーブラッチ4の入力同士を共通接続し、各ラッチの出力を2−1マルチプレクサ5に接続して構成されている。この時、マスターラッチ3、スレーブラッチ4を駆動するクロックCK2は、図14に示したSET−F/Fを駆動するクロック信号CK1の1/2の周波数を持っている。また、2−1マルチプレクサ5のセレクト信号としては、(3)に示すようにクロックCK2を入力する2個のインバータを接続して成るインバータチェインから構成されたクロック生成回路6により生成されるCK2P、CK2PBを使用する。
【0012】
この図15に示したような回路構成にすることで、クロック信号CK2の立上がり/立下がりの両方のエッジで入力データDの論理値をラッチするDET−F/Fが実現でき、SET−F/Fと同一タイミングで動作し且つ供給クロック信号の周波数を1/2に下げることができ、クロックツリーの消費電力は小さくなることが期待されるが、マルチプレクサ5のように駆動する素子が増えているため消費電力削減効果はない。しかも、この回路ではマスター、スレーブの2つのラッチ3、4に加えて出力部に2−1マルチプレクサ5を必要とするため、図14に示した従来ののSET−F/Fと比べてレイアウト面積が大きくなるという欠点がある。
【0013】
図16は図15に示した従来例と同様に、入力クロック信号CK2の立上がり/立下がりの両エッジで入力データDの論理値をラッチするDET−F/Fの従来構成例(従来例2)を示した図である。この回路はデータ保持用のスレーブラッチ7と、このスレーブラッチ7を駆動するパルス信号PCKを生成するマルチプレクサ8から構成され、更にマルチプレクサ8の入力であるクロックCK2P、CK2PBとその遅延信号DCK2P、DCK2PBを生成する複数インバータのインバータチェインで構成されるクロック生成回路9を有している。マルチプレクサ8はCK2P、CK2PBとその遅延信号DCK2P、DCK2PBのexclusiveOR(EOR)演算を行って、パルス信号PCKを生成する。
【0014】
PCKはCK2の立上がり/立下がりの両クロックエッジでハイレベルとなり、パルスがハイレベル期間にスレーブラッチ7内のパストランジスタがスルー状態となり、そのタイミングでスレーブラッチ7で入力データDがラッチされる。従って、データDのラッチタイミングはやはりSET−F/Fと同一になる。
【0015】
この回路では、ラッチ回路がスレーブl個に削減されたことにより回路のレイアウト面積は小さくなることが期待されるが、実際にはクロック生成回路9が占めるレイアウト面積が増えるため、DET−F/F全体のレイアウトサイズは図15に示した従来のDET−F/Fと比べてさほど小さくならない。また、クロックツリーでの消費電力についても、ラッチ回路がスレーブl個に削減された代りにクロック生成回路9での消費電力が新たに発生すること及びスレーブラッチ7を駆動するパルス信号PCKの周波数はクロックCK2の2倍でクロックCK1と同じであるため、ラッチ回路の充放電回数がCK1を用いた場合と同一となり、低消費電力化は期待できない。
【0016】
結局、図15に示した従来のDET−F/Fでは、フリップフロップ内のローカルクロックツリーでの消費電力を図14に示したSET−F/Fと同一とすることができるが、上位クロックツリーの消費電力が低減できないと共にレイアウト面積が増大してしまう。図16に示した従来のDET−F/Fでは、上位クロックツリーの消費電力を図14に示したSET−F/Fよりも低減できるが、フリップフロップ内のローカルクロックツリーでの消費電力が増大してしまうと共にレイアウト面積が増大してしまうという問題があった。
【0017】
本発明は、上述の如き従来の課題を解決するためになされたもので、その目的は、レイアウト面積及びフリップフロップ内のローカルクロックツリーでの消費電力を増大させることなく、上位クロックツリーで消費される電力を低減させることができるフリップフロップ回路及びこのフリップフロップ回路を搭載した半導体装置を提供することである。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の発明の特徴は、第1のクロック信号とその反転信号及びこの第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成するクロック生成回路と、前記クロック生成回路により生成された第1のクロック信号がハイレベルで且つ第2のクロック信号がローレベルの期間及び第1のクロック信号がローレベルで且つ第2のクロック信号がハイレベルの期間、入力される論理値を通過させて出力に伝達するスイッチ回路と、前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路とを具備することにある。
【0019】
請求項2の発明の特徴は、第1のクロック信号とその反転信号及びこの第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成する回路で、複数のインバータを接続して形成されたインバータチェインにより構成されるクロック生成回路と、前記クロック生成回路により生成された第1のクロック信号がハイレベルで且つ第2のクロック信号がローレベルの期間及び第1のクロック信号がローレベルで且つ第2のクロック信号がハイレベルの期間、入力される論理値を通過させて出力に伝達する回路で、2個のパストランジスタを直列接続して成る第1の回路と2個のパストランジスタを直列接続して成る第2の回路とを並列接続して構成されるスイッチ回路と、前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路とを具備することにある。
【0020】
請求項3の発明の特徴は、第1のクロック信号とその反転信号及び前記第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成する回路で、複数のインバータを接続して形成されたインバータチェインにより構成されるクロック生成回路と、第1のパストランジスタと第2のパストランジスタの入力を共通接続し、第1のパストランジスタの出力と第3のパストランジスタの入力を接続し、第2のパストランジスタの出力と第4のパストランジスタの入力を接続し、第3のパストランジスタと第4のパストランジスタの出力を共通接続した構成を有し、更に前記クロック生成回路で生成された前記第1のクロック信号が前記第1のパストランジスタのPMOSゲートに前記第1のクロック信号の反転信号が前記第1のパストランジスタのNMOSゲートに入力され、前記第1のクロック信号の反転信号が前記第2のパストランジスタのPMOSゲートに前記第1のクロック信号が前記第2のパストランジスタのNMOSゲートに入力され、及び前記第2のクロック信号の反転信号が前記第3のパストランジスタのPMOSゲートに前記第2のクロック信号が前記第3のパストランジスタのNMOSゲートに入力され、前記第2のクロック信号が前記第4のパストランジスタのPMOSゲートに前記第2のクロック信号の反転信号が前記第4のパストランジスタのNMOSゲートに入力される信号接続経路を有するスイッチ回路と、前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路とを具備することにある。
【0021】
請求項4の発明の特徴は、第1のクロック信号とその反転信号及びこの第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成する回路で、複数のインバータを接続して形成されたインバータチェインにより構成されるクロック生成回路と、前記クロック生成回路により生成された第1のクロック信号がハイレベルで且つ第2のクロック信号がローレベルの期間及び第1のクロック信号がローレベルで且つ第2のクロック信号がハイレベルの期間、入力される論理値を通過させて出力に伝達する回路で、2個のクロック制御インバータを並列接続して構成されるスイッチ回路と、前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路とを具備することにある。
【0022】
請求項5の発明の特徴は、第1のクロック信号とその反転信号及び前記第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成する回路で、複数のインバータを接続して形成されたインバータチェインにより構成されるクロック生成回路と、第1のクロック制御インバータと第2のクロック制御インバータの入力を共通接続すると共に、出力を共通接続した構成を有し、前記クロック生成回路で生成された前記第1のクロック信号が前記第1のクロック制御インバータの第1のPMOSゲートに前記第1のクロック信号の反転信号が前記第1のクロック制御インバータの第1のNMOSゲートに入力され、前記第2のクロック信号の反転信号が前記第1のクロック制御インバータの第2のPMOSゲートに前記第2のクロック信号が前記第1のクロック制御インバータの第2のNMOSゲートに入力され、及び前記第1のクロック信号の反転信号が前記第2のクロック制御インバータの第1のPMOSゲートに前記第1のクロック信号が前記第2のクロック制御インバータの第1のNMOSゲートに入力され、前記第2のクロック信号が前記第2のクロック制御インバータの第2のPMOSゲートに前記第2のクロック信号の反転信号が前記第2のクロック制御インバータの第2のNMOSゲートに入力される信号接続経路を有するスイッチ回路と、前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路とを具備することにある。
【0023】
請求項6の発明の特徴は、第1のクロック信号がハイレベルで且つ第2のクロック信号がローレベルの期間及び第1のクロック信号がローレベルで且つ第2のクロック信号がハイレベルの期間、入力される論理値を通過させて出力に伝達するスイッチ回路と、前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路とから構成されるフリップフロップを複数個具備し、且つ、これら複数のフリップフロップに供給する第1のクロック信号とその反転信号及び前記第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成する共通のクロック生成回路を具備することにある。
【0024】
請求項7の発明の特徴は、順序論理回路を含む論理回路を有する半導体装置において、他の論理回路部分よりも2倍の周波数で動作させたい論理回路部分の順序論理回路として、請求項1に記載のフリップフロップ回路を用い、論理回路全体に1種類の周波数のクロックだけを供給することにある。
【0025】
請求項8の発明の特徴は、順序論理回路を含む論理回路を有する半導体装置において、所定周波数で動作させたい順序論理回路として、請求項1に記載のフリップフロップ回路を用い、前記順序論理回路に前記所定周波数の半分の周波数のクロックを供給することにある。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明のフリップフロップ回路の一実施形態に係る構成を示した図である。フリップフロップ回路は、スイッチ回路11と論理値保持&出力回路12及びクロック生成回路13から構成されている。尚、フリップフロップ全体を(p)で示した記号で表し、スイッチ回路11と論理値保持&出力回路12のみを(q)で示した記号で表すものとする。
【0027】
次に本実施形態の動作について説明する。本例のフリップフロップ回路はクロック生成回路13によって図2(b)で示したクロックCK2から生成される図2(c)で示したCK2Pと、図2(d)で示したその遅延信号DCK2Pを用いる。ここでは図示していないが、実際にはCK2Pの反転信号及びDCK2Pの反転信号も用いる。本例は、これらのクロック信号からパルス信号を生成するのではなく、これらクロック信号で制御されるスイッチ回路11を入力データDに対して初段に設け、その後段に、論理値保持&出力回路12を接続した構造を有している。
【0028】
図3は上記したスイッチ回路の真理値表である。スイッチ回路11は、CK2Pがハイレベル(high)、DCK2Pがローレベル(low )の期間に入力と出力が導通状態となって、入力データINが論理値保持&出力回路12に入力されてラッチされる。また、スイッチ回路11は、CK2Pがローレベル、DCK2Pがハイレベルの期間にも、入力と出力が導通状態となって、入力データINが論理値保持&出力回路12に入力されてラッチされる。尚、図中の(A)、(B)の表記はINがOUTに出力される際の経路(図4、図5)に対応している。
【0029】
従って、図2(c)、(d)で示すように、CK2の立上がりと、立ち下がりσ期間にスイッチ回路11が導通するため、CK2の両方のエッジでデータDが論理値保持&出力回路12にラッチされ、DET−F/Fの動作が実現されている。このDET−F/Fでは、スイッチ回路11を駆動するCK2P,DCK2Pの各クロック信号はクロックCK2と同一の周波数であり、従来例のSET−F/Fで用いるクロックCK1(図2(a)参照)に比べて1/2の周波数となっている。従って、スイッチ回路11の各素子での充放電回数も1/2で、内部の電力消費を低減させることができる。
【0030】
図4は図1に示したフリップフロップ回路の第1の実施例である詳細構成例を示した回路図である。スイッチ回路11は、2個のパストランジスタ21aを直列接続した回路と2個のパストランジスタ21b直列接続した回路を並列接続した構成で、計4個のパストランジスタを用いて構成されている。尚、パストランジスタ21aと21bは同一のものである。
【0031】
論理値保持&出力回路12はデータを保持する2個のインバータ22と出力用インバータ23とから構成されている。クロック生成回路13は複数のインバータ24、25から成るインバータチェインで構成されている。
【0032】
クロック生成回路13はクロックCK2Pとその遅延クロックDCK2Pを発生し、更にそれらの反転信号CK2PB,DCK2PBを発生して、スイッチ回路11の各パストランジスタ21a、21bのゲートに供給する。図2(c),(d)から分かるように、CK2PとDCK2PBがハイレベルの期間、即ち、CK2Pの立上がりにパス(A)が導通し、CK2PBとDCK2Pがハイレベルの期間、即ち、CK2Pの立下がりにパス(B)が導通する。論理値保持&出力回路12の動作は従来と同様で、入力されるデータDを2個のインバータ22で保持し、インバータ23で出力する。
【0033】
図5は図1に示したフリップフロップ回路の第2の実施例である詳細構成例を示した回路図である。スイッチ回路11は2個のクロック制御インバータ28a、28bを並列接続して構成されている。尚、クロック制御インバータ28a、28bは同一のものである。
【0034】
論理値保持&出力回路12は2個のデータ保持用のインバータ29と出力用のインバータ30から構成されている。スイッチ回路11の出力値が反転しているため、この部分での論理値の反転を修正するために、論理値保持回路と出力回路の接続方法は図4のそれに比べて若干変更した構造になっている。
【0035】
クロック生成回路13は複数のインバータ24、25から成るインバータチェインで構成されている。
【0036】
クロック生成回路13はクロックCK2からクロックCK2Pとその遅延クロックであるDCK2Pを発生し、更にそれらの反転信号CK2PB、DCK2PBを発生して、スイッチ回路11のクロック制御インバータ28a、28bのゲートに供給している。
【0037】
スイッチ回路11は図2(c)、(d)から分かるように、CK2PとDCK2PBがハイレベルの期間、即ち、CK2Pの立上がりにパス(A)が導通し、CK2PBとDCK2Pがハイレベルの期間、即ち、CK2Pの立下がりにパス(B)が導通する。論理値保持&出力回路12の動作はスイッチ回路11の出力データが反転されるため、従来と若干異なるが、データ保持用のインバータ29でデータDを保持し、出力用インバータ30でデータDを出力する。
【0038】
ここで、上記したフリップフロップ回路の消費電力を算定するために以下の仮定をする。
【0039】
*図4、図5で示したフリップフロップ回路を構成するX1サイズのpMOS、nMOSトランジスタのチャネル幅Wp、Wnの平均値をW=(Wp+Wn)/2とする。
【0040】
*サイズWのトランジスタのゲートがクロック信号CK1の周波数fで充放電されるときの消費電力をPlとする。
【0041】
*サイズWのトランジスタのゲート容量とドレインの拡散容量は同程度と見なし、ドレインがクロックCK1の周波数fで充放電されるときの消費電力もPlとする。
【0042】
*図14の従来例で示したSET−F/F(従来例1)ヘクロックを供給するための上位クロックツリー部での消費電力をPgとする。
【0043】
また、フリップフロップの総トランジスタサイズをWtotal 、フリップフロップの内部消費電力をPlocal 、LSIクロックツリーなどで消費される電力をPglobalで示すものとする。
【0044】
上記仮定を用いると、図4に示した詳細構成を有するDET−F/Fについては、Wtotal =(パストランジスタ)+(論理値保持部)+(出力部)+(クロックバッファ:×1部)+(クロックバッファ:×2部)=8W+4W+2W+2W×2+2W×2×3=30W
Plocal =[(パストランジスタ)+(クロックバッファ:×1部)+(クロックバッファ:×2部)]×(f→f/2周波数変換)=[8Pl+4Pl×2+4Pl×2×3]×0.5=20Pl
Pglobal=Pg×(クロック端子容量比)×(f→f/2周波数変換)=Pg×1×0.5=0.5Pg
図5に示した詳細構成を有するDET−F/Fについては、Wtotal =(クロック制御インバータ)+(論理値保持部)+(出力部)+(クロックバッファ:×1部)+(クロックバッファ:×2部)=12W+4W+2W+2W×2+2W×2×3=34W
Plocal =[(クロック制御インバータ)+(クロックバッファ:×1部)+(クロックバッファ:×2部)]×(f→f/2周波数変換)=[8Pl+4Pl×2+4Pl×2×3]×0.5=20Pl
Pglobal=Pg×(クロック端子容量比)×(f→f/2周波数変換)=Pg×1×0.5=0.5Pg
次に参考として、図14の従来例で示したSET−F/Fについては、
Wtotal =(マスター+スレーブラッチ)=12W×2=24W
Plocal =(マスター+スレーブラッチ)=(2Pl+4Pl×2)×2=20Pl
Pglobal=Pg
図15の従来例で示したDET−F/F(従来例2)については、
Wtotal =(マスター+スレーブラッチ)+(2−mux)+(2−mux駆動クロックバッファ)=12W×2+4W+2W×2×2=36W
Plocal =[(マスター+スレーブラッチ)+(2−mux)+(2−mux駆動クロックバッファ)]×(f→f/2周波数変換)=[(2Pl+4Pl×2)×2+4Pl+4Pl×2×2]×0.5=20Pl
Pglobal=Pg×(クロック端子容量比)×(f→f/2周波数変換)=Pg×2×0.5=Pg
図16の従来例で示したDET−F/F(従来例3)については、
Wtotal =(スレーブラッチ)+(2−mux)+(クロックバッファ:×1部)+(クロックバッファ:×2部)=12W+4W+2W×2+2W×2×3=32W
Plocal =(スレーブラッチ)+(2−mux:f動作側)+[(2−mux:f/2動作側)+(クロックバッファ:×1部)+(クロックバッファ:×2部)]×(f→f/2周波数変換)=2Pl+4Pl×2+4Pl+[8Pl+4Pl×2+4Pl×2×3]×0.5=34Pl
Pglobal=Pg×(クロック端子容量比)×(f→f/2周波数変換)=Pg×1×0.5=0.5Pg
図6は、上記のような仮定により求めた本例の図4、図5に示したDET−F/Fと従来例で示したSET−F/FとDET−F/Fの各回路を構成する各トランジスタのサイズ(チャネル幅)の合計値Wtotal と、フリップフロップ内ローカルクロックツリーでの消費電力Plocal、およびフリップフロップにクロックを供給する上位クロックツリーでの消費電力Pglobalを比較した表図である。
【0045】
この図6の表図を参照して各フリップフロップ回路の総トランジスタ幅とクロック分配部での消費電力を比較すると、従来例1のSET−F/Fに比べて従来例2のDET−F/FはWtotal が1.5倍に増加し、レイアウト面積が増える上、消費電力はPlocal,Pglobalともにメリットがない。従来例3では、従来例2よりはWtotalが小さいもののPlocalが従来例1よりも悪化してしまっている。これらに対し、図4の回路構成の第1の実施例ではWtotalが従来例1の1.25倍になるもののPlocalの悪化はなく、またPglobal は1/2に削減できており、消費電力の点で最も有利であることが分かる。
【0046】
また、前述のように分配するクロック信号の周波数を1/2に低減できるので、消費電力だけでなく寄生インダクタンスの影響も低減でき、クロックスキューを小さく抑えたクロック分配が可能となる。このことから、従来例1に比べてややレイアウト面積の点で不利であることを考慮しても、本発明の第1の実施例を用いるメリットは十分にあると言える。
【0047】
また、図5の回路構成の第2の実施例では、Wtotal が従来例1の1.42倍になってレイアウト面積の点で不利であるが、図4の回路構成に比べてスイッチ回路のIN−0UT端子間がクロック制御インバータで分離されているため、データ入力端子に発生したノイズの影響が論理値保持回路に悪影響を及ぼすのを防止できるメリットがある。従って、回路の安定性の点では有利となる。尚、図4の回路構成ではノイズの点では不利であるが、パストランジスタを用いているためIN−OUT間の信号伝達が速いというメリットがある。図5の回路構成におけるクロック分配時の消費電力削減効果は、図4の回路構成の効果と全く同じである。
【0048】
上記したように本例の第1、第2の実施例の回路構成を採った場合、フリップフロップ内部で消費される電力Plocal については、従来例1、2と変わらないが、LSIに組み込んだ際のクロックツリーなどで消費されるPglobalについては半分の消費電力で済むことになる。フリップフロップなどに必要な時にだけクロックを供給するような省電力設計の回路では、Plocal に対してPglobalの比重が大きくなるため、第1、第2の実施例の回路構成のフリップフロップを搭載して、携帯機器などで更に省電力化する効果が得られる。尚、従来例3のPlocalに対しては、本例のフリップフロップのPlocalの方が少なく、Plocal の比重が大きい構成のLSI回路で効果を奏することができる。
【0049】
図7は、本発明の半導体装置の第1の実施形態に係る構成を示したブロック図である。この論理回路は、図1に示した本発明のDET−F/Fのクロック生成回路を除いたDET−F/F71を複数備えており、これら複数のDET−F/F71に供給するクロックCK2Pおよびその遅延信号DCK2PB等を生成するクロック生成回路72を個々のDET−F/F71毎に備えるのではなく、これらDET−F/F71全てが共有する形で備えている。このような構成の論理回路でも、個々のDET−F/F71の動作は図1に示した本発明のDET−F/Fと全く同一である。
【0050】
本実施形態によれば、複数のDET−F/F71へ供給するクロック信号とその遅延信号を生成するクロック生成回路72を共有化して一つとすることにより、DET−F/F71が図4、図5で示したような回路構成を採る場合に生じるレイアウト面積的なデメリットを軽減することができる。また、クロック生成回路72を個々のフリップフロップ71の外に出せるため、設計の自由度を高めることができる。
【0051】
図8は、本発明の半導体装置の第2の実施形態に係る構成を示したブロック図である。この論理回路は、図1に示した本発明のDET−F/F81と組合せ論理回路82をそれぞれ複数個有する部分100と、従来例1のSET−F/F83と組合せ論理回路84をそれぞれ複数個有する部分200とから構成され、両部分とも、同一の周波数のクロックCK2が共通に供給されている。
【0052】
本例のような順序回路を含む論理回路においては、その動作仕様の要求から回路の一部100をそれ以外の部分200に比べて2倍の周波数で動作させる必要がある場合が多々ある。このような場合に、2倍の周波数での動作が必要な順序回路部100に図1に示した本発明のDET−F/F81を配置することで、新たにクロックCK2の2倍の周波数のクロックツリーを設けることなく、クロックCK2の2倍の周波数で動作する順序回路を含む論理回路部分を実現することができる。
【0053】
本実施形態によれば、図1に示した本発明のDET−F/Fを論理回路内の2倍周波数動作が必要な順序論理回路個所に適用することで、従来のSET−F/Fのみを用いた場合のように、2種類のクロックCK1、CK2を独立に分配する必要がなく、クロックCK2単独の分配で済むだけでなく、従来のDET−F/Fを使用した場合に比べてクロック分配でのレイアウト面積及び消費電力(Pglobal)の点で有利な論理回路を構成することができる。また、1種類のクロックCK2のみで回路が動くため、クロックスキューの発生を防止するための調整がしやすいというメリットがある。
【0054】
尚、本発明は上記実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲において、具体的な構成、機能、作用、効果において、他の種々の形態によっても実施することができる。
【0055】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項1乃至請求項6記載の発明のフリップフロップ回路によれば、レイアウト面積を増大させることなく消費電力を低減させることができる。
【0056】
請求項7又は請求項8記載の発明の半導体装置によれば、消費電力を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のフリップフロップ回路の一実施形態に係る構成を示した図である。
【図2】図1に示したスイッチ回路の動作を説明する波形図である。
【図3】図1に示したスイッチ回路の真理値を示した表図である
【図4】図1に示したフリップフロップ回路の詳細構成例を示した回路図である。
【図5】図1に示したフリップフロップ回路の他の詳細構成例を示した回路図である。
【図6】本実施例のフリップフロップ回路と従来例のフリップフロップ回路の総トランジスタチャネル幅と消費電力を比較した表図である。
【図7】本発明の半導体装置の第1の実施形態に係る構成を示したブロック図である。
【図8】本発明の半導体装置の第2の実施形態に係る構成を示したブロック図である。
【図9】マスターラッチを定義するための説明図である。
【図10】スレーブラッチを定義するための説明図である。
【図11】2−1マルチプレクサを定義するための説明図である。
【図12】クロック制御インバータを定義するための説明図である。
【図13】MOSトランジスタのサイズを定義するための説明図である。
【図14】従来のSET−F/Fの構成及び動作を説明する図である。
【図15】従来のDET−F/Fの構成及び動作を説明する図である。
【図16】従来のDET−F/Fの他の構成及び動作を説明する図である。
【符号の説明】
11 スイッチ回路
12 論理値保持&出力回路
13、72 クロック生成回路
21a、21b パストランジスタ
22、24、25、29 インバータ
28a、28b クロック制御インバータ
23、30 出力用インバータ
71、81 DET−F/F
82、84 組合せ論理回路
83 SET−F/F
Claims (8)
- 第1のクロック信号とその反転信号及びこの第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成するクロック生成回路と、
前記クロック生成回路により生成された第1のクロック信号がハイレベルで且つ第2のクロック信号がローレベルの期間及び第1のクロック信号がローレベルで且つ第2のクロック信号がハイレベルの期間、入力される論理値を通過させて出力に伝達するスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、
前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路と、
を具備することを特徴とするフリップフロップ回路。 - 第1のクロック信号とその反転信号及びこの第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成する回路で、複数のインバータを接続して形成されたインバータチェインにより構成されるクロック生成回路と、
前記クロック生成回路により生成された第1のクロック信号がハイレベルで且つ第2のクロック信号がローレベルの期間及び第1のクロック信号がローレベルで且つ第2のクロック信号がハイレベルの期間、入力される論理値を通過させて出力に伝達する回路で、2個のパストランジスタを直列接続して成る第1の回路と2個のパストランジスタを直列接続して成る第2の回路とを並列接続して構成されるスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、
前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路と、
を具備することを特徴とするフリップフロップ回路。 - 第1のクロック信号とその反転信号及び前記第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成する回路で、複数のインバータを接続して形成されたインバータチェインにより構成されるクロック生成回路と、
第1のパストランジスタと第2のパストランジスタの入力を共通接続し、第1のパストランジスタの出力と第3のパストランジスタの入力を接続し、第2のパストランジスタの出力と第4のパストランジスタの入力を接続し、第3のパストランジスタと第4のパストランジスタの出力を共通接続した構成を有し、
更に前記クロック生成回路で生成された前記第1のクロック信号が前記第1のパストランジスタのPMOSゲートに前記第1のクロック信号の反転信号が前記第1のパストランジスタのNMOSゲートに入力され、前記第1のクロック信号の反転信号が前記第2のパストランジスタのPMOSゲートに前記第1のクロック信号が前記第2のパストランジスタのNMOSゲートに入力され、及び前記第2のクロック信号の反転信号が前記第3のパストランジスタのPMOSゲートに前記第2のクロック信号が前記第3のパストランジスタのNMOSゲートに入力され、前記第2のクロック信号が前記第4のパストランジスタのPMOSゲートに前記第2のクロック信号の反転信号が前記第4のパストランジスタのNMOSゲートに入力される信号接続経路を有するスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、
前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路と、
を具備することを特徴とするフリップフロップ回路。 - 第1のクロック信号とその反転信号及びこの第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成する回路で、複数のインバータを接続して形成されたインバータチェインにより構成されるクロック生成回路と、
前記クロック生成回路により生成された第1のクロック信号がハイレベルで且つ第2のクロック信号がローレベルの期間及び第1のクロック信号がローレベルで且つ第2のクロック信号がハイレベルの期間、入力される論理値を通過させて出力に伝達する回路で、2個のクロック制御インバータを並列接続して構成されるスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、
前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路と、
を具備することを特徴とするフリップフロップ回路。 - 第1のクロック信号とその反転信号及び前記第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成する回路で、複数のインバータを接続して形成されたインバータチェインにより構成されるクロック生成回路と、
第1のクロック制御インバータと第2のクロック制御インバータの入力を共通接続すると共に、出力を共通接続した構成を有し、
前記クロック生成回路で生成された前記第1のクロック信号が前記第1のクロック制御インバータの第1のPMOSゲートに前記第1のクロック信号の反転信号が前記第1のクロック制御インバータの第1のNMOSゲートに入力され、前記第2のクロック信号の反転信号が前記第1のクロック制御インバータの第2のPMOSゲートに前記第2のクロック信号が前記第1のクロック制御インバータの第2のNMOSゲートに入力され、及び前記第1のクロック信号の反転信号が前記第2のクロック制御インバータの第1のPMOSゲートに前記第1のクロック信号が前記第2のクロック制御インバータの第1のNMOSゲートに入力され、前記第2のクロック信号が前記第2のクロック制御インバータの第2のPMOSゲートに前記第2のクロック信号の反転信号が前記第2のクロック制御インバータの第2のNMOSゲートに入力される信号接続経路を有するスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、
前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路と、
を具備することを特徴とするフリップフロップ回路。 - 第1のクロック信号がハイレベルで且つ第2のクロック信号がローレベルの期間及び第1のクロック信号がローレベルで且つ第2のクロック信号がハイレベルの期間、入力される論理値を通過させて出力に伝達するスイッチ回路と、前記スイッチ回路を通過した論理値を保持する論理値保持回路と、前記論理値保持回路が保持する論理値を出力する出力回路とから構成されるフリップフロップを複数個具備し、
且つ、これら複数のフリップフロップに供給する第1のクロック信号とその反転信号及び前記第1のクロック信号より遅延した第2のクロック信号とその反転信号を生成する共通のクロック生成回路を具備することを特徴とするフリップフロップ回路。 - 順序論理回路を含む論理回路を有する半導体装置において、
他の論理回路部分よりも2倍の周波数で動作させたい論理回路部分の順序論理回路として、請求項1に記載のフリップフロップ回路を用い、論理回路全体に1種類の周波数のクロックだけを供給することを特徴とする半導体装置。 - 順序論理回路を含む論理回路を有する半導体装置において、
所定周波数で動作させたい順序論理回路として、請求項1に記載のフリップフロップ回路を用い、前記順序論理回路に前記所定周波数の半分の周波数のクロックを供給することを特徴とする半導体装置。
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