JP4658360B2 - 出力バッファ - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、出力バッファに関するものであり、特に半導体集積回路装置として集積化することに適するとともに、オーバーシュート・アンダーシュートを生じずに高速動作を可能とする出力バッファに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の出力バッファ回路の一例として特開平11−191728号公報に示すようなものがある。これは図3に示すようもなものであり、例えば3Vの電源端子VDDと、これより低い電位、例えば0Vの電源端子VSSとの間に2つのトランスファゲート31、32を直列に接続し、これらの接続点に出力端子outを接続してある。トランスファゲート31のNチャネルMOSトランジスタn1のゲートをCMOSインバータ33の出力端子に接続し、トランスファゲート31のPチャネルMOSトランジスタp1のゲートをCMOSインバータ33と同じ遅延時間を有する遅延回路34の出力端子に接続してあり、トランスファゲート32のPチャネルMOSトランジスタp2のゲートをCMOSインバータ33の出力端子に接続し、トランスファゲート32のNチャネルMOSトランジスタn2のゲートを遅延回路34の出力端子に接続してある。CMOSインバータ33の入力端子と遅延回路34の入力端子とは接続され、この接続点に入力端子inが接続されている。
【0003】
以上の構成により、トランスファゲート31のPチャネルMOSトランジスタp1とトランスファゲート32のNチャネルMOSトランジスタn2への入力信号が同相となり、トランスファゲート32のPチャネルMOSトランジスタp2とトランスファゲート31のNチャネルMOSトランジスタn1への入力信号が逆相となるように入力信号が供給され、上記入力信号によってトランスファゲート31のPチャネルMOSトランジスタ30のドレイン電流がドレイン電圧に対して2次特性を示す非飽和領域でのトランスファゲート31の出力電流特性およびトランスファゲート32のNチャネルMOSトランジスタn2のドレイン電流がドレイン電圧に対して2次特性を示す非飽和領域でのトランスファゲート32の出力電流特性がそれぞれ出力電圧に対してほぼ1次特性を示すようにすることにより、トランジスタのスイッチングタイミングのずれを利用することなくグラウンドバウンスやリンギングを抑えながら高速動作を可能としている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図3の出力バッファでは、各トランスファゲートの一方のMOSトランジスタはソースフォロワにしなければならず、1チップに集積化する際のレイアウトに制約があった。例えば、PチャネルMOSトランジスタp2を形成する場合、PチャネルMOSトランジスタp1のNウェル(またはN基板)とは電位的に分離するため、Pウェル内にNウェルを形成し、当該分離されたNウェルにPチャネルMOSトランジスタp2を形成する必要があり、このような分離に伴いサイズが増大するのである。また、この分離のために十分サイズを取らなければ、ウェル間のPN接合による寄生バイポーラトランジスタによるラッチアップを生じ易くなり、しかも分離境界はESD(Electrostatic Discharge)により破壊され易いという問題を有していた。
【0005】
また、単純に出力端子と電源端子との間にダイオードを挿入してオーバーシュートやアンダーシュートを抑制しようとするものもあるが、これらに流れる貫通電流のため、消費電力を増加させることとなる。
【0006】
そこで本発明は、1チップに集積化する際のレイアウトを比較的自由に行うことができ、ESD及びラッチアップの対策が容易にでき、オーバーシュートやアンダーシュートを抑制しながら高速動作が可能な低消費電力の出力バッファを提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の出力バッファでは、第1の電源端子と当該第1の電源端子より低い電位の第2の電源端子との間に接続され、出力端子から出力信号を発生するCMOSインバータと、ゲートに上記CMOSインバータの入力端子に印加される信号と同相の信号が印加される第1のPチャネル型MOSトランジスタと、ゲートに上記CMOSインバータの入力端子に印加される信号と逆相の信号が印加される第1のNチャネルMOSトランジスタとからなる第1のトランスファゲートと、ゲートに上記CMOSインバータの入力端子に印加される信号と同相の信号が印加される第2のNチャネル型MOSトランジスタと、ゲートに上記CMOSインバータの入力端子に印加される信号と逆相の信号が印加される第2のPチャネルMOSトランジスタとからなる第2のトランスファゲートと、上記第1の電源端子にソースを接続し、ドレインを上記CMOSインバータの出力端子に接続し、ゲートに上記第1のトランスファゲートの出力端子の一方を接続し、上記ドレインに上記第1のトランスファゲートの出力端子の他方を接続した第3のPチャネルMOSトランジスタと、上記第2の電源端子にソースを接続し、ドレインを上記CMOSインバータの出力端子に接続し、ゲートに上記第2のトランスファゲートの出力端子の一方を接続し、上記ドレインに上記第2のトランスファゲートの出力端子の他方を接続した第3のNチャネルMOSトランジスタとを備えることを特徴とする。
【0008】
また、本発明の出力バッファでは、上記CMOSインバータの入力端子は他のCMOSインバータからの出力信号を受けてあり、上記第1のNチャネルMOSトランジスタのゲートと上記第2のPチャネルMOSトランジスタのゲートとを上記他のCMOSインバータの入力端子に接続し、上記第1のPチャネルMOSトランジスタのゲートと上記第2のNチャネルMOSトランジスタのゲートとを上記他のCMOSインバータの出力端子に接続してあり、ゲートを上記他のCMOSインバータの入力端子に接続し、ソースを上記第1の電源端子に接続し、ドレインを上記第3のPチャネルMOSトランジスタのゲートに接続した第4のPチャネルMOSトランジスタと、ゲートを上記他のCMOSインバータの入力端子に接続し、ソースを上記第2の電源端子に接続し、ドレインを上記第3のNチャネルMOSトランジスタのゲートに接続した第4のNチャネルMOSトランジスタとを備えることも好ましい。
【0009】
また、本発明の出力バッファでは、モノリシックに構成されることも好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を実施例に基づき詳細に説明する。図1は本例の出力バッファの構成を示す電気回路図である。同図に示す各構成は1チップに集積化される、すなわち、モノリシックに構成されるものとする。CMOSインバータ1の入力端子INには図示しないチップ内の他の回路からの出力信号を入力され、CMOSインバータ1の出力端子はCMOSインバータ2の入力端子に接続され、CMOSインバータ2の出力端子はCMOSインバータ3の入力端子に接続され、CMOSインバータ3の出力端子OUTを外部への出力端子としてある。CMOSインバータ1〜3を構成するそれぞれのPチャネルMOSトランジスタのソースは電源端子VDDに接続され、CMOSインバータ1〜3を構成するそれぞれのNチャネルMOSトランジスタのソースは電源端子VSSに接続される。電源端子VDDは例えば3Vであり、電源端子VSSは電源端子VDDより低い電位の電源端子であり、例えば0Vであるが、これに限るものではない。
【0011】
トランスファゲート4は、ゲートをCMOSインバータ3の入力端子に接続したPチャネルMOSトランジスタP1と、ゲートをCMOSインバータ2の入力端子に接続したNチャネルMOSトランジスタN1とからなる。これにより、PチャネルMOSトランジスタP1のゲートにはCMOSインバータ3の入力端子に印加される信号と同相の信号が印加され、NチャネルMOSトランジスタN1のゲートにはCMOSインバータ3の入力端子に印加される信号と逆相の信号が印加されることとなり、トランスファゲート4は、CMOSインバータ3の出力が“H”のときにオンとなり、CMOSインバータ3の出力が“L”のときにオフとなる。
【0012】
トランスファゲート5は、ゲートをCMOSインバータ3の入力端子に接続したNチャネルMOSトランジスタN2と、ゲートをCMOSインバータ2の入力端子に接続したPチャネルMOSトランジスタP2とからなる。これにより、NチャネルMOSトランジスタN2のゲートにはCMOSインバータ3の入力端子に印加される信号と同相の信号が印加され、PチャネルMOSトランジスタP2のゲートにはCMOSインバータ3の入力端子に印加される信号と逆相の信号が印加されることとなり、トランスファゲート5は、CMOSインバータ3の出力が“L”のときにオンとなり、CMOSインバータ3の出力が“H”のときにオフとなる。
【0013】
PチャネルMOSトランジスタP3は、ソースを電源端子VDDに接続し、ドレインをCMOSインバータ3の出力端子OUTに接続してあり、さらにゲートをトランスファゲート4の一方の端子に接続し、ドレインをトランスファゲート4の他方の端子に接続してある。すなわち、NチャネルMOSトランジスタN1のドレインとPチャネルMOSトランジスタP1のソースとがPチャネルMOSトランジスタP3のゲートに接続され、NチャネルMOSトランジスタN1のソースとPチャネルMOSトランジスタP1のドレインとがPチャネルMOSトランジスタP3のドレインに接続される。これにより、PチャネルMOSトランジスタP3は、CMOSインバータ3の出力が“H”のときにオンとなったトランスファゲート4を介してそのゲート、ドレイン間が導通し、いわゆるダイオード接続される。
【0014】
NチャネルMOSトランジスタN3は、ソースを電源端子VSSに接続し、ドレインをCMOSインバータ3の出力端子OUTに接続してあり、さらにゲートをトランスファゲート5の一方の端子に接続し、ドレインをトランスファゲート5の他方の端子に接続してある。すなわち、PチャネルMOSトランジスタP2のドレインとNチャネルMOSトランジスタN2のソースとがNチャネルMOSトランジスタN3のゲートに接続され、PチャネルMOSトランジスタP2のソースとNチャネルMOSトランジスタN2のドレインとがNチャネルMOSトランジスタN3のドレインに接続される。これにより、NチャネルMOSトランジスタN3は、CMOSインバータ3の出力が“L”のときにオンとなったトランスファゲート5を介してそのゲート、ドレイン間が導通し、いわゆるダイオード接続される。
【0015】
PチャネルMOSトランジスタP4は、ゲートをCMOSインバータ2の入力端子に接続し、ソースを電源端子VDDに接続し、ドレインをPチャネルMOSトランジスタP3のゲートに接続してある。これにより、CMOSインバータ3の出力が“L”のとき、言い換えればトランスファゲート4がオフのときPチャネルMOSトランジスタP3をオフとする。
【0016】
NチャネルMOSトランジスタN4は、ゲートをCMOSインバータ2の入力端子に接続し、ソースを電源端子VSSに接続し、ドレインをNチャネルMOSトランジスタN3のゲートに接続してある。これにより、CMOSインバータ3の出力が“H”のとき、言い換えればトランスファゲート5がオフのときNチャネルMOSトランジスタN3をオフとする。
【0017】
次に本例の動作について説明する。入力端子INへの入力が“L”(出力端子OUTからの出力は“H”)のときの等価回路を図2(a)に、入力が“H”(出力端子OUTからの出力は“L”)のときの等価回路を同図(b)に示す。
【0018】
まず、図2(a)を参照しながら、入力端子INへの入力が“L”のときの動作について説明する。入力が“L”のときは、トランスファゲート4がオン、トランスファゲート5がオフ、PチャネルMOSトランジスタP4がオフ、NチャネルMOSトランジスタN4がオンであり、PチャネルMOSトランジスタP3のゲート、ドレインがトランスファゲート4を介して導通し、図2(a)に示すようにダイオード接続されたPチャネルMOSトランジスタP3が電源端子VDDと出力端子OUTとの間に接続されたのと等価な状態となる。
【0019】
入力端子INへの入力が“L”となった直後は、PチャネルMOSトランジスタP3とCMOSインバータ3のPチャネルMOSトランジスタP5がともに駆動(オン)する。この合成駆動能力(すなわち、出力端子に電源端子から電流を引込む、または出力端子から電流を引込む能力、言い換えれば出力信号を駆動する能力。)を所望の駆動能力としているので、立上がりの速さは所望の応答性が得られる程度に維持される。出力端子OUTからの出力電圧が徐々に上がって“H”レベルに近づいて、PチャネルMOSトランジスタP3のゲート(ドレイン)、ソース間の電位差がPチャネルトランジスタP3のしきい値以下になると、ソース、ドレイン間は導通しなくなる。その時点からは、CMOSインバータ3のPチャネルMOSトランジスタP5のみ駆動するので駆動能力が落ちる。そこからの立上がりが遅くなり、オーバーシュートが抑制される。
【0020】
次に図2の(b)を参照しながら、入力端子INへの入力が“H”のときの動作について説明する。入力が“H”のときは、トランスファゲート4がオフ、トランスファゲート5がオン、PチャネルMOSトランジスタP4がオン、NチャネルMOSトランジスタN4がオフであり、NチャネルMOSトランジスタN3のゲート、ドレインがトランスファゲート5を介して導通し、図2(b)に示すようにダイオード接続されたNチャネルMOSトランジスタN3が電源端子VSSと出力端子OUTとの間に接続されたのと等価な状態となる。
【0021】
入力端子INの信号が“H”となった直後は、NチャネルMOSトランジスタN3とCMOSインバータ3のNチャネルMOSトランジスタN5とがともに駆動する。この合成駆動能力を所望の駆動能力としているので、立下がりの速さはは所望の応答性が得られる程度に維持される。出力端子OUTからの出力電圧が徐々に下がって“L”レベルに近づいて、NチャネルMOSトランジスタN3のゲート(ドレイン)、ソース間の電位差がNチャネルMOSトランジスタN3のしきい値以下になると、ソース、ドレイン間は導通しなくなる。その時点からは、CMOSインバータ3のNチャネルMOSトランジスタN5のみ駆動するので駆動能力が落ちる。そこからの立下がりが遅くなり、アンダーシュートが抑制される。
【0022】
本例によれば、出力電圧の立上がりの初期にはPチャネルMOSトランジスタP3、P5の両方が駆動され、その後にPチャネルMOSトランジスタP5のみ駆動され、出力電圧の立下がりの初期にはNチャネルMOSトランジスタN3、N5の両方が駆動され、その後にNチャネルMOSトランジスタN5のみ駆動されるため、高速動作を保ったままオーバーシュート・アンダーシュートを抑制することが可能となる。
【0023】
また、本例では従来のもののようにソースフォロワ構成を取ることがないので、ソースフォロワとなるMOSトランジスタをこれと同じ導電型の他のMOSトランジスタとは別のウェルに構成するなどのレイアウト上の制約がない。また、ソースフォロワに伴うラッチアップ及びESD(Electrostatic Discharge)による破壊の恐れもない。本例の出力バッファは通常のCMOSプロセスにより1チップに集積化することが可能であり、ラッチアップ及びESD対策も容易となる。
また、PチャネルMOSトランジスタP3、NチャネルMOSトランジスタN3のゲートはそれぞれPチャネルMOSトランジスタP4、NチャネルMOSトランジスタN4により制御され、これらPチャネルMOSトランジスタP3、NチャネルMOSトランジスタN3は必要なときにのみオンして上述のダイオード接続による動作が可能とされるので、これらに流れる貫通電流を極力抑えることができ、低消費電力動作が可能である。
【0024】
【発明の効果】
本発明の出力バッファでは、第1、2の電源端子間に接続されたCMOSインバータの出力端子からの出力信号が上記第1、第2の電源端子の電位側に向かって変化するときは、それぞれ第3のPチャネルMOSトランジスタ、第3のNチャネルMOSトランジスタのゲート、ドレイン間は第1、第2のトランスファゲートを介して導通し、上記第3のPチャネルMOSトランジスタ、上記第3のNチャネルMOSトランジスタはそれぞれ上記第1、第2の電源端子と上記出力端子との間でダイオード接続される。これにより、上記出力信号は、その変化の初期には、上記CMOSインバータに加えて上記第3のPチャネルMOSトランジスタまたは上記第3のNチャネルMOSトランジスタによって駆動され、上記出力信号の電位がそれぞれ上記第1、第2の電源端子の電位に近づくと上記第3のPチャネルMOSトランジスタ、上記第3のNチャネルMOSトランジスタによる駆動を停止するため、高速動作を保ったままオーバーシュート・アンダーシュートを抑制することが可能となる。
【0025】
しかも、本発明では従来のもののようにソースフォロワ構成を取ることがないので、モノリシックに構成する際にソースフォロワとなるMOSトランジスタをこれと同じ導電型の他のMOSトランジスタとは別のウェルに構成するなどのレイアウト上の制約がなく、通常のCMOSプロセスで構成可能となる。また、ソースフォロワに伴うラッチアップ及びESD(Electrostatic Discharge)による破壊の恐れがなく、これらラッチアップ及びESD対策が容易となる。
【0026】
また、上記第3のPチャネルMOSトランジスタ、上記第3のNチャネルMOSトランジスタはそれぞれ第4のPチャネルMOSトランジスタ、第4のNチャネルMOSトランジスタN4により必要なときにのみオンとされるので、これらに流れる貫通電流を極力抑えることができ、低消費電力化を進めることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の出力バッファの構成を示す電気回路図。
【図2】図1の動作説明のための等価回路図。
【図3】従来の出力バッファの構成を示す電気回路図。
【符号の説明】
VDD 第1の電源端子(電源端子)
VSS 第2の電源端子(電源端子)
3 CMOSインバータ
2 他のCMOSインバータ(CMOSインバータ)
4 第1のトランスファゲート(トランスファゲート)
5 第2のトランスファゲート(トランスファゲート)
P1 第1のPチャネルMOSトランジスタ(PチャネルMOSトランジスタ)
N1 第1のNチャネルMOSトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)
P2 第2のPチャネルMOSトランジスタ(PチャネルMOSトランジスタ)
N2 第2のNチャネルMOSトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)
P3 第3のPチャネルMOSトランジスタ(PチャネルMOSトランジスタ)
N3 第3のNチャネルMOSトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)
P4 第4のPチャネルMOSトランジスタ(PチャネルMOSトランジスタ)
N4 第4のNチャネルMOSトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)
Claims (3)
- 第1の電源端子と当該第1の電源端子より低い電位の第2の電源端子との間に接続され、入力端子に入力信号を受ける第1のCMOSインバータと、
上記第1の電源端子と上記第2の電源端子との間に接続され、出力端子から出力信号を発生する第2のCMOSインバータと、
ゲートに上記第1のCMOSインバータの入力端子に印加される信号と同相の信号が印加される第1のPチャネル型MOSトランジスタと、ゲートに上記第1のCMOSインバータの出力信号が印加される第1のNチャネルMOSトランジスタとからなる第1のトランスファゲートと、
ゲートに上記第1のCMOSインバータの入力端子に印加される信号と同相の信号が印加される第2のNチャネル型MOSトランジスタと、ゲートに上記第1のCMOSインバータの出力信号が印加される第2のPチャネルMOSトランジスタとからなる第2のトランスファゲートと、
上記第1の電源端子にソースを接続し、ドレインを上記第2のCMOSインバータの出力端子に接続し、ゲートに上記第1のトランスファゲートの出力端子の一方を接続し、上記ドレインに上記第1のトランスファゲートの出力端子の他方を接続した第3のPチャネルMOSトランジスタと、
上記第2の電源端子にソースを接続し、ドレインを上記第2のCMOSインバータの出力端子に接続し、ゲートに上記第2のトランスファゲートの出力端子の一方を接続し、上記ドレインに上記第2のトランスファゲートの出力端子の他方を接続した第3のNチャネルMOSトランジスタと
ゲートに上記第1のCMOSインバータの出力信号が印加され、ソースを上記第1の電源端子に接続し、ドレインを上記第3のPチャネルMOSトランジスタのゲートに接続することで、上記第1のCMOSインバータの入力端子の信号がLレベルのときにオフする第4のPチャネルMOSトランジスタを有し、上記第4のPチャネルMOSトランジスタがオフする状態で第3のPチャネルMOSトランジスタのゲート・ドレインが第1のトランスファゲートを介して導通し、
ゲートに上記第1のCMOSインバータの出力信号が印加され、ソースを上記第2の電源端子に接続し、ドレインを上記第3のNチャネルMOSトランジスタのゲートに接続することで、上記第1のCMOSインバータの入力端子の信号がHレベルのときにオフする第4のNチャネルMOSトランジスタを有し、上記第4のNチャネルMOSトランジスタがオフする状態で第3のNチャネルMOSトランジスタのゲート・ドレインが第2のトランスファゲートを介して導通することを特徴とする出力バッファ。 - 上記第2のCMOSインバータの入力端子は他のCMOSインバータからの出力信号を受けてあり、
上記第1のNチャネルMOSトランジスタのゲートと上記第2のPチャネルMOSトランジスタのゲートとを上記他のCMOSインバータの入力端子に接続し、上記第1のPチャネルMOSトランジスタのゲートと上記第2のNチャネルMOSトランジスタのゲートとを上記他のCMOSインバータの出力端子に接続してあり、
上記第4のPチャネルMOSトランジスタのゲートは上記他のCMOSインバータの入力端子に接続され、ソースは上記第1の電源端子に接続され、ドレインは上記第3のPチャネルMOSトランジスタのゲートに接続してあり、
上記第4のNチャネルMOSトランジスタのゲートは上記他のCMOSインバータの入力端子に接続され、ソースは上記第2の電源端子に接続され、ドレインは上記第3のNチャネルMOSトランジスタのゲートに接続してあることを特徴とする請求項1に記載の出力バッファ。 - モノリシックに構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の出力バッファ。
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