JP4602008B2 - Cmos出力バッファ回路 - Google Patents

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Description

本発明はCMOS出力バッファ回路に関する。より詳しくは、電源電圧の変化に関らず一定の出力電流を提供して電源を安定させるCMOS出力バッファ回路に関する。
一般に、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)出力バッファ回路はPMOSトランジスタ(P-channel Metal Oxide Semiconductor Transistor)とNMOSトランジスタ(N-channel Metal Oxide Semiconductor Transistor)でなるCMOSトランジスタが並列に複数個連結されている。
図5に、従来のCMOS出力バッファ回路図を示す。
従来のCMOS出力バッファ回路は、インバータIN1、NANDゲートNAND1、バッファBUF1、PMOSトランジスタPM1、及びNMOSトランジスタNM1から構成されている。
停止信号STOPがハイレベルであれば、CMOS出力バッファ回路はデータ信号DATAのレベルに関らずローレベルの信号を出力する。NANDゲートNAND1は、停止信号STOPがハイレベルであればデータ信号DATAのレベルに関らずハイレベルの信号を出力する。バッファBUF1はNANDゲートNAND1の出力であるハイレベルの信号をバッファリングして出力し、NMOSトランジスタNM1はバッファBUF1の出力により駆動され、ローレベルの信号を出力する。
一方、停止信号STOPがローレベルであれば、CMOS出力バッファ回路はデータ信号DATAに応答する出力信号を出力する。データ信号DATAがハイレベルであればPMOSトランジスタPM1が駆動され、CMOS出力バッファ回路はハイレベルの信号を出力し、データ信号DATAがローレベルであればNMOSトランジスタNM1が駆動され、CMOS出力バッファ回路はローレベルの信号を出力する。
このような構成を有する従来のCMOS出力バッファ回路は、電源電圧VDDが増加すればPMOSトランジスタPM1を介し流れる電流が急激に増加することになり、データ信号DATAのトグリングに従い瞬間的に出力電流が不安定になる。
図6に、従来のCMOS出力バッファ回路の動作タイミング図を示す。
図6に示すように、停止信号STOPがローレベルであるデータ信号DATAの正常出力区間において、電源電圧VDDの変化に従うCMOS出力バッファ回路の出力電流OUTの差(22mA〜66mA)は非常に大きい。
日本特開平09−270698
このように出力電流の差が大きな出力信号OUTをNPN−バイポーラトランジスタのベース電流に用いると、増幅されたNPN−バイポーラトランジスタの出力電流であるコレクタ電流の変化量がさらに大きくなるという問題点がある。
また、半導体メモリ装置に出力量の差が大きな出力電流を用いると、電源が不安定になり誤動作が誘発されるという問題点がある。
上記課題を解決するために、本発明は、データ信号の伝達を決定する停止信号レベルに応じて前記データ信号を出力する入力部と、前記データ信号が伝達される場合、前記停止信号と前記データ信号を入力して電源電圧レベルを判断し、それに伴う複数の補償信号を出力する補償制御部と、前記入力部で出力されるデータ信号により駆動される駆動部と、前記データ信号と前記複数の補償信号の組合せに応じて駆動される補償駆動部によって、前記電源電圧レベルの変化を補償して電流を出力する第1スイッチング部と、前記第1スイッチング部と相補的に動作して電流を出力する第2スイッチング部と、を備え、前記補償制御部は、前記停止信号及び前記データ信号を入力して論理演算を行う論理演算手段と、前記論理演算手段の出力をバッファリングして出力する複数のバッファと、前記論理演算手段の出力を反転させて出力する反転手段と、前記データ信号がローレベルであれば前記バッファの出力によりイネーブルされて前記反転手段の出力をクロックにし、前記電源電圧レベルを検出してラッチした後、ハイレベルの前記データ信号に応じる前記複数の補償信号を出力する電源電圧レベル検出部と、を備え、前記第2スイッチング部の一端は前記駆動部及び前記補償駆動部に接続され、前記第2スイッチング部の他端は接地されていることを特徴とする。
本発明によれば、電源電圧の変化に係りなく出力電流を一定に供給することができ、消費電力を減少させオーバシュート/アンダシュートノイズを最小化してディバイスに供給される電源を安定化することが可能となる。
以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1に、本実施の形態におけるCMOS出力バッファ回路図の例を示す。
図1に示すように、CMOS出力バッファ回路は、入力部10、補償制御部20、第1スイッチング部30、第2スイッチング部40を備えて構成される。
入力部10は、インバータIN2、NANDゲートNAND2、バッファBUF2を備えて構成される。
インバータIN2は停止信号STOPを反転させて出力し、NANDゲートNAND2は入力されたインバータIN2の出力とデータ信号DATAとの論理演算を行う。バッファBUF2は、NANDゲートNAND2からの出力信号をバッファリングして出力する。
補償制御部20は、ORゲートOR1、バッファBUF3,BUF4、インバータIN3、電源電圧レベル検出部200を備えて構成される。
ORゲートOR1は、入力される停止信号STOPとデータ信号DATAのOR演算を行う。バッファBUF3,BUF4、インバータIN3は並列に接続される。バッファBUF3,BUF4はORゲートOR1の出力をバッファリングし、電源電圧レベル検出部200に出力する。インバータIN3はORゲートOR1の出力を反転し、電源電圧レベル検出部200に出力する。
電源電圧レベル検出部200は、停止信号STOPがハイレベルであればディスエーブルされ、停止信号STOPがローレベルであればデータ信号DATAに応じてイネーブルされる。
停止信号STOPがローレベルでデータ信号DATAがローレベルのとき、バッファBUF3はローレベルの信号をイネーブル端子ENBに出力し、電源電圧レベル検出部200はイネーブルされ、インバータIN3はハイレベルの信号をクロック端子CKに出力する。電源電圧レベル検出部200は、クロック端子CKに同期して電源電圧レベルを検出し、その後ラッチする。
その後、ハイレベルのデータ信号DATAが入力されると、電源電圧レベル検出部200が検出する電源電圧レベルに応じた補償信号A1〜A5は、第1スイッチング部30に出力される。
第1スイッチング部30は、駆動部31及び複数の補償駆動部32〜36を備えて構成される。
駆動部31及び補償駆動部32〜36は、各々ORゲートOR2〜OR7、バッファBUF5〜BUF10、PMOSトランジスタPM2〜PM7を備えて構成される。
駆動部31は入力部10の出力により動作し、補償駆動部32〜36は入力部10の出力と電源電圧レベル検出部200から出力される補償信号A1〜A5の組合せにより動作する。
駆動部31はORゲートOR2、バッファBUF5、PMOSトランジスタPM2とを備えて構成される。ORゲートOR2は、入力部10の出力により動作し、OR演算を行う。バッファBUF5は、ORゲートOR2の出力をバッファリングして出力する。PMOSトランジスタPM2は、バッファBUF5の出力により動作する。
前記のような構成を有する駆動部31は、停止信号STOPがローレベルでデータ信号DATAがハイレベルのときは、ハイレベルの出力をする。一方、補償駆動部32〜36は、駆動部31と等しい構成を有し、電源電圧レベルに応じた出力レベルが決定する。
例えば、電源電圧レベルが5.5V以上であれば駆動部31が動作し、電源電圧レベルが5.0V以上5.5V以下であれば駆動部31と補償駆動部32とが動作し、電源電圧レベルが4.5V以上5.0V以下であれば駆動部31と補償駆動部32,33とが動作し、電源電圧レベルが4.0V以上4.5V以下であれば駆動部31と補償駆動部32〜34とが動作し、電源電圧レベルが3.5V以上4.0V以下であれば駆動部31と補償駆動部32〜35とが動作し、電源電圧レベルが3.0V以上3.5V以下であれば駆動部31と補償駆動部32〜36とが動作する。
第2スイッチング部40は、ドレイン電極には駆動部31及び補償駆動部32〜36が接続し、ソース電極には接地電圧が接続されるNMOSトランジスタNM2を備えて構成されている。NMOSトランジスタNM2は、ゲート電極に接続されるバッファBUF5の出力によって動作する。
第2スイッチング部40は、停止信号STOPがハイレベルのときはデータ信号DATAに関らず動作し、出力OUTはローレベルになり、停止信号STOPがローレベルのときはデータ信号DATAがローレベルのとき動作し、出力OUTはハイレベルになる。
このように、本発明に係るCMOS出力バッファ回路は、複数の大電流駆動用PMOSトランジスタPM2〜PM7を並列に接続し、PMOSトランジスタPM2を基本にして残りの複数個のPMOSトランジスタPM3〜PM7を電源電圧レベル変化に伴って動作させることにより、電源電圧レベルの変化に関らず一定のレベルの出力電流を出力する。
図2に、図1における電源電圧レベル検出部200の詳細な構成を示す。
電源電圧レベル検出部200は、複数のサブパワーレベルディテクタ201〜205と、複数のラッチ部206〜210とを備えて構成される。
複数のサブパワーレベルディテクタ201〜205は、ローレベルのデータ信号DATAが入力するとイネーブルされて電源電圧のレベルを検出し、検出された電源電圧のレベルに応じた検出信号DET1〜DET5を出力する。
検出された電源電圧が5.0V以上5.5V以下の場合サブパワーレベルディテクタ201はディテクタ信号DET1を出力し、検出された電源電圧のレベルが4.5V以上5.0V以下の場合サブパワーレベルディテクタ202はディテクタ信号DET2を出力し、検出された電源電圧のレベルが4.0V以上4.5V以下の場合サブパワーレベルディテクタ203はディテクタ信号DET3を出力し、検出された電源電圧のレベルが3.5V以上4.0V以下の場合サブパワーレベルディテクタ204はディテクタ信号DET4を出力し、検出された電源電圧のレベルが3.0V以上3.5V以下の場合サブパワーレベルディテクタ205はディテクタ信号DET5を出力する。
ラッチ部206〜210は各々ディテクタ信号DET1〜DET5の入力によりラッチされ、クロック端子CK,CKBから入力される信号によって動作して補償信号A1〜A5を出力する。
図3に、図2のサブパワーレベルディテクタ201〜205の詳細な回路図を示す。以下、サブパワーレベルディテクタ201を例に説明する。
サブパワーレベルディテクタ201はPMOSトランジスタPM8、抵抗R1,R2、NMOSトランジスタNM3、インバータIN4を備えて構成される。
PMOSトランジスタPM8は、ソース電極に電源電圧VDDが接続し、ドレイン電極には抵抗R1の一端が接続し、イネーブル端子ENBから入力される信号により動作する。
抵抗R1と抵抗R2は直列接続し、抵抗R1の一端はPMOSトランジスタPM8のドレイン電極に接続し、抵抗R2の一端はNMOSトランジスタNM3のドレイン電極に接続する。
NMOSトランジスタNM3は、ソース電極には接地電圧が接続し、ゲート電極とドレイン電極は直接接続する。インバータIN4は、抵抗R1,R2の共通ノードに接続される。
PMOSトランジスタPM8は、停止信号STOPとデータ信号DATAがローレベルの場合動作し、停止信号STOPがローレベルでデータ信号DATAがハイレベルの場合動作しない。
このとき、PMOSトランジスタPM8がターンオフされるとインバータIN4はハイレベル信号を出力し、PMOSトランジスタPM8がターンオフされるとインバータIN4はローレベル信号を出力する。例えば、サブパワーレベルディテクタ201の場合、基準電圧が5.5Vであるので、電源電圧VDDが基準電圧5.5V以上の場合ディテクタ信号DET1がハイレベルとなり、電源電圧VDDが基準電圧5.5V以下の場合ディテクタ信号DET1がローレベルとなる。
サブパワーレベルディテクタ201〜205は、以上のような構成を有し、各々電源電圧を検出する基準電圧値が異なる。抵抗R1,R2の値とNMOSトランジスタNM3のW/L(Width/Length)を調節することによって異なる基準電圧値を有するサブパワーレベルディテクタを実現することができる。
次に、本実施に係るCMOS出力バッファ回路の動作を説明する。
図4に、CMOS出力バッファ回路のタイミング図の例を示す。
CMOS出力バッファ回路は、停止信号STOPがハイレベルのとき、データ信号DATAのレベルに関らずNMOSトランジスタNM2を動作し、PMOSトランジスタPM2〜PM7を動作させない。さらに、電源電圧レベル検出部200もディスエーブルされ、スタンバイ電流を除去する。
CMOS出力バッファ回路は、停止信号STOPがローレベルのとき、データ信号DATAの出力レベルによりPMOSトランジスタPM2〜PM7とNMOSトランジスタNM2を動作する。
詳細には、停止信号STOPがローレベルでデータ信号DATAがローレベルのとき、ノードN1はハイレベルとなり、ノード N2もハイレベルとなる。従って、PMOSトランジスタPM2は動作せず、NMOSトランジスタNM2は動作し、CMOS出力バッファ回路はローレベルの出力電流OUTを出力する。このとき、電源電圧レベル検出部200がイネーブルされ、電源電圧の値を検出し、電源電圧レベルに対応するディテクタ信号DET1〜DET5をラッチし、検出された電源電圧レベルに対応する補償信号A1〜A5を出力する。
ここで、ディテクタ信号DET1〜DET5は、電源電圧レベルの検出基準を5.0V〜5.5V、4.5V〜5.0V、4.0V〜4.5V、3.5V〜4.0V及び3.0V〜3.5V等の5等級に分類したときにそれぞれ対応するディテクタ信号である。なお、検出レベルをさらに細分化しても、本発明を実施することができる。
一方、停止信号STOPがローレベルでデータ信号DATAがハイレベルのとき、ノードN1,N2はローレベルとなり、PMOSトランジスタPM2は動作する。さらに、電源電圧レベル検出部200は検出した電源電圧VDDのレベルに対応させて、ディテクタ信号DET1〜DET5をラッチし、補償信号A1〜A5を出力する。
電源電圧レベルが5.5V以上の場合は、補償信号A1〜A5は全てハイレベルとなり、PMOSトランジスタPM3〜PM7は動作せず、PMOSトランジスタPM2は動作する。電源電圧レベルが5.0V以上5.5V以下の場合は、補償信号A1のみローレベルとなり、PMOSトランジスタPM2,PM3が動作する。電源電圧レベルが4.5V以上5.0V以下の場合は、補償信号A1,A2がローレベルとなり、PMOSトランジスタPM2〜PM4が動作する。電源電圧レベルが4.0V以上4.5V以下の場合は、補償信号A1〜A3がローレベルとなり、PMOSトランジスタPM2〜PM5が動作する。電源電圧レベルが3.5V以上4.0V以下の場合は、補償信号A1〜A4がローレベルとなり、PMOSトランジスタPM2〜PM6が動作する。電源電圧レベルが3.0V以上3.5V以下の場合は、補償信号A1〜A5が全てローレベルとなり、PMOSトランジスタPM2〜PM7が動作し、ハイレベルの出力電流OUTを出力する。
以上記述したCMOS出力バッファ回路の動作状態テーブルの例を、表1に示す。
Figure 0004602008
このように、電源電圧レベル検出部200は検出した電源電圧のレベルに応じる補償信号A1〜A5を出力し、その補償信号A1〜A5に対応する補償駆動部32〜36のPMOSトランジスタPM3〜PM7を各々スイッチングし、ターンオンされるPMOSトランジスタ数が電源電圧レベルに反比例して増減されるようにする。
従って、図4に示されているように、電源電圧VDDのレベルに応じて補償駆動部が動作することにより、出力電流OUTが19mAから31mAとなり、その差が非常に小さくなる。
本発明を適用した出力バッファ回路図である。 図1の電源電圧レベル検出部の詳細な構成を示す図である。 図2のサブパワーレベルディテクタの詳細な回路図である。 本発明を適用したCMOS出力バッファ回路の動作タイミング図である。 従来のCMOS出力バッファ回路図である。 従来のCMOS出力バッファ回路の動作タイミング図である。
符号の説明
10 入力部
20 補償制御部
200 電源電圧レベル検出部
201〜205 サブパワーレベルディテクタ
206〜210 ラッチ部
30 第1スイッチング部
31 駆動部
32〜36 補償駆動部
40 第2スイッチング部

Claims (8)

  1. データ信号の伝達を決定する停止信号レベルに応じて前記データ信号を出力する入力部と、
    前記データ信号が伝達される場合、前記停止信号と前記データ信号を入力して電源電圧レベルを判断し、それに伴う複数の補償信号を出力する補償制御部と、
    前記入力部で出力されるデータ信号により駆動される駆動部と、前記データ信号と前記複数の補償信号の組合せに応じて駆動される補償駆動部によって、前記電源電圧レベルの変化を補償して電流を出力する第1スイッチング部と、
    前記第1スイッチング部と相補的に動作して電流を出力する第2スイッチング部と、
    を備え
    前記補償制御部は、
    前記停止信号及び前記データ信号を入力して論理演算を行う論理演算手段と、
    前記論理演算手段の出力をバッファリングして出力する複数のバッファと、前記論理演算手段の出力を反転させて出力する反転手段と、
    前記データ信号がローレベルであれば前記バッファの出力によりイネーブルされて前記反転手段の出力をクロックにし、前記電源電圧レベルを検出してラッチした後、ハイレベルの前記データ信号に応じる前記複数の補償信号を出力する電源電圧レベル検出部と、
    を備え、
    前記第2スイッチング部の一端は前記駆動部及び前記補償駆動部に接続され、前記第2スイッチング部の他端は接地されていることを特徴とするCMOS出力バッファ回路。
  2. 前記電源電圧レベル検出部は、
    前記停止信号及び前記データ信号がローレベルであればイネーブルされ、前記電源電圧レベルを検出し、複数のディテクタ信号を出力する複数のサブパワーレベルディテクタと、
    前記複数個のディテクタ信号をラッチした後、前記データ信号がハイレベルになれば複数個の前記補償信号を出力する複数個のラッチ部と、
    を備えることを特徴とする請求項に記載のCMOS出力バッファ回路。
  3. 前記サブパワーレベルディテクタは、
    電源電圧にソース電極が接続され前記バッファから出力される信号により動作制御されるPMOSトランジスタと、
    前記PMOSトランジスタのドレイン電極に接続される第1抵抗と、
    前記第1抵抗の他端と接続される第2抵抗と、
    前記第2抵抗の他端にゲート電極とドレイン電極が接続されソース電極に接地電圧が印加されるNMOSトランジスタと、
    前記第1抵抗と前記第2抵抗の共通ノードを介し出力される信号を反転させ出力する反転手段と、
    を備えることを特徴とする請求項に記載のCMOS出力バッファ回路。
  4. 前記サブパワーレベルディテクタは、
    前記第1抵抗、第2抵抗、及びNMOSトランジスタのサイズを調整して基準電圧を設け、前記電源電圧を設けた前記基準電圧と比べ前記電源電圧レベルを検出すること、
    を特徴とする請求項に記載のCMOS出力バッファ回路。
  5. 前記補償駆動部は、
    前記データ信号が伝達状態で前記電源電圧レベルが5.0V以上5.5V以下のときに出力する第1補償信号によりスイッチングされる第1補償駆動部と、
    前記データ信号が伝達状態で前記電源電圧レベルが4.5V以上5.0V以下のときに出力する第2補償信号によりスイッチングされる第2補償駆動部と、
    前記データ信号が伝達状態で前記電源電圧レベルが4.0V以上4.5V以下のときに出力する第3補償信号によりスイッチングされる第3補償駆動部と、
    前記データ信号が伝達状態で前記電源電圧レベルが3.5V以上4.0V以下のときに出力する第4補償信号によりスイッチングされる第4補償駆動部と、
    前記データ信号が伝達状態で前記電源電圧レベルが3.0V以上3.5V以下のときに出力する第5補償信号によりスイッチングされる第5補償駆動部と、
    を備えることを特徴とする請求項1に記載のCMOS出力バッファ回路。
  6. 前記第1補償駆動部から第5補償駆動部は、
    前記第1補償信号から第5補償信号を各々入力して論理演算する論理演算手段と、
    前記論理演算手段の出力をバッファリングして出力するバッファと、
    前記バッファの出力により動作制御されスイッチングするPMOSトランジスタと、
    を備えることを特徴とする請求項に記載のCMOS出力バッファ回路。
  7. 前記駆動部は、
    前記入力部の出力信号を入力して論理演算する論理演算手段と、
    前記論理演算手段の出力をバッファリングして出力するバッファと、
    前記バッファの出力により動作制御されてスイッチングするPMOSトランジスタと、
    を備えることを特徴とする請求項1に記載のCMOS出力バッファ回路。
  8. 前記第2スイッチング部は、NMOSトランジスタであること、
    を特徴とする請求項1に記載のCMOS出力バッファ回路。
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