JP4803775B2 - Body grabbing switch - Google Patents

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Description

【0001】
(発明の分野)
本発明は、CMOSスイッチの分野に関するものである。より詳細には、本発明は、CMOSスイッチにおけるボディ効果(body effect)を除去する回路に関する。
【0002】
(背景技術)
集積回路(IC)チップは、現代の電子製品及びコンピュータ製品の殆ど全てに使用され組み込まれている。例えば、コンピュータ、電話、電子商品等のような現代の製品は、通常1つ又はそれより多くのICチップを備えている。当業者に良く知られているように、ICチップは、しばしばスイッチキャパシタ回路(switched capacitor circuit)を備え、これは、フィルタ、データコンバータ、通信回路等を備える多くのアナログ回路及びミックスドシグナル回路(mixed-signal circuits)を実現するのに使用されている。
【0003】
スイッチキャパシタ回路の主要な要素の一つはスイッチである。ICチップのセッティングにおいて、相補形MOS(CMOS)スイッチは、その高速で、小型で、ゼロ・ターンオン電圧ドロップ(zero turn-on voltage drop)の利点を活かすべく、しばしば使用されている。従来技術を示す図1は、ICチップに使用され得る従来のCMOSスイッチ100を説明するものである。従来のCMOSスイッチ100は、nチャンネルMOS(NMOS)トランジスタM1及びpチャンネルMOS(PMOS)トランジスタM2を備えている。NMOSトランジスタM1及びPMOSトランジスタM2は、コモンソースノード102及びコモンドレインノード104において互いに並列に接続されている。作動時、CMOSスイッチ100は、ノード102において入力信号Vinを受信し、Vinをノード104において出力信号Voutとして伝達する。
【0004】
CMOSスイッチ100を作動するため、NMOSトランジスタM1のゲートは、供給電圧レールVddに接続され、PMOSトランジスタM2のゲートは、地電位に接続される。トランジスタM2のボディが供給電圧Vddに結合されるとき、トランジスタM1のボディ(例えば、基板やバルク)は地電位に結合される。トランジスタM1及びM2は、ソースノード102及びドレインノード104において互いに接続される。
【0005】
標準のトランジスタ部品で設計されれば、CMOSスイッチ100は、5V又はそれより大きい供給電圧Vddで適切に機能する。しかしながら、今日のICチップは、要部寸法が絶え間なく縮まっているため、5Vよりも低い供給電圧(例えば3V)を使用するものが増えている。前記低い供給電圧の使用は、電力を節約することになり、これにより、モバイルコンピューティング及び通信分野を含む多くのアプリケーションにおいて有利となる。
【0006】
残念ながら、CMOSスイッチのセッティングにおける3Vのような低い供給電圧の使用は、トランジスタM1及びM2のスイッチングに逆に影響し得る永続的なボディ効果(例えばバックゲートバイアス効果)をもたらす。特に、低い供給電圧においては、トランジスタM1及びM2におけるボディ効果と組み合わせられる低いゲートのオーバードライブにより、CMOSスイッチ100のトランジスタM1及びM2が適切にターンオンしない可能性がある。ボディがソース/ドレインと異なる電位にあるとき、MOSトランジスタにボディ効果が生じ、ソース/ドレインとトランジスタのボディ(すなわち基板)の間に逆バイアス接合(reverse biased junction)が形成される。逆バイアスPN接合は、関連するドレイン又はソースの周りに空乏領域が形成される原因となる。
【0007】
例えば、NMOSトランジスタの基板又はボディ(例えばp型シリコン)が、該トランジスタのソース又はドレイン(例えばn型シリコン)に対して負に形成されているとき、基板とソース/ドレインの間の空乏領域は、より大きな電圧降下を示し、これによって、より厚くなる。従って、トランジスタをターンオンするには、大きな空乏領域を克服するべく、NMOSトランジスタのゲートに、より高い電圧を印加しなければならない。ボディ効果の最終的な結果は、基板とソース又はドレインとの間の逆バイアスが増加することにより、NMOSトランジスタの有効なしきい値電圧VTH,NMOSが、見掛けの上で増加するということである。同様にして、PMOSトランジスタの有効なしきい値電圧|VTH,PMOS|は、そのボディ(例えばn型シリコン)がソース又はドレイン(例えばp型シリコン)よりも高い電位にあるならば増加する。
【0008】
例えば、ボディ効果の無いCMOSスイッチ100のトランジスタM1及びM2は、しきい値電圧VTH=VTH,NMOS=|VTH,PMOS|=0.8ボルトで特徴付けられる。もし、ボディ効果が0.5ボルトを付加することであると仮定すれば、トランジスタM1及びM2の見掛け上のしきい値電圧VTHは、1.3ボルト(0.8+0.5ボルト)である。供給電圧Vddが3V、入力ノード及び出力ノードにおける電圧が約1.5ボルト(つまりVdd/2)という状態では、見掛け上のしきい値電圧と、ゲート・ソース電圧(gate to source voltage)Vgs(例えばゲートのオーバドライブ)の間のマージンは、たったの0.2ボルトである。このような狭いマージンでは、CMOSスイッチ100は、信頼性良く動作しない。さらに、3V定格の供給電圧Vddの供給電圧は、実際には2.7ボルトから3.3Vの間で変動する可能性がある。供給電圧が2.7Vであるとき、電圧のマージンはさらに減少する。従って、トランジスタM1及びM2は適切にターンオンしないかも知れない。
【0009】
ボディ効果によって引き起こされるスイッチング問題の明白な解決手段の一つは、より高い供給電圧を使用することである。例えば、5ボルトのような高い供給電圧は、ボディ効果を補償する高いゲート電圧を付加することによって、ボディ効果を克服する。他の手法は、影響を受けたトランジスタに、より大きなゲートのオーバドライブを提供する特別のクロックブースタ(clock booster)又はチャージポンプ回路を使用するものである。残念ながら、このような回路は、供給電圧よりも高い内部電圧を生成する。従って、これらの回路は、通常、特別に高電圧のトランジスタ構造を必要とするものである。しかしながら、標準のサブミクロンオーダーの市販シリコンプロセスは、通常、高い製造コストが原因で、このような構造を実施しない。さらに、このようなプロセスにおける小さなトランジスタ寸法は、通常のトランジスタが比較的低い絶縁破壊電圧を有することを意味する。
【0010】
他の解決手段は、ボディ効果を克服するべく、例えば、0.3から0.4ボルトのしきい値電圧を有する低しきい値トランジスタを採用する。しかしながら、斯かる解決手段は、低しきい値電圧トランジスタが余分の処理工程を必要とするため、よりコストが掛かるものである。しかしながら、市販のCMOSプロセスの大部分は、通常、このオプションを具備しない。さらに、低しきい値電圧トランジスタは、ターンオフされている時ですら、著しい漏電電流を有している。
【0011】
従って、必要とされていることは、コストが掛かる複雑な回路構造を必要としないで、低い供給電圧でCMOSスイッチをスイッチングするための回路及び方法である。また、CMOSスイッチで使用されるトランジスタのボディ効果を除去する回路及び方法も必要とされている。
【0012】
(発明の要約)
概して言えば、本発明は、ボディ効果を除去することによって、低い供給電圧でスイッチの導通を可能にする回路を提供することにより、前述したニーズを充足するものである。本発明は、プロセス、装置、システム、デバイス又は方法を含む多数の方法で実施され得ることを認識しなければならない。本発明の幾つかの実施形態を以下に述べる。
【0013】
一つの実施形態において、本発明は、スイッチ回路を提供する。このスイッチ回路は、スイッチ及び第1のボディグラッビング回路を備えている。スイッチは、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタを備えている。第1のトランジスタは、ボディを具備し、コモンソース及びコモンドレインを形成するべく、第2のトランジスタと並列に接続されている。コモンソースは、入力ノードを定め、コモンドレインは、出力ノードを定める。第1のボディグラッビング回路は、第1のトランジスタのボディに接続されている。第1のボディグラッビング回路は、第1及び第2のトランジスタがターンオン電圧信号を受信する際、第1のトランジスタのボディを入力ノードに接続するように配置されており、これにより、第1のトランジスタにおける第1のボディ効果は除去される。
【0014】
他の実施形態において、スイッチ回路は、第1及び第2のスイッチング手段、並びに第1のボディ接続手段を備えている。第1及び第2のスイッチング手段は、入力信号を出力ノードに伝達するように配置されている。第1のスイッチング手段はボディを有する。該スイッチング手段は、入力ノードにおいて入力信号を受信する。第1及び第2のスイッチング手段は、入力ノード及び出力ノードにおいて接続されている。第1のボディグラッビング回路は、第1及び第2のスイッチング手段がターンオン電圧信号を受信する際、第1のスイッチング手段のボディを入力ノードに接続するように配置されており、これにより、第1のスイッチング手段における第1のボディ効果は実質的に除去される。
【0015】
さらに他の実施形態において、本発明は、ボディ、ソース、ドレイン及びゲートを具備する第1のトランジスタにおけるボディ効果を除去するための方法を提供する。前記方法は、(a)ソースにおいて入力信号を受信し、(b)第1の電圧を第1のトランジスタに印加し、(c)第1のトランジスタのボディを入力ノードに接続して、第1のトランジスタのボディにおける電圧を第1のトランジスタのソースと同じ電圧にし、さらに(d)第1のトランジスタのドレインにおける出力電圧を取得することを備えている。
【0016】
好都合なことに、本発明は、CMOSスイッチがターンオンされようとしているときに、ボディをトランジスタのソース及び/又はドレインに結合することにより、トランジスタにおけるボディ効果を除去する。このソース及び/又はドレインへのボディの結合又はグラッビングは、供給電圧が低いときでさえ、スイッチの導通を可能にすることにより、トランジスタを容易にターンオンさせる。さらに、本発明のボディグラッビング回路は、供給電圧の全範囲に対して、クロックブースター又はチャージポンプを必要とすることなくチャンネル導通を提供する。さらに、ボディグラッビング回路は、高いゲートのオーバドライブ電圧を必要としないので、現代のサブミクロンオーダーのシリコンプロセスにおける故障の危険性を低減する。本発明の他の側面及び利点は、添付の図面に関連して本発明の原理を例示する、以下の詳細な説明によって明らかになるであろう。
【0017】
組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付図面は、本発明の実施形態を図示し、明細書本文と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。
【0018】
(好ましい実施形態の説明)
以下の本発明の詳細な説明において、本発明の十分な理解に供するべく、ボディグラッビング回路及び方法、数多くの特定の詳細について述べる。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細無しで実施し得ることは、当業者には自明であろう。他の例において、良く知られた方法、手順、部品、及び回路は、本発明の特徴を不必要に分かりくくしないように、詳細に説明しなかった。
【0019】
本発明は、CMOSスイッチ回路におけるボディグラッビングスイッチを提供する。ボディグラッビングスイッチは、CMOSスイッチがターンオンされようとしているときに、ボディをトランジスタのソース及び/又はドレインに結合することにより、CMOSスイッチにおける1つ又はそれより多くのMOSトランジスタのボディ効果を除去する。このソース及び/又はドレインへのボディの結合又はグラッビングは、トランジスタのチャンネルが中間の供給電圧(mid-supply voltage)に近接しているときでさえスイッチの導通を可能にすることにより、トランジスタを容易にターンオンさせる。
【0020】
図2Aは、本発明の一実施形態に係る、トランジスタのボディを結合するボディグラッビング回路を備えたCMOSスイッチ200を示す。CMOSスイッチ200は、NMOSトランジスタM1及びPMOSトランジスタM2を備えている。トランジスタM1及びM2は、コモンソースノード202及びコモンドレインノード204において接続されている。入力電圧信号Vinは、入力ノードでもあるコモンソースノード202において提供される。CMOSスイッチ200は、出力ノードでもあるコモンドレインノード204において出力電圧信号Voutを出力する。
【0021】
NMOSトランジスタM1のゲートは、ボディが地電位に結合されているとき、入力電圧信号CK1を受信する。PMOSトランジスタM2のゲートは、入力電圧信号CK1Bを受信する。トランジスタM2のボディは、ボディグラッビング回路におけるトランジスタM4を介する供給電圧レールVddに結合されている。
【0022】
図2Aにおけるボディグラッビング回路は、一対のPMOSトランジスタM3及びM4を備えている。トランジスタM4は、トランジスタM2のボディと供給電圧レールVddの間に接続されている。より詳細には、トランジスタM4のドレインはノード206においてトランジスタM2のボディに接続され、ソースは供給電圧レールVddに接続されている。トランジスタM4のボディ及びソースは互いに且つ供給電圧レールVddに接続されている。トランジスタM4は、ゲートにおいて入力信号CK2を受信する。
【0023】
ボディグラッビング回路の他のトランジスタM3は、ノード206におけるトランジスタM2のボディと入力ノード202の間に接続されている。より詳細には、トランジスタM3のソース及びボディは、ノード206においてトランジスタM2のボディに接続され、トランジスタM3のドレインは、入力ノード202に接続されている。トランジスタM3は、ゲートにおいて入力電圧信号CK2Bを受信する。
【0024】
図2Bは、CMOSスイッチ200の作動状態におけるタイムチャート250を示す。トランジスタM1、M2、M3及びM4は、それぞれ入力ゲート電圧CK1、CK1B、CK2B及びCK2に応答して作動する。入力ゲート電圧CK1、CK1B、CK2B及びCK2は地電位を参照して測定され議論されることが認識されなければならない。
【0025】
最初に時刻t1では、トランジスタM1のゲート入力電圧信号CK1はロー(例えば地電位)であり、トランジスタM2のゲート入力電圧信号CK1Bはハイ(例えば供給電圧Vdd)である。さらに、トランジスタM3のゲート入力電圧信号CK2Bはハイ(例えば供給電圧Vdd)である。従って、トランジスタM1、M2及びM3はオフである。オンである唯一のトランジスタは、ローの入力電圧信号CK2を備えるトランジスタM4である。この状態で、トランジスタM4は、ボディノード206の電圧を供給電圧Vddに引き寄せる。M1のボディは地電位であり、トランジスタM2のボディは供給電圧Vddであるため、トランジスタM1及びM2は共にオフである。従って、CMOSスイッチ200もまたオフ状態にある。
【0026】
時刻t2では、CMOSスイッチ200はターンオンする。トランジスタM1の入力ゲート電圧信号CK1が供給電圧Vdd(例えば3V)まで上昇したとき、トランジスタM1はターンオンする。一方、トランジスタM2のゲート入力電圧信号CK1Bは、地電位(例えば0V)に下降する。従って、トランジスタM1及びM2の両方がターンオンされる。この構成において、NMOSトランジスタM1のボディは地電位にあり、PMOSトランジスタM2のボディはまだ供給電圧Vddに結合されている。この状態において、トランジスタM1及びM2は、従来のCMOSスイッチ回路におけるのと同様にボディ効果を受ける。
【0027】
時刻t3では、トランジスタM4のゲート入力電圧信号CK2は、ロー(例えば地電位)からハイ(例えば供給電圧)に上昇する。この電圧の遷移はトランジスタM4をターンオフする。一方、ボディグラッビング回路におけるトランジスタM3の入力ゲート電圧は、ハイ電圧からロー電圧(例えば供給電圧から地電位に)に下降し、これにより、トランジスタM3をターンオンする。トランジスタM3のスイッチングは、トランジスタM2のボディノード206を入力ノード202に短絡させる。
【0028】
結局、トランジスタM3は、トランジスタM2のボディを、供給電圧レールVddの代わりに入力電圧Vinに結合又は「グラッブ」(すなわち接続)させる。結果として、トランジスタM2のボディ、ソース及びドレインは、同じ電圧を有する。従って、トランジスタM2におけるPN接合は逆バイアスされない。逆バイアス接合の欠如は、空乏領域がトランジスタに形成されず、これによってボディ効果を効果的に除去することを意味する。その結果、トランジスタM2の有効しきい値電圧VTHは低減され、これにより、従来のCMOSスイッチトランジスタよりも信頼性良く且つ容易にトランジスタがターンオンすることを可能にする。
【0029】
本発明の好ましい実施形態は、時刻t2とt3の間に少しの遅延を与える。特に、入力信号CK2及びCK2Bは、入力信号CK1及びCK1Bが時刻t2で変化した後、時刻t3で変化する。好ましくは、斯かる遅延は、トランジスタM2のドレインからボディへの電流に起因する可能性のあるラッチアップ(latch-up)を防ぐのに十分な長さとされる。
【0030】
他の実施形態において、t2及びt3は同じである。つまり、信号CK1、CK1B、CK2及びCK2Bは、t2とt3の間の遅延無く同時に変化する。一つの実施形態では、入力信号CK2Bは、短い遅延の後に入力信号CK2に追従する。
【0031】
時刻t4では、CMOSスイッチはターンオフされる。特に、入力ゲート電圧信号CK1、CK1B、CK2及びCK2Bは、時刻t1の元のオフ状態に戻る。この状態では、トランジスタM3はオフであり、トランジスタM4はオンである。従って、トランジスタM2のボディは、電圧供給レールVddに戻るように接続される。好ましくは、トランジスタM1及びM2は、トランジスタM3及びM4の遷移の後にターンオフする。
【0032】
本発明の他の実施形態によれば、ボディグラッビングスイッチ回路は、CMOSスイッチにおけるNMOSトランジスタのボディにも接続される。図3Aは、本発明の一実施形態に係る、NMOSトランジスタのボディを結合するボディグラッビング回路を備えたCMOSスイッチ300を示す。図2AのCMOSスイッチ200と同様に、CMOSスイッチ300は、NMOSトランジスタM1及びPMOSトランジスタM2を備えている。トランジスタM1及びM2は、コモンソースノード302及びコモンドレインノード304において接続されている。入力電圧信号Vinは、入力ノードであるコモンソースノード302において提供される。CMOSスイッチ300は、出力ノードであるコモンドレインノード304において出力電圧信号Voutを出力する。
【0033】
NMOSトランジスタM1のゲートは、入力電圧信号CK1を受信する。トランジスタM1のボディは、ボディグラッビング回路におけるトランジスタM6を介する地電位に接続されている。PMOSトランジスタM2のゲートは入力電圧信号CK1Bを受信する一方、ボディは供給電圧レールVddに結合されている。
【0034】
図3Aにおけるボディグラッビング回路は、一対のNMOSトランジスタM5及びM6を備えている。トランジスタM6は、トランジスタM1のボディと接地レールの間に接続されている。すなわち、トランジスタM6のドレインはノード306においてトランジスタM1のボディに接続され、トランジスタM6のソースはアースに接続されている。トランジスタM6のボディ及びソースは互いに且つアースに接続されている。トランジスタM6は、ゲートにおいて入力信号CK3を受信する。
【0035】
ボディグラッビング回路の他のトランジスタM5は、ノード306におけるトランジスタM1のボディと入力ノード302の間に接続されている。より詳細には、トランジスタM5のソース及びボディは、ノード306においてトランジスタM1のボディに接続され、トランジスタM5のドレインは、入力ノード302に接続されている。トランジスタM5は、ゲートにおいて入力電圧信号CK3Bを受信する。
【0036】
図3Bは、CMOSスイッチ300の作動状態におけるタイムチャート350を示す。トランジスタM1、M2、M5及びM6は、それぞれ入力ゲート電圧CK1、CK1B、CK3B及びCK3に応答して作動する。入力ゲート電圧CK1、CK1B、CK3B及びCK3は地電位を参照して測定され議論されることが認識されなければならない。
【0037】
最初に時刻t1では、トランジスタM1のゲート入力電圧信号CK1はロー(例えば地電位)であり、トランジスタM2のゲート入力電圧信号CK1Bはハイ(例えば供給電圧Vdd)である。さらに、トランジスタM5のゲート入力電圧信号CK3Bはロー(例えば地電位)である。従って、トランジスタM1、M2及びM5はオフである。オンである唯一のトランジスタは、ハイの入力電圧信号CK3(例えば供給電圧Vdd)を備えるトランジスタM6である。この状態で、トランジスタM6は、ボディノード306の電圧をアースに引き寄せる。M1のボディは地電位であり、トランジスタM2のボディは供給電圧Vddであるため、トランジスタM1及びM2は共にオフである。従って、CMOSスイッチ300もまたオフ状態にある。
【0038】
時刻t2では、CMOSスイッチ300はターンオンする。トランジスタM1の入力ゲート電圧信号CK1が供給電圧Vdd(例えば3V)まで上昇したとき、トランジスタM1はターンオンする。一方、トランジスタM2のゲート入力電圧信号CK1Bは、地電位(例えば0V)に下降する。従って、トランジスタM1及びM2の両方がターンオンされる。この構成において、NMOSトランジスタM1のボディはまだ地電位にあり、PMOSトランジスタM2のボディは供給電圧Vddに結合されている。この状態において、トランジスタM1及びM2は、従来のCMOSスイッチ回路におけるのと同様にボディ効果を受ける。
【0039】
時刻t3では、トランジスタM6のゲート入力電圧信号CK3は、ハイ(例えば供給電圧)からロー(例えば地電位)に下降する。この電圧の遷移はトランジスタM4をターンオフする。一方、ボディグラッビング回路におけるトランジスタM5の入力ゲート電圧信号CK3Bは、ロー電圧からハイ電圧(例えば地電位から供給電圧に)に上昇し、これにより、トランジスタM5をターンオンする。トランジスタM5のスイッチングは、トランジスタM1のボディノード306を入力ノード302に短絡させる。
【0040】
結局、トランジスタM5は、トランジスタM1のボディを、供給電圧レールVddの代わりに入力電圧Vinに結合又は「グラッブ」させる。結果として、トランジスタM1のボディ、ソース及びドレインは、同じ電圧を有する。従って、トランジスタM1におけるPN接合は逆バイアスされない。逆バイアス接合の欠如は、空乏領域がトランジスタに形成されず、これによってボディ効果を効果的に除去することを意味する。その結果、トランジスタM1の有効しきい値電圧VTHは低減され、これにより、従来のCMOSスイッチトランジスタよりも信頼性良く且つ容易にトランジスタがターンオンすることを可能にする。
【0041】
図2AのCMOSスイッチ200と同様に、CMOSスイッチ300の好ましい実施形態は、時刻t2とt3の間に少しの遅延を与える。特に、入力信号CK3及びCK3Bは、入力信号CK1及びCK1Bが時刻t2で変化した後、時刻t3で変化する。好ましくは、斯かる遅延は、トランジスタM1のドレインからボディへ流れる電子に起因する可能性のあるラッチアップを防ぐのに十分な長さとされる。
【0042】
他の実施形態において、t2及びt3は同じである。つまり、信号CK1、CK1B、CK3及びCK3Bは、t2とt3の間の遅延無く同時に変化する。一つの実施形態では、入力信号CK3Bは、短い遅延の後に入力信号CK3に追従する。
【0043】
時刻t4では、CMOSスイッチ300はターンオフされる。特に、入力ゲート電圧信号CK1、CK1B、CK3及びCK3Bは、時刻t1の元のオフ状態に戻る。この状態では、トランジスタM5はオフであり、トランジスタM6はオンである。従って、トランジスタM1のボディは、アースに戻るように結合される。好ましくは、トランジスタM1及びM2は、トランジスタM5及びM6の遷移の後にターンオフする。
【0044】
本発明の他の実施形態によれば、ボディグラッビングスイッチ回路は、CMOSスイッチにおけるNMOS及びPMOSトランジスタの各々のボディにも接続される。図4Aは、本発明の一実施形態に係る、NMOS及びPMOSトランジスタのボディを結合する一対のボディグラッビング回路を備えたCMOSスイッチ400を示す。図2AのCMOSスイッチ200及び図3AのCMOSスイッチ300と同様に、CMOSスイッチ400は、NMOSトランジスタM1及びPMOSトランジスタM2を備えている。トランジスタM1及びM2は、コモンソースノード402及びコモンドレインノード404において接続されている。入力電圧信号Vinは、入力ノードであるコモンソースノード402において提供される。CMOSスイッチ400は、出力ノードであるコモンドレインノード404において出力電圧信号Voutを出力する。
【0045】
PMOSトランジスタM2のゲートは、入力電圧信号CK1Bを受信する。トランジスタM2のボディは、PMOSトランジスタM3及びM4を備える第1のボディグラッビング回路を介して、供給電圧レールVdd又はノード402に接続されている。NMOSトランジスタM1のゲートは入力電圧信号CK1を受信する。トランジスタM1のボディは、一対のNMOSトランジスタM5及びM6を備える第2のボディグラッビング回路を介して、地電位又はノード402に接続されている。
【0046】
図4Aにおける第1のボディグラッビング回路は、一対のPMOSトランジスタM3及びM4を備えている。トランジスタM4は、トランジスタM2のボディと供給電圧レールVddの間に接続されている。より詳細には、トランジスタM4のドレインはノード406においてトランジスタM2のボディに接続され、ソースは供給電圧レールVddに接続されている。トランジスタM4のボディ及びソースは互いに且つ供給電圧レールVddに接続されている。トランジスタM4は、ゲートにおいて入力信号CK2を受信する。
【0047】
ボディグラッビング回路の他のトランジスタM3は、ノード406におけるトランジスタM2のボディと入力ノード402の間に接続されている。より詳細には、トランジスタM3のソース及びボディは、ノード406においてトランジスタM2のボディに接続され、トランジスタM3のドレインは、入力ノード402に接続されている。トランジスタM3は、ゲートにおいて入力電圧信号CK2Bを受信する。
【0048】
図4Aにおける第2のボディグラッビング回路は、一対のNMOSトランジスタM5及びM6を備えている。トランジスタM6は、トランジスタM1のボディとアースレールの間に接続されている。すなわち、トランジスタM6のドレインはノード408においてトランジスタM1のボディに接続され、トランジスタM6のソースはアースに接続されている。トランジスタM6のボディ及びソースは互いに且つアースに接続されている。トランジスタM6は、ゲートにおいて入力信号CK3を受信する。
【0049】
ボディグラッビング回路の他のトランジスタM5は、ノード408におけるトランジスタM1のボディと入力ノード402の間に接続されている。より詳細には、トランジスタM5のソース及びボディは、ノード408においてトランジスタM1のボディに接続され、トランジスタM5のドレインは、入力ノード402に接続されている。トランジスタM5は、ゲートにおいて入力電圧信号CK3Bを受信する。
【0050】
図4Bは、CMOSスイッチ400の作動状態におけるタイムチャート450を示す。トランジスタM1、M2、M3、M4、M5及びM6は、それぞれ入力ゲート電圧CK1、CK1B、CK2B、CK2、CK3B及びCK3に応答して作動する。タイムチャート450は、図2B及び3Bに関して上述したタイムチャートの組み合わせである。従って、CMOSスイッチ400は、図2AのCMOSスイッチ200及び図3AのCMOSスイッチ300と同じように作動する。
【0051】
しかしながら、タイムチャート450は、信号CK2及びCK3が変化する時刻と、信号CK2B及びCK3Bが変化する時刻との間に遅延があることを示していることに注意しなければならない。特に、このタイムチャートは、時刻t3とt5の間の遅延、及び時刻t6とt7の間の遅延を表している。タイムチャートはこれらの遅延を示すが、CMOSスイッチ400はこれらの遅延無しで作動し得ることが認識されなければならない。
【0052】
好都合なことに、本発明は、CMOSスイッチがターンオンされようとしているときに、ボディをトランジスタのソース及び/又はドレインに結合することにより、トランジスタにおけるボディ効果を除去する。このソース及び/又はドレインへのボディの結合又はグラッビングは、供給電圧が低いときでさえ、スイッチの導通を可能にすることにより、トランジスタを容易にターンオンさせる。さらに、本発明のボディグラッビング回路は、供給電圧の全範囲に対して、クロックブースター又はチャージポンプを必要とすることなくチャンネル導通を提供する。さらに、ボディグラッビング回路は、高いゲートのオーバドライブ電圧を必要としないので、現代のサブミクロンオーダーのシリコンプロセスにおける故障の危険性を低減する。
【0053】
好ましい幾つかの実施形態について本発明を説明したが、本発明の範囲内にある変更、入れ替え及び均等物が存在する。本発明の方法及び装置の両方を実施する代替手段があることにも注意しなければならない。従って、添付した請求の範囲は、本発明の真の思想及び範囲内にあるこのような変更、入れ替え及び均等物の全てを含むように解釈されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、従来技術に関するものであり、ICチップに使用され得る従来のCMOSスイッチを示す。
【図2A】 図2Aは、本発明の一実施形態に係る、PMOSトランジスタのボディを結合するボディグラッビング回路を備えたCMOSスイッチを示す。
【図2B】 図2Bは、図2AのCMOSスイッチの作動状態におけるタイムチャートを示す。
【図3A】 図3Aは、本発明の一実施形態に係る、NMOSトランジスタのボディを結合するボディグラッビング回路を備えたCMOSスイッチ300を示す。
【図3B】 図3Bは、図3AのCMOSスイッチの作動状態におけるタイムチャートを示す。
【図4A】 図4Aは、CMOSスイッチにおける両トランジスタのボディを結合するボディグラッビング回路を備えたCMOSスイッチを示す。
【図4B】 図4Bは、図4AのCMOSスイッチの作動状態におけるタイムチャートを示す。
[0001]
(Field of Invention)
The present invention relates to the field of CMOS switches. More particularly, the present invention relates to a circuit that eliminates a body effect in a CMOS switch.
[0002]
(Background technology)
Integrated circuit (IC) chips are used and incorporated in almost all modern electronic and computer products. For example, modern products such as computers, telephones, electronic merchandise, etc. typically include one or more IC chips. As is well known to those skilled in the art, IC chips often include a switched capacitor circuit, which includes many analog and mixed signal circuits (including filters, data converters, communication circuits, etc.) Used to realize mixed-signal circuits).
[0003]
One of the main elements of a switch capacitor circuit is a switch. In IC chip settings, complementary MOS (CMOS) switches are often used to take advantage of their high speed, small size, and zero turn-on voltage drop. FIG. 1 illustrating the prior art illustrates a conventional CMOS switch 100 that can be used in an IC chip. The conventional CMOS switch 100 includes an n-channel MOS (NMOS) transistor M1 and a p-channel MOS (PMOS) transistor M2. The NMOS transistor M1 and the PMOS transistor M2 are connected in parallel to each other at the common source node 102 and the common drain node 104. In operation, the CMOS switch 100 receives the input signal V at node 102. in Received, V in Output signal V at node 104 out Communicate as
[0004]
In order to operate the CMOS switch 100, the gate of the NMOS transistor M1 is connected to the supply voltage rail V dd The gate of the PMOS transistor M2 is connected to the ground potential. The body of transistor M2 is the supply voltage V dd When coupled to, the body (eg, substrate or bulk) of transistor M1 is coupled to ground potential. Transistors M 1 and M 2 are connected to each other at source node 102 and drain node 104.
[0005]
If designed with standard transistor components, the CMOS switch 100 has a supply voltage V of 5V or greater. dd Works properly. However, since today's IC chips are constantly shrinking in dimensions, the number of IC chips that use a supply voltage lower than 5V (for example, 3V) is increasing. The use of the low supply voltage saves power, which is advantageous in many applications including mobile computing and communication fields.
[0006]
Unfortunately, the use of a low supply voltage such as 3V in the CMOS switch setting results in a permanent body effect (eg, back gate bias effect) that can adversely affect the switching of transistors M1 and M2. In particular, at low supply voltages, the transistors M1 and M2 of the CMOS switch 100 may not turn on properly due to the low gate overdrive combined with the body effect in the transistors M1 and M2. When the body is at a different potential than the source / drain, a body effect occurs in the MOS transistor and a reverse biased junction is formed between the source / drain and the body (ie, substrate) of the transistor. A reverse bias PN junction causes a depletion region to form around the associated drain or source.
[0007]
For example, when the substrate or body (eg, p-type silicon) of an NMOS transistor is formed negative with respect to the source or drain (eg, n-type silicon) of the transistor, the depletion region between the substrate and the source / drain is Exhibits a greater voltage drop, which results in a thicker. Thus, to turn on the transistor, a higher voltage must be applied to the gate of the NMOS transistor to overcome the large depletion region. The net result of the body effect is that the reverse bias between the substrate and the source or drain increases, resulting in an effective threshold voltage V of the NMOS transistor. TH, NMOS However, it increases in appearance. Similarly, the effective threshold voltage of the PMOS transistor | V TH, PMOS | Increases if its body (eg, n-type silicon) is at a higher potential than the source or drain (eg, p-type silicon).
[0008]
For example, the transistors M1 and M2 of the CMOS switch 100 having no body effect have the threshold voltage V TH = V TH, NMOS = | V TH, PMOS Characterized by | = 0.8 volts. Assuming that the body effect is to add 0.5 volts, the apparent threshold voltage V of transistors M1 and M2 TH Is 1.3 volts (0.8 + 0.5 volts). Supply voltage V dd Is 3V and the voltage at the input and output nodes is about 1.5 volts (ie V dd / 2), the apparent threshold voltage and the gate to source voltage V gs The margin between (eg gate overdrive) is only 0.2 volts. In such a narrow margin, the CMOS switch 100 does not operate with high reliability. In addition, 3V rated supply voltage V dd Can actually vary between 2.7 volts and 3.3 volts. When the supply voltage is 2.7V, the voltage margin is further reduced. Thus, transistors M1 and M2 may not turn on properly.
[0009]
One obvious solution to the switching problem caused by the body effect is to use a higher supply voltage. For example, a high supply voltage such as 5 volts overcomes the body effect by adding a high gate voltage that compensates for the body effect. Another approach is to use a special clock booster or charge pump circuit that provides larger gate overdrive for the affected transistors. Unfortunately, such a circuit produces an internal voltage that is higher than the supply voltage. Therefore, these circuits usually require a particularly high voltage transistor structure. However, standard submicron commercial silicon processes typically do not implement such structures due to high manufacturing costs. Furthermore, the small transistor size in such a process means that a normal transistor has a relatively low breakdown voltage.
[0010]
Another solution employs a low threshold transistor having a threshold voltage of, for example, 0.3 to 0.4 volts to overcome the body effect. However, such a solution is more costly because low threshold voltage transistors require extra processing steps. However, most commercial CMOS processes typically do not have this option. Furthermore, low threshold voltage transistors have significant leakage currents even when turned off.
[0011]
Therefore, what is needed is a circuit and method for switching a CMOS switch with a low supply voltage without the need for costly complex circuit structures. There is also a need for a circuit and method that eliminates the body effect of transistors used in CMOS switches.
[0012]
(Summary of the Invention)
Generally speaking, the present invention satisfies the aforementioned needs by providing a circuit that allows switch conduction at low supply voltages by eliminating body effects. It should be appreciated that the present invention can be implemented in numerous ways, including as a process, apparatus, system, device or method. Several embodiments of the invention are described below.
[0013]
In one embodiment, the present invention provides a switch circuit. The switch circuit includes a switch and a first body grabbing circuit. The switch includes a first transistor and a second transistor. The first transistor has a body and is connected in parallel with the second transistor to form a common source and a common drain. The common source defines an input node, and the common drain defines an output node. The first body grabbing circuit is connected to the body of the first transistor. The first body grabbing circuit is arranged to connect the body of the first transistor to the input node when the first and second transistors receive the turn-on voltage signal. The first body effect in the transistor is eliminated.
[0014]
In another embodiment, the switch circuit includes first and second switching means and first body connecting means. The first and second switching means are arranged to transmit the input signal to the output node. The first switching means has a body. The switching means receives an input signal at an input node. The first and second switching means are connected at the input node and the output node. The first body grabbing circuit is arranged to connect the body of the first switching means to the input node when the first and second switching means receive the turn-on voltage signal. The first body effect in one switching means is substantially eliminated.
[0015]
In yet another embodiment, the present invention provides a method for eliminating the body effect in a first transistor comprising a body, a source, a drain, and a gate. The method includes: (a) receiving an input signal at a source; (b) applying a first voltage to a first transistor; (c) connecting a body of the first transistor to an input node; And (d) obtaining the output voltage at the drain of the first transistor.
[0016]
Conveniently, the present invention eliminates body effects in the transistor by coupling the body to the source and / or drain of the transistor when the CMOS switch is about to be turned on. This body coupling or grabbing to the source and / or drain easily turns on the transistor by allowing the switch to conduct even when the supply voltage is low. Furthermore, the body grabbing circuit of the present invention provides channel continuity for the entire range of supply voltages without the need for a clock booster or charge pump. In addition, body grabbing circuits do not require high gate overdrive voltages, thus reducing the risk of failure in modern sub-micron order silicon processes. Other aspects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, illustrating by way of example the principles of the invention.
[0017]
The accompanying drawings, which are incorporated in and form a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the text of the specification, serve to explain the principles of the invention.
[0018]
(Description of Preferred Embodiment)
In the following detailed description of the invention, a body grabbing circuit and method and numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be practiced without these specific details. In other instances, well-known methods, procedures, components, and circuits have not been described in detail so as not to unnecessarily obscure features of the present invention.
[0019]
The present invention provides a body grabbing switch in a CMOS switch circuit. A body grabbing switch removes the body effect of one or more MOS transistors in a CMOS switch by coupling the body to the source and / or drain of the transistor when the CMOS switch is about to be turned on. . This coupling or grabbing of the body to the source and / or drain facilitates the transistor by allowing the switch to conduct even when the channel of the transistor is close to the mid-supply voltage. To turn on.
[0020]
FIG. 2A illustrates a CMOS switch 200 with a body grabbing circuit that couples the bodies of transistors according to one embodiment of the present invention. The CMOS switch 200 includes an NMOS transistor M1 and a PMOS transistor M2. The transistors M1 and M2 are connected at the common source node 202 and the common drain node 204. Input voltage signal V in Is provided at the common source node 202, which is also the input node. The CMOS switch 200 has an output voltage signal V at a common drain node 204 that is also an output node. out Is output.
[0021]
The gate of NMOS transistor M1 receives input voltage signal CK1 when the body is coupled to ground potential. The gate of the PMOS transistor M2 receives the input voltage signal CK1B. The body of transistor M2 is the supply voltage rail V through transistor M4 in the body grabbing circuit. dd Is bound to.
[0022]
The body grabbing circuit in FIG. 2A includes a pair of PMOS transistors M3 and M4. Transistor M4 has a transistor M2 body and supply voltage rail V dd Connected between. More specifically, the drain of transistor M4 is connected to the body of transistor M2 at node 206 and the source is connected to supply voltage rail V dd It is connected to the. The body and source of the transistor M4 are connected to each other and to the supply voltage rail V dd It is connected to the. Transistor M4 receives input signal CK2 at its gate.
[0023]
The other transistor M3 of the body grabbing circuit is connected between the body of the transistor M2 at the node 206 and the input node 202. More specifically, the source and body of transistor M3 are connected to the body of transistor M2 at node 206, and the drain of transistor M3 is connected to input node 202. Transistor M3 receives input voltage signal CK2B at its gate.
[0024]
FIG. 2B shows a time chart 250 in the operating state of the CMOS switch 200. Transistors M1, M2, M3, and M4 operate in response to input gate voltages CK1, CK1B, CK2B, and CK2, respectively. It should be appreciated that the input gate voltages CK1, CK1B, CK2B and CK2 are measured and discussed with reference to ground potential.
[0025]
First, at time t1, the gate input voltage signal CK1 of the transistor M1 is low (eg, ground potential), and the gate input voltage signal CK1B of the transistor M2 is high (eg, supply voltage V dd ). Further, the gate input voltage signal CK2B of the transistor M3 is high (for example, the supply voltage V dd ). Thus, the transistors M1, M2, and M3 are off. The only transistor that is on is transistor M4 with low input voltage signal CK2. In this state, the transistor M4 supplies the voltage of the body node 206 to the supply voltage V dd Attract to. The body of M1 is ground potential and the body of transistor M2 is the supply voltage V dd Therefore, both the transistors M1 and M2 are off. Therefore, the CMOS switch 200 is also in the off state.
[0026]
At time t2, the CMOS switch 200 is turned on. The input gate voltage signal CK1 of the transistor M1 is the supply voltage V dd When rising to (eg 3V), transistor M1 is turned on. On the other hand, the gate input voltage signal CK1B of the transistor M2 falls to the ground potential (for example, 0V). Thus, both transistors M1 and M2 are turned on. In this configuration, the body of the NMOS transistor M1 is at ground potential and the body of the PMOS transistor M2 is still at the supply voltage V dd Is bound to. In this state, the transistors M1 and M2 are subjected to the body effect as in the conventional CMOS switch circuit.
[0027]
At time t3, the gate input voltage signal CK2 of the transistor M4 rises from low (eg, ground potential) to high (eg, supply voltage). This voltage transition turns off transistor M4. On the other hand, the input gate voltage of the transistor M3 in the body grabbing circuit falls from a high voltage to a low voltage (for example, from the supply voltage to the ground potential), thereby turning on the transistor M3. Switching of transistor M3 shorts body node 206 of transistor M2 to input node 202.
[0028]
Eventually, transistor M3 replaces the body of transistor M2 with supply voltage rail V dd Instead of the input voltage V in Are coupled or “grabbed” (ie, connected). As a result, the body, source and drain of transistor M2 have the same voltage. Therefore, the PN junction in transistor M2 is not reverse biased. The lack of a reverse bias junction means that no depletion region is formed in the transistor, thereby effectively eliminating the body effect. As a result, the effective threshold voltage V of the transistor M2 TH Is reduced, thereby allowing the transistor to turn on more reliably and easily than conventional CMOS switch transistors.
[0029]
The preferred embodiment of the present invention provides a slight delay between times t2 and t3. In particular, the input signals CK2 and CK2B change at time t3 after the input signals CK1 and CK1B change at time t2. Preferably, such a delay is long enough to prevent latch-up that may be due to current from the drain to the body of transistor M2.
[0030]
In other embodiments, t2 and t3 are the same. That is, the signals CK1, CK1B, CK2, and CK2B change simultaneously without a delay between t2 and t3. In one embodiment, the input signal CK2B follows the input signal CK2 after a short delay.
[0031]
At time t4, the CMOS switch is turned off. In particular, the input gate voltage signals CK1, CK1B, CK2, and CK2B return to the original off state at time t1. In this state, transistor M3 is off and transistor M4 is on. Therefore, the body of the transistor M2 is the voltage supply rail V dd Connected back to. Preferably, transistors M1 and M2 are turned off after the transition of transistors M3 and M4.
[0032]
According to another embodiment of the present invention, the body grabbing switch circuit is also connected to the body of the NMOS transistor in the CMOS switch. FIG. 3A illustrates a CMOS switch 300 with a body grabbing circuit that couples the bodies of NMOS transistors, according to one embodiment of the present invention. Similar to the CMOS switch 200 of FIG. 2A, the CMOS switch 300 includes an NMOS transistor M1 and a PMOS transistor M2. The transistors M1 and M2 are connected at the common source node 302 and the common drain node 304. Input voltage signal V in Is provided at the common source node 302 which is an input node. The CMOS switch 300 has an output voltage signal V at a common drain node 304 as an output node. out Is output.
[0033]
The gate of the NMOS transistor M1 receives the input voltage signal CK1. The body of the transistor M1 is connected to the ground potential via the transistor M6 in the body grabbing circuit. The gate of the PMOS transistor M2 receives the input voltage signal CK1B, while the body is the supply voltage rail V dd Is bound to.
[0034]
The body grabbing circuit in FIG. 3A includes a pair of NMOS transistors M5 and M6. Transistor M6 is connected between the body of transistor M1 and the ground rail. That is, the drain of transistor M6 is connected to the body of transistor M1 at node 306, and the source of transistor M6 is connected to ground. The body and source of transistor M6 are connected to each other and to ground. Transistor M6 receives input signal CK3 at its gate.
[0035]
Another transistor M5 of the body grabbing circuit is connected between the body of the transistor M1 at the node 306 and the input node 302. More specifically, the source and body of transistor M5 are connected to the body of transistor M1 at node 306, and the drain of transistor M5 is connected to input node 302. Transistor M5 receives input voltage signal CK3B at its gate.
[0036]
FIG. 3B shows a time chart 350 in the operating state of the CMOS switch 300. Transistors M1, M2, M5, and M6 operate in response to input gate voltages CK1, CK1B, CK3B, and CK3, respectively. It should be appreciated that the input gate voltages CK1, CK1B, CK3B and CK3 are measured and discussed with reference to ground potential.
[0037]
First, at time t1, the gate input voltage signal CK1 of the transistor M1 is low (eg, ground potential), and the gate input voltage signal CK1B of the transistor M2 is high (eg, supply voltage V dd ). Further, the gate input voltage signal CK3B of the transistor M5 is low (eg, ground potential). Therefore, the transistors M1, M2 and M5 are off. The only transistor that is on is a high input voltage signal CK3 (eg, supply voltage V dd ). In this state, transistor M6 pulls the voltage at body node 306 to ground. The body of M1 is ground potential and the body of transistor M2 is the supply voltage V dd Therefore, both the transistors M1 and M2 are off. Therefore, the CMOS switch 300 is also in the off state.
[0038]
At time t2, the CMOS switch 300 is turned on. The input gate voltage signal CK1 of the transistor M1 is the supply voltage V dd When rising to (eg 3V), transistor M1 is turned on. On the other hand, the gate input voltage signal CK1B of the transistor M2 falls to the ground potential (for example, 0V). Thus, both transistors M1 and M2 are turned on. In this configuration, the body of the NMOS transistor M1 is still at ground potential and the body of the PMOS transistor M2 is at the supply voltage V dd Is bound to. In this state, the transistors M1 and M2 are subjected to the body effect as in the conventional CMOS switch circuit.
[0039]
At time t3, the gate input voltage signal CK3 of the transistor M6 falls from high (for example, supply voltage) to low (for example, ground potential). This voltage transition turns off transistor M4. On the other hand, the input gate voltage signal CK3B of the transistor M5 in the body grabbing circuit rises from the low voltage to the high voltage (for example, from the ground potential to the supply voltage), thereby turning on the transistor M5. Switching of transistor M5 shorts body node 306 of transistor M1 to input node 302.
[0040]
Eventually, transistor M5 replaces the body of transistor M1 with supply voltage rail V dd Instead of the input voltage V in Bind or “grab”. As a result, the body, source and drain of transistor M1 have the same voltage. Therefore, the PN junction in transistor M1 is not reverse biased. The lack of a reverse bias junction means that no depletion region is formed in the transistor, thereby effectively eliminating the body effect. As a result, the effective threshold voltage V of the transistor M1 TH Is reduced, thereby allowing the transistor to turn on more reliably and easily than conventional CMOS switch transistors.
[0041]
Similar to the CMOS switch 200 of FIG. 2A, the preferred embodiment of the CMOS switch 300 provides a slight delay between times t2 and t3. In particular, the input signals CK3 and CK3B change at time t3 after the input signals CK1 and CK1B change at time t2. Preferably, such a delay is long enough to prevent latch-up that may be due to electrons flowing from the drain of transistor M1 to the body.
[0042]
In other embodiments, t2 and t3 are the same. That is, the signals CK1, CK1B, CK3, and CK3B change simultaneously without a delay between t2 and t3. In one embodiment, the input signal CK3B follows the input signal CK3 after a short delay.
[0043]
At time t4, the CMOS switch 300 is turned off. In particular, the input gate voltage signals CK1, CK1B, CK3, and CK3B return to the original off state at time t1. In this state, transistor M5 is off and transistor M6 is on. Thus, the body of transistor M1 is coupled back to ground. Preferably, transistors M1 and M2 are turned off after the transition of transistors M5 and M6.
[0044]
According to another embodiment of the present invention, the body grabbing switch circuit is also connected to the body of each of the NMOS and PMOS transistors in the CMOS switch. FIG. 4A shows a CMOS switch 400 with a pair of body grabbing circuits that couple the bodies of NMOS and PMOS transistors according to one embodiment of the present invention. Similar to the CMOS switch 200 of FIG. 2A and the CMOS switch 300 of FIG. 3A, the CMOS switch 400 includes an NMOS transistor M1 and a PMOS transistor M2. The transistors M1 and M2 are connected at a common source node 402 and a common drain node 404. Input voltage signal V in Is provided at the common source node 402, which is the input node. The CMOS switch 400 has an output voltage signal V at a common drain node 404 that is an output node. out Is output.
[0045]
The gate of the PMOS transistor M2 receives the input voltage signal CK1B. The body of the transistor M2 is connected to the supply voltage rail V through a first body grabbing circuit comprising PMOS transistors M3 and M4. dd Alternatively, it is connected to the node 402. The gate of the NMOS transistor M1 receives the input voltage signal CK1. The body of the transistor M1 is connected to the ground potential or the node 402 via a second body grabbing circuit including a pair of NMOS transistors M5 and M6.
[0046]
The first body grabbing circuit in FIG. 4A includes a pair of PMOS transistors M3 and M4. Transistor M4 has a transistor M2 body and supply voltage rail V dd Connected between. More specifically, the drain of transistor M4 is connected to the body of transistor M2 at node 406 and the source is connected to supply voltage rail V dd It is connected to the. The body and source of the transistor M4 are connected to each other and to the supply voltage rail V dd It is connected to the. Transistor M4 receives input signal CK2 at its gate.
[0047]
Another transistor M 3 of the body grabbing circuit is connected between the body of the transistor M 2 at the node 406 and the input node 402. More specifically, the source and body of transistor M3 are connected to the body of transistor M2 at node 406, and the drain of transistor M3 is connected to input node 402. Transistor M3 receives input voltage signal CK2B at its gate.
[0048]
The second body grabbing circuit in FIG. 4A includes a pair of NMOS transistors M5 and M6. The transistor M6 is connected between the body of the transistor M1 and the earth rail. That is, the drain of transistor M6 is connected to the body of transistor M1 at node 408, and the source of transistor M6 is connected to ground. The body and source of transistor M6 are connected to each other and to ground. Transistor M6 receives input signal CK3 at its gate.
[0049]
Another transistor M5 of the body grabbing circuit is connected between the body of the transistor M1 at the node 408 and the input node 402. More specifically, the source and body of transistor M5 are connected to the body of transistor M1 at node 408, and the drain of transistor M5 is connected to input node 402. Transistor M5 receives input voltage signal CK3B at its gate.
[0050]
FIG. 4B shows a time chart 450 in the operating state of the CMOS switch 400. Transistors M1, M2, M3, M4, M5 and M6 operate in response to input gate voltages CK1, CK1B, CK2B, CK2, CK3B and CK3, respectively. Time chart 450 is a combination of the time charts described above with respect to FIGS. 2B and 3B. Accordingly, the CMOS switch 400 operates in the same manner as the CMOS switch 200 of FIG. 2A and the CMOS switch 300 of FIG. 3A.
[0051]
However, it should be noted that the time chart 450 shows that there is a delay between the time when the signals CK2 and CK3 change and the time when the signals CK2B and CK3B change. In particular, this time chart represents a delay between times t3 and t5 and a delay between times t6 and t7. Although the time chart shows these delays, it should be recognized that the CMOS switch 400 can operate without these delays.
[0052]
Conveniently, the present invention eliminates body effects in the transistor by coupling the body to the source and / or drain of the transistor when the CMOS switch is about to be turned on. This body coupling or grabbing to the source and / or drain easily turns on the transistor by allowing the switch to conduct even when the supply voltage is low. Furthermore, the body grabbing circuit of the present invention provides channel continuity for the entire range of supply voltages without the need for a clock booster or charge pump. In addition, body grabbing circuits do not require high gate overdrive voltages, thus reducing the risk of failure in modern sub-micron order silicon processes.
[0053]
While the invention has been described in terms of several preferred embodiments, there are alterations, permutations and equivalents that are within the scope of the invention. It should also be noted that there are alternative means of implementing both the method and apparatus of the present invention. Accordingly, the appended claims are intended to be construed to include all such modifications, alterations and equivalents that are within the true spirit and scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 relates to the prior art and shows a conventional CMOS switch that can be used in an IC chip.
FIG. 2A shows a CMOS switch with a body grabbing circuit that couples the bodies of PMOS transistors, according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2B shows a time chart in the operating state of the CMOS switch of FIG. 2A.
FIG. 3A shows a CMOS switch 300 with a body grabbing circuit that couples the bodies of NMOS transistors, according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3B shows a time chart in the operating state of the CMOS switch of FIG. 3A.
FIG. 4A shows a CMOS switch with a body grabbing circuit that couples the bodies of both transistors in the CMOS switch.
FIG. 4B shows a time chart in the operating state of the CMOS switch of FIG. 4A.

Claims (37)

スイッチと、第1のボディグラッビング回路とを備えたスイッチ回路であって、前記スイッチは、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタを備え、第1のトランジスタは、ボディを有し、コモンソース及びコモンドレインを形成するべく第2のトランジスタと並列に接続されており、コモンソースは、入力ノードを定め、コモンドレインは、出力ノードを定め、前記第1のボディグラッビング回路は、第1のトランジスタのボディに接続され、第1のボディ効果が第1のトランジスタ内で除去されるように、第1及び第2のトランジスタがターンオン電圧信号を受信する際に、第1のトランジスタのボディを入力ノードに接続するように配置され
前記第1のボディグラッビング回路は、更に、第1のトランジスタのボディと第1の電圧レベルの間に接続された第3のトランジスタと、第1のトランジスタのボディと入力ノードの間に接続された第4のトランジスタとを備え、前記第3のトランジスタは、第1のトランジスタがターンオフ電圧信号を受信する際に、第1のトランジスタのボディを第1の電圧レベルに接続するように配置され、前記第4のトランジスタは、第1のトランジスタがターンオン電圧信号を受信する際に、第1のトランジスタのボディを入力ノードに接続するように配置され、
前記第3のトランジスタは、前記第1及び第2のトランジスタがターンオン電圧信号を受信した後、ターンオフ電圧信号に応答してターンオフし、
前記第3のトランジスタがターンオフ電圧信号に応答してターンオフする際に、前記第4のトランジスタは、ターンオンして、前記第1のトランジスタのボディを入力ノードに接続することを特徴とすることを特徴とするスイッチ回路。
A switch circuit comprising a switch and a first body grabbing circuit, the switch comprising a first transistor and a second transistor, the first transistor having a body, a common source, A common source is connected in parallel with the second transistor to form a common drain, the common source defines an input node, the common drain defines an output node, and the first body grabbing circuit includes a first transistor. And when the first and second transistors receive the turn-on voltage signal, the body of the first transistor is connected to the input node so that the first body effect is eliminated in the first transistor. arranged to connect to,
The first body grabbing circuit is further connected between a body of the first transistor and a third transistor connected between the first voltage level and a body of the first transistor and an input node. A fourth transistor, wherein the third transistor is arranged to connect the body of the first transistor to the first voltage level when the first transistor receives the turn-off voltage signal, The fourth transistor is arranged to connect the body of the first transistor to the input node when the first transistor receives the turn-on voltage signal;
The third transistor is turned off in response to the turn-off voltage signal after the first and second transistors receive the turn-on voltage signal;
When the third transistor is turned off in response to a turn-off voltage signal, the fourth transistor is turned on to connect the body of the first transistor to an input node. Switch circuit.
前記第2のトランジスタは、ボディを有し、前記スイッチ回路は、更に、第2のトランジスタのボディに接続された第2のボディグラッビング回路を備え、前記第2のボディグラッビング回路は、第2のボディ効果が第2のトランジスタ内で欠けるように、第1及び第2のトランジスタがターンオン電圧信号を受信する際に、第2のトランジスタのボディを入力ノードに接続するように配置されていることを特徴とする請求項1に記載のスイッチ回路。  The second transistor has a body, and the switch circuit further includes a second body grabbing circuit connected to a body of the second transistor, and the second body grabbing circuit includes: The first and second transistors are arranged to connect the body of the second transistor to the input node when the first and second transistors receive the turn-on voltage signal, so that the body effect of 2 is missing in the second transistor. The switch circuit according to claim 1. 前記第2のボディグラッビング回路は、更に、第2のトランジスタのボディの間に接続された第5のトランジスタと、第2のトランジスタのボディと入力ノードの間に接続された第6のトランジスタとを備え、前記第5のトランジスタは、第2のトランジスタがターンオフ電圧信号を受信する際に、第2のトランジスタのボディを第2の電圧レベルに接続するように配置され、前記第6のトランジスタは、第2のトランジスタがターンオン電圧信号を受信する際に、第2のトランジスタのボディを入力ノードに接続するように配置されていることを特徴とする請求項に記載のスイッチ回路。The second body grabbing circuit further includes a fifth transistor connected between the bodies of the second transistors, and a sixth transistor connected between the body of the second transistors and the input node. And the fifth transistor is arranged to connect the body of the second transistor to the second voltage level when the second transistor receives the turn-off voltage signal, and the sixth transistor is 3. The switch circuit according to claim 2 , wherein the switch circuit is arranged to connect the body of the second transistor to the input node when the second transistor receives the turn-on voltage signal. 前記スイッチ回路は、CMOSスイッチ回路であることを特徴とする請求項1に記載のスイッチ回路。  The switch circuit according to claim 1, wherein the switch circuit is a CMOS switch circuit. 前記第1及び第2のトランジスタは、MOSトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載のスイッチ回路。  2. The switch circuit according to claim 1, wherein the first and second transistors are MOS transistors. 前記第1のトランジスタは、nチャンネルMOSトランジスタであり、前記第2のトランジスタは、pチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載のスイッチ回路。  2. The switch circuit according to claim 1, wherein the first transistor is an n-channel MOS transistor, and the second transistor is a p-channel MOS transistor. 前記第1のトランジスタは、pチャンネルMOSトランジスタであり、前記第2のトランジスタは、nチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載のスイッチ回路。  2. The switch circuit according to claim 1, wherein the first transistor is a p-channel MOS transistor, and the second transistor is an n-channel MOS transistor. 前記第3及び第4のトランジスタは、pチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項に記載のスイッチ回路。2. The switch circuit according to claim 1 , wherein the third and fourth transistors are p-channel MOS transistors. 前記第1のトランジスタは、pチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項に記載のスイッチ回路。9. The switch circuit according to claim 8 , wherein the first transistor is a p-channel MOS transistor. 前記第3及び第4のトランジスタは、nチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項に記載のスイッチ回路。The switch circuit according to claim 1 , wherein the third and fourth transistors are n-channel MOS transistors. 前記第1のトランジスタは、nチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項10に記載のスイッチ回路。The switch circuit according to claim 10 , wherein the first transistor is an n-channel MOS transistor. 前記ターンオン信号は、更に、第1のターンオン信号及び第2のターンオン信号を備え、 前記第1のトランジスタは、第1のターンオン信号を受信し、前記第2のトランジスタは、第2のターンオン信号を同時に受信することを特徴とする請求項1に記載のスイッチ回路。  The turn-on signal further comprises a first turn-on signal and a second turn-on signal, the first transistor receives a first turn-on signal, and the second transistor receives a second turn-on signal. The switch circuit according to claim 1, wherein the switch circuits receive simultaneously. 前記第4のトランジスタは、前記第3のトランジスタがターンオフした後にターンオンすることを特徴とする請求項に記載のスイッチ回路。The switch circuit according to claim 1 , wherein the fourth transistor is turned on after the third transistor is turned off. 前記第1、第2、第3及び第4のトランジスタは、同時に状態を変化させることを特徴とする請求項13に記載のスイッチ回路。14. The switch circuit according to claim 13 , wherein the first, second, third, and fourth transistors change state at the same time. 前記第3及び第4のトランジスタは、同時に状態を変化させることを特徴とする請求項13に記載のスイッチ回路。14. The switch circuit according to claim 13 , wherein the third and fourth transistors change their states at the same time. 前記スイッチ回路は、スイッチキャパシタ回路で使用されることを特徴とする請求項1に記載のスイッチ回路。  The switch circuit according to claim 1, wherein the switch circuit is used in a switch capacitor circuit. 前記スイッチ回路は、低電圧スイッチ回路であることを特徴とする請求項1に記載のスイッチ回路。  The switch circuit according to claim 1, wherein the switch circuit is a low voltage switch circuit. 入力信号を出力ノードに伝達する第1及び第2のスイッチング手段であって、第1のスイッチング手段がボディを有し、第1のスイッチング手段が入力ノードにおいて入力信号を受信し、第1及び第2のスイッチング手段が入力ノード及び出力ノードで接続されている前記第1及び第2のスイッチング手段と、第1のスイッチング手段における第1のボディ効果が除去されるように、第1及び第2のスイッチング手段がターンオン電圧信号を受信する際に、第1のスイッチング手段のボディを入力ノードに接続する第1のボディ接続手段とを備え
前記第1のボディ接続手段は、更に、前記第1のスイッチング手段がターンオフ電圧信号を受信する際に、第1のスイッチング手段のボディを第1の電圧レベルに接続する第3のスイッチング手段と、前記第1のスイッチング手段がターンオン電圧信号を受信する際に、第1のスイッチング手段のボディを入力ノードに接続する第4のスイッチング手段とを備え、
前記第3のスイッチング手段は、前記第1及び第2のスイッチング手段がターンオン信号を受信した後、ターンオフ電圧信号に応答してターンオフし、
前記第3のスイッチング手段がターンオフ電圧信号に応答してターンオフする際に、前記第4のスイッチング手段は、ターンオンして、前記第1のスイッチング手段のボディを入力ノードに接続することを特徴とするスイッチ回路。
First and second switching means for transmitting an input signal to an output node, wherein the first switching means has a body, the first switching means receives the input signal at the input node, and the first and second switching means The first and second switching means, in which two switching means are connected at the input node and the output node, and the first body effect in the first switching means are eliminated. First switching means for connecting the body of the first switching means to the input node when the switching means receives the turn-on voltage signal ;
The first body connecting means further includes third switching means for connecting the body of the first switching means to the first voltage level when the first switching means receives a turn-off voltage signal; A fourth switching means for connecting the body of the first switching means to the input node when the first switching means receives the turn-on voltage signal;
The third switching means is turned off in response to a turn-off voltage signal after the first and second switching means receive the turn-on signal;
When the third switching means is turned off in response to a turn-off voltage signal, the fourth switching means is turned on to connect the body of the first switching means to an input node. Switch circuit.
前記第2のスイッチング手段は、ボディを有し、前記スイッチ回路は、更に、第2のスイッチング手段のボディに接続された第2のボディ接続手段を備え、前記第2のボディ接続手段は、第2のスイッチング手段における第2のボディ効果が実質的に除去されるように、前記第1及び第2のスイッチング手段がターンオン電圧信号を受信する際に、第2のスイッチング手段のボディを入力ノードに接続することを特徴とする請求項18に記載のスイッチ回路。The second switching means has a body, and the switch circuit further comprises second body connecting means connected to the body of the second switching means, and the second body connecting means The body of the second switching means is used as an input node when the first and second switching means receive the turn-on voltage signal so that the second body effect in the second switching means is substantially eliminated. The switch circuit according to claim 18 , wherein the switch circuit is connected. 前記第2のボディ接続手段は、更に、前記第2のスイッチング手段のボディに接続され、第2のスイッチング手段がターンオフ電圧信号を受信する際に、第2のスイッチング手段のボディを第2の電圧レベルに接続するように配置された第5のスイッチング手段と、第2のスイッチング手段のボディと入力ノードの間に接続された第6のスイッチング手段とを備え、前記第6のスイッチング手段は、第2のスイッチング手段がターンオン電圧信号を受信する際に、第2のスイッチング手段のボディを入力ノードに接続するように配置されていることを特徴とする請求項19に記載のスイッチ回路。The second body connecting means is further connected to the body of the second switching means, and when the second switching means receives the turn-off voltage signal, the body of the second switching means is connected to the second voltage. Fifth switching means arranged to be connected to the level, and sixth switching means connected between the body of the second switching means and the input node, the sixth switching means comprising: 20. The switch circuit according to claim 19 , wherein the second switching means is arranged to connect the body of the second switching means to the input node when receiving the turn-on voltage signal. 前記スイッチ回路は、CMOSスイッチ回路であることを特徴とする請求項18に記載のスイッチ回路。The switch circuit according to claim 18 , wherein the switch circuit is a CMOS switch circuit. 前記第1及び第2のスイッチング手段は、MOSトランジスタであることを特徴とする請求項18に記載のスイッチ回路。19. The switch circuit according to claim 18 , wherein the first and second switching means are MOS transistors. 前記第1のスイッチング手段は、nチャンネルMOSトランジスタであり、前記第2のスイッチング手段は、pチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項18に記載のスイッチ回路。19. The switch circuit according to claim 18 , wherein the first switching means is an n-channel MOS transistor, and the second switching means is a p-channel MOS transistor. 前記第1のスイッチング手段は、pチャンネルMOSトランジスタであり、 前記第2のスイッチング手段は、nチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項18に記載のスイッチ回路。19. The switch circuit according to claim 18 , wherein the first switching unit is a p-channel MOS transistor, and the second switching unit is an n-channel MOS transistor. 前記第3及び第4のスイッチング手段は、pチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項18に記載のスイッチ回路。19. The switch circuit according to claim 18 , wherein the third and fourth switching means are p-channel MOS transistors. 前記第1のスイッチング手段は、pチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項25に記載のスイッチ回路。26. The switch circuit according to claim 25 , wherein the first switching means is a p-channel MOS transistor. 前記第3及び第4のスイッチング手段は、nチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項18に記載のスイッチ回路。19. The switch circuit according to claim 18 , wherein the third and fourth switching means are n-channel MOS transistors. 前記第1のスイッチング手段は、nチャンネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項18に記載のスイッチ回路。19. The switch circuit according to claim 18 , wherein the first switching means is an n-channel MOS transistor. 前記ターンオン信号は、更に、第1のターンオン信号及び第2のターンオン信号を備え、前記第1のスイッチング手段は、第1のターンオン電圧信号を受信し、前記第2のスイッチング手段は、第2のターンオンを同時に受信することを特徴とする請求項18に記載のスイッチ回路。The turn-on signal further comprises a first turn-on signal and a second turn-on signal, the first switching means receives a first turn-on voltage signal, and the second switching means has a second turn-on signal, 19. The switch circuit according to claim 18 , wherein turn-on is received simultaneously. 前記第4のスイッチング手段は、前記第3のスイッチング手段がターンオンした後にターンオンすることを特徴とする請求項29に記載のスイッチ回路。30. The switch circuit according to claim 29 , wherein the fourth switching means is turned on after the third switching means is turned on. 前記第1、第2、第3及び第4のスイッチング手段は、同時に状態を変化させることを特徴とする請求項30に記載のスイッチ回路。31. The switch circuit according to claim 30 , wherein the first, second, third and fourth switching means change states simultaneously. 前記第3及び第4のスイッチング手段は、同時に状態を変化させることを特徴とする請求項30に記載のスイッチ回路。The switch circuit according to claim 30 , wherein the third and fourth switching means change the state at the same time. 前記スイッチ回路は、スイッチキャパシタ回路で使用されることを特徴とする請求項18に記載のスイッチ回路。The switch circuit according to claim 18 , wherein the switch circuit is used in a switch capacitor circuit. ボディ、ソース、ドレイン及びゲートを有する第1のトランジスタにおけるボディ効果を除去する方法であって、
ソースにおいて入力信号を受信し、
第1のトランジスタに第1の電圧を印加し、
第1のトランジスタがターンオフ電圧信号を受信するとき、第1のトランジスタのボディを第1の電圧レベルに接続するために配置した第2のトランジスタを用いて、第1のトランジスタのボディを第1の電圧レベルに接続し、
第1のトランジスタがターンオン電圧信号を受信した後、第2のトランジスタが、ターンオフ電圧信号に応答してターンオフするとき、第1のトランジスタのボディにおける電圧が、第1のトランジスタのソースと同じ電圧となるように、第1のトランジスタのボディとソースとの間に接続される第3のトランジスタを用いて、第1のトランジスタのボディをソースに接続し、
第1のトランジスタのドレインにおける出力電圧を取得することを特徴とする方法。
A method for removing a body effect in a first transistor having a body, a source, a drain, and a gate, comprising:
Receive the input signal at the source,
Applying a first voltage to the first transistor;
When the first transistor receives the turn-off voltage signal, the first transistor body is connected to the first transistor using a second transistor arranged to connect the body of the first transistor to the first voltage level. Connect to the voltage level,
When the second transistor turns off in response to the turn-off voltage signal after the first transistor receives the turn-on voltage signal, the voltage at the body of the first transistor is the same voltage as the source of the first transistor. Using the third transistor connected between the body and the source of the first transistor, the body of the first transistor is connected to the source ,
A method comprising obtaining an output voltage at a drain of a first transistor.
前記第1のトランジスタは、CMOSスイッチ回路で使用されることを特徴とする請求項34に記載の方法。35. The method of claim 34 , wherein the first transistor is used in a CMOS switch circuit. 前記第1のトランジスタは、CMOSトランジスタであることを特徴とする請求項34に記載の方法。35. The method of claim 34 , wherein the first transistor is a CMOS transistor. 前記CMOSスイッチ回路は、コモンソースノード及びコモンドレインノードを形成するべく、第1のトランジスタと並列に接続された第のトランジスタを備え、前記コモンソースノードは、入力ノードを定め、前記コモンドレインノードは、出力ノードを定めることを特徴とする請求項34に記載の方法。The CMOS switch circuit includes a fourth transistor connected in parallel with the first transistor to form a common source node and a common drain node, the common source node defining an input node, and the common drain node The method of claim 34 , wherein defining an output node.
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