JP3821308B2 - 半導体メモリ装置の入力バッファ - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は半導体メモリ装置で使用される入力バッファに関し、特に、BiCMOS回路を利用して高速で動作する入力バッファに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体メモリ装置においては、メモリ外部から供給されるTTL信号をCMOS論理信号に変換するための入力バッファが、外部入力信号を受ける多数の入力端子ごとに使用されている。この入力バッファにおいて、現在までの半導体技術の進歩にも関わらず未だ改善すべき課題が残っている。例えば、入力バッファの特性に重要な要因である電源電圧レベルや工程条件及び温度の変化等の外部環境に敏感に反応する入力トリップレベル(input trip level)の変動である。この入力トリップレベルの変動は、入力バッファの動作速度すなわち応答速度を低下させ、特に高速動作を追及したBiCMOSメモリ、例えばBiCMOS−SRAMでは全体的な動作速度に大きく影響してくる。また、TTL入力レベルの若干の電圧スイング(voltage swing)に因る待機時の不必要な電力消耗という問題もあるが、これについては入力側のインバータを活性化信号を利用して制御することによって現在では解決可能になっている。
【0003】
図5に、BiCMOS技術を利用した典型的な従来の入力バッファを示す。この図5のような回路については、米国特許第5,047,670号や第5,225,717号に同様のものが開示されている。
【0004】
直列ステージを構成する2つのインバータからなる一般の入力バッファと同様に、図5に示す入力バッファは、第1インバータステージ10と第2インバータステージ20とから構成されている。
【0005】
第1インバータステージ10において、接地電圧Vssをゲートに受けるpチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタ(以下、“pチャネルトランジスタ”とする)MPRは、電源電圧Vccにより流れる電流を外部入力信号XSをゲートに受けるpチャネルトランジスタMPSのソースに供給する。そして、ノード112は、npnバイポーラトランジスタQ1のベースと接続され、pチャネルトランジスタMPS及びnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタ(以下、“nチャネルトランジスタという)MNSのゲーティング状態に従う電圧を有するノードである。
【0006】
外部入力信号XSによりゲート制御されるpチャネルトランジスタMPSとnチャネルトランジスタMNSとは互いに異なるチャネルサイズを有している。実際に外部入力信号XSは0〜3Vの電圧スイング幅を有し、それに対してノード112では0V〜Vccの電圧スイング幅が現れる。また、pチャネルトランジスタMPSは物理的特性上、電源電圧Vccの変動に敏感なので、一般的にpチャネルトランジスタMPSのチャネル幅はnチャネルトランジスタMNSのチャネル幅より小さく設計される。
【0007】
外部入力信号XSが論理“ロウ”に遷移すると、pチャネルトランジスタMPSの導通によりノード112の電圧は電源電圧Vccレベルとなり、それによりnpnバイポーラトランジスタQ1が導通して第1インバータステージ10の出力ノード113は論理“ハイ”となる。この論理“ハイ”の第1インバータステージ10の出力信号がnチャネルトランジスタMN1のゲートに印加されると、第2インバータステージ20ではプルダウン用のnpnバイポーラトランジスタQ3が導通することにより、内部信号Sが論理“ロウ”で出力される。このとき、内部信号Sに対するプルアップ用のnpnバイポーラトランジスタQ2のベースには、pチャネルトランジスタMP1及びnチャネルトランジスタMN3で構成されるインバータにより論理“ロウ”の信号が印加されるので、npnバイポーラトランジスタQ2は非導通となる。
【0008】
一方、論理“ハイ”の第1インバータステージ10の出力信号はまた、pチャネルトランジスタMP2及びnチャネルトランジスタMN4で構成されるインバータを通じて論理“ロウ”に反転されてから、pチャネルトランジスタMP3及びnチャネルトランジスタMN5で構成されるインバータとnチャネルトランジスタMN6のゲートとに印加される。それにより、プルアップ用のnpnバイポーラトランジスタQ4のベースに論理“ハイ”の信号が供給されるので、npnバイポーラトランジスタQ4が導通して論理“ハイ”の逆相(negative-phase)内部信号SBが発生する。このとき、非導通となるnチャネルトランジスタMN6と導通するnチャネルトランジスタMN7により、プルダウン用のnpnバイポーラトランジスタQ5は非導通とされる。
【0009】
このような入力バッファの動作において、電源電圧Vccのレベルが変動すると外部入力信号XSに対するノード112の応答状態が変化する。図6は、0V〜3Vでスイングする外部入力信号XSに対するノード112の応答電圧の波形を示すグラフである。波形V112xは、電源電圧4.2V、温度100℃の第1条件における外部入力信号XSに対するノード112の応答電圧波形を示し、波形V112yは、電源電圧5.8V、温度100℃の第2条件における外部入力信号XSに対するノード112の応答電圧波形を示す。
【0010】
外部入力信号XSが論理“ハイ”から論理“ロウ”に遷移する場合において、電源電圧Vccが増加するとpチャネルトランジスタMPSのソース側の電圧が増加し、その結果、pチャネルトランジスタMPSのゲート−ソース間電圧|VGS|の値が大きくなる。したがって、論理“ハイ”のレベルを2.4V以上とすると、第2条件では外部入力信号XSが1.5V以下に下がる前の1.6V程度でノード112の電圧レベルが論理“ハイ”となる一方、第1条件では外部入力信号XSが1.5V以下の1.3V程度でノード112の電圧レベルが論理“ハイ”となる。すなわち、第1条件と第2条件でノード112のトリップレベルの差はΔVIN=0.3V程異なることが分かる。
【0011】
このように電源電圧の変動に敏感に現れる約0.3VのΔVINにより、外部入力信号XSが論理“ハイ”から論理“ロウ”に遷移するとき、電源電圧が上昇変動した場合(例えばVcc=5.8V)にはノード112の入力ロウ電圧(Input Low Voltage :以下“VIL”)応答が比較的速く、電源電圧が下降変動した場合(例えばVcc=4.2V)にはノード112のVIL応答が比較的遅くなる。同様に、外部入力信号XSが論理“ロウ”から論理“ハイ”に遷移するとき、電源電圧が上昇変動した場合には入力ハイ電圧(Input High Voltage:以下“VIH”)応答が比較的遅く、電源電圧が下降変動した場合にはVIH応答が比較的速くなる。このVIH・VIL応答特性の変動で、メモリ内のCMOS論理動作が電源電圧の変動により不安定になる。
【0012】
また、電源電圧が上昇した場合において、外部入力信号XSの電圧スイング幅とノード112での電圧スイング幅を調整するためにnチャネルトランジスタMNSに比べて小サイズに設計されたpチャネルトランジスタMPSの電流駆動能力が小さいことにより、外部入力信号XSに応答してノード112が論理“ハイ”へ遷移する遷移時間が遅くなることは不可避である。この遷移時間の遅れは、図5のような入力バッファはメモリに印加されるすべての外部入力信号に対して必要とされるので、高速動作設計されたメモリの動作速度を遅くする要因の中でかなりの比重を占める。例えば、外部入力信号XSがアドレス信号であれば、アドレス入力からデータ出力までの時間を示すtAAが電源電圧Vccレベルの変動によって遅くなる、あるいは一定しないようになる可能性がある。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来技術に着目して本発明では、電源電圧の変動に対して安定した出力特性を有する入力バッファの提供を目的とする。すなわち、電源電圧の変動に対する入力ハイ電圧及び入力ロウ電圧応答特性を安定させ、さらには、より高速動作を可能とした入力バッファを提供するものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明は、出力端にプルアップ用とプルダウン用の各バイポーラトランジスタを用いるようになった入力バッファにおいて、前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にドレイン−ソース通路が接続され、外部入力信号の反転信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のドレイン−ソース通路が遮断から接続に遷移する第1手段と、前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にソース−ドレイン通路が接続され、前記外部入力信号の反転信号を更に反転させた信号をゲートに受けるpチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するとき、前記第1手段の活性化後に、前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のソース−ドレイン通路が遮断から接続に遷移する第2手段と、プルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間にドレイン−ソース通路が接続され、前記外部入力信号の反転信号を更に反転させた信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記第1手段の活性化後に前記第2手段と相補的に動作して、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときプルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間のドレイン−ソース通路が接続から遮断に遷移する第3手段と、を備えたことを特徴とする。
【0016】
さらに、外部入力信号の論理状態に応答するインバータを入力端に備えると共に出力端にプルアップ用とプルダウン用の各バイポーラトランジスタを備えた入力バッファについて、電源電圧の変動に従う基準電圧により制御されて前記インバータへ定レベルの電源を供給する電源供給手段と、前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間に設けられ、外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとを接続する第1手段と、前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間に設けられ、外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するとき第1手段の活性化後に前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとを接続する第2手段と、第2手段と相補的に動作しプルダウン用バイポーラトランジスタのベースを接地する第3手段と、を備えたことを特徴とする。
【0017】
またさらに、プルアップ用及びプルダウン用の1対のバイポーラトランジスタを内部信号と逆相内部信号を出力する各出力端にそれぞれ備え、外部入力信号に応答して相補的な論理状態で内部信号及び逆相内部信号を発生するようになった入力バッファについて、前記内部信号出力端とこれに対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間に設けられ、外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに前記内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとを接続する第1手段と、前記内部信号出力端とこれに対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間に設けられ、外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するとき第1手段の活性化後に前記内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとを接続する第2手段と、第2手段と相補的に動作し前記内部信号出力端に対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースを接地する第3手段と、前記逆相内部信号出力端に対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間に設けられ、外部入力信号が第2状態から第1状態に遷移するときに当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースの接地端への電流経路を遮断する第4手段と、前記逆相内部信号出力端とこれに対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間に設けられ、外部入力信号が第2状態から第1状態に遷移するとき第4手段による電流経路遮断後に前記逆相内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとを接続する第5手段と、を備えたことを特徴とする。
【0018】
そして、外部入力信号の論理状態に応答するインバータを有し、プルアップ用及びプルダウン用の1対のバイポーラトランジスタを内部信号と逆相内部信号を出力する各出力端にそれぞれ備え、前記インバータによる信号に応答して相補的な論理状態で内部信号及び逆相内部信号を発生するようになった入力バッファについて、電源電圧の変動に従う基準電圧により制御されて前記インバータへ定レベルの電源を供給する電源供給手段と、外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに前記内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとを接続する第1手段と、前記内部信号出力端とこれに対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間に設けられ、外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するとき第1手段の活性化後に前記内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとを接続する第2手段と、第2手段と相補的に動作して前記内部信号出力端に対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースを接地する第3手段と、前記逆相内部信号出力端に対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間に設けられ、外部入力信号が第2状態から第1状態に遷移するときに当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースの接地端への電流経路を遮断する第4手段と、前記逆相内部信号出力端とこれに対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間に設けられ、外部入力信号が第2状態から第1状態に遷移するとき第4手段による電流経路遮断後に前記逆相内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとを接続する第5手段と、を備えたことを特徴としている。
【0019】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。尚、従来と実質的に同じ機能をもつ部分にはできるかぎり同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【0020】
図1に本発明による入力バッファの回路図を示す。この入力バッファは、外部入力信号XSを入力端の入力とする入力側ステージの第1インバータ回路11と、第1インバータ回路11の出力ノード(第1インバータ出力端)115から発生される信号を入力として内部信号S′及び逆相内部信号SB′を出力端から出力する出力側ステージの第2インバータ回路21と、から構成される。
【0021】
第1インバータ回路11の構成において、定電圧供給用のpチャネルトランジスタPRのソースに電源電圧Vccが印加され、そのゲートは基準電圧Vrefを受けている。このpチャネルトランジスタPRがインバータへの電源供給手段となる。外部入力信号XSをゲートに受けるpチャネルトランジスタPSのソースはpチャネルトランジスタPRのドレインに接続される。そして、外部入力信号XSをゲートに受けるnチャネルトランジスタNSのドレインはpチャネルトランジスタPSのドレインに接続され、このnチャネルトランジスタNSのソースは接地電圧Vssへ接地される。さらに、pチャネルトランジスタPSのドレインとnチャネルトランジスタNSのドレインの接続点であるノード114は、コレクタに電源電圧Vccが印加されるプルアップ用npnバイポーラトランジスタQ1のベースに接続される。このnpnバイポーラトランジスタQ1のエミッタは第1インバータ出力端115に接続される。また、外部入力信号XSをゲートに受けるプルダウン用nチャネルトランジスタNQのドレインは第1インバータ出力端115に接続され、そのソースは接地電圧Vssへ接地される。
【0022】
定電圧供給用のpチャネルトランジスタPRのゲートに供給される基準電圧Vrefは、半導体メモリ装置等で通常的に使用される公知の基準電圧発生回路(米国特許第4,906,863号、第4,820,967号等参照)を用いて発生する。この基準電圧Vrefは電源電圧Vccのレベルに応じた電圧値を有し、Vcc−2|VTP|程度の電圧値をもっていれば適用可能である。
【0023】
pチャネルトランジスタPRのゲートに供給される基準電圧Vrefが電源電圧Vccによる値をもつので、pチャネルトランジスタPRのゲート−ソース間電圧は電源電圧Vccの変動とは関係なく常に−2|VTP|程度の電圧を維持することになる。すなわち、pチャネルトランジスタPRのソース電圧が上昇するとゲート電圧も上昇するのでON抵抗が増加する。したがって、pチャネルトランジスタPSのソースに供給される電圧の大きさ(又は電流量)は一定となる。その結果、pチャネルトランジスタPSのソースにおける電圧が電源電圧Vccの変動に鈍感になるので、pチャネルトランジスタPSのサイズを、図5に示したpチャネルトランジスタMPSの場合のようにnチャネルトランジスタNSのサイズより小さくする必要はない。それにより、ノード114の論理“ハイ”への遷移速度を短くするためにpチャネルトランジスタPSを適切なサイズに設計できる。
【0024】
一方、第2インバータ回路21の構成において、pチャネルトランジスタMP1及びnチャネルトランジスタMN3で構成されたCMOSインバータの入力ノードは第1インバータ出力端115に接続される。このCMOSインバータの出力ノード116(又はnpnバイポーラトランジスタQ2のベースノード)は、電源電圧Vccがコレクタに印加されるプルアップ用のnpnバイポーラトランジスタQ2のベースに接続される。そしてnpnバイポーラトランジスタQ2のエミッタは内部信号出力端201に接続される。
【0025】
内部信号出力端201にコレクタが接続されるプルダウン用のnpnバイポーラトランジスタQ3のエミッタは接地電圧Vssへ接地される。また、内部信号出力端201にドレインが接続され、npnバイポーラトランジスタQ3のベースノード117にソースが接続されるnチャネルトランジスタN1のゲートは第1インバータ出力端115に接続される。内部信号出力端201とベースノード117との間にpチャネルトランジスタP4のソース−ドレイン通路が接続され、そしてベースノード117と接地電圧Vss端との間にはnチャネルトランジスタN2のドレイン−ソース通路が接続される。pチャネルトランジスタP4及びnチャネルトランジスタN2の各ゲートは、CMOSインバータを構成するpチャネルトランジスタMP3とnチャネルトランジスタMN5の各ゲートと共に、pチャネルトランジスタMP2とnチャネルトランジスタMN4で構成され、入力ノードが第1インバータ出力端115に接続されるCMOSインバータの出力ノード118に接続される。
【0026】
pチャネルトランジスタMP3及びnチャネルトランジスタMN5で構成されるCMOSインバータの出力ノード119は、電源電圧Vccがコレクタに印加され、逆相内部信号出力端202にエミッタが接続されるプルアップ用のnpnバイポーラトランジスタQ4のベースに接続される。そして、逆相内部信号出力端202にはプルダウン用のnpnバイポーラトランジスタQ5のコレクタが接続され、このnpnバイポーラトランジスタQ5のエミッタは接地電圧Vssへ接地される。逆相内部信号出力端202とnpnバイポーラトランジスタQ5のベースノード200との間には、nチャネルトランジスタMN6のドレイン−ソース通路が接続され、そのゲートはpチャネルトランジスタMP2及びnチャネルトランジスタMN4で構成されるCMOSインバータの出力ノード118に接続される。さらに、ベースノード200と接地電圧Vss端との間には、第1インバータ出力端115にゲートが接続されるnチャネルトランジスタN7のドレイン−ソース通路が接続されている。
【0027】
この第2インバータ回路21の構成においては、nチャネルトランジスタN1、N2、N7、pチャネルトランジスタP4に関する構成が図5に示す第2インバータステージ20の構成と異なっている。この相違点に重点をおいて以下、動作説明をする。
【0028】
この例の入力バッファについて示す図2の電圧波形図は、図6の電圧波形図と同じ条件(電源電圧5.8V・100℃、電源電圧4.2V・100℃)で、外部入力信号XSの電圧が0V〜3Vの間で変わるときのノード114における電圧変化を示している。すなわち、波形V114xは第1条件でのノード114の電圧変化、波形V114yは第2条件でのノード114の電圧変化を示す。
【0029】
外部入力信号XSが論理“ハイ”から論理“ロウ”へ遷移することにより、pチャネルトランジスタPSが導通する。このpチャネルトランジスタPSを導通させてノード114の電圧を論理“ハイ”に上昇させるための外部入力信号XSの電圧は、図2に示すように1.5V程度となる(第2条件)。第1インバータ回路11において基準電圧VrefをpチャネルトランジスタPRのゲートに印加するようにしたことで、pチャネルトランジスタPSのソースに供給される電流が電源電圧Vccの変動にほぼ無関係となり一定値を維持できる。したがって、ノード114が論理“ハイ”に上昇し始める外部入力信号XSの電圧は、図5のノード112の電圧が論理“ハイ”に上昇し始める外部入力信号XSの電圧(1.7V程度)の場合より低くなる。つまり、外部入力信号XSの状態がノード114へ伝達される時間は、電源電圧Vccが変動してもほぼ同じであることを意味する。
【0030】
すなわち、図2に示すように、第1条件と第2条件でのノード114のトリップレベルの差ΔVINは0.1V程度となり、図6の場合の0.3Vと比較すると1/3に減少する。これは、電源電圧の変動に対する入力ハイ電圧及び入力ロウ電圧応答特性が安定することを示している。
【0031】
ノード114の電圧が論理“ハイ”になると、プルアップ用のnpnバイポーラトランジスタQ1が導通して第1インバータ出力端115に論理“ハイ”の第1インバータ出力信号が発生する。npnバイポーラトランジスタQ1は高速の電流駆動能力を有しているので、第1インバータ出力端115が論理“ハイ”に遷移する時点はノード114の遷移時点とほぼ一致することは当然理解され得るであろう。
【0032】
第1インバータ出力信号が論理“ハイ”になると、第2インバータ回路21のnチャネルトランジスタMN3、MN4、N1、N7が導通し、pチャネルトランジスタMP1、MP2が非導通となる。nチャネルトランジスタMN3の導通により、プルアップ用npnバイポーラトランジスタQ2のベースノード116に論理“ロウ”の信号が印加されるので、プルアップ用のnpnバイポーラトランジスタQ2は非導通となる。また、nチャネルトランジスタMN4の導通により出力ノード118が論理“ロウ”になるので、pチャネルトランジスタP4、MP3が導通し、nチャネルトランジスタN2、MN5、MN6は非導通となる。
【0033】
第2インバータ回路21の内部信号出力端201は、論理“ハイ”の第1インバータ出力信号に直ちに応答して導通したnチャネルトランジスタN1のチャネルを通じ、プルダウン用npnバイポーラトランジスタQ3のベースノード117に接続される。これにより、内部信号出力端201の電圧が、nチャネルトランジスタN1のしきい電圧相当分電圧降下してベースノード117に送られる。このときの内部信号出力端201の初期電圧は、その前の外部入力信号XSに応じた論理“ハイ”、あるいはプリチャージ状態にある。したがって、最初にnチャネルトランジスタN1のチャネルを通じてベースノード117が充電され、npnバイポーラトランジスタQ3が導通し始める。そして、nチャネルトランジスタN1の導通に続いてpチャネルトランジスタP4が導通し、内部信号出力端201の電圧はpチャネルトランジスタP4のチャネルも通じてベースノード117に伝えられ、これによりnpnバイポーラトランジスタQ3が更に強く導通する。その結果、内部信号出力端201の電圧は、npnバイポーラトランジスタQ3のベース−エミッタ間が強く順方向バイアスされることによって降下し、内部信号S′は論理“ロウ”で出力される。
【0034】
このように、nチャネルトランジスタN1とpチャネルトランジスタP4は、内部信号出力端201の電圧を高速降下させるための手段となることが分かる。この内部信号出力端201を論理“ロウ”へ即座に降下させるためにベースノード117を充電する方式は、第1インバータ出力端115の論理“ハイ”に応答するnチャネルトランジスタN1がまず動作し、続いて出力ノード118の論理“ロウ”に応答するpチャネルトランジスタP4が動作することによって行われる二重充電動作(double charging)である。これには、内部信号S′の論理“ロウ”応答特性の高速化は勿論のこと、内部信号出力端201の電圧が非常に急激に降下することによる電流スパイク(current spikes)や電源雑音(power noise 又はGND noise)の発生を抑制する効果もある。
【0035】
一方、論理“ロウ”の状態となる出力ノード118の電圧によりpチャネルトランジスタMP3が導通し、逆相内部信号SB′のプルアップ用npnバイポーラトランジスタQ4のベースノード119にpチャネルトランジスタMP3のチャネルを通じて電源電圧Vccが印加される。したがってベースノード119が論理“ハイ”となり、npnバイポーラトランジスタQ4が導通して逆相内部信号出力端202には論理“ハイ”の逆相内部信号SB′が発生する。
【0036】
次に、外部入力信号XSが論理“ロウ”から論理“ハイ”に遷移する場合には、第1インバータ回路11のpチャネルトランジスタPSが非導通となり、nチャネルトランジスタNSが導通する。したがって、プルアップ用のnpnバイポーラトランジスタQ1が非導通とされ、プルダウン用のnチャネルトランジスタNQが導通することにより、第1インバータ出力端115は論理“ロウ”となる。
【0037】
第1インバータ出力端115が論理“ロウ”なので、第2インバータ回路21のpチャネルトランジスタMP1、MP2が導通し、nチャネルトランジスタMN3、MN4、N1、N7は非導通となる。pチャネルトランジスタMP1の導通により、内部信号S′のプルアップ用npnバイポーラトランジスタQ2のベースノード116が論理“ハイ”となるので、npnバイポーラトランジスタQ2が導通して内部信号S′は論理“ハイ”で出力される。このとき、pチャネルトランジスタP4は出力ノード118の論理“ハイ”によって非導通となり、nチャネルトランジスタN2が導通する。したがって、内部信号S′のプルダウン用npnバイポーラトランジスタQ3は非導通となる。
【0038】
一方、論理“ハイ”の出力ノード118の電圧により、逆相内部信号SB′のプルアップ用npnバイポーラトランジスタQ4のベースノード119が論理“ロウ”となることにより、npnバイポーラトランジスタQ4は非導通となる。また、論理“ハイ”の出力ノード118の電圧に応答してnチャネルトランジスタMN6が導通し、逆相内部信号SB′のプルダウン用npnバイポーラトランジスタQ5のベースノード200が充電され、これによりnpnバイポーラトランジスタQ5が導通して逆相内部信号出力端202には論理“ロウ”の逆相内部信号SB′が発生する。
【0039】
この逆相内部信号SB′が論理“ロウ”へ遷移する過程において注目すべきものとして、接地電圧Vssへ接地されるnチャネルトランジスタN7が論理“ロウ”の第1インバータ出力信号に応答してnチャネルトランジスタMN6の導通より先に非導通となることで、nチャネルトランジスタMN6の導通によるベースノード200の充電が安定して行われるという点がある。これに比べて図5の従来例では、nチャネルトランジスタN7と同様の動作を行うnチャネルトランジスタMN7のゲートが、逆相内部信号SBの出力端へ接続されているので、本実施例とは逆にnチャネルトランジスタMN6の導通の次にnチャネルトランジスタMN7が非導通となる。したがって、図5のnチャネルトランジスタMN6が導通したとしても最初のうちはnチャネルトランジスタMN7が導通しており、これが完全に非導通となる前に、npnバイポーラトランジスタQ5に流れ込むべき電流の一部がnチャネルトランジスタMN7のチャネルを通じて接地側へ流れることになる。つまり、npnバイポーラトランジスタQ5のベースノードを充電して逆相内部信号SB′を論理“ロウ”に遷移させる時間について本実施例の方が短くなり、応答速度が向上する。
【0040】
図3A及び図3Bに、従来の入力バッファと本実施例の入力バッファの出力特性を第1条件で時間的に比較した電圧波形図を示す。図3Aは外部入力信号XSの電圧が降下する場合で、図3Bは外部入力信号XSの電圧が上昇する場合である。
【0041】
図3Aを参照すると、内部信号S、S′及び逆相内部信号SB、SB′の遷移開始時点について、本実施例の方が従来より約0.2ns程度速くなっていることが分かる。しかも、本実施例の遷移時間が従来例の遷移時間より約0.2ns程度短くなっている。つまり、外部入力信号XSに対する入力バッファの応答特性が向上している。これは、図1の第2インバータ回路21におけるnpnバイポーラトランジスタQ3のベースノード117に対する高速二重充電動作による結果である。したがって、外部入力信号XSが例えばメモリのアドレス信号であれば、時間tAAを短縮させ得る。
【0042】
外部入力信号XSの電圧が上昇する場合の図3Bを参照すると、内部信号S、S′及び逆相内部信号SB、SB′の遷移開始時点に大きな差はないが、遷移時間については、本実施例の方が従来例より0.1ns程度短くなっていることが分かる。
【0043】
図4A及び図4Bは、電源電圧Vcc=5.8V、−10℃の条件で従来の入力バッファと本実施例の入力バッファの出力特性を比較した電圧波形図である。図4Aは外部入力信号XSの電圧が降下する場合で、図4Bは外部入力信号XSの電圧が上昇する場合である。
【0044】
図4Aを参照すると、従来の入力バッファでは内部信号Sが論理“ロウ”に遷移する時間に1ns程度かかるが、これに対し本実施例の入力バッファでは、内部信号S′が論理“ロウ”に遷移する時間に0.7ns程度しかかからず、従来に比べて遷移時間が0.3ns程度短縮されている。また、内部信号S、S′と逆相内部信号SB、SB′との間の遷移時間の差について、従来例が0.5ns程度あるのに対し、本実施例の場合は0.1ns程度の差しかなく、その差が減少しており安定的であることが分かる。
【0045】
外部入力信号XSが上昇する場合を示す図4Bを参照すると、本実施例の逆相内部信号SB′が論理“ロウ”に遷移する時間は、従来の逆相内部信号SBが論理“ロウ”に遷移する時間に比べて0.1ns程短縮していることが分かる。
【0046】
この実施例の入力バッファは、出力端にプルアップ用及びプルダウン用の各バイポーラトランジスタを使用するBiCMOS半導体メモリ装置、例えばBiCMOS−SRAMの入力バッファに対して適用した場合を説明したが、本発明における内部信号の遷移速度向上や外部入力信号に対する論理処理速度向上についての技術的思想は、それに類似する機能を遂行する回路であればいずれにも適用できることは勿論である。例えば、図1の入力バッファをBiCMOS回路ではないCMOS回路で適用したとしても、基準電圧を受けるpチャネルトランジスタPR、そしてnチャネルトランジスタN1、pチャネルトランジスタP4、及びnチャネルトランジスタN7に関する構成を形成可能である。
【0047】
【発明の効果】
以上述べてきたように本発明によれば、電源電圧の変動による出力特性の変動を抑制して動作安定性を向上させられる効果があり、また、内部信号及び逆相内部信号の出力端の遷移速度及び遷移時間を安定且つ高速化するように、該出力端のプルダウン用バイポーラトランジスタを制御するゲート信号を生成するための絶縁ゲート電界効果トランジスタ回路を設計して、出力信号の応答特性、すなわち遷移速度、遷移時間をより向上させられるので、高速動作が可能でより高速の半導体メモリ装置の提供に寄与できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による入力バッファの一実施例を示す回路図。
【図2】本発明による入力バッファの入力に対する電圧応答特性を示すグラフ。
【図3】Vcc=4.2V、100℃の条件下で従来の入力バッファと本発明による入力バッファとの動作速度を比較したグラフ。
【図4】Vcc=5.8V、−10℃の条件下で従来の入力バッファと本発明による入力バッファとの動作速度を比較したグラフ。
【図5】BiCMOS回路を利用した従来の入力バッファの回路図。
【図6】従来の入力バッファの入力に対する電圧応答特性を示すグラフ。
【符号の説明】
11 第1インバータ回路
21 第2インバータ回路
115 第1インバータ出力端
201 内部信号出力端
202 逆相内部信号出力端
Q1、Q2、Q4 プルアップ用バイポーラトランジスタ
Q3、Q5 プルダウン用バイポーラトランジスタ
PR 定電圧供給用pチャネルトランジスタ(電源供給手段)
N1 nチャネルトランジスタ(第1手段)
P4 pチャネルトランジスタ(第2手段)
N2 nチャネルトランジスタ(第3手段)
N7 nチャネルトランジスタ(第4手段)
MN6 nチャネルトランジスタ(第5手段)
Vref 基準電圧
Claims (8)
- 出力端にプルアップ用とプルダウン用の各バイポーラトランジスタを用いるようになった入力バッファにおいて、
前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にドレイン−ソース通路が接続され、外部入力信号の反転信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のドレイン−ソース通路が遮断から接続に遷移する第1手段と、
前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にソース−ドレイン通路が接続され、前記外部入力信号の反転信号を更に反転させた信号をゲートに受けるpチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するとき、前記第1手段の活性化後に、前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のソース−ドレイン通路が遮断から接続に遷移する第2手段と、
プルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間にドレイン−ソース通路が接続され、前記外部入力信号の反転信号を更に反転させた信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記第1手段の活性化後に前記第2手段と相補的に動作して、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときプルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間のドレイン−ソース通路が接続から遮断に遷移する第3手段と、を備えたことを特徴とする入力バッファ。 - 外部入力信号を受けるインバータによりバイポーラトランジスタを制御して外部入力信号の反転信号を出力する入力側ステージを備え、該入力側ステージのインバータに対し、電源電圧の変動に応じて変動する基準電圧をゲートに受けて動作するpチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタを介して電源供給を行うようになっている請求項1に記載の入力バッファ。
- 外部入力信号の論理状態に応答するインバータを入力端に備えると共に出力端にプルアップ用とプルダウン用の各バイポーラトランジスタを備えた入力バッファにおいて、
電源電圧の変動に従う基準電圧により制御されて前記インバータへ定レベルの電源を供給する電源供給手段と、
前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にドレイン−ソース通路が接続され、外部入力信号の反転信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のドレイン−ソース通路が遮断から接続に遷移する第1手段と、
前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にソース−ドレイン通路が接続され、前記外部入力信号の反転信号を更に反転させた信号をゲートに受けるpチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するとき、前記第1手段の活性化後に、前記出力端とプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のソース−ドレイン通路が遮断から接続に遷移する第2手段と、
プルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間にドレイン−ソース通路が接続され、前記外部入力信号の反転信号を更に反転させた信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記第1手段の活性化後に前記第2手段と相補的に動作して、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときプルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間のドレイン−ソース通路が接続から遮断に遷移する第3手段と、を備えたことを特徴とする入力バッファ。 - 電源供給手段は、電源電圧端とインバータとの間にソース−ドレイン通路が接続され、基準電圧をゲートに受けるpチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成される請求項3記載の入力バッファ。
- プルアップ用及びプルダウン用の1対のバイポーラトランジスタを内部信号と逆相内部信号を出力する各出力端にそれぞれ備え、外部入力信号に応答して相補的な論理状態で内部信号及び逆相内部信号を発生するようになった入力バッファにおいて、
前記内部信号出力端とこれに対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にドレイン−ソース通路が接続され、前記外部入力信号の反転信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに前記内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のドレイン−ソース通路が遮断から接続に遷移する第1手段と、
前記内部信号出力端とこれに対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にソース−ドレイン通路が接続され、前記外部入力信号と同相の信号をゲートに受けるpチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するとき、前記第1手段の活性化後に、前記内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にソース−ドレイン通路が遮断から接続に遷移する第2手段と、
前記内部信号出力端に対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間にドレイン−ソース通路が接続され、前記外部入力信号と同相の信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記第1手段の活性化後に前記第2手段と相補的に動作して、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するとき前記内部信号出力端に対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間のドレイン−ソース通路が接続から遮断に遷移する第3手段と、
前記逆相内部信号出力端に対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間にドレイン−ソース通路が接続され、前記外部入力信号の反転信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに、前記第1手段の遮断から接続への遷移と同時に、当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間のドレイン−ソース通路が遮断から接続に遷移し、前記外部入力信号が第2状態から第1状態に遷移するときに、前記第1手段の接続から遮断への遷移と同時に、当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間のドレイン−ソース通路が接続から遮断に遷移する第4手段と、
前記逆相内部信号出力端とこれに対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にドレイン−ソース通路が接続され、前記外部入力信号と同相の信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに、前記第2手段の遮断から接続への遷移と同時に、前記逆相内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のドレイン−ソース通路が接続から遮断に遷移し、前記外部入力信号が第2状態から第1状態に遷移するとき、前記第4手段による電流経路の遮断後に前記第2手段の接続から遮断への遷移と同時に、前記逆相内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のドレイン−ソース通路が遮断から接続に遷移する第5手段と、を備えたことを特徴とする入力バッファ。 - 外部入力信号を受けるインバータによりバイポーラトランジスタを制御して外部入力信号の反転信号を出力する入力側ステージを備え、該入力側ステージのインバータに対し、電源電圧の変動に応じて変動する基準電圧をゲートに受けて動作するpチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタを介して電源供給を行うようになっている請求項5に記載の入力バッファ。
- 外部入力信号の論理状態に応答するインバータを有し、プルアップ用及びプルダウン用の1対のバイポーラトランジスタを内部信号と逆相内部信号を出力する各出力端にそれぞれ備え、前記インバータによる信号に応答して相補的な論理状態で内部信号及び逆相内部信号を発生するようになった入力バッファにおいて、
電源電圧の変動に従う基準電圧により制御されて前記インバータへ定レベルの電源を供給する電源供給手段と、
前記内部信号出力端とこれに対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にドレイン−ソース通路が接続され、前記外部入力信号の反転信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに前記内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のドレイン−ソース通路が遮断から接続に遷移する第1手段と、
前記内部信号出力端とこれに対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にソース−ドレイン通路が接続され、前記外部入力信号と同相の信号をゲートに受けるpチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するとき、前記第1手段の活性化後に、前記内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にソース−ドレイン通路が遮断から接続に遷移する第2手段と、
前記内部信号出力端に対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間にドレイン−ソース通路が接続され、前記外部入力信号と同相の信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記第1手段の活性化後に前記第2手段と相補的に動作して、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するとき前記内部信号出力端に対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間のドレイン−ソース通路が接続から遮断に遷移する第3手段と、
前記逆相内部信号出力端に対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間にドレイン−ソース通路が接続され、前記外部入力信号の反転信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに、前記第1手段の遮断から接続への遷移と同時に、当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間のドレイン−ソース通路が遮断から接続に遷移し、前記外部入力信号が第2状態から第1状態に遷移するときに、前記第1手段の接続から遮断への遷移と同時に、当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースと接地端との間のドレイン−ソース通路が接続から遮断に遷移する第4手段と、
前記逆相内部信号出力端とこれに対応するプルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間にドレイン−ソース通路が接続され、前記外部入力信号と同相の信号をゲートに受けるnチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成され、前記外部入力信号が第1状態から第2状態に遷移するときに、前記第2手段の遮断から接続への遷移と同時に、前記逆相内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のドレイン−ソース通路が接続から遮断に遷移し、前記外部入力信号が第2状態から第1状態に遷移するとき、前記第4手段による電流経路の遮断後に前記第2手段の接続から遮断への遷移と同時に、前記逆相内部信号出力端と当該プルダウン用バイポーラトランジスタのベースとの間のドレイン−ソース通路が遮断から接続に遷移する第5手段と、を備えたことを特徴とする入力バッファ。 - 電源供給手段は、電源電圧端とインバータとの間にソース−ドレイン通路が接続され、基準電圧をゲートに受けるpチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成される請求項7記載の入力バッファ。
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