JP4451442B2 - 電力低下及び過電圧トレランスを有するバスホールド回路 - Google Patents

電力低下及び過電圧トレランスを有するバスホールド回路 Download PDF

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Description

本発明は、バスドライバ回路に関し、特に、入力信号のソースがハイインピーダンス状態とみなされる時には、出力論理状態を維持するバスホールド回路に関し、より具体的には、過電圧を許容するCMOSバスホールド回路構成に関する。該CMOSバスホールド回路構成は、電力が低下させられた時には漏れ経路を形成せず、DC電力と構成要素とを節約する。
従来のバスホールド回路は、入力接続部においてハイインピーダンスの負荷を提供している間に、該入力結合部からのデータをラッチする。より古いバスホールド回路は、電力低下も、過電圧も許容せず、そのような状況下において、障害のある状況か又は許容不可能な状況が発生する可能性がある。過電圧は、例えば、+5ボルトの論理系が+3.3V系に接続される時に起きるか、又は入力信号を供給する際にオーバーシュートが発生する時に一時的に起きる可能性がある。電力低下の状況は、メンテナンスの目的のためか又はバッテリを節約するためといったことにより、システムの一部が電力供給されていない時に起きる。そのようなことの発生時には、リーク電流が、許容不可能なほどに、入力信号に負荷をかける可能性がある。そのような制約が、本発明によって対処される。
図1Aは、従来技術の回路の、1つの制約を例示する。前記回路のインバータの出力が、ラッチするためのPMOSとNMOSとのインバータを介して戻るように接続され、それにより入力データが保持される。しかしながら調査によると、入力信号が+5Vの論理レベルから駆動されるが、Vccが+3.3V(又は+1.8V)である時には、ドレインから、D1として図示されたNウェルダイオードへと通じる漏れ経路が存在する。入力電圧が、Vccを超えた場合には、望ましくない電流が、入力信号接続部からもたらされ、ラッチ回路が、機能障害を起こす可能性がある。図1Bは、PMOSデバイスの断面図における、Nウェルからソースへの漏れ経路を示し、その漏れダイオードは、D1によって表されている。
他のものが、従来技術のバスホールド回路の、いくつかの欠点に対処している。Nguyen他による米国特許第5,828,233号(Nguyen)は、電力低下保護の許容性(トレランス)と、過電圧保護の許容性との両方を提供する回路を説明している。Nguyenは、受動構成要素と、並列に配置され且つアノードからカソードへとダイオード接続された2つのNMOSトランジスタ、すなわちN3及びN4とを用いている。これらのダイオード接続トランジスタの各々は、回路が応答する前に打ち負かされなければならない約0.6Vの電圧降下を示す。該ダイオードは、並列状態にあるため、(一方のダイオードがオンとなっている状態から、他方のダイオードがオンとなっている状態までの)約1.2Vの区域が存在し、該区域においては、回路動作が、未決定であり、不確定であり、及び非対称である。この1.2Vの範囲は許容不可能である。非対称性は、バスホールド回路の動作が、異なる入力駆動信号下において、異なる遅延/駆動/雑音レベルのパラメータを明らかに示すことを意味するように、本明細書内において定義される。
Hinterscherによる米国特許第6,097,229号(Hinterscher)は、電力低下の許容性があるが、電力上昇か又は過電圧の許容性が無い回路を説明している。
本出願と共通に所有される、Morrillによる米国特許第6,150,845号(Morrill)は、電力低下と過電圧との両方の許容性を有するバスホールド回路を説明しており、該回路は、入力/出力ピンからの漏れを防ぐ。しかしながら、該回路は、好ましく無いことに、多くのデバイスを備え、且つ、過電圧の発生を検知するためにDC電力を消費する。
Nguyen、Hinterscher、及びMorrillの特許は、それぞれ参照によって本明細書内に組み込まれる。
米国特許第5,828,233号明細書 米国特許第6,097,229号明細書 米国特許第6,150,845号明細書
コンピュータ、通信手段、インターフェース、及び対称な動作が望ましく一般に実質的には任意のディジタルシステムにおいて使用するためのバスホールド回路を提供することが、本発明の目的である。そのようなディジタルシステムが、電力低下及び過電圧の許容性と、デバイスの節約と、実質的にはDC電力消費が無いこととを示す。
上述の背景の説明を考慮して、本発明は、Vccから電力供給されたバスホールド回路を提供し、該回路が、従来技術の制約に対処する。
本発明は、第2のインバータに選択的に電力供給する第1のPMOSデバイスを含む、ラッチするフィードバックインバータを有するCMOSインバータを提供する。この第1のPMOSデバイスのNウェルは、擬似電力レール、すなわちPRAILに接続される。アービタ回路が、入力電力か又はVccのうちのより正のものをPRAILに接続する。この構成が、この第1のPMOSデバイスのドレイン−Nウェル接合が、VinがVccを越えた場合に順方向バイアスされることになることを防ぐ。
VinがVccよりも高電位の時には、比較回路が制御信号Vinを提供する。前記比較回路は、前記制御信号を切り離して、Vccがより高い時にはそれを浮かせる。Vinがローの時には、第2のPMOSスイッチが、前記制御信号をローに引っ張る。
バスホールド回路内におけるPMOSデバイスのNウェルは、アービタ回路によって提供されたPRAILに接続され、その結果、VinがVccを越える時には、どのPMOSデバイスも漏れ経路を形成しないこととなる。
比較回路、第1のPMOSデバイス、及び第2のPMOSスイッチは、完全なバスホールド回路構成と共に作用して、VccとVinとの間の約100ミリボルトの不確定性の窓を低減する。
後述の詳細な説明が例示的な実施形態、図面、及び使用方法に参照がなされることで進められることになるが、本発明がこれらの実施形態と使用方法とに限定されることが意図されていないことが、当業者であれば理解されよう。それどころか、本発明は、広範囲に関するものであり、添付の特許請求の範囲内の記載によってのみ画定されることが意図される。
本発明の下記の説明は、添付の図面を参照する。
ブロック図形式の図2が、本発明のアプローチを示す。この回路内において、後述のようにPRAILのアービタ回路20から決定されるように、Vinか又はVccのうちのより高いものによってバスホールドの回路構成部分が電力供給されるように、PRAILと呼ばれる分離された電力接続部が構成される。このブロック図内において、P3は、VccをN2とP2とから構成されたラッチインバータに接続する。VinがVccを越える時には、P3はターンオフされて、図1Aに関して説明されたようにVinからVccへと流れる漏れ電流を防ぐ。VinがVccよりも大きい時にはVinからVccへの漏れ経路を除去するPMOSトランジスタのNウェルのみに、PRAILが電力を提供することに留意されたい。
図2に関して、3つの条件が検討される。
第1に、Vinが論理ローにある時の、「通常」条件である。この条件において、Vccがアービタ回路20を通じてPRAIL上に現われる。P4が、ターンオンされて、P3のゲートをローに駆動することで、P3がオンに切り替わる。Vccが、P2のソースを介して、P2とN2とからなるフィードバック・インバータに電力供給される。この条件下において、比較器24はオフであり、OUT信号は、「浮いている」状態であり、すなわち(後述のように)該比較器の回路に関連して駆動されない。インバータ28の出力部すなわちVoutの26はハイであり、N2がオンであり、R1を介してVinがローにラッチされる。このラッチは、Vinをソースする回路構成がハイインピーダンス状態とみなされる場合には、バスホールド回路内のデータを保存する。Vinがハイになるが、VccとPMOS閾値とよりもまだ低い場合には、インバータの出力26が、ローになり、P2がターンオンされ、N2がターンオフされる。Vccが、P3を介してP2のドレインに現われて、R0とR1とを介して回路をハイにラッチする。ここでもまた、入力がハイインピーダンス状態に入る場合には、ラッチ情報が保存される。
第2に、Vinが次にほぼ等しくVinにまで上昇するが、Vccを越えない場合を考える。PRAILはVccにあるままであり、比較器はオフのままであり、P4はオフであるが、P3はオンのままである。P3は、そのゲートがP4によってローに保持された状態なので、オンのままとなり、出力信号22がハイインピーダンスのままとなるため、P3のゲートのキャパシタンスを充電するためのものは何も存在しない。P3のゲートは、ローのままとなり、P3がオンに維持され、Vccが依然としてフィードバック・インバータに電力供給される。
第3に、Vinが上昇して、Vccを越えることを考える。この条件において、PRAILアービタ回路20を介してVinがPRAIL上に現われる。比較器は、今やターンオンし、OUT信号をVinに駆動する。Vinが、P3のゲートにおいて現われ、P3をオフに切り替え、P2のソースをVccから切り離す。しかしながら、重要なことに、図1において示された漏れ経路と比較して、PMOSトランジスタのNウェルが、Vinレベルに維持される。これにより、Nウェル−ソース接合が順方向で無くなることとなる。このような条件下において、漏れ経路は存在しないこととなる。Vccが0Vになる場合には、(0Vよりも大きい)Vin信号が現われる時には漏れ経路が存在しないこととなる。
図3は、図2のより詳細な回路の概略図である。P8とP9とによるアービタ回路20が、PRAILを駆動する。N1とP1とが、インバータ28を形成し、P2とN2とが、フィードバックするか又はラッチするインバータを形成して、該インバータがR0とR1とを介してVinを駆動する。R0とR1とは正規の動作のためには必要無いが、R0とR1とが、バスホールドバッファの動作をより対称にさせるために作用することがわかることに留意されたい。比較器回路が、更に詳細に示されている。上述の第1の条件において、Vinが(Vccよりも低い)論理ローである時には、比較器回路24は、オフであり、OUT信号は比較器から駆動されない(ハイインピーダンス)。そのような条件において、Voutはハイであり、インバータP2/N2を介してVinがローに保持される。
上述の第2の条件において、Vinがほぼ等しくVccにまで、但しVccを越えないように上昇する時には、比較器は、オフのままとなり、OUTは駆動されない。Vout信号はローであり、P2をターンオンさせる。P3のゲートはローのままであり、Vinは、R1、R0、P2、及びP3を介してVccにまでハイに引き上げられる。
依然として図3を参照すると、上述の第3の条件において、VinがVccよりも大きい場合には、比較器は、オンであるように説明されたが、そこでのP6のドレインと、P3のゲートとは、Vinである。ここで、P6とP7とはオンであり、P6のドレインにおけるキャパシタンスをVinにまで上げるように充電するために、Vinによっていくらかの微小な電流を流すことになる。P4は、そのゲートとソースとが両方ともVinにあるためにオフであり、P3は、そのゲートがVinにあり、そのソースがより低い電力のVccにあるためにオフである。VoutはN1を介してローになり、P2をターンオンさせる。VinがVccよりも高いため、PRAILは、Vinとなり、P3のNウェルがVinとなり、従って、P2のNウェルダイオードはターンオンされない。この場合には、P3のドレインは、R1とR0とを介してVinに駆動される。
PRAILアービタ回路20において、P8とP9とは、交差結合させる手法で、一方のゲートと他方のソースとにおける共通の信号を有する。各PMOSのNウェルが、ドレインに接続されていることに留意されたい。このことが、いずれかのPMOSのソース−Nウェルダイオードを介して、ドレインにおける電圧を、ダイオード電圧降下において、より高いソース電圧未満で最大に維持させることになる。しかしながら、Vccか又はVinのいずれかが、関連したPMOSであるP8又はP9の閾値よりも低い場合には、PRAILにおけるダイオード電圧降下が無い状態において、Vccか又はVinのうちのより高いものが存在させられることになる。注目すべきは、PRAILからのDC電流を引き込む構成要素が存在しないことである。従って、PRAILがP9を介してVccにあり、且つ、P9がVinの上昇によってターンオフされる場合には、PRAILは、Vccのままとなる。同様に、PRAILがP8を介してVinにある場合には、PRAILにそのまま維持されることになる。
依然として図3を参照すると、比較器回路24は、PMOSのP5、P6、及びP7と、NMOSのN3及びN4とを備える。上述の第1及び第2の条件にある時には、比較器は、オフになっているように説明されている。第1の条件において、P4はオンであり、P6のドレインがローに保持され、P4がオフになった後に、P6の該ドレインは、そのままとなる。第2の条件において、VccとVinとが、ほぼ等しくなる場合を考える。ここで、P5、P6、及びP7とは、全て効果的にドレイン−ソース間が開回路となり、N4及びN5も同様となる。このことは、比較器が常にDC電流を引き込むMorrillにおける回路とは対照となる。MorrillのM14は、M12と同様に常にオンであり、独立した電力源V1が提供される。VinとVccとが互いに近接している前記条件において、そのアービタ回路と比較器回路とが、約100ミリボルトにまで、不確定性の窓を低減するように作用する。実質的には不確定性は、Nguyenの発明における1.2ボルトの等価条件よりも低い。この100ミリボルトの範囲は、バスホールド回路自身の正規の動作を妨げず、Vin/Vccの差分がこの100ミリボルトを越えると、より高いものが回路内における電圧レベルを支配することになることに留意されたい。
VinがVccを越える任意の条件において、例えば、Vccの電力が失われる場合には、Vinが、P8を介してPRAILにおいて現われることとなり、比較器はオンになり、Vinが、P7とP6とを介してOUT端子に現われることになる。この条件において、PRAILを介したVinが、(この場合には不必要な、インバータのP1のPMOSを除く)全てのPMOSトランジスタのNウェルに接続し、それにより、これらのPMOSトランジスタのNウェルからソースに、VinからVccへの漏れ経路が提供されることが防止される。
図4は、Vccが+3.0Vに設定された状態での、図1内及び図3内のそれぞれの回路について、Iin/Vinグラフ42と44とを比較する。VinがVcc40を越える時には、図1の回路についてのIin42が、上述の漏れ経路に起因して上昇し続けるが、図3の本発明の回路についてのIin44は、実質的には0.00Aにあるままであることに留意されたい。
図5は、Vccが0.0Vにおける状態での同様の回路について、IinとVinとを比較する。ここで、VinがMOSの閾値である約0.5Vを越える時には、図1内における回路は、(ここでもまた上述の漏れ経路を介して)電流を引き込む(52)が、図3の回路は、何も引き込まない(54)。
図6は、Vccが+1.8Vにある状態での、Nguyen回路60と本発明の回路62とについて、IinとVinとを比較する。Nguyen回路は、図1内の回路の漏れ経路を示さない。しかしながら、Vinが、約0.5VにおけるVccに近づく時には、Iin60は、零に近づく(64)。これは、Nguyenの回路が、上述のダイオードに起因して、駆動をしなくなった区域であり、許容不可能な非対称の入力/出力の挙動を示す。本発明の回路は、そのような特性を示さず、VinがVcc66を越えるまでの上昇区間において良好に動作する。更にまた、Nguyen回路の非対称性60と比較した、0Vから1.8VまでのVinにわたる、本発明の回路のカーブ62の対称性に留意されたい。
上述の実施形態が、本明細書内において例として提示されており、その多くの改変と代替とが可能であることが理解されるべきである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲内における記載によってのみ画定されるものとして、広範囲にとらえられるべきである。
従来技術のバスホールド回路構成の回路ブロック図である。 漏れダイオードを示すPMOSの簡略化された断面図である。 本発明の一実施形態のブロック図である。 図2の更に詳細な概略図である。 従来技術と本発明とを比較した、電圧に対する入力電流のグラフである。 従来技術と本発明とを比較した、電圧に対する入力電流のグラフである。 従来技術のNguyenの回路と本発明とを比較した、電圧に対する入力電流のグラフである。

Claims (7)

  1. 入力と出力とを画定するCMOSバスホールド回路であって、該バスホールド回路は、正の電力レールすなわちVccから電力供給されており、
    入力信号すなわちVinを入力部において受信して、その出力においてその補数を提供する、第1のインバータと、
    Vinか又はVccのうちのより正のものを、擬似電力レールすなわちPRAILに、選択的に接続するように構成されるアービタ回路と、
    前記出力を受け取り、且つ、その補数を前記入力部に戻すように提供し、それによってVinの論理状態をラッチするか又は保持する第2のインバータであって、電力接続を画定することからなる、第2のインバータと、
    オンの時には前記電力接続をVccに接続するように、及び、オフの時には前記第2のインバータをVccから切り離すことによって前記電力接続を浮かせることを可能にするように構成されたPMOSトランジスタであって、前記PMOSのNウェルは前記PRAILに接続され、それにより、前記PMOSのドレインからNウェルまでが順方向バイアスされることを防ぐことからなる、PMOSトランジスタと、
    VinとVccとを受け取り、VinとVccとを比較して、VinがVccよりも大きい時にはVinに等しい制御信号を提供するように、及び、VccがVinよりも大きい時には該制御信号を切り離してそれを浮かせることを可能にするように構成された比較器回路と、
    Vinが論理ローの時にはオンであり及び前記制御信号をローに引っぱり、Vinが論理ローでない時にはオフであることからなる、スイッチ
    とを備え、
    前記バスホールド回路はDC電流を引き込まず、VinがVccよりも大きい時には、漏れ電流がVinから引き込まれないことからなる、バスホールド回路。
  2. 前記アービタ回路が、ドレインとNウェルとが互いに接続された状態の2つのPMOSトランジスタを備える、請求項1に記載のバスホールド回路。
  3. 前記スイッチは、PMOSトランジスタであり、該PMOSトランジスタのゲートは、Vinに接続されており、該PMOSトランジスタのソースは、前記制御信号に接続されている状態であることからなる、請求項1に記載のバスホールド回路。
  4. 前記比較器は、
    第1のPMOSであって、該第1のPMOSのソースがVinに接続され、且つ、該第1のPMOSのゲートがVccに接続されることからなる、第1のPMOSと、
    第2のPMOSであって、該第2のPMOSのソースが、前記第1のPMOSのドレインに接続され、該第2のPMOSのゲートがVccに接続され、該第2のPMOSのドレインが前記制御信号に接続されることらなる、第2のPMOSと、
    第3のPMOSであって、該第3のPMOSのソースが、前記第2のPMOSのソースに接続され、該第3のPMOSのゲートが、Vinに接続されることからなる、第3のPMOSと、
    第1のNMOSであって、該第1のNMOSのドレインが、前記第2のPMOSのドレインに接続され、該第1のNMOSのソースが、電力リターンに接続されることからなる、第1のNMOSと、
    第2のNMOSであって、該第2のNMOSのドレインが、前記第3のPMOSのドレインに接続され、該第2のNMOSのゲートが、該第2のNMOSのドレインと前記第1のNMOSのゲートとに接続され、該第2のNMOSのソースが、前記電力リターンに接続されることからなる、第2のNMOS
    とを備え、
    前記第1、第2、及び第3のPMOSトランジスタの前記Nウェルが、全て前記PRAILに接続されており、
    前記第1、第2、及び第3のPMOSトランジスタと、前記第1及び第2のNMOSトランジスタとが、比較器回路を形成しており、
    VinがVccよりも大きい時には、前記制御信号がVinに接続され、VccがVinよりも大きい時には、前記制御信号が接続されず浮かされ、更に、
    VinとVccとが互いに近い時には、前記比較器の不確定性が、約100ミリボルトの差に制限されることからなる、請求項1に記載のバスホールド回路。
  5. 入力部と出力部とを画定するバスホールド回路であって、該バスホールド回路は、正の電力レールすなわちVccから電力供給されており、
    入力信号すなわちVinを入力部において受信して、出力部においてその補数を提供するための、手段と、
    Vinか又はVccのうちのより正のものを、擬似電力レールすなわちPRAILに、選択的に接続する手段と、
    前記出力を受け取り、且つ、その補数を前記入力部に戻すように提供し、それによってVinの論理状態をラッチするか又は保持するための、インバータ手段と、
    前記インバータ手段をVccに接続するための、及び切り離すための手段であって、該切り離された時には、前記インバータ手段が浮くことからなる、手段と、
    VinをVccと比較するための、及びVinがVccよりも大きい時にはVinに等しい制御信号を提供するための、及びVccがVinよりも大きい時には該制御信号を切り離して、それを浮かせることを可能にするための、手段と、
    Vinが論理ローの時には、前記制御信号をローに引っぱるための、手段
    とを備え、
    前記バスホールド回路はDC電流を引き込まず、VinがVccよりも大きい時には、漏れ電流がVinから引き込まれないことからなる、バスホールド回路。
  6. 入力バス信号を保持するための、及び該信号か又はその補数を出力するための、プロセスであって、
    入力信号すなわちVinを入力部において受信して、その補数を提供し、
    Vinか又はVccのうちのより正のものを、擬似電力レールすなわちPRAILに、選択的に接続し、
    出力を受け取り、且つ、その補数を前記入力部に戻すように提供し、それによってVinの論理状態をラッチするか又は保持するためのインバータを画定し、
    前記インバータをVccに接続し且つ切り離し、切り離された時には前記インバータ手段が浮き、
    VinをVccとを比較し、及びVinがVccよりも大きい時にはVinに等しい制御信号を提供し、及びVccがVinよりも大きい時には該制御信号を切り離すためにそれを浮かせることを可能にし、
    Vinが論理ローの時には、前記制御信号をローに引っぱり、
    VinがVccよりも高い時には、DC電流を引き込まず及び漏れ電流を引き込まないように前記プロセスを構成する、
    といったステップを含むことからなる、プロセス。
  7. 請求項1において画定された1つか又は複数のバスホールド回路を含む、コンピュータシステム。
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