JP3884805B2 - 集積回路用出力バッファ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は集積回路用出力バッファに係り、特に、その出力で大きな論理的振れを有し、その制御入力端子上の小さな論理的振れのみを要求する二次回路を作動させる集積回路用出力バッファに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば、周波数合成器内のCMOS(相補型金属酸化膜半導体)集積回路において、論理的振れは、5ボルトであるが、それに対して、合成器を構成する位相ロックループ内の前置計数回路の係数入力は、0.8ボルトの論理的振れがバイポーラ半導体より形成されるので、0.7ボルトと0.8ボルトの間の論理的振れを要求するのみである。加えて、集積回路の出力は、二次回路の制御入力端子に連結されるキャパシタンスを急速に充電し、そして、放電することができなければならない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、低減電圧の振れを有する出力バッファを備えることが望ましく、それによって出力バッファに接続される二次回路の入力端子でキャパシタンスに対して充電と放電を与えることができる。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、集積回路の導体に供給するために所定の電位を供給する電源から通電されるように配置された集積回路の出力バッファにおいて、前記バッファは、所定の電位により供給され、第1、第2の接合点で第1、第2の基準電位を規定するように、つまり、それぞれ所定の電位を仲介し、従って減少電圧の振れを規定するように配置される電位分割器と、制御電極が互いに連結され、第1の対の第1の装置の電極が第1の接合点に連結され、第1の対の第2の装置の対応電極は出力信号が出力する出力接合点に連結される第1の対の電界効果型半導体装置と、制御電極が互いに結合され、第2の対の第1の装置の電極が第2の接合点に連結され、第2の対の第2の装置の対応電極も出力接合点に連結される第2の対の電界効果型半導体装置とからなるものであって、各電界効果型半導体装置はその中に形成される電荷通電チャンネルを有し、各電荷通電チャンネルは電荷通電チャンネルの幅対電荷通電チャンネルの長さの比に対応するアスペクト比を有するものであり、第1の対の第2の装置の電荷通電チャンネルの幅と長さは、第1の対の第2の装置の電荷通電チャンネルのアスペクト比が第1の対の第1の装置の電荷通電チャンネルのアスペクト比のn倍になるように選択され、第2の対の第2の装置の電荷通電チャンネルの幅と長さは、第2の対の第2の装置の電荷通電チャンネルのアスペクト比が第2の対の第1の装置の電荷通電チャンネルのアスペクト比のn倍になるように選択され、出力バッファは、電界効果型半導体装置の第1及び第2の対が、 i) 装置の第1の対が通電されると第2の対は通電されず、第1の基準電位は出力信号として出力するために出力接合点に送電される
ii) 装置の第2の対が通電されると第1の対は通電されず、第2の基準電位は出力信号として出力するために出力接合点に送電される如くに順番に通電されるように更に構成されている集積回路用出力バッファを提供しようとするものである。
【0005】
【発明の実施の形態】
本発明に従って構成される集積回路の出力バッファについて、添付の図面を参照し、実施例を示して更に説明する。
【0006】
図1は出力バッファの第1の形態を示す回路図であり、図2は出力バッファの第2の形態を示す回路図である。
図1を参照すると、バッファは、移動式電話の r.f. 回路において使用される周波数合成器(不図示)内でCMOS集積回路の1部を形成する。前記周波数合成器は、バイポーラ・トランジスタを使用する前置計数回路を含む位相ロックループを有し、位相ロックループにおいて分割比率を変化させる。前置計数回路の分割比率(あるいは係数)は、CMOS集積回路上の係数制御出力バッファにより2個の固定値間で変化させられる。
【0007】
例えば、CMOS集積回路用基準レベルは5ボルトの論理的振れで、係数制御出力バッファは、0.6ボルト波高値と1.1ボルト波高値間の低減論理的振れを供給する。
【0008】
図1を参照すると、電位分割器は、5ボルトの電位VDD とCMOS電圧基準レベルである0ボルトの間で連結される抵抗R1,R2,R3を有する。前記電位分割器は、第1の電流源対I1,I2と連携して、第1および第2接合点で第1および第2基準電位V1,V2を規定し、それぞれの電位が前記電位VDD および0を仲介する。
【0009】
以下のように仮定する。
I1 = I2,およびI3 = I4
VDD= (R1+R3 )I3+(I1+I3)R2
V1 = VDD−R1I3
V2 = R3I3
V1−V2=(I1+I3)R2
仮に、R1=R3 なら、信号の振れは中間電圧あたりで対称になる。すなわち、信号の振れは中間電圧の2.5ボルトの上下を等しく動く。
【0010】
しかしながら、出力接合点Voutは、前置計数器の係数制御入力に関連するキャパシタンス(すなわち、バッファの出力キャパシタンス、ボード配線のような浮遊容量を加えた前置計数器の入力キャパシタンス)を迅速に充電および放電するように要求され、電位分割器は、これを行うための電流容量を欠く。このような理由により、基準電位V1 およびV2 は、それぞれnmos導電型FETの第1対、M1, M2とpmos導電型のFETの第2対、M3,M4により出力接合点V out に搬送される。
【0011】
前記FET M1,M3は、ゲートが各ドレインに連結され、しきい電圧Vtを越えて各電流発生器I2,I1によってバイアスされるので、ダイオードとして連結される。FETの各対のゲートは、共に連結され、また、各対のFETのゲート源電圧Vgsは同じで、電圧V1,V2を接合点Vout に交互に搬送可能にすると予想される。
【0012】
FETを通過する電流は、以下のように求められる。
IDS = K(Vgs−Vt)2
【0013】
ここで、VgsはFETのゲートとソース間の電圧であり、V t はしきい電圧である。加えて、Kは、FETのチャンネルのアスペクト比W/L、すなわち、FETのチャンネルの長さに対する幅の比に応じた定数である。一般に、FET内では、VgsはIPSとFETチャンネルのアスペクト比W/Lに依存し、それ故に、本実施例のM2およびM1に対するVgsは同じであるので、FET M2の物理次元は、FET M2のチャンネルのアスペクト比W/LがFET M1のチャンネルのアスペクト比W/Lよりn倍大きくなるように選択される。加えて、電流発生器nI2はそのしきい電圧V t 以上にFET M2をバイアスするために与えられる。電流発生器は電流nI2を供給し、それは、M1を通過するバイアス電流I2よりn倍大きい。その各チャンネルに対する同じ関係がM3およびM4にも適応され、そして電流発生器nI 1 も与えられ、それは、M3を通過するバイアス電流I 1 よりn倍大きい電流を供給する。
【0014】
このようにVout が電位V2にあり、スイッチS2とS4が開かれる一方、スイッチS1とS3が同時に閉鎖される場合、M2のVgsはM1のVgsより大きくなる。それ故、M2を通過する大量の電流およびこの電流とnI2との差は、Vout を通過し係数制御出力に流れる。前記接合点に関連されるキャパシタンスは、迅速に充電され、その結果、Vgsは低下し、M2を通過する電流も低減する。キャパシタンスが完全にV1に充電される場合、M2のVgsはM1のVgsと等しく、M2を通過する電流はnI2と等しい。従って、この時点で、接合点V out は電位V 1 に切り替えた。
【0015】
V 2 から切り替えるためには、スイッチS1,S3は開き、スイッチS2,S4 は閉じて接合点V out をV 2 に切り替え、その作動は同じである。
このように、電位V 1 又はV 2 としてのバッファV out の出力信号の電位は、下記の表に示されるように、スイッチS 1 とS 3 、S 2 とS 4 の位置による。
そして、それらのスイッチは出力V out を制御するために上記により制御される。
【0016】
典型的に、I1 =I2 =I3 =I4 =20μAであるが、Vout で利用できるピーク電流は、典型的におよそ50mAである。回路は、出力遅延8nsへの入力と共に15MHzで作動するように設計された。
【0017】
上記実施例の出力接合点に設けられた切り替え可能な電流源nI 1 およびnI 2 は正確に出力電圧を規定するように要求され、副しきい領域に出力装置M2およびM4が入るのを防ぎ、出力インピーダンスを規定する。他の実施例において、回路もまた、切り替え可能な電流源なしに、しかし、特に、より高出力インピーダンスになる低減実行率を伴い動作され得る。他の選択できる実施例として、M2のアスペクト比はM1のアスペクト比と同じで、すなわち、nは電流発生器nI2(M4,M3およびnI1に対するのと同様)に対する全体構成に匹敵し得る。この場合、切り替えに利用できる電流は、かなり少量であるが、一方、出力接合点の電位は、その負荷による影響を受けることはない。
【0018】
本発明の他の実施例をなす基準電圧V1およびV2を発生させるための選択手段は図2に示される。抵抗R1およびR2は同値であり、従って、それらの接続接合点で供給電圧V DD の半分である中間基準電圧を規定する。抵抗R3およびR4は、電流源I1およびI2を伴い出力電圧の振れに対する上下レベルを規定する。
【0019】
仮に I1 = I2, I3 =I4,およびR1 =R2,およびR3 = R4 とすると
V1 = VDD−I3R1+I1R3
そして V2 = I3R1−I1R3
そして、それ故I3R1 = VDD/2なので
V1 = VDD/2+I1R3 を得る。
そして V2 = VDD/2−I1R3
これによりV1−V2= 2I1R3
従って、出力の振れは中間電圧あたりで対称になる。すなわち、信号の振れは中間電圧の基準電圧V DD / 2の上下を等しく動く。そして、V1およびV2 は、図1の回路について上記に説明されているように、FET M1,M2,M3およびM4を経て出力に搬送される。加えて、図1について上記した修正も適用可能である。
【0020】
上記実施例において、出力接合点で生成される出力電圧の精度は、抵抗R3,R4および電流源I1,I2 上の絶対許容度を有する電流源I1,I2の整合精度を伴う抵抗R1,R2およびI3,I4の整合精度によるであろう。
【0021】
更に、図1あるいは図2の回路に基づく実施例において、FET M2,M4および電流源nI1,nI2は、Voutで現れる逆相電圧が存在する第2の出力接合点Vout'を備えるために複製されても良いという意味において、2個の出力段が備えられても良い。そのような構造は差動出力バッファを構成するであろう。さもなければ、出力Vout およびVout' は完全に独立し、その場合、そのような構造は二重出力バッファを構成するであろう。電流源I1,I2,nI1,nI2は、FETおよび電源に接続される抵抗により構成される主基準電流発生器に連動するように連結されても良い。代わりに、電流源I1,I2,nI1およびnI2は、抵抗RREFを越えて電流IREFを発生させるバンド・ギャップ基準電圧のような安定基準電圧から生成されても良い。そうして、電流源により生じた電流I1,I2,nI1およびnI2 はIREF に比例するであろう。
【0022】
【発明の効果】
実施例において、すべての抵抗は、出力電圧の振れV1-V2が面積抵抗から独立するように、同じ抵抗材料を使って製作される。装置M1からM4は、ゲート駆動VE(=Vgs−Vt)が小さく、且つ、十分な駆動が出力負荷に与えられるのに必要な最小の長さと幅で製作される。電流源I1およびI2間の適切な整合を確実にするために、電流源I1およびI2(およびnI1,nI2も同様)は長いチャンネル長の装置で与えられ、出力導電率を低下させる。更に実施例において、デカップリングコンデンサは、出力と相対的に高いインピーダンス・バイアス回路間の電荷結合に起因する過渡電圧を低下するために、M1およびM3のゲートと各補給電位間で利用される。この結合は、もし減衰されなければ、誤った出力電圧となる。電荷結合の最悪の事例は、入力が、ゆえに出力が同相の場合に発生する。多くの減網結合は、入力/出力が結合電荷の1次解除に起因する逆相にある場合に発生する。デカップリングコンデンサもまた、電流源nI1およびnI2として使用されるFETのゲート上で使用され、同様の理由で、供給電位に連結される。上記実施例において、図1および図2の回路における出力電圧の振れは、VDD/2(中間電圧)上に集中されるかもしれないが、他の実施例では、振れの中心は、電流値あるいはレジスタ値を適切に選択することにより、電圧VDDあるいは0ボルトのどちらかに相殺させることができる。
【0023】
他の実施例において、手段は、すべての電流源がオフとなるように、緊急入力が作動する時、出力バッファが3領域(すなわち、高インピーダンス状態)にまたがるところで供給されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 出力バッファの第1の形態を示す回路図である。
【図2】 出力バッファの第2の形態を示す回路図である。
【符号の説明】
I1,I2, nI1, nI2 電流源
R1,R2,R3,R4 抵抗
V1,V2 基準電位
VDD 電位
Vout 出力接合点
Vt しきい電圧
Vgs ゲート源電圧
S1,S2,S3,S4 スイッチ
M1,M2,M3j,M4 FET
Claims (5)
- 集積回路の導体に供給するために所定の電位を供給する電源から通電されるように配置された集積回路の出力バッファにおいて、前記バッファは、
所定の電位により供給され、第1、第2の接合点で第1、第2の基準電位を規定するように、つまり、それぞれ所定の電位を仲介し、従って減少電圧の振れを規定するように配置される電位分割器と、
制御電極が互いに連結され、第1の対の第1の装置の電極が第1の接合点に連結され、第1の対の第2の装置の対応電極は出力信号が出力する出力接合点に連結される第1の対の電界効果型半導体装置と、
制御電極が互いに結合され、第2の対の第1の装置の電極が第2の接合点に連結され、第2の対の第2の装置の対応電極も出力接合点に連結される第2の対の電界効果型半導体装置と
からなるものであって、
各電界効果型半導体装置はその中に形成される電荷通電チャンネルを有し、
各電荷通電チャンネルは電荷通電チャンネルの幅対電荷通電チャンネルの長さの比に対応するアスペクト比を有するものであり、
第1の対の第2の装置の電荷通電チャンネルの幅と長さは、第1の対の第2の装置の電荷通電チャンネルのアスペクト比が第1の対の第1の装置の電荷通電チャンネルのアスペクト比のn倍になるように選択され、
第2の対の第2の装置の電荷通電チャンネルの幅と長さは、第2の対の第2の装置の電荷通電チャンネルのアスペクト比が第2の対の第1の装置の電荷通電チャンネルのアスペクト比のn倍になるように選択され、
出力バッファは、電界効果型半導体装置の第1及び第2の対が
i) 装置の第1の対が通電されると第2の対は通電されず、第1の基準電位は出力信号として出力するために出力接合点に送電される
ii) 装置の第2の対が通電されると第1の対は通電されず、第2の基準電位は出力信号として出力するために出力接合点に送電される
如くに順番に通電されるように更に構成されていることを特徴とする集積回路用出力バッファ。 - 前記nは1以上である請求項1に記載の集積回路用出力バッファ。
- 前記第2の各半導体装置は、通電される時、バイアス電流に対する通路を半導体装置を通して供給するために電流源あるいは電流シンクに連結される請求項1又は2に記載の集積回路用出力バッファ。
- 前記電位分割器の接合点に連結される各対の第1の半導体装置は、通電的に接続される各ドレインとゲートを有し、更に、各対の第1の半導体装置のために各対のそれぞれの第2の半導体装置に連結される電流源あるいは電流シンクにより供給され、又は、シンクされる電流のI/nである電流を供給し又はシンクするバイアス電流源あるいは電流シンクを含む請求項3に記載の集積回路用出力バッファ。
- 前記一対の半導体装置は、他の対の半導体装置に対して反対の導電型である請求項1から4のいずれかに記載の集積回路用出力バッファ。
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