JP4432197B2 - Multistage level shift circuit and semiconductor device using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は多電源が混載する半導体集積回路において、異なる電源間の信号を変換する回路、特に異なる電源系間の電位差が大きい場合や、例えばゲートアレイ半導体装置やマスタースライス半導体装置において、異なる仕様に容易に対応する多段レベルシフト回路および半導体装置の構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のレベルシフト回路の代表的な回路を図5,図6に示す。図5は西独国特許公開2154877(DE,A)の回路図であり、図6は日本国特開昭57−59690号の回路図である。図5、図6の回路はともに電源電圧E1系の信号を電源電圧E2系の信号へ変換する構成となつている。また、様々な仕様に配線工程で対応するゲートアレイにレベルシフト回路を入出回路セルに搭載した例としては特開平02−089345号がある。また、ゲートアレイ内部のベーシックセルのトランジスタを配線で直並列に用いて工夫することにより、等価的に仕様に必要なP、Nの絶縁ゲート電界効果型トランジスタ(以下MOSFETと略す)のそれぞれのコンダクタンス定数であるβおよびβ比を作りだしている例を図7に示す。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
さて、前述した従来の回路はE1とE2の電位差があまり大きくない場合には実用的な回路である。しかしながら、E1とE2の電位差が大きくなるにつれ、P型MOSFETのβPとN型MOSFETのβNの比を非常に大きくとる必要が生じ、動作が極端に低下したり、消費電流が多大となったり、レイアウトの形状に無理が生ずるという課題があった。特に近年、集積回路に用いるMOSFET等の素子が微細化され、耐圧が低下するとともに、低電圧電源化が避けられなくなってきた。また、携帯機器に対する低消費電力化、低電圧化の要求が強まるなかで集積回路の内部は低電圧で動作させ、外部ではある程度高い電圧で動作する部品との間で、前述したE1とE2の電位差が大きい場合でも特性のよいレベルシフト回路が求められている。
【0004】
また、異なる電源系間の信号を変換するレベルシフト回路はゲートアレイ等の配線層のみの変更で様々な仕様に対応する半導体装置にも要求される。個々の仕様にそれぞれ固有に対応するカスタム設計の機種では要求される仕様に応じてMOSFETの形状やP、N型間のβ比を自由に設計できるが、ゲートアレイ等では特開平02−089345号に見られるように専用のレベルシフト回路を内蔵しても、仕様が変わると、最適なレベルシフトの特性はそれに応じて変わるので数多くの様々な仕様には対応できないという課題があった。
【0005】
また、ゲートアレイにおいてベーシックセル内のMOSFETを直列、もしくは並列に用いて図5、図6等における従来回路の等価的に必要なβ比を確保する方法は、低電圧かつ、変換する間の電位差が非常に大きい場合には、膨大な数のMOSFETが必要となり、レイアウト上、また他の電気特性上望ましくないという課題があった。
【0006】
そこで本発明はこのような課題を解決するもので、その目的とするところは、低電圧化した場合、あるいは異なる電源系の電位差が非常に大きい場合にも応答速度が速く、消費電流が少なく、レイアウトもしやすい多段レベルシフト回路を提供することにある。
【0007】
また、ゲートアレイ装置等の同一セル、同一形状のMOSFETの配線層による組み合わせによって、様々に異なる仕様の数多くのレベルシフト回路を構成しなければならない場合にも容易に対応できる半導体装置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】
本発明の多段レベルシフト回路は、第1の極性の第1の電位をもつ第1電源と、第1の極性の第2の電位を持つ第2電源と、第2の極性の第3電源とを有する多段レベルシフト回路であって、入力信号端子と反転入力信号端子、及び出力信号端子と反転出力信号端子とを有し、低い電圧系の入力信号を前記入力信号端子と反転入力信号端子とで受け、高い電圧系の信号として前記出力信号端子と反転出力信号端子とに出力するレベル変換機能を持ち、かつ絶縁ゲート電界効果型トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(以下、MOSFETと略す))の組み合わせからなるN(Nは3以上の整数)個の基本レベルシフト回路と、第1〜第(N−1)のMOSダイオード電源回路とからなり、前記第1〜第(N−1)のMOSダイオード電源回路のうちの、第M(1≦M≦N−1)のMOSダイオード電源回路は、第1の極性のMOSFETのゲート電極とドレイン電極とを互いに接続したMOSダイオード(N−M)個が直列に接続され、前記N個の基本レベルシフト回路の1番目の基本レベルシフト回路の電源側には第1の前記MOSダイオード電源回路が接続され、かつ、入力信号端子には第1の電源系の信号が接続され、反転入力信号端子には前記信号の反転信号が接続され、また、K番目(2≦K≦N−1)の基本レベルシフト回路の電源側には第Kの前記MOSダイオード電源回路が接続され、入力信号端子には(K−1)番目の基本レベルシフト回路の出力信号端子が接続され、反転入力信号端子には前記(K−1)番目の基本レベルシフト回路の反転出力信号端子が接続され、また、N番目の基本レベルシフト回路の電源側には第2電源が接続され、入力信号端子には(N−1)番目の基本レベルシフト回路の出力信号端子が接続され、反転入力信号端子には前記(N−1)番目の基本レベルシフト回路の反転出力信号端子が接続され、N番目の基本レベルシフト回路の出力信号端子及び反転出力信号端子が、それぞれ最終の出力信号端子、反転出力信号端子となっていることを特徴とする。
【0009】
すなわち、基本レベルシフト回路を複数個と、また、MOSダイオードを直列に接続したMOSダイオード電源回路とから適度に電圧降下させた電源を用意し、まず、変換すべき信号電圧と変換時に競合しない充分に低い電源電圧とで、やや高い電圧の出力信号を作る。同様に、順に少しずつ高い電源電圧を前記MOSダイオード電源回路からそれぞれ供給されている複数個の基本レベルシフト回路で、これを繰り返しながらレベル変換を序々に無理なく行い、最終的に高い電圧の出力信号を作ることを特徴とする。
【0011】
更に、前記基本レベルシフト回路の使用個数Nと、該基本レベルシフト回路およびMOSダイオードに用いられている第1の極性のMOSFETのスレッショルド電圧との積が前記第2電源の電位と第1電源の電位の差より大きい構成であってもよい。
【0012】
また、前記基本レベルシフト回路、及び前記MOSダイオード電源回路が、ゲートアレイ半導体装置、もしくはマスタースライス半導体装置に内蔵されたベーシックセルの同一サイズで構成されているP型、もしくはN型MOSFETを用いて実現されていることを特徴とする半導体装置として構成してもよい。
【作用】
本発明の上記の構成によれば、適度に電圧降下をさせた電源で基本レベルシフト回路を用い、かつ基本レベルシフト回路の変換動作時においてP、NのMOSFETが競合しない範囲で変換を行い、この無理のない変換を繰り返し行って最終目的の出力電圧の信号を得るので、この変換過程において、速やかに動作が遂行され、かつ競合の短絡電流もないので消費電流も少ない。
【0013】
また、前述の構成で基本レベルシフト回路の変換動作時においてP、NのMOSFETは競合しないので、駆動能力に影響するMOSFETのトランジスタの形状は実質的に無関係である。したがって、ゲートアレイ装置のベーシックセルの同一MOSFETの組み合わせであっても動作にまつたく支障がなく変換動作が行われる。
【0014】
また、変換する電圧系間の仕様が様々であっても、それにより、基本レベルシフト回路の個数である段数と、MOSダイオード電源回路のMOSダイオードの直列の個数を変更すればよいので、ゲートアレイ装置でも様々な仕様に対して配線変更のみで対応できる。
【0015】
また、前述したように回路動作に無理がないので、低電圧かつ、変換する間の電位差が非常に大きい仕様であって、かつ、マスタースライスもしくはゲートアレイにおけるベーシックセルのMOSFETで半導体装置を構成する場合でも合理的なMOSFETの個数で実現できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、実施例により本発明の詳細を示す。図1は本発明の第1の実施例を示す回路図である。図1において一点鎖線で囲まれた101、102、103、104はそれぞれ基本レベルシフト回路である。これらの基本レベルシフト回路が本発明において重要かつ基本的な役目を果たしているので先に説明をする。これらの基本レベルシフト回路のみを拡大して示した回路図が図2である。図2の回路は従来例で示した図6でも内部に使用されていて、よく知られたレベルシフト回路であるが、以下に簡単に構成と動作を説明する。図2において、P型MOSFET201のソース電極は正極の電源V2に接続され、ドレイン電極はP型MOSFET202のソース電極に接続されている。P型MOSFET202のドレイン電極とN型MOSFET203のドレイン電極は互いに接続され反転出力信号端子210となっている。N型MOSFET203のソース電極は負極の電源212(0電位)に接続されている。P型MOSFET204のソース電極は正極の電源V2に接続され、ドレイン電極はP型MOSFET205のソース電極に接続されている。P型MOSFET205のドレイン電極とN型MOSFET206のドレイン電極は互いに接続され出力信号端子209となっている。N型MOSFET206のソース電極は負極の電源212に接続されている。P型MOSFET202のゲート電極とN型MOSFET203のゲート電極は互いに接続され入力信号端子207に接続されている。P型MOSFET205のゲート電極とN型MOSFET206のゲート電極は互いに接続され反転入力信号端子208に接続されている。P型MOSFET201のゲート電極は出力信号端子209に接続され、P型MOSFET204のゲート電極は反転出力信号端子210に接続されている。
【0017】
さて、入力信号端子207とその反転信号である反転入力信号端子208はV1系の電源で動作し、出力信号端子209と反転出力信号端子210にはV2系の電位が出力される。当初、入力信号端子207が0(Low)、反転入力信号端子208がV1(High)であったとすると、出力信号端子209は0の電位、反転出力信号端子210はV2の電位である。次に入力信号端子207がV1(High)、反転入力信号端子208が0(Low)に変わったとすると、P型MOSFET202はソース電位がほぼV2、ゲート電位がV1となる。このとき、P型MOSFETのスレッショルド電圧をVTPとすれば、
V2−V1−VTP<0
であればオフ(OFF)となり、
V2−V1−VTP>0
であれば弱いオン(ON)状態となる。いずれにしろゲート電位が当初0であったときより、オフに近い状況となる。また、N型MOSFET203はオンとなる。また、P型MOSFET205はオンとなり、N型MOSFET206はオフとなる。したがって、N型MOSFET203がP型MOSFET202の駆動能力を上回れば反転出力信号端子210はLow電位に近づくのでP型MOSFET204はオンし、P型MOSFET205にV2系の電源電位が供給され、出力信号端子209がV2電位となるとともにP型MOSFET201のゲート電極にV2の電位が供給され、P型MOSFET201がオフする。したがって出力信号端子209はV2の電位、反転出力信号端子210は0の電位に最終的に安定する。更に、入力信号端子が再び0(Low)、反転入力信号端子208がV1(High)となったとすると、P型MOSFET204が201、P型MOSFET205が202、N型MOSFET206がN型MOSFET203と入れ替わった時と同じことが起こり、最終的に出力信号端子209は0電位、反転出力信号端子210はV2電位に最終的に安定する。以上から、V1系の入力信号から、V2系の出力信号へ変換される。
【0018】
さて、図1に戻る。図1において116は正極の電源で第1の電位E1を持っている。117は正極の電源で第2の電位E2を持っている。ここで、E2>E1である。118は負極の電源で共通のグランドとなつている。一点鎖線で囲まれた101、102、103、104は前述したように基本レベルシフト回路である。一点鎖線で囲まれた105はMOSダイオード電源回路であり、P型MOSFET106、107、108はそれぞれゲ−ト電極とドレイン電極が接続され、それぞれMOSダイオードを構成するとともに直列に接続されていて、スレツショルド電圧の整数倍の電圧降下を起こした電位を供給する役目をしている。111はE1系の入力信号端子でP型MOSFET109とN型MOSFET110によるCMOSインバータ回路によって反転入力信号を作りだしている。
【0019】
基本レベルシフト回路101は負極の電源118とMOSダイオード電源回路105のP型MOSFET108のドレイン電極の出力を正極の電源としている。入力信号端子112には前述したE1系の入力信号端子111が接続され、反転入力信号端子113にはP型MOSFET109とN型MOSFET110によるCMOSインバータ回路の出力が接続されている。
【0020】
基本レベルシフト回路102は負極の電源118とMOSダイオード電源回路105のP型MOSFET107のドレイン電極の出力を正極の電源としている。基本レベルシフト回路102の入力信号端子、及び反転入力信号端子には前述した基本レベルシフト回路101の出力信号端子と反転出力信号端子がそれぞれ接続されている。
【0021】
基本レベルシフト回路103は負極の電源118とMOSダイオード電源回路105のP型MOSFET106のドレイン電極の出力を正極の電源としている。基本レベルシフト回路103の入力信号端子、及び反転入力信号端子には前述した基本レベルシフト回路102の出力信号端子と反転出力信号端子がそれぞれ接続されている。
【0022】
基本レベルシフト回路104は負極の電源118と第2の電位E2を正極の電源としている。基本レベルシフト回路104の入力信号端子、及び反転入力信号端子には前述した基本レベルシフト回路103の出力信号端子と反転出力信号端子がそれぞれ接続されている。基本レベルシフト回路104の出力信号端子114と反転出力信号端子115が本発明の多段レベルシフト回路としての出力信号端子、及び反転出力信号端子となっている。
【0023】
以上の構成により、0とE1の電圧間で動作するE1系の信号は基本レベルシフト回路 101、102、103、104を経て、序々に出力信号の電圧を高くしていき、最終的に0とE2の電圧間で動作する信号に変換する。なお、この場合、基本レベルシフト回路の使用個数と、該基本レベルシフト回路およびMOSダイオードに用いられている第1の極性のMOSFETのスレッショルド電圧との積は、第2電源の電位の電位と第1電源の電位の差よりも大きい。
【0024】
以上の回路の機能、効果をより解りやすくする為に実際の数値例を以下に示す。
【0025】
低電圧側の電源電圧をE1=0.9[V]、高電圧側の電源電圧をE2=3.0[V]、P型およびN型MOSFETのスレッショルド電圧をそれぞれVTP、VTNとしてVTP=0.6[V]、VTN=0.6[V]とする。するとP型MOSFET106、107、108のMOSダイオードの3段による電圧降下は1.8[V](0.6×3)となるので基本レベルシフト回路101の正極の電源電位は1.2[V](3.0−1.8)となる。したがって入力信号端子112にHighの信号である0.9[V]が加わったとき、図2のP型MOSFET202に相当するP型MOSFETのゲートは0.9[V]、ソース電極はほぼ1.2[V]となるので
VGS−VTH=(1.2−0.9)−0.6<0
となっている。したがってP型MOSFET202に相当するP型MOSFETは無条件にオフしている。これはゲート電位が低い(0.9[V])のでソース電位をも低く(1.2[V])した効果である。勿論、このときN型MOSFET203に相当するN型MOSFETはソース電極が0電位でゲート電位が0.9[V]であり、かつ、VTN=0.6[V]であるので
VGS−VTH=(0.9−0)−0.6>0
となり、無条件にオンする。したがって、P型MOSFETとN型MOSFETとが競合することなく、無理なく入力信号の変化に応じて出力信号が変化していく。そして出力信号端子および反転出力信号端子に1.2[V]もしくは0[V]を出力する。
【0026】
次に基本レベルシフト回路102についてであるが、P型MOSFET106、107のMOSダイオードの2段による電圧降下は1.2[V](0.6×2)となるので基本レベルシフト回路 102の正極の電源電位は1.8[V](3.0−1.2)となる。したがって入力信号端子に基本レベルシフト回路 101の出力信号のHighの信号である1.2[V]が加わったとき、図2のP型MOSFET202に相当するP型MOSFETのゲートは1.2[V]、ソース電極はほぼ1.8[V]となるので
VGS−VTH=(1.8−1.2)−0.6≦0
となっている。したがってP型MOSFET202に相当するP型MOSFETはオフする。勿論、このときN型MOSFET203に相当するN型MOSFETはソース電極が0電位でゲート電位が1.2[V]であるので無条件にオンする。したがって、P型MOSFETとN型MOSFETが競合することなく、無理なく1.2[V]系の入力信号を1.8[V]系の出力信号に変換する。
【0027】
次に基本レベルシフト回路103についてであるが、P型MOSFET106のMOSダイオードの1段による電圧降下は0.6[V](0.6×1)となるので基本レベルシフト回路103の正極の電源電位は2.4[V](3.0−0.6)となる。したがって入力信号端子に基本レベルシフト回路102の出力信号のHighの信号である1.8[V]が加わったとき、図2のP型MOSFET202に相当するP型MOSFETのゲートは1.8[V]、ソース電極はほぼ2.4[V]となるので
VGS−VTH=(2.4−1.8)−0.6≦0
となっている。したがってP型MOSFET202に相当するP型MOSFETはオフする。勿論、このときN型MOSFET203に相当するN型MOSFETはソース電極が0電位でゲート電位が1.8[V]であるので無条件にオンする。したがって、P型MOSFETとN型MOSFETが競合することなく、無理なく1.8[V]系の入力信号を2.4[V]系の出力信号に変換する。
【0028】
次に基本レベルシフト回路104についてであるが、基本レベルシフト回路104の正極には3.0[V]が加えられている。したがって入力信号端子に基本レベルシフト回路 103の出力信号のHighの信号である2.4[V]が加わったとき、図2のP型MOSFET202に相当するP型MOSFETのゲートは2.4[V]、ソース電極は3.0[V]となるので
VGS−VTH=(3.0−2.4)−0.6≦0
となっている。したがってP型MOSFET202は相当するP型MOSFETオフする。勿論、このときN型MOSFET203に相当するN型MOSFETはソース電極が0電位でゲート電位が2.4[V]であるので無条件にオンする。したがって、P型MOSFETとN型MOSFETとが競合することなく、無理なく2.4[V]系の入力信号を3.0[V]系の出力信号に変換する。
【0029】
以上の回路において、従来のレベルシフト回路においてはP型MOSFET202とN型MOSFET203が競合するような設計をしていたのに対し、P型MOSFETとN型MOSFETとが競合することなく変換動作をするように正極側の電圧を下げ、その分、段数を増やし、変換を繰り返すことによって所望の電圧の出力信号を作りあげている。その結果として、高速にかつ、低消費電流となる。この効果を従来例の図6、もしくは図2の回路でE1=0.9[V]から一気に3.0[V]に引き上げる場合を次にあげ比較する。簡単の為、図2のP型MOSFET201、202、204、205はすべて同一のコンダクタンス定数βPとスレッショルド電圧VTPを持っているものとする。また、N型MOSFET203、206はすべて同一のコンダクタンス定数βNとスレッショルド電圧VTNを持っているものとする。このとき動作上、問題となるのは入力信号端子207がLow(0)からHigh(E1=0.9[V])に変わったとき、N型MOSFET203がオンするのは勿論であるが、P型MOSFET202が
VGS−VTH=(3.0−0.9)−0.6>0
であるためにオフとならないことである。このときP型MOSFETとN型MOSFETが競合する事態が生じる。この競合を信号の変化した当初の状態で以下のようにN型とP型側のMOSFETの駆動能力の差の比較として考えてみる。このときN型MOSFET203は飽和領域の動作であるので等価抵抗RN1は
RN1=2E2/βN(E1−VTN)2
また、P型MOSFET202は不飽和領域の動作であるので等価抵抗RP2は
RP2=1/βP(E2−E1−VTP)
となる。なお、ここで(E2−E1−VTP)=(3.0−0.9−0.6)>0
である。また、P型MOSFET201は不飽和領域の動作であるので、等価抵抗RP3は
RP3=1/βP(E2−0−VTP)=1/βP(E2−VTP)
と表される。ここで、レベルシフト回路が正常に動作するか否かの限界は一般的にはかなり、難解であるが、ここでは簡単化して評価の目安をN型MOSFET側とP型MOSFETの駆動能力の比較でみるが、駆動能力と反比例の関係にある等価抵抗に置き換えて比較する。限界の判定式を以下のように考える。
【0030】
RN1 < RP2+RP3
とすれば、以上の関係式を代入して解けば
A=2E2(E2−E1−VTP)・(E2−VTP)
B=(E1−VTN)2・{2(E2−VTP)−E1}
とおいて
βN/βP > A/B
がレベルシフト回路が正常に動作するか否かの限界の判定式となる。
【0031】
さて、E1=0.9[V]、E2=3.0[V]、VTP=0.6[V]、VTN=0.6[V]とすれば、
βN/βP > 61.5
となる。また、製造上において、スレツショルド電圧は0.1[V]程度は通常ばらつくので最悪条件を考慮して、
E1=0.9[V]、E2=3.0[V]、VTP=0.7[V]、VTN=0.7[V]とすれば、
βN/βP > 130.5
にもなる。通常の同一形状のN型MOSFETとP型MOSFETとのβ比は3程度であるから、以上のβ比を達成するにはP型MOSFETとN型MOSFETでは20〜40倍程度形状を変えて、駆動能力に差をつける必要がある。本来、CMOS回路を構成する際にP型MOSFETとN型MOSFETとは駆動能力にバランスがとれている方が高速の応答性や低消費電流の特性に望ましい。したがつて、MOSFETの形状を自由に設計できるカスタム設計などでは形状は確保できるものの、前述したβ比のアンバランスがあると応答性や消費電流の特性に悪影響がでる。また、ゲートアレイの場合で前述の異常なβ比を図7のようにP型MOSFETを直列に接続して達成する手法では図7の701、702、704、705の各部においてP型MOSFETが20〜40個必要であることを意味している。したがって、図7の方式では4個所で直列接続が必要となるので、P型MOSFETが80〜160個、N型MOSFETが3個必要とする。一方、本発明の図1の回路方式ではP型MOSFETが20個、N型MOSFET9個で達成している。したがって、ゲートアレイ方式でこの例の仕様のレベルシフト回路を実現するには、従来方式より、本発明の回路方式の方が圧倒的に少ないMOSFET数で達成できることが解る。また、図7の従来方式はMOSFETを多数個、必要とするばかりでなく、信号遷移の過渡期に競合が起こる。したがって、本発明の回路方式の方が応答性や低消費電流の特性が良い。また、本発明では競合が起こらないので、特性が安定していて、製造上のバラツキにも強い回路であることが解る。
【0032】
図3は本発明の第2の実施例を示す回路図である。図2において図1と異なるのは一点鎖線で囲まれたMOSダイオード電源回路305の構成である。図1においては3個直列に接続したMOSダイオード回路から、各基本レベルシフト回路の電源をそれぞれ取り出していたが、図3では段数の異なる直列MOSダイオード318、319、320をそれぞれ別に設け、各基本レベルシフト回路に別々に電源電位を供給している点である。図3の回路方式はMOSFETの数が若干、増加するものの、MOSダイオード電源回路としての電流供給能力が高まるので、より高速の応答性を追求する場合には有効な回路方式である。
【0033】
図4は本発明の第3の実施例を示す回路図である。図3において図1と異なるのは多電源側の極性であり、その為、P型MOSFETとN型MOSFETの構成を図1と逆の構成にしている。構成は逆であるが動作原理や効果は同様である。
なお、図1の実施例で、従来回路で同様のことを行う場合を数値例で示したが、図4を従来例で同様のことを行うとして、従来方式のレベルシフト回路が正常に動作するか否かの限界の判定式を考えると、
−E1=−0.9[V]、−E2=−3.0[V]、VTP=0.6[V]、VTN=0.6[V]とすれば、
βP/βN > 61.5
となる。また、製造上において、スレツショルド電圧は0.1[V]程度は通常ばらつくので最悪条件を考慮すれば、
−E1=−0.9[V]、−E2=−3.0[V]、VTP=0.7[V]、VTN=0.7[V]とすれば、
βP/βN > 130.5
である。ここでは不等式の右辺の数値は図1の計算例と同じであるが、左辺のβPとβNの間において分母と分子の関係が入れ替わっている。前述したように通常の同一形状のN型MOSFETとP型MOSFETとのβ比は3程度であるから、この場合、以上のβ比を達成するにはP型MOSFETとN型MOSFETでは180〜360倍程度形状を変えて、駆動能力に差をつける必要があり、格差が広がる。したがって本発明は図4のように変換すべき信号電圧が負の場合には更に効果的であることが解る。
【0034】
また、図1、図3、図4では基本レベルシフト回路が4個の例を示したが、仕様によって段数は3段以下の場合も、5段以上が望ましい場合もある。
【0035】
また、図1、図3、図4では図2の基本レベルシフト回路を用いる例を示したが、本発明の本質は無理のない電圧間の変換を繰り返すことにあるので、基本レベルシフト回路の構成は必ずしも図2に拘わらない。従来例に図5を挙げた如く、基本レベルシフト回路は他の回路も多くあり、かつ有効である。
【0036】
また、図1,図3、図4ではE1系の入力信号端子111の反転信号を作るインバータ回路を示したが、もともと入力信号とその反転信号が一対で供給される場合には必ずしも必要ではない。
【0037】
また、図1の実施例では信号の遷移の際に完全に競合が起こらない場合を説明したが、本発明の回路方式のMOSダイオード電源回路によって適度に電圧降下が起きていれば、多少の競合が起きたとしても従来回路よりは遙かに良い特性が期待できる。
【0038】
また、図1、図3、図4ではMOSダイオード電源回路をゲートとドレインを接続したMOSFETによるMOSダイオード回路を多段に直列接続することで構成し、電圧降下を生じさせる方式をとっているが、MOSダイオード電源回路の機能の本質は適度な電圧降下をさせるのが目的であるので、他のMOSFETの組み合わせでも可能である。また、抵抗手段で実現してもよい。
【0039】
また、図1,図3、図4の実施例では完全に競合が起こらない場合を説明しているのでMOSFETの形状には実質的には関係なく既存のゲートアレイに適用できる。
【0040】
【発明の効果】
以上、述べたように本発明によれば低電圧かつ、変換する電位差が大きくても高速かつ、低消費電流のレベルシフト回路が提供できるという効果がある。
【0041】
また、変換動作時において、P、NのMOSFET間で競合しない回路構成であるのでゲートアレイのような既成のMOSFETの組み合わせでも容易に構成できるという効果がある。
【0042】
したがって、既成のゲートアレイでもレベルシフト回路を内蔵できて、多電源に対応できるという効果がある。
【0043】
また、既成のゲートアレイで実現できる回路方式であるので、様々な仕様に対して配線層の変更のみで対応できるという効果がある。
【0044】
また、従来回路方式でゲートアレイで対応する場合に比較して、非常に少ないトランジスタ数と、良い特性のレベルシフト回路を提供できるという効果がある。
【0045】
また、変換動作時において、P、NのMOSFET間で競合しない回路構成であるので、動作が安定しており、製造上のバラツキに強いという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す回路図である。
【図2】本発明に用いる基本レベルシフト回路の回路図である。
【図3】本発明の第2の実施例を示す回路図である。
【図4】本発明の第3の実施例を示す回路図である。
【図5】従来のレベルシフト回路の回路図である。
【図6】従来のレベルシフト回路の回路図である。
【図7】従来のレベルシフト回路の回路図である。
【符号の説明】
101、102、103、104、401、402、403、404 ・・・基本レベルシフト回路
105、305、318、319、320 ・・・ MOSダイオード電源回路
106、107、108、109、201、202、204、205、410・・・ P型MOSダイオード
110、203、206、405、406、407、408、409 ・・・N型MOSFET
111、112、207、411、413 ・・・ 入力信号端子
113、208、412 ・・・ 反転入力信号端子
114、209、415 ・・・ 出力信号端子
115、210、414 ・・・ 反転出力信号端子
116、416 ・・・ 第1電源
117、211、417 ・・・ 第2電源
118、212、418 ・・・ グランド(第3電源)
701、702、704、705 ・・・ 直列接続したP型MOSFET群[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In a semiconductor integrated circuit in which multiple power supplies are mixed, the present invention has different specifications in a circuit that converts signals between different power supplies, particularly when a potential difference between different power supply systems is large, for example, in a gate array semiconductor device or a master slice semiconductor device. The present invention relates to a configuration of a multistage level shift circuit and a semiconductor device which can be easily handled.
[0002]
[Prior art]
A typical circuit of a conventional level shift circuit is shown in FIGS. FIG. 5 is a circuit diagram of West German Patent Publication 2154877 (DE, A), and FIG. 6 is a circuit diagram of Japanese Patent Laid-Open No. 57-59690. 5 and 6 both have the power supply voltage E1System power supply voltage E2It is configured to convert to a system signal. Japanese Patent Laid-Open No. 02-089345 discloses an example in which a level shift circuit is mounted on an input / output circuit cell in a gate array corresponding to various specifications in a wiring process. In addition, by devising the basic cell transistors in the gate array by using the wirings in series and parallel, the conductance of each of the P and N insulated gate field effect transistors (hereinafter abbreviated as MOSFETs) equivalent to the specifications is equivalently required. An example of creating β and β ratio as constants is shown in FIG.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Now, the conventional circuit described above is E1And E2This circuit is practical when the potential difference is not so large. However, E1And E2As the potential difference increases, β-type MOSFET βPAnd β of N-type MOSFETNIt is necessary to take a very large ratio, and there are problems that the operation is extremely reduced, the current consumption is increased, and the layout shape is unreasonable. In particular, in recent years, elements such as MOSFETs used in integrated circuits have been miniaturized, the withstand voltage has been reduced, and it has become unavoidable to use low-voltage power supplies. In addition, as the demand for low power consumption and low voltage for portable devices is increasing, the internal circuit is operated at a low voltage, and the above-described E1And E2There is a need for a level shift circuit with good characteristics even when the potential difference is large.
[0004]
In addition, a level shift circuit for converting signals between different power supply systems is also required for semiconductor devices corresponding to various specifications by changing only a wiring layer such as a gate array. In the case of a custom-designed model that uniquely corresponds to each specification, the shape of the MOSFET and the β ratio between P and N types can be freely designed according to the required specifications. However, for gate arrays and the like, Japanese Patent Laid-Open No. 02-089345 However, even if a dedicated level shift circuit is built in, if the specifications change, the characteristics of the optimum level shift change accordingly, so that there is a problem that many different specifications cannot be accommodated.
[0005]
In addition, the method of ensuring the equivalently required β ratio of the conventional circuit in FIGS. 5 and 6 by using the MOSFETs in the basic cell in series or in parallel in the gate array is a low voltage and the potential difference between the conversions. Is very large, an enormous number of MOSFETs are required, which is undesirable in terms of layout and other electrical characteristics.
[0006]
Therefore, the present invention solves such a problem, and the object of the present invention is that the response speed is fast and the current consumption is small even when the voltage is lowered or the potential difference between different power supply systems is very large. An object of the present invention is to provide a multistage level shift circuit that can be easily laid out.
[0007]
Also, it is possible to provide a semiconductor device that can easily cope with a case where a number of level shift circuits having different specifications have to be configured by combining the same cell and the same shape MOSFET wiring layer, such as a gate array device. With the goal.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The multi-stage level shift circuit according to the present invention includes a first power source having a first potential having a first polarity, a second power source having a second potential having a first polarity, and a third power source having a second polarity. A multi-stage level shift circuit having an input signal terminal and an inverting input signal terminal, an output signal terminal and an inverting output signal terminal, and a low voltage system input signal as the input signal terminal and the inverting input signal terminal. And has a level conversion function to output to the output signal terminal and the inverted output signal terminal as a high voltage signal, and an insulated gate field effect transistor (hereinafter abbreviated as a MOSFET). N (N is a combination of3(Integer above) basic level shift circuits,A first (N-1) th MOS diode power supply circuit, and an Mth (1≤M≤N-1) MOS of the first to (N-1) th MOS diode power supply circuits. The diode power supply circuitMOS diode in which gate electrode and drain electrode of MOSFET of first polarity are connected to each other(N−M) pieces are connected in series,On the power supply side of the first basic level shift circuit of the N basic level shift circuits,First MOS diode power supply circuitAnd the signal of the first power supply system is connected to the input signal terminalIsThe inverted input signal terminal is connected to the inverted signal of the signal, and the power supply side of the Kth (2 ≦ K ≦ N−1) basic level shift circuit is connected to the inverted input signal terminal.Kth MOS diode power supply circuitAre connected, the output signal terminal of the (K-1) th basic level shift circuit is connected to the input signal terminal, and the inverted output signal of the (K-1) th basic level shift circuit is connected to the inverted input signal terminal. A second power supply is connected to the power supply side of the Nth basic level shift circuit, an output signal terminal of the (N-1) th basic level shift circuit is connected to the input signal terminal, The inverted output signal terminal of the (N-1) th basic level shift circuit is connected to the inverted input signal terminal, and the output signal terminal and the inverted output signal terminal of the Nth basic level shift circuit are respectively the final output signals. Terminal and inverted output signal terminal.
[0009]
In other words, a power supply with a moderate voltage drop from a plurality of basic level shift circuits and a MOS diode power supply circuit in which MOS diodes are connected in series is prepared. A slightly higher output signal is produced with a lower power supply voltage. Similarly, a plurality of basic level shift circuits, each of which is supplied with a power supply voltage little by little from the MOS diode power supply circuit in order, level conversion gradually becomes impossible while repeating this.LineIn the end, a high voltage output signal is produced.
[0011]
Further, the product of the number N of the basic level shift circuits used and the threshold voltage of the first polarity MOSFET used for the basic level shift circuit and the MOS diode is the potential of the second power supply and the first power supply. The configuration may be larger than the potential difference.
[0012]
In addition, the basic level shift circuit and the MOS diode power supply circuit use P-type or N-type MOSFETs configured with the same basic cell size incorporated in a gate array semiconductor device or a master slice semiconductor device. You may comprise as a semiconductor device characterized by being implement | achieved.
[Action]
According to the above configuration of the present invention, the basic level shift circuit is used with a power supply having a moderate voltage drop, and the conversion is performed in a range in which the P and N MOSFETs do not compete during the conversion operation of the basic level shift circuit. Since this unreasonable conversion is repeatedly performed to obtain a signal of the final target output voltage, the operation is quickly performed in this conversion process, and since there is no competing short-circuit current, current consumption is small.
[0013]
Also, since the P and N MOSFETs do not compete during the conversion operation of the basic level shift circuit with the above-described configuration, the shape of the MOSFET transistors that affect the driving capability is substantially irrelevant. Therefore, even if the same MOSFET is combined in the basic cell of the gate array device, the conversion operation is performed without any trouble.
[0014]
There are also various specifications between the voltage systems to be converted.TsuHowever, it is only necessary to change the number of stages, which is the number of basic level shift circuits, and the number of MOS diodes in series in the MOS diode power supply circuit. it can.
[0015]
Further, as described above, since there is no unreasonable circuit operation, the specification is such that the potential difference between conversions is low and the voltage is very large, and the semiconductor device is composed of MOSFETs of basic cells in the master slice or gate array. Even in this case, it can be realized with a reasonable number of MOSFETs.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, details of the present invention will be described by way of examples. FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention. In FIG. 1,
[0017]
Now, the
V2-V1-VTP<0
Is off (OFF),
V2-V1-VTP> 0
If it is, it will be in a weak ON state. In any case, the situation is closer to OFF than when the gate potential was initially zero. The N-
[0018]
Returning to FIG. In FIG. 1,
[0019]
The basic
[0020]
The basic
[0021]
The basic
[0022]
The basic
[0023]
With the above configuration, 0 and E1E operating between two voltages1The system signal passes through the basic
[0024]
In order to make the functions and effects of the above circuits easier to understand, actual numerical examples are shown below.
[0025]
The power supply voltage on the low voltage side is E1= 0.9 [V], the power supply voltage on the high voltage side is E2= 3.0 [V], the threshold voltages of the P-type and N-type MOSFETs are VTP, VTNAs VTP= 0.6 [V], VTN= 0.6 [V]. Then, the voltage drop due to the three stages of the MOS diodes of the P-
VGS-VTH= (1.2-0.9) -0.6 <0
It has become. Therefore, the P-type MOSFET corresponding to the P-
VGS-VTH= (0.9-0) -0.6> 0
It turns on unconditionally. Therefore, the P-type MOSFET and the N-type MOSFET do not compete with each other, and the output signal changes according to the change of the input signal without difficulty. Then, 1.2 [V] or 0 [V] is output to the output signal terminal and the inverted output signal terminal.
[0026]
Next, regarding the basic
VGS-VTH= (1.8-1.2) -0.6 ≦ 0
It has become. Therefore, the P-type MOSFET corresponding to the P-
[0027]
Next, regarding the basic
VGS-VTH= (2.4-1.8) -0.6 ≦ 0
It has become. Therefore, the P-type MOSFET corresponding to the P-
[0028]
Next, regarding the basic
VGS-VTH= (3.0-2.4) -0.6 ≦ 0
It has become. Therefore, the corresponding P-
[0029]
In the above circuit, the conventional level shift circuit is designed such that the P-
VGS-VTH= (3.0-0.9) -0.6> 0
Because it is, it is not turned off. At this time, a situation occurs in which the P-type MOSFET and the N-type MOSFET compete with each other. Consider this contention as a comparison of the difference in driving capability between the N-type and P-type MOSFETs in the initial state when the signal changes. At this time, since the N-
RN1= 2E2/ ΒN(E1-VTN)2
Since the P-
RP2= 1 / βP(E2-E1-VTP)
It becomes. Here, (E2-E1-VTP) = (3.0−0.9−0.6)> 0
It is. Further, since the P-
RP3= 1 / βP(E2-0-VTP) = 1 / βP(E2-VTP)
It is expressed. Here, the limit of whether or not the level shift circuit normally operates is generally quite difficult, but here, it is simplified and a guide for evaluation is compared between the drive characteristics of the N-type MOSFET and the P-type MOSFET. However, we compare it by replacing it with an equivalent resistance that is inversely proportional to the driving ability. The limit judgment formula is considered as follows.
[0030]
RN1 <RP2+ RP3
If the above relational expression is substituted,
A = 2E2(E2-E1-VTP) ・ (E2-VTP)
B = (E1-VTN)2・ {2 (E2-VTP-E1}
Anyway
βN/ ΒP > A / B
This is a limit judgment formula as to whether or not the level shift circuit operates normally.
[0031]
Now, E1= 0.9 [V], E2= 3.0 [V], VTP= 0.6 [V], VTN= 0.6 [V]
βN/ ΒP > 61.5
It becomes. In manufacturing, the threshold voltage usually varies about 0.1 [V].
E1= 0.9 [V], E2= 3.0 [V], VTP= 0.7 [V], VTN= 0.7 [V]
βN/ ΒP > 130.5
It also becomes. Since the β ratio between the normal N-type MOSFET and the P-type MOSFET is about 3, in order to achieve the above β-ratio, the shape is changed about 20 to 40 times between the P-type MOSFET and the N-type MOSFET, It is necessary to make a difference in driving ability. Originally, when configuring a CMOS circuit, it is desirable for the characteristics of high-speed response and low current consumption that the P-type MOSFET and the N-type MOSFET are balanced in driving capability. Therefore, although the shape can be secured by custom design or the like in which the shape of the MOSFET can be freely designed, if the β ratio is unbalanced as described above, the responsiveness and current consumption characteristics are adversely affected. Further, in the case of achieving the above-mentioned abnormal β ratio in the case of the gate array by connecting the P-type MOSFETs in series as shown in FIG. 7, 20 parts of the P-type MOSFETs are provided in each
[0032]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention. 2 is different from FIG. 1 in the configuration of a MOS diode
[0033]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a third embodiment of the present invention. 3 is different from FIG. 1 in the polarity on the multi-power supply side. Therefore, the configurations of the P-type MOSFET and the N-type MOSFET are opposite to those in FIG. Although the configuration is reversed, the operation principle and effect are the same.
In the embodiment of FIG. 1, the case of performing the same thing in the conventional circuit is shown as a numerical example. However, if the same thing is performed in FIG. 4 as the conventional example, the conventional level shift circuit operates normally. Considering the limit judgment formula of whether or not
-E1= -0.9 [V], -E2= -3.0 [V], VTP= 0.6 [V], VTN= 0.6 [V]
βP/ ΒN > 61.5
It becomes. In manufacturing, the threshold voltage usually varies about 0.1 [V], so if the worst condition is considered,
-E1= -0.9 [V], -E2= -3.0 [V], VTP= 0.7 [V], VTN= 0.7 [V]
βP/ ΒN > 130.5
It is. Here, the numerical value on the right side of the inequality is the same as in the calculation example of FIG.PAnd βNThe relationship between the denominator and the numerator is interchanged. As described above, the β ratio between the normal N-type MOSFET and the P-type MOSFET having the same shape is about 3. In this case, in order to achieve the above β ratio, the P-type MOSFET and the N-type MOSFET are 180 to 360. It is necessary to make a difference in driving ability by changing the shape about twice, and the disparity widens. Therefore, it can be seen that the present invention is more effective when the signal voltage to be converted is negative as shown in FIG.
[0034]
1, 3, and 4 exemplify four basic level shift circuits, depending on the specification, the number of stages may be 3 or less, or 5 or more may be desirable.
[0035]
1, 3, and 4 show examples using the basic level shift circuit of FIG. 2, but the essence of the present invention is to repeatedly convert between the unreasonable voltages. The configuration is not necessarily related to FIG. As shown in FIG. 5 for the conventional example, the basic level shift circuit has many other circuits and is effective.
[0036]
1, 3, and 4, E1Although an inverter circuit that generates an inverted signal of the
[0037]
Further, in the embodiment of FIG. 1, a case has been described in which there is no complete competition at the time of signal transition, but if there is a moderate voltage drop by the circuit-type MOS diode power supply circuit of the present invention, there will be some competition. Even if this happens, much better characteristics than the conventional circuit can be expected.
[0038]
1, 3, and 4, the MOS diode power supply circuit is configured by connecting MOS diode circuits with MOSFETs having gates and drains connected in series in multiple stages, and a method of causing a voltage drop is employed. Since the essence of the function of the MOS diode power supply circuit is to reduce the voltage appropriately, other MOSFET combinations are possible. Moreover, you may implement | achieve by a resistance means.
[0039]
In addition, since the embodiments of FIGS. 1, 3 and 4 describe the case where no competition occurs completely, the present invention can be applied to an existing gate array irrespective of the shape of the MOSFET.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is an effect that it is possible to provide a level shift circuit having a low voltage and a high speed and a low current consumption even when a potential difference to be converted is large.
[0041]
Further, since the circuit configuration does not compete between the P and N MOSFETs during the conversion operation, there is an effect that it can be easily configured even by a combination of existing MOSFETs such as a gate array.
[0042]
Therefore, an existing gate array can incorporate a level shift circuit, and has the effect that it can cope with multiple power supplies.
[0043]
In addition, since the circuit system can be realized with an existing gate array, it is possible to cope with various specifications only by changing the wiring layer.
[0044]
In addition, there is an effect that it is possible to provide a level shift circuit having a very small number of transistors and good characteristics as compared with the case where the gate array is used in the conventional circuit system.
[0045]
In addition, since the circuit configuration does not compete between the P and N MOSFETs during the conversion operation, the operation is stable, and there is an effect that the manufacturing variation is strong.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of a basic level shift circuit used in the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram of a conventional level shift circuit.
FIG. 6 is a circuit diagram of a conventional level shift circuit.
FIG. 7 is a circuit diagram of a conventional level shift circuit.
[Explanation of symbols]
101, 102, 103, 104, 401, 402, 403, 404 ... basic level shift circuit
105, 305, 318, 319, 320 ... MOS diode power supply circuit
106, 107, 108, 109, 201, 202, 204, 205, 410 ... P-type MOS diode
110, 203, 206, 405, 406, 407, 408, 409 ... N-type MOSFET
111, 112, 207, 411, 413 ... Input signal terminals
113, 208, 412... Inverted input signal terminal
114, 209, 415... Output signal terminal
115, 210, 414 ... Inverted output signal terminal
116, 416 ... first power source
117, 211, 417 ... second power source
118, 212, 418 ... Ground (third power supply)
701, 702, 704, 705 ... P-type MOSFET group connected in series
Claims (3)
入力信号端子と反転入力信号端子、及び出力信号端子と反転出力信号端子とを有し、
低い電圧系の入力信号を前記入力信号端子と反転入力信号端子とで受け、高い電圧系の信号として前記出力信号端子と反転出力信号端子とに出力するレベル変換機能を持ち、かつ絶縁ゲート電界効果型トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(以下、MOSFETと略す))の組み合わせからなるN(Nは3以上の整数)個の基本レベルシフト回路と、
第1〜第(N−1)のMOSダイオード電源回路とからなり、
前記第1〜第(N−1)のMOSダイオード電源回路のうちの、第M(1≦M≦N−1)のMOSダイオード電源回路は、第1の極性のMOSFETのゲート電極とドレイン電極とを互いに接続したMOSダイオード(N−M)個が直列に接続され、
前記N個の基本レベルシフト回路の1番目の基本レベルシフト回路の電源側には第1の前記MOSダイオード電源回路が接続され、かつ、入力信号端子には第1の電源系の信号が接続され、反転入力信号端子には前記信号の反転信号が接続され、
また、K番目(2≦K≦N−1)の基本レベルシフト回路の電源側には第Kの前記MOSダイオード電源回路が接続され、入力信号端子には(K−1)番目の基本レベルシフト回路の出力信号端子が接続され、反転入力信号端子には前記(K−1)番目の基本レベルシフト回路の反転出力信号端子が接続され、
また、N番目の基本レベルシフト回路の電源側には第2電源が接続され、入力信号端子には(N−1)番目の基本レベルシフト回路の出力信号端子が接続され、反転入力信号端子には前記(N−1)番目の基本レベルシフト回路の反転出力信号端子が接続され、N番目の基本レベルシフト回路の出力信号端子及び反転出力信号端子が、それぞれ最終の出力信号端子、反転出力信号端子となっていることを特徴とする多段レベルシフト回路。A multi-stage level shift circuit having a first power supply having a first potential having a first polarity, a second power supply having a second potential having a first polarity, and a third power supply having a second polarity. ,
It has an input signal terminal and an inverted input signal terminal, and an output signal terminal and an inverted output signal terminal,
Receives a low voltage input signal at the input signal terminal and the inverted input signal terminal, and outputs a high voltage signal to the output signal terminal and the inverted output signal terminal, and has an insulated gate field effect. N (N is an integer of 3 or more) basic level shift circuits composed of combinations of type transistors (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (hereinafter abbreviated as MOSFET));
Comprising first to (N-1) th MOS diode power supply circuits,
Of the first to (N−1) th MOS diode power supply circuits, the Mth (1 ≦ M ≦ N−1) MOS diode power supply circuit includes a gate electrode and a drain electrode of a first polarity MOSFET. MOS diodes (NM) connected to each other are connected in series,
The first MOS level power supply circuit is connected to the power supply side of the first basic level shift circuit of the N basic level shift circuits, and the signal of the first power supply system is connected to the input signal terminal. The inverted signal of the signal is connected to the inverted input signal terminal,
The Kth MOS diode power supply circuit is connected to the power supply side of the Kth (2 ≦ K ≦ N−1) basic level shift circuit, and the (K−1) th basic level shift is connected to the input signal terminal. An output signal terminal of the circuit is connected, and an inverted output signal terminal of the (K-1) th basic level shift circuit is connected to the inverted input signal terminal,
The second power supply is connected to the power supply side of the Nth basic level shift circuit, the output signal terminal of the (N-1) th basic level shift circuit is connected to the input signal terminal, and the inverting input signal terminal is connected to the inverting input signal terminal. Is connected to the inverted output signal terminal of the (N-1) th basic level shift circuit, and the output signal terminal and inverted output signal terminal of the Nth basic level shift circuit are respectively the final output signal terminal and the inverted output signal. A multistage level shift circuit characterized by being a terminal.
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