JP3789251B2 - レジスタ回路及びラッチ回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レジスタ回路及びラッチ回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のレジスタ回路を図7を用いて説明する。レジスタ回路は、直列に接続された2つのラッチ回路からなり、クロック信号CLKの立ち上がりエッジで入力データINを取り込み、出力端子から出力データOUTを出力する。
マスターラッチ回路21は、クロック信号CLKが「L」レベルのとき入力データINをスルーで伝達し、スレーブラッチ回路22は、そのデータをラッチし保持する。
【0003】
そして、マスターラッチ回路21は、クロック信号CLKが「H」レベルのとき入力データINを回路内部から切り離して、内部データをホールド(ラッチ)状態にするが、スレーブラッチ回路22がスルー状態となるので、マスターラッチ回路21で保持されたデータがスレーブラッチ回路22の出力端子(レジスタ回路の出力端子)に出力されることになる。クロック信号CLKは「H」と「L」が交互に切り替わるため、レジスタ回路の出力端子にはクロック信号CLKが「L」から「H」に切り換わるタイミングに合わせて出力データOUTが出力されることになる。
【0004】
次に、スレーブ側を例にとりラッチ回路の構成を詳しく説明する。
スレーブラッチ回路22には、マスターラッチ回路21からの出力を入力とする、PMOSトランジスタM21及びNMOSトランジスタM22を並列接続したトランスファ回路が設けられている。トランジスタM22,M21のゲートには、クロック信号CLK、クロック信号CLKの論理反転信号がそれぞれ入力される。
【0005】
このトランスファ回路の出力には、出力駆動用のインバータINV22が接続され、INV22の出力がレジスタ回路の出力となる。レジスタ回路の出力端子には、ラッチパス用のインバータINV23が接続され、インバータINV23の出力には、PMOSトランジスタM23及びNMOSトランジスタM24を並列接続したトランスファ回路が接続されている。トランジスタM23,M24のゲートには、クロック信号CLK、クロック信号CLKの論理反転信号がそれぞれ入力される。このトランジスタM23,M24からなるトランスファ回路の出力は、インバータINV22の入力に接続されている。
【0006】
このスレーブラッチ回路22では、クロック信号CLKが「H」レベルのとき、トランジスタM21,M22がオンし、トランジスタM23,M24がオフするので、マスターラッチ回路21から入力されたデータがインバータINV22を介して出力端子に出力される。一方、クロック信号CLKが「L」のときは、トランジスタM21,M22がオフとなり、トランジスタM23,M24がオンとなるので、この状態に切り換わった瞬間に残っていた出力端子のデータがインバータINV23によって反転されてインバータINV22の入力にフィードバックされる。こうして、2個のインバータINV22,INV23によるフリップフロップが完成し、データが保持(ラッチ)される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
通常の集積回路では、レジスタ回路の次段以降はチップ内部を駆動する回路やチップからデータを出力する駆動バッファであり、大きな負荷を伴うことが多い。また、クロック信号CLKは、多数存在するレジスタ回路を制御する信号であり、ここも大きな負荷となる。したがって、高速動作を実現するためには、クロック信号CLKが入力されてから出力データOUTが確定するまでの遅延時間を改善する必要があるが、その条件としてCLK入力容量を小さくすることが必要であった。しかし、従来のレジスタ回路では、トランジスタM21,M22からなるトランスファ回路とインバータINV22にてその遅延と駆動能力が決まってしまうため、トランジスタサイズによる最適化調整によるポイントが最適化の限界であり、データリリース速度を高速化することができないという問題点があった。
同様に、トランジスタM21,M22からなるトランスファ回路とインバータINV22とを用いるラッチ回路においても、データリリース速度を高速化することができないという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、データリリース速度の高速化が可能なレジスタ回路及びラッチ回路を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明のレジスタ回路は、マスターラッチ回路と、前記マスターラッチ回路からの出力をラッチして出力端子に出力するスレーブラッチ回路とを備えたレジスタ回路において、
前記スレーブラッチ回路は、前記出力端子に接続されたフリップフロップ回路と、
第1電位の電源と前記出力端子との間に設けられた第1のPMOSトランジスタと、
前記第1電位より低い第2電位の電源と前記出力端子との間に設けられた第1のNMOSトランジスタと、
前記マスターラッチ回路の出力と前記第1のPMOSトランジスタのゲートとの間に設けられクロック信号がそのゲートに印加される第2のNMOSトランジスタと、
前記マスターラッチ回路の出力と前記第1のNMOSトランジスタのゲートとの間に設けられ前記クロックの反転信号がそのゲートに印加される第2のPMOSトランジスタと、
前記スレーブラッチ回路がラッチ状態となるとき、前記第1のPMOSトランジスタ及び第1のNMOSトランジスタが共にオフとなるように、これらトランジスタのゲート電位を固定する手段とを有し、
前記フリップフロップ回路は、前記第1のPMOSトランジスタおよび前記第1のNMOSトランジスタよりも面積の小さいトランジスタで構成したものである。
このように、トランスファ回路を構成する第2のNMOSトランジスタの出力と出力駆動用の第1のPMOSトランジスタのゲートを直接接続し、同トランスファ回路を構成する第2のPMOSトランジスタの出力と出力駆動用の第1のNMOSトランジスタのゲートを直接接続し、第2のNMOSトランジスタで第1のPMOSトランジスタを駆動し、第2のPMOSトランジスタで第1のNMOSトランジスタを駆動し、そして、出力端子に接続されているフリップフロップ回路を構成するトランジスタのサイズを、第1のPMOSトランジスタおよび第1のNMOSトランジスタのサイズよりも小さくしているので、従来に比べてデータリリース速度を高速にしている。
また、前記手段は、前記第1電位の電源と前記第1のPMOSトランジスタとの間に接続され前記クロック信号を入力する第3のPMOSトランジスタと、前記第2の電位の電源と前記第1のNMOSトランジスタとの間に接続されそのゲートに前記クロック信号の反転信号が入力される第3のNMOSトランジスタで構成している。
【0009】
また、スレーブラッチ回路の1構成例は、第2のNMOSトランジスタと並列に接続され、そのゲートにクロック信号を反転させた信号が入力される第4のPMOSトランジスタと、第2のPMOSトランジスタと並列に接続され、そのゲートにクロック信号が入力される第4のNMOSトランジスタとを更に備えるものである。第4のPMOSトランジスタを設けることにより、オフ状態の第1のPMOSトランジスタのゲート電位を第1電位に固定することができる。第4のNMOSトランジスタを設けることにより、オフ状態の第1のNMOSトランジスタのゲート電位を第2電位に固定することができる。
また、スレーブラッチ回路の1構成例は、スレーブラッチ回路の入力端子にコンデンサを設けたものである。これにより、第2のNMOSトランジスタ(M3)及び第2のPMOSトランジスタ(M4)のソース電位の過渡的な浮き上がり若しくは沈み込みを抑えることができる。
また、スレーブラッチ回路の1構成例は、第2のNMOSトランジスタと並列に接続された第4のPMOSトランジスタと、第2のPMOSトランジスタと並列に接続された第4のNMOSトランジスタとを更に備え、第4のPMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタのゲートにマスターラッチ回路の出力信号の反転信号を入力したものである。これにより、クロック信号の負荷を増加させることなく、オフ状態の第1のPMOSトランジスタのゲート電位を第1電位に固定することができ、クロック信号の負荷を増加させることなく、オフ状態の第1のNMOSトランジスタのゲート電位を第2電位に固定することができる。
【0011】
また、本発明のラッチ回路は、第1電位の電源と出力端子との間に設けられた第1のPMOSトランジスタと、
前記第1電位より低い第2電位の電源と前記出力端子との間に設けられた第1のNMOSトランジスタと、
クロック信号の反転入力端子と前記第1のPMOSトランジスタのゲートとの間に設けられ、並列接続された第2のNMOSトランジスタと第2のPMOSトランジスタとからなる第1のトランスファ回路と、
前記クロック信号の入力端子と前記第1のNMOSトランジスタのゲートとの間に設けられ、並列接続された第3のNMOSトランジスタと第3のPMOSトランジスタとからなる第2のトランスファ回路と、
前記第1電位の電源と前記第1のPMOSトランジスタのゲートとの間に設けられた第4のPMOSトランジスタと、
前記第2電位の電源と前記第1のNMOSトランジスタのゲートとの間に設けられた第4のNMOSトランジスタと、
前記出力端子に接続されたデータホールド用のフリップフロップ回路と、を備え、
前記第2のNMOSトランジスタ、前記第2のPMOSトランジスタ、前記第4のPMOSトランジスタ及び前記第4のNMOSトランジスタの各ゲートには入力データを与え、前記第2のPMOSトランジスタ及び前記第3のNMOSトランジスタの各ゲートには入力データを反転させた信号を与え、
前記フリップフロップ回路は、前記第1、第2、第3、第4のNMOSトランジスタおよび前記第1、第2、第3、第4のPMOSトランジスタより小面積のトランジスタで構成したものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
[実施の形態の1]
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態となるレジスタ回路の回路図である。
図1のレジスタ回路は、マスターラッチ回路1と、スレーブラッチ回路2とから構成される。
【0013】
スレーブラッチ回路2は、クロック信号CLKを論理反転させるインバータINV1と、ソースに電源電圧VCCが与えられ、ドレインがスレーブラッチ回路2の出力端子に接続されたPMOSトランジスタM1と、ソースが接地され、ドレインがスレーブラッチ回路2の出力端子に接続されたNMOSトランジスタM2と、ゲートにクロック信号CLKが与えられ、ソースがスレーブラッチ回路2の入力端子(マスターラッチ回路1の出力端子)と接続され、ドレインがトランジスタM1のゲートと接続されたNMOSトランジスタM3と、ゲートにクロック信号CLKを論理反転させた信号が与えられ、ソースがスレーブラッチ回路2の入力端子と接続され、ドレインがトランジスタM2のゲートと接続されたPMOSトランジスタM4と、ゲートにクロック信号CLKが与えられ、ソースに電源電圧VCCが与えられ、ドレインがトランジスタM1のゲート及びトランジスタM3のドレインと接続されたPMOSトランジスタM5と、ゲートにクロック信号CLKを論理反転させた信号が与えられ、ソースが接地され、ドレインがトランジスタM2のゲート及びトランジスタM4のドレインと接続されたNMOSトランジスタM6と、入力がスレーブラッチ回路2の出力端子と接続されたインバータINV2と、入力がインバータINV2の出力と接続され、出力がスレーブラッチ回路2の出力端子と接続されたインバータINV3とを有している。
【0014】
PMOSトランジスタM1とNMOSトランジスタM2は、出力駆動用のインバータを構成しており、トランジスタM1,M2の共通ドレインがレジスタ回路(スレーブラッチ回路2)の出力端子となっている。
インバータINV2,INV3は、データホールド用のフリップフロップを構成している。このインバータINV2,INV3を構成する各トランジスタ(不図示)のサイズは、トランジスタM1,M2,M3,M4,M5,M6のサイズよりも十分に小さいサイズとする。
【0015】
次に、図1のレジスタ回路の動作を説明する。
マスターラッチ回路1は、クロック信号CLKが「H」レベルのとき入力データINの値を保持し(ラッチ)、クロック信号CLKが「L」レベルのとき入力データINの値を通過させる(スルー)。なお、マスターラッチ回路1は、入力データINの値を論理反転して出力する。
そして、スレーブラッチ回路2は、クロック信号CLKが「H」レベルのときマスターラッチ回路1の出力データの値を通過させ(スルー)、クロック信号CLKが「L」レベルのときマスターラッチ回路1の出力データの値を保持する(ラッチ)。
【0016】
クロック信号CLKが「H」レベルのとき、スレーブラッチ回路2では、トランジスタM5,M6が共にオフとなり、トランジスタM3若しくはM4のいずれかがマスターラッチ回路1の出力データに応じてオンする。
【0017】
マスターラッチ回路1の出力データが「L」の場合には、NMOSトランジスタM3がオン、PMOSトランジスタM4がオフとなる。これにより、出力駆動用のPMOSトランジスタM1のゲートが「L」となって、トランジスタM1がオンし(トランジスタM2はオフ)、レジスタ回路の出力データOUTが「H」レベルとなる。
【0018】
一方、マスターラッチ回路1の出力データが「H」の場合には、NMOSトランジスタM3がオフ、PMOSトランジスタM4がオンとなる。これにより、出力駆動用のNMOSトランジスタM2のゲートが「H」となって、トランジスタM2がオンし(トランジスタM1はオフ)、レジスタ回路の出力データOUTが「L」レベルとなる。
【0019】
なお、インバータINV2,INV3で構成されるフリップフロップは、出力データOUTをホールドするラッチ回路として働くため、出力データOUTの反転時にはこのデータ反転を妨げる方向に働くが、インバータINV2,INV3を構成している各トランジスタを非常に小さいサイズとしているため、このフリップフロップのデータホールド能力は十分に小さい。したがって、トランジスタM1若しくはM2のオンにより、出力データOUTの値は確定する。
【0020】
次に、クロック信号CLKが「L」レベルのとき、スレーブラッチ回路2では、トランジスタM3,M4が共にオフとなり、トランジスタM5,M6が共にオンとなるので、PMOSトランジスタM1のゲートが「H」、NMOSトランジスタM2のゲートが「L」となる。これにより、トランジスタM1,M2が共にオフとなるので、スレーブラッチ回路2の出力端子がハイインピーダンス状態となる。
【0021】
したがって、スレーブラッチ回路2の出力端子に接続されたデータホールド用のフリップフロップ(INV2,INV3)がその時点で出力端子に残されていたデータを維持する。
【0022】
クロック信号CLKが「L」から「H」に変化するエッジをトリガにしてデータを取り込むのがレジスタ回路の目的であり、その際のレジスタからの出力速度は、クロック信号CLKが「H」に変化してから出力データOUTが出力されるまでの遅延時間で決まる。
【0023】
本実施の形態では、クロック信号CLKが「H」レベルになると、トランジスタM3若しくはM4の一方がオンし、その先のトランジスタM1若しくはM2がオンする動作となる。
これに対して、図7に示す従来のレジスタ回路では、トランジスタM21とM22で駆動インバータINV22内のPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタのゲートを駆動し、駆動インバータINV22のスイッチング時間を通してデータが出力されることになる。
【0024】
従来のレジスタ回路と比較すると、本実施の形態では、トランジスタM3若しくはM4によって駆動インバータのPMOSトランジスタM1若しくはNMOSトランジスタM2の一方のゲートのみを駆動するだけとなる。
【0025】
従来のレジスタ回路では、トランジスタM21,M22の両方でインバータINV22を駆動するように見える。しかし、マスターラッチ回路21の出力データが「H」の場合は、PMOSトランジスタM21が駆動能力のほとんどを受け持ち、同出力データが「L」の場合は、NMOSトランジスタM22が駆動能力のほとんどを受け持つので、トランジスタM21若しくはM22の一方がインバータINV22内のPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタを駆動することになり、本実施の形態と比べてトランスファ回路での駆動能力はあまり向上しない。
【0026】
よって、出力駆動用インバータのPMOSトランジスタM1若しくはNMOSトランジスタM2の一方のゲートのみを駆動する本実施の形態のレジスタ回路によれば、高速動作が可能となる。
次に、出力駆動用インバータのスイッチングについて説明する。図7に示す従来のレジスタ回路では、インバータINV22内のPMOSトランジスタとNMOSトランジスタの一方がオンするときにもう一方がオンからオフに向かう。この切り換わりの途中では両方のトランジスタがオンする期間が存在し、その引っ張り合いで決まる出力反転しきい値は通常VCC/2とされる(VCCは電源電圧)。
【0027】
しかし、本実施の形態では、接地電位からしきい値(0.5V程度)だけゲート電位が上昇すればNMOSトランジスタM2がオンし、VCCからしきい値だけゲート電位が低下すればPMOSトランジスタM1がオンするので、出力端子に素早くデータを出力することができる。
このとき、データホールド用のフリップフロップがデータ反転を妨げる方向に働くが、フリップフロップのデータホールド能力は十分に小さいので、フリップフロップによる遅延時間はほとんど無視できる。
【0028】
以上の2つの効果で、クロック信号入力(本実施の形態では立ち上がりのエッジ入力)に応じて出力データOUTが確定する速度、すなわちデータリリース速度は10〜20%改善される。
同時に、サイズの大きな出力駆動用インバータのゲート負荷を一方しかドライブしない点と、出力駆動用インバータを構成するPMOSトランジスタM1とNMOSトランジスタM2の両方がオンする期間が存在しない点から消費電流の低減も可能となる。
【0029】
また、クロック信号CLKから見たときの負荷や回路レイアウト上の面積も従来のレジスタ回路と差が無いことが分かる(データホールド用フリップフロップのインバータINV2,INV3の分だけ素子数は2個増えるが、面積比率は出力駆動用インバータM1,M2とその前段のトランスファ回路M3,M4が支配的なので差としては無視できる)。
【0030】
[実施の形態の2]
図2は、本発明の第2の実施の形態となるレジスタ回路の回路図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態のスレーブラッチ回路2aは、図1のスレーブラッチ回路2に対して、PMOSトランジスタM1のゲートを駆動するNMOSトランジスタM3に並列接続したPMOSトランジスタM7と、NMOSトランジスタM2のゲートを駆動するPMOSトランジスタM4に並列接続したNMOSトランジスタM8とを追加している。
【0031】
トランジスタM7のソース,ドレインは、トランジスタM3のソース,ドレインと接続され、トランジスタM8のソース,ドレインは、トランジスタM4のソース,ドレインと接続されている。
そして、トランジスタM7のゲートには、クロック信号CLKを論理反転させた信号が与えられ、トランジスタM8のゲートには、クロック信号CLKが与えられる。
【0032】
次に、PMOSトランジスタM7とNMOSトランジスタM8の働きを説明する。トランジスタM7,M8は、クロック信号CLKが「H」レベルとなって、マスターラッチ回路1の出力データをスレーブラッチ回路2aからスルーで出力しているとき、オフ状態となっている出力駆動用のトランジスタM1若しくはM2のゲート電位を補正するものである。
【0033】
前述のように、クロック信号CLKが「H」レベルで、マスターラッチ回路1の出力データが「L」の場合には、PMOSトランジスタM1がオンして、レジスタ回路の出力データOUTが「H」レベルとなる。このとき、NMOSトランジスタM8がオンすることにより、オフ状態のNMOSトランジスタM2のゲート電位が接地電位に固定される。
【0034】
実施の形態の1では、このようなトランジスタM8が省略されているが、その場合はPMOSトランジスタM4がオフとなっている範囲で、NMOSトランジスタM2のゲート電位がフローティングとなる。その範囲は、接地電位〜PMOSトランジスタM4のしきい値電圧まで(0〜約0.5V)なので、NMOSトランジスタM2のしきい値電圧以下であれば問題無い。
【0035】
しかし、PMOSトランジスタM4のソースの電位が電源電圧VCCより低い動作条件では、しきい値は絶対値として増加してみえるので、NMOSトランジスタM2のゲート電位がしきい値を若干超える可能性がある。
NMOSトランジスタM2のオフ状態の不確実性による微小リーク電流が設計上許容できない場合は、本実施の形態のように、トランジスタM8を追加することにより、NMOSトランジスタM2のオフ状態を確実にすることができる。
【0036】
一方、PMOSトランジスタM7についても同様である。すなわち、クロック信号CLKが「H」レベルで、マスターラッチ回路1の出力データが「H」の場合には、NMOSトランジスタM2がオンして、レジスタ回路の出力データOUTが「L」レベルとなる。このとき、PMOSトランジスタM7がオンすることにより、オフ状態のPMOSトランジスタM1のゲート電位がVCCに固定される。
【0037】
上記と同様に、PMOSトランジスタM1のオフ状態の不確実性による微小リーク電流が設計上許容できない場合は、本実施の形態のように、トランジスタM7を追加することにより、PMOSトランジスタM1のオフ状態を確実にすることができる。
【0038】
なお、トランジスタM1,M2のゲート電位を固定することが目的なので、トランジスタM7,M8のサイズは、トランジスタM1,M2,M3,M4,M5,M6よりも小さいサイズで十分である。トランジスタM7,M8のサイズを小さくすることにより、これらを追加したことによる動作速度の低下の影響は微小で済む。
【0039】
[実施の形態の3]
図3は、本発明の第3の実施の形態となるレジスタ回路の回路図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態のスレーブラッチ回路2bは、スレーブラッチ回路2bの入力端子(マスターラッチ回路1の出力端子)と並列に高速化のためのコンデンサCを設けたものであり、その他の構成は図1のスレーブラッチ回路2と全く同じである。
【0040】
出力駆動用インバータを構成するPMOSトランジスタM1、NMOSトランジスタM2のゲートを駆動するためには、クロック信号CLKをゲート入力したNMOSトランジスタM3、PMOSトランジスタM4をオンさせればよいが、これらをオンさせるときの速度はトランジスタM3,M4のオン能力がどれくらい高いかで決まる。
【0041】
例えば、NMOSトランジスタM3をオンさせようとした場合、その過程で生じる放電電流により、NMOSトランジスタM3のソースの電位が浮き上がる。このソース電位の浮き上がりはゲート電圧が低下することを意味するので、このソース電位の浮き上がりをできるだけ抑えることが高速化に効果がある。
【0042】
同様に、PMOSトランジスタM4をオンさせようとした場合、PMOSトランジスタM4のソースの電位が沈み込むので、このソース電位の沈み込みをできるだけ抑えることが高速化に効果がある。
【0043】
そこで、本実施の形態では、トランジスタM3,M4のソース電位の過渡的な浮き上がり若しくは沈み込みを抑えるために、スレーブラッチ回路2bの入力端子(マスターラッチ回路1の出力端子)と並列にコンデンサCを接続し、ここから充放電の電荷を供給するようにしている。
こうして、データリリース速度を、実施の形態の1よりも高速化することができる。
【0044】
[実施の形態の4]
図4は、本発明の第4の実施の形態となるレジスタ回路の回路図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態のスレーブラッチ回路2cは、図1のスレーブラッチ回路2に対して、PMOSトランジスタM1のゲートを駆動するNMOSトランジスタM3に並列接続したPMOSトランジスタM9と、NMOSトランジスタM2のゲートを駆動するPMOSトランジスタM4に並列接続したNMOSトランジスタM10と、マスターラッチ回路1の出力データを論理反転させるインバータINV4とを追加している。
【0045】
トランジスタM9のソース,ドレインは、トランジスタM3のソース,ドレインと接続され、トランジスタM10のソース,ドレインは、トランジスタM4のソース,ドレインと接続されている。そして、トランジスタM9,M10のゲートは、インバータINV4の出力と接続されている。
【0046】
実施の形態の2では、マスターラッチ回路1の出力データをスレーブラッチ回路からスルーで出力しているときに、オフ状態となっている出力駆動用のトランジスタM1若しくはM2のゲート電位を補正したが、本実施の形態のトランジスタM9,M10及びINV4は、実施の形態の2と同様の効果を得ることを目的としている。
【0047】
前述のように、クロック信号CLKが「H」レベルで、マスターラッチ回路1の出力データが「L」の場合には、PMOSトランジスタM1がオンして、レジスタ回路の出力データOUTが「H」レベルとなる。
このとき、インバータINV4の出力が「H」レベルとなるので、NMOSトランジスタM10がオンして、オフ状態のNMOSトランジスタM2のゲート電位が接地電位に固定される。
【0048】
一方、クロック信号CLKが「H」レベルで、マスターラッチ回路1の出力データが「H」の場合には、NMOSトランジスタM2がオンして、レジスタ回路の出力データOUTが「L」レベルとなる。
このとき、インバータINV4の出力が「L」レベルとなるので、PMOSトランジスタM9がオンして、オフ状態のPMOSトランジスタM1のゲート電位がVCCに固定される。
【0049】
実施の形態の2では、クロック信号CLKでゲートが駆動されるトランジスタM7,M8を追加したことにより、実施の形態の1に比べてクロック信号CLKの負荷が増加している。
これに対して、本実施の形態では、トランジスタM9,M10をクロック信号CLKで駆動しないので、クロック信号CLKの負荷が増加しない。したがって、トランジスタM9,M10を追加しても、データリリース速度には影響を与えない。
【0050】
ただし、実施の形態の2と比較してインバータINV4の追加が必要となる。素子数と速度とを考慮して、実施の形態の2と本実施の形態のどちらを選択するのが良いかは設計者が判断できる。
【0051】
[実施の形態の5]
図5は、本発明の第5の実施の形態となるラッチ回路の回路図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態は、ラッチ回路単体で使用する場合に高速データリリースを可能にする例を示すものである。
【0052】
図5のラッチ回路2dは、出力駆動用のPMOSトランジスタM1と、出力駆動用のNMOSトランジスタM2と、ゲートに入力データINが与えられ、ソースにクロック信号CLKを論理反転させた信号バーCLKが与えられ、ドレインがPMOSトランジスタM1のゲートと接続されたNMOSトランジスタM3aと、ゲートに入力データINが与えられ、ソースにクロック信号CLKが与えられ、ドレインがNMOSトランジスタM2のゲートと接続されたPMOSトランジスタM4aと、ゲートに入力データINが与えられ、ソースに電源電圧VCCが与えられ、ドレインがトランジスタM1のゲート及びトランジスタM3aのドレインと接続されたPMOSトランジスタM5aと、ゲートに入力データINが与えられ、ソースが接地され、ドレインがトランジスタM2のゲート及びトランジスタM4aのドレインと接続されたNMOSトランジスタM6aと、インバータINV2,INV3と、入力データINを論理反転させるインバータINV4と、ゲートがインバータINV4の出力と接続され、ソース,ドレインがトランジスタM3aのソース,ドレインと接続されたPMOSトランジスタM9aと、ゲートがインバータINV4の出力と接続され、ソース,ドレインがトランジスタM4aのソース,ドレインと接続されたNMOSトランジスタM10aとを有している。
【0053】
インバータINV2,INV3が、データホールド用のフリップフロップを構成し、このインバータINV2,INV3を構成する各トランジスタのサイズが、トランジスタM1,M2,M3a,M4a,M5a,M6a,M9a,M10aのサイズよりも小さいことは実施の形態の1と同様である。
【0054】
このラッチ回路2dは、クロック信号CLKが「H」レベル、反転信号バーCLKが「L」レベルのとき、入力データINの値を通過させ(スルー)、クロック信号CLKが「L」レベル、反転信号バーCLKが「H」レベルのとき、入力データINの値を保持する(ラッチ)。
【0055】
クロック信号CLKが「H」レベル(バーCLKが「L」)で、入力データINが「L」の場合には、NMOSトランジスタM3aがオフ、PMOSトランジスタM4aがオン、PMOSトランジスタM5aがオン、NMOSトランジスタM6aがオフ、PMOSトランジスタM9aがオフ、NMOSトランジスタM10aがオフとなる。これにより、出力駆動用のNMOSトランジスタM2がオンし(PMOSトランジスタM1はオフ)、ラッチ回路2dの出力データOUTが「L」レベルとなる。
【0056】
一方、クロック信号CLKが「H」レベルで、入力データINが「H」の場合には、NMOSトランジスタM3aがオン、PMOSトランジスタM4aがオフ、PMOSトランジスタM5aがオフ、NMOSトランジスタM6aがオン、PMOSトランジスタM9aがオフ、NMOSトランジスタM10aがオフとなる。これにより、出力駆動用のPMOSトランジスタM1がオンし(NMOSトランジスタM2はオフ)、ラッチ回路2dの出力データOUTが「H」レベルとなる。
【0057】
つまり、本実施の形態では、入力データINによりトランジスタM3a,M4aのうち一方をオンにし、もう一方をオフにすると共に、このオフとなったトランジスタと同じ側にある出力駆動用トランジスタがオフ固定となるようにトランジスタM5a若しくはM6aをオンにする。
【0058】
次に、クロック信号CLKが「L」レベル(バーCLKが「H」)で、入力データINが「L」の場合には、トランジスタM3a,M4a,M6a,M9aがオフ、トランジスタM5a,M10aがオンとなる。これにより、トランジスタM1,M2が共にオフとなり、ラッチ回路2dの出力端子がハイインピーダンス状態となる。したがって、ラッチ回路2dの出力端子に接続されたデータホールド用のフリップフロップ(INV2,INV3)がその時点で出力端子に残されていたデータ「L」を維持する。
【0059】
また、クロック信号CLKが「L」レベルで、入力データINが「H」の場合には、トランジスタM3a,M4a,M5a,M10aがオフ、トランジスタM6a,M9aがオンとなる。これにより、トランジスタM1,M2が共にオフとなり、データホールド用のフリップフロップ(INV2,INV3)がその時点で出力端子に残されていたデータ「H」を維持する。
【0060】
ラッチ回路2dのデータリリース速度は、クロック信号CLKが「H」(バーCLKが「L」)に変化してから出力データOUTが出力されるまでの遅延時間で決まる。
本実施の形態のラッチ回路2dでは、クロック信号の反転信号バーCLKを第1のトランスファ回路(トランジスタM3a,M9a)のソースに直接入力すると共に、クロック信号CLKを第2のトランスファ回路(トランジスタM4a,M10a)のソースに直接入力しているため、高速化が可能となる。
【0061】
また、クロック信号の反転信号バーCLKをインバータで生成していないため、更なる高速化が可能となる。ただし、実施の形態の1〜4と同様に、バーCLKをインバータで生成してもよい。
【0062】
なお、実施の形態の1〜4のスレーブラッチ回路では、スルー時に出力駆動用トランジスタM1,M2がインバータとして働くため、マスターラッチ回路1の出力データを論理反転して出力していた。これに対し、本実施の形態のラッチ回路2dでは、出力駆動用トランジスタM1,M2がバッファとして働くため、入力データINの値をそのまま出力する。
【0063】
また、本実施の形態のラッチ回路2dにおいて、入力データINとクロック信号CLK(バーCLK)の配線を入れ替えてもよい。この場合には、スルー状態において、入力データINが入力されてから出力データOUTが出力されるまでの遅延時間を短縮することができる。
【0064】
[実施の形態の6]
図6は、本発明の第6の実施の形態となるレジスタ回路の回路図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態のスレーブラッチ回路2eは、図1のスレーブラッチ回路2に対して、フリップフロップの出力(インバータINV3の出力)とスレーブラッチ回路2eの出力端子との間に、PMOSトランジスタM11とNMOSトランジスタM12を並列に接続したトランスファ回路を追加したものである。
【0065】
そして、PMOSトランジスタM11のゲートにクロック信号CLKを与え、NMOSトランジスタM12のゲートにクロック信号CLKを論理反転させた信号を与えている。
トランジスタM11,M12からなるトランスファ回路は、データホールド用のフリップフロップ(INV2,INV3)により出力データ変化時に流れる若干の貫通電流を完全にカットすることを目的としている。
【0066】
つまり、スレーブラッチ回路2eがスルー状態になるとき、トランスファ回路をオフにする。これにより、出力駆動用のトランジスタM1,M2で出力データOUTを確定している間、データホールド用のフリップフロップは機能しないことになる。したがって、出力データOUTを出力する時点で、貫通電流の心配も一切無くなる。ただし、クロック信号CLKとその反転信号バーCLKに負荷が若干増えるデメリットがある。
【0067】
【発明の効果】
本発明によれば、トランスファ回路を構成する第2のNMOSトランジスタの出力と出力駆動用の第1のPMOSトランジスタのゲートを直接接続し、同トランスファ回路を構成する第2のPMOSトランジスタの出力と出力駆動用の第1のNMOSトランジスタのゲートを直接接続し、第2のNMOSトランジスタで第1のPMOSトランジスタを駆動し、第2のPMOSトランジスタで第1のNMOSトランジスタを駆動する。これにより、データリリース速度を高速化することができる。また、サイズの大きな第1のPMOSトランジスタ及び第1のNMOSトランジスタのゲート負荷を一方しかドライブしない点と、これらのトランジスタが共にオンする期間が存在しない点から消費電流の低減も可能となる。
【0068】
また、フリップフロップの出力とレジスタ回路の出力端子との間に、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタを並列に接続したトランスファ回路を設けることにより、データホールド用のフリップフロップにより出力データ変化時に流れる貫通電流を完全にカットすることができる。
【0069】
また、第3のPMOSトランジスタを設けることにより、オフ状態の第1のPMOSトランジスタのゲート電位を第1電位に固定することができ、第1のPMOSトランジスタのオフ状態を確実にすることができる。
【0070】
また、第3のPMOSトランジスタのゲートにクロック信号を反転させた信号を与える代わりに、マスターラッチ回路の出力データを反転させた信号を与えることにより、クロック信号の負荷を増加させることなく、すなわちデータリリース速度に影響を与えることなく、第1のPMOSトランジスタのオフ状態を確実にすることができる。
【0071】
また、第3のNMOSトランジスタを設けることにより、オフ状態の第1のNMOSトランジスタのゲート電位を第2電位に固定することができ、第1のNMOSトランジスタのオフ状態を確実にすることができる。
【0072】
また、第3のNMOSトランジスタのゲートにクロック信号を与える代わりに、マスターラッチ回路の出力データを反転させた信号を与えることにより、クロック信号の負荷を増加させることなく、すなわちデータリリース速度に影響を与えることなく、第1のNMOSトランジスタのオフ状態を確実にすることができる。
【0073】
また、スレーブラッチ回路の入力端子と並列にコンデンサを設けることにより、第2のNMOSトランジスタ及び第2のPMOSトランジスタのソース電位の過渡的な浮き上がり若しくは沈み込みを抑えることができ、データリリース速度を更に高速化することができる。
【0074】
また、ラッチ回路を、第1のPMOSトランジスタ、第1のNMOSトランジスタ、第2のNMOSトランジスタと第2のPMOSトランジスタとからなる第1のトランスファ回路、第3のNMOSトランジスタと第3のPMOSトランジスタとからなる第2のトランスファ回路、第4のPMOSトランジスタ、第4のNMOSトランジスタから構成することにより、ラッチ回路のデータリリース速度を高速化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態となるレジスタ回路の回路図である。
【図2】 本発明の第2の実施の形態となるレジスタ回路の回路図である。
【図3】 本発明の第3の実施の形態となるレジスタ回路の回路図である。
【図4】 本発明の第4の実施の形態となるレジスタ回路の回路図である。
【図5】 本発明の第5の実施の形態となるラッチ回路の回路図である。
【図6】 本発明の第6の実施の形態となるレジスタ回路の回路図である。
【図7】 従来のレジスタ回路の回路図である。
【符号の説明】
1…マスターラッチ回路、2、2a、2b、2c、2e…スレーブラッチ回路、2d…ラッチ回路、C…コンデンサ、INV1、INV2、INV3、INV4…インバータ、M2、M3、M6、M8、M10、M3a、M10a、M11…NMOSトランジスタ、M1、M4、M5、M7、M9、M4a、M9a、M12…PMOSトランジスタ。
Claims (6)
- マスターラッチ回路と、前記マスターラッチ回路からの出力をラッチして出力端子に出力するスレーブラッチ回路とを備えたレジスタ回路において、
前記スレーブラッチ回路は、前記出力端子に接続されたフリップフロップ回路と、
第1電位の電源と前記出力端子との間に設けられた第1のPMOSトランジスタと、
前記第1電位より低い第2電位の電源と前記出力端子との間に設けられた第1のNMOSトランジスタと、
前記マスターラッチ回路の出力と前記第1のPMOSトランジスタのゲートとの間に設けられクロック信号がそのゲートに印加される第2のNMOSトランジスタと、
前記マスターラッチ回路の出力と前記第1のNMOSトランジスタのゲートとの間に設けられ前記クロックの反転信号がそのゲートに印加される第2のPMOSトランジスタと、
前記スレーブラッチ回路がラッチ状態となるとき、前記第1のPMOSトランジスタ及び第1のNMOSトランジスタが共にオフとなるように、これらトランジスタのゲート電位を固定する手段とを有し、
前記フリップフロップ回路は、前記第1のPMOSトランジスタおよび前記第1のNMOSトランジスタよりも面積の小さいトランジスタで構成されていることを特徴とするレジスタ回路。 - 前記手段は、前記第1電位の電源と前記第1のPMOSトランジスタとの間に接続され前記クロック信号を入力する第3のPMOSトランジスタと、前記第2の電位の電源と前記第1のNMOSトランジスタとの間に接続されそのゲートに前記クロック信号の反転信号が入力される第3のNMOSトランジスタとを備えていることを特徴とする請求項1に記載のレジスタ回路。
- 前記第2のNMOSトランジスタと並列に接続されそのゲートに前記クロックの反転信号が入力される第4のPMOSトランジスタと、前記第2のPMOSトランジスタと並列に接続されそのゲートに前記クロック信号が入力される第4のNMOSトランジスタと、を更に備えたことを特徴とする請求項2に記載のレジスタ回路。
- 前記マスターラッチ回路の出力にコンデンサを設けたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のレジスタ回路。
- 前記第2のNMOSトランジスタと並列に接続された第4のPMOSトランジスタと、前記第2のPMOSトランジスタと並列に接続された第4のNMOSトランジスタとを更に備え、前記第4のPMOSトランジスタおよび前記第4のNMOSトランジスタのゲートに前記マスターラッチ回路の出力信号の反転信号を入力したことを特徴とする請求項2に記載のレジスタ回路。
- 第1電位の電源と出力端子との間に設けられた第1のPMOSトランジスタと、
前記第1電位より低い第2電位の電源と前記出力端子との間に設けられた第1のNMOSトランジスタと、
クロック信号の反転入力端子と前記第1のPMOSトランジスタのゲートとの間に設けられ、並列接続された第2のNMOSトランジスタと第2のPMOSトランジスタとからなる第1のトランスファ回路と、
前記クロック信号の入力端子と前記第1のNMOSトランジスタのゲートとの間に設けられ、並列接続された第3のNMOSトランジスタと第3のPMOSトランジスタとからなる第2のトランスファ回路と、
前記第1電位の電源と前記第1のPMOSトランジスタのゲートとの間に設けられた第4のPMOSトランジスタと、
前記第2電位の電源と前記第1のNMOSトランジスタのゲートとの間に設けられた第4のNMOSトランジスタと、
前記出力端子に接続されたデータホールド用のフリップフロップ回路と、を備え、
前記第2のNMOSトランジスタ、前記第2のPMOSトランジスタ、前記第4のPMOSトランジスタ及び前記第4のNMOSトランジスタの各ゲートには入力データを与え、前記第2のPMOSトランジスタ及び前記第3のNMOSトランジスタの各ゲートには入力データを反転させた信号を与え、
前記フリップフロップ回路は、前記第1、第2、第3、第4のNMOSトランジスタおよび前記第1、第2、第3、第4のPMOSトランジスタより小面積のトランジスタで構成されていることを特徴とするラッチ回路。
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