JP5454582B2 - ラッチ回路およびラッチ回路における電位補正方法 - Google Patents

ラッチ回路およびラッチ回路における電位補正方法 Download PDF

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Description

(関連出願についての記載)
本発明は、日本国特許出願:特願2009−208202号(2009年9月9日出願)の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、ラッチ回路およびラッチ回路における電位補正方法に関し、特に、高速な通信回路に好適なラッチ回路およびラッチ回路における電位補正方法に関する。
高速なシリアル通信回路では、伝送波形の0/1を判別するために、サンプリング型のラッチ回路(以下、サンプリングラッチという)を使用する。サンプリングラッチ101は、一般に図2の回路構成とされる。図2において、サンプリングラッチ101は、NMOSトランジスタMN11〜MN15、PMOSトランジスタMP11〜MP17を備える。
PMOSトランジスタMP11は、ソースを電源VDDに接続し、ドレインをNMOSトランジスタMN11のドレインに接続し、ゲートにクロック信号CKが供給される。PMOSトランジスタMP12は、ソースを電源VDDに接続し、ドレインをNMOSトランジスタMN12のドレインに接続し、ゲートにクロック信号CKが供給される。PMOSトランジスタMP13は、ソースを電源VDDに接続し、ドレインをNMOSトランジスタMN12のドレインに接続し、ゲートをPMOSトランジスタMP14のドレインに接続する。NMOSトランジスタMN11は、ソースをNMOSトランジスタMN15のドレインに接続し、ゲートにデータ入力信号Din1が供給される。NMOSトランジスタMN12は、ソースをNMOSトランジスタMN11のドレインに接続し、ゲートをPMOSトランジスタMP14のドレインに接続する。NMOSトランジスタMN15は、ソースを接地し、ゲートにクロック信号CKが供給される。
PMOSトランジスタMP17は、ソースを電源VDDに接続し、ドレインをNMOSトランジスタMN13のドレインに接続し、ゲートにクロック信号CKが供給される。PMOSトランジスタMP16は、ソースを電源VDDに接続し、ドレインをNMOSトランジスタMN14のドレインに接続し、ゲートにクロック信号CKが供給される。PMOSトランジスタMP15は、ソースを電源VDDに接続し、ドレインをNMOSトランジスタMN14のドレインに接続し、ゲートをPMOSトランジスタMP14のソースに接続する。NMOSトランジスタMN13は、ソースをNMOSトランジスタMN15のドレインに接続し、ゲートにデータ入力信号Din2が供給される。NMOSトランジスタMN14は、ソースをNMOSトランジスタMN13のドレインに接続し、ゲートをPMOSトランジスタMP14のソースに接続する。
NMOSトランジスタMN12のドレインおよびPMOSトランジスタMP13のドレインは、PMOSトランジスタMP14のソースに接続されると共に、データ出力信号Dout1を出力する。NMOSトランジスタMN14のドレインおよびPMOSトランジスタMP15のドレインは、PMOSトランジスタMP14のドレインに接続されると共に、データ出力信号Dout2を出力する。
以上のような構成のサンプリングラッチ101において、クロック信号CKがロー(L)レベルの場合、データ出力信号Dout1/Dout2は、プリチャージされ、共にハイ(H)レベルになる。クロック信号CKがHレベルになった瞬間、データ入力信号Din1/Din2の電圧を元にデータ出力信号Dout1/Dout2として、Lレベル/HレベルまたはHレベル/Lレベルの差動信号が出力される。
このようなサンプリングラッチ101を用いる場合、プリチャージ時の出力電位のHレベル/Hレベルが後段の回路に伝わることを防ぐために、セットリセットタイプのラッチ回路(以下、SRラッチという)を使用する。SRラッチは、Lレベル/HレベルまたはHレベル/Lレベルが入力された場合にはそれらを出力し(スルーモード)、Hレベル/Hレベルが入力された場合には、それまでに入力されていた値を保持する(ラッチモード)ように動作する。SRラッチを実現する従来技術にとして、図3に示すような2個のNOR回路NOR1、NOR2の入出力を互いに接続する回路が良く知られている。また、非特許文献1には、出力にノードの容量にダイナミックに電圧を保持する示す技術が開示されている。
"A 27−mW 3.6−Gb/s I/O Transceiver,"IEEE Journal of Solid−State Circuits,vol.39,2004,pp.602−612.
なお、上記非特許文献の全開示内容はその引用をもって本書に繰込み記載する。以下の分析は、本発明の観点から与えられる。
ところで、高速なシリアル通信回路の内部では、出力段に高速に動作するCML(Current−mode Logic)型の回路(以下、CMLバッファという)がしばしば用いられる。この場合、従来のNOR回路を用いたSRラッチやダイナミック型SRラッチを用いて、SRラッチの出力をCMLバッファに入力すると、遅延時間の増加や回路の動作速度の低下が生じてしまう。この原因は、一般に電流源によって差動に動作するCMLバッファの入力信号レベルが、電源電圧VDDから電源電圧とGND(0V)との間の電位VLOWまでの電位であるのに対し、従来のSRラッチの出力信号レベルが電源電圧VDDからGNDまでの間の電位であることに起因している。つまり、SRラッチの出力がLレベルからHレベルに変化する場合、SRラッチのLレベルであるGNDからCMLバッファのLレベルであるVLOWに達するまでに一定の時間が必要とされる。この余分な時間が原因となってCMLバッファへの信号入力が遅れるため、CMLバッファの出力も信号変化に遅れが生じる。その結果、サンプリングラッチ及びSRラッチと後段のCMLバッファでタイミングがずれ、高速動作が妨げられる。
したがって、本発明の目的は、後段のCMLバッファと接続しても高速に動作可能なラッチ回路を提供することにある。
本発明の1つのアスペクト(側面)に係るラッチ回路は、第1および第2の入力端子と、出力端子と、第1および第2の入力端子の信号レベルがそれぞれ第1および第2のレベルである場合に出力端子を第1のレベルに駆動し、第1および第2の入力端子の信号レベルがそれぞれ第2および第1のレベルである場合に出力端子を第2のレベルに向けて駆動し、第1および第2の入力端子の信号レベルがそれぞれ第1のレベルである場合に出力端子をフローティング状態に制御する駆動回路と、出力端子が第2のレベルに向けて駆動される場合に出力端子の信号レベルを第1および第2のレベルの間の第3のレベルに制限する振幅制限回路と、を備え、第1および第2のレベルはハイレベル又はロウレベルのいずれかであり、且つ、互いに異なるレベルである。
本発明によれば、後段のCMLバッファと接続しても信号遅延の影響をほぼ受けることなく、高速に動作可能である。
本発明の第1の実施例に係るシリアル信号受信回路の回路図である。 従来のサンプリングラッチの一例を示す回路図である。 従来のSRラッチの一例であるNOR型SRラッチの回路図である。
本発明の実施形態に係るラッチ回路は、第1および第2の入力端子と、出力端子と、第1および第2の入力端子の信号レベルがそれぞれ第1および第2のレベルである場合に出力端子を第1のレベルに駆動し、第1および第2の入力端子の信号レベルがそれぞれ第2および第1のレベルである場合に出力端子を第2のレベルに向けて駆動し、第1および第2の入力端子の信号レベルがそれぞれ第1のレベルである場合に出力端子をフローティング状態に制御する駆動回路と、出力端子が第2のレベルに向けて駆動される場合に出力端子の信号レベルを第1および第2のレベルの間の第3のレベルに制限する振幅制限回路と、を備える。
ラッチ回路において、駆動回路は、第2の入力端子の信号レベルが第2のレベルである場合にオンとなって出力端子を第1のレベルに駆動し、第2の入力端子の信号レベルが第1のレベルである場合にオフとされる第1の第1導電型トランジスタと、第1の入力端子の信号レベルが第2のレベルである場合にオンとなって出力端子を第2のレベルに駆動し、第1の入力端子の信号レベルが第1のレベルである場合にオフとされる第1の第2導電型トランジスタと、を備え、振幅制限回路は、第1のレベルと出力端子との間に接続され、ダイオード接続される第2の第1導電型トランジスタで構成されるようにしてもよい。
ラッチ回路において、駆動回路は、第1の第2導電型トランジスタとカレントミラーを構成する第2の第2導電型トランジスタと、第1の入力端子の信号レベルが第2のレベルである場合にオンとなって第2の第2導電型トランジスタをオン状態に駆動し、第1の入力端子の信号レベルが第1のレベルである場合にオフとされる第3の第1導電型トランジスタと、をさらに備えるようにしてもよい。
ラッチ回路において、第1および第2の入力端子と、出力端子と、駆動回路と、振幅制限回路とをそれぞれ2組備え、一の組の第1および第2の入力端子は、他の組の第2および第1の入力端子とそれぞれ共通とされ、一および他の組のそれぞれの出力端子は、差動信号を後段の回路に対して出力するようにしてもよい。
ラッチ回路において、出力端子における信号レンジは、後段の回路における入力信号レンジと略同一であることが好ましい。
シリアル信号受信回路において、差動的に動作するサンプリングラッチ回路と、サンプリングラッチ回路から出力される第1および第2の出力信号をそれぞれ第1および第2の入力端子に受ける上記に記載のラッチ回路と、CML回路である後段の回路と、を備えるようにしてもよい。
本発明の実施形態に係るラッチ回路における電位補正方法は、セット・リセット動作するラッチ回路が後段の回路に出力する出力信号における電位を補正する方法であって、後段の回路の入力信号レンジの一方の電位とラッチモードで保持される信号電位とが異なる場合に、入力信号レンジの一方の電位に略一致するように保持される信号電位を補正する。
ラッチ回路における電位補正方法において、ラッチモードでの信号が容量に充電された電荷によりダイナミックに保持され、保持された電荷を充電/放電することで、信号電位の補正を行うようにしてもよい。
ラッチ回路における電位補正方法において、保持された信号電位のローレベルが後段の回路のロー入力レベルよりも低い場合、または保持された信号のハイレベルが後段の回路のハイ入力レベルよりも高い場合に、ゲートとドレインを接続したダイオード接続のMOSトランジスタを用いて電荷を充電/放電することで保持された信号電位を補正するようにしてもよい。
以下、実施例に即し、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施例に係るシリアル信号受信回路の回路図である。図1において、シリアル信号受信回路は、サンプリングラッチ11、SRラッチ12及びCMLバッファ13から構成される。
サンプリングラッチ11は、図2において説明したサンプリングラッチ101と同一である。ただし、データ出力信号Dout1/Dout2は、それぞれノードN2、N1に出力される。
SRラッチ12は、NMOSトランジスタMN21、MN22、MN31、MN32、PMOSトランジスタMP21、MP22、MP23、MP31、MP32、MP33を備える。PMOSトランジスタMP21は、ソースを電源VDDに接続し、ドレインをノードN3に接続し、ゲートをノードN1に接続する。PMOSトランジスタMP23は、ソースを電源VDDに接続し、ドレインをNMOSトランジスタMN22のドレインおよびゲートに接続し、ゲートをノードN2に接続する。NMOSトランジスタMN22のソースは接地される。NMOSトランジスタMN21は、ソースを接地し、ドレインをノードN3に接続し、ゲートをNMOSトランジスタMN22のドレインおよびゲートに接続する。NMOSトランジスタMN21、MN22は、カレントミラーを構成する。PMOSトランジスタMP22は、ソースを電源VDDに接続し、ドレインおよびゲートをノードN3に接続し、ダイオード接続を構成する。
NMOSトランジスタMN31、MN32、PMOSトランジスタMP31、MP32、MP33は、それぞれ上記のNMOSトランジスタMN21、MN22、PMOSトランジスタMP21、MP22、MP23と同様に接続される。ただし、PMOSトランジスタMP31のゲートは、ノードN2に接続され、PMOSトランジスタMP33のゲートは、ノードN1に接続される。また、NMOSトランジスタMN31、PMOSトランジスタMP31、MP32は、ノードN3の替わりにノードN4に接続される。
次に、SRラッチ12の動作について説明する。クロック信号CKがLレベルからHレベルに変化した際、SRラッチ12はスルーモードになる。データ入力信号IN1/IN2がLレベル/Hレベルの場合には、ノードN1/N2がLレベル/Hレベルとなる。したがって、ノードN3に対するチャージ用のPMOSトランジスタMP21がオン状態に、ノードN3に対するディスチャージ用のNMOSトランジスタMN21がオフ状態になり、ノードN3がチャージされて電圧レベルはVDDになる。
また、ノードN1/N2がLレベル/Hレベルとなるので、PMOSトランジスタMP31がオフ状態に、NMOSトランジスタMN31がオン状態になり、ノードN4がディスチャージされて、電圧レベルはGNDに向かって下がり始める。この場合、ノードN4の電位とVDDの差分が電位補正用のPMOSトランジスタMP32の閾値電圧よりも大きくなると、PMOSトランジスタMP32がオンし、ノードN4をチャージし始める。従って、ノードN4の電圧は、NMOSトランジスタMN31とPMOSトランジスタMP32のバランスで決定される電位VLOWになる。
一方、データ入力信号IN1/IN2がHレベル/Lレベルの場合には、ノードN1/N2がHレベル/Lレベルとなる。したがって、PMOSトランジスタMP21がオフ状態に、NMOSトランジスタMN21がオン状態になり、ノードN3がディスチャージされて、電圧レベルはGNDに向かって下がり始める。この場合、ノードN3の電位とVDDの差分が電位補正用のPMOSトランジスタMP22の閾値電圧よりも大きくなると、PMOSトランジスタMP22がオンし、ノードN3をチャージし始める。従って、ノードN3の電圧は、NMOSトランジスタMN21とPMOSトランジスタMP22のバランスで決定される電位VLOWになる。
さらに、ノードN1/N2がHレベル/Lレベルとなるので、ノードN4に対するチャージ用のPMOSトランジスタMP31がオン状態に、ノードN4に対するディスチャージ用のNMOSトランジスタMN31がオフ状態になり、ノードN4がチャージされて電圧レベルはVDDになる。
次に、クロック信号CKがHレベルからLレベルに変化すると、サンプリングラッチ出力であるノードN1/N2がプリチャージされてHレベル/Hレベルとなり、SRラッチ12はラッチモードになる。ラッチモードでは、PMOSトランジスタMP21、MP31、NMOSトランジスタMN21、MN31が全てオフ状態になることでノードN3、N4の電圧が保持される。ノードN3あるいはノードN4の電位がVDDの場合には、そのままVDDが保持される。一方、ノードN3あるいはノードN4の電位がVLOWの場合には、NMOSトランジスタMN21あるいはNMOSトランジスタMN31がオフ状態であるので、ノードN3あるいはノードN4の電位が上昇する。ここでPMOSトランジスタMP22、MP32の閾値電圧をVTHとすると、ノードN3あるいはノードN4の電圧が、VDD−VTH以上の電圧になるとPMOSトランジスタMP22あるいはPMOSトランジスタMP32がオフ状態になる。したがって、最終的なノードN3あるいはノードN4の電位は、VLOW’=VDD−VTH付近の電位になる。
さらに、再びクロック信号CKがLレベルからHレベルに変化して、SRラッチ12がスルーモードになると、ノードN3、N4の電圧は、データ入力信号IN1、IN2の電圧に応じて変化する。データ入力信号IN1/IN2がLレベル/HレベルからHレベル/Lレベルに変化した場合には、例えばノードN3の電圧は、VDDからVLOWに変化する。一方、データ入力信号IN1/IN2がHレベル/LレベルからLレベル/Hレベルに変化した場合には、ノードN3の電圧は、VLOW’からVDDに変化する。このようにノードN3、N4の電圧はダイナミックに変化する。
以上のように、SRラッチ12において、NMOSトランジスタMN21、MN22、PMOSトランジスタMP21、MP23は、ノードN3に対する駆動回路として機能する。同様に、NMOSトランジスタMN31、MN32、PMOSトランジスタMP31、MP33は、ノードN4に対する駆動回路として機能する。また、それぞれダイオード接続されたPMOSトランジスタMP22、MP32は、それぞれノードN3、N4における電位を制御する振幅制限回路あるいは電位補正回路として機能する。
次に、CMLバッファ13について説明する。CMLバッファ13は、NMOSトランジスタMN41、42、43、抵抗素子R1、R2を備える。NMOSトランジスタMN41は、ドレインを抵抗素子R1を介して電源VDDに接続し、ソースをNMOSトランジスタMN43のドレインに接続し、ゲートをノードN3に接続する。NMOSトランジスタMN42は、ドレインを抵抗素子R2を介して電源VDDに接続し、ソースをNMOSトランジスタMN43のドレインに接続し、ゲートをノードN4に接続する。NMOSトランジスタMN43は、ソースを接地し、ゲートにバイアス電圧Vbを与え、電流源として機能する。NMOSトランジスタMN41、MN42のそれぞれドレインは、逆相となるデータ出力信号OUT1、OUT2を出力し、CML回路として機能する。
ここでCMLバッファ13の入力電圧レンジ、すなわち、NMOSトランジスタMN41、42のゲートの電圧変化範囲をVDDからVLOW’までに設定する。このように設定すれば、ノードN3、N4の電圧変化範囲とCMLバッファ13の入力電圧レンジとが一致し、データ出力信号OUT1/OUT2をノードN3/N4の電圧変化に対してほぼ遅れなく追従させることができる。したがって、CMLバッファ13は、高速に動作可能となる。
なお、前述の非特許文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
11 サンプリングラッチ
12 SRラッチ
13 CMLバッファ
MN11〜MN15、MN21、MN22、MN31、MN32、MN41〜MN43 NMOSトランジスタ
MP11〜MN17、MP21〜MP23、MP31〜MP33 PMOSトランジスタ
R1、R2 抵抗素子

Claims (6)

  1. 第1および第2の入力端子と、
    出力端子と、
    前記第1および第2の入力端子の信号レベルがそれぞれ第1および第2のレベルである場合に前記出力端子を前記第1のレベルに駆動し、前記第1および第2の入力端子の信号レベルがそれぞれ前記第2および第1のレベルである場合に前記出力端子を前記第2のレベルに向けて駆動し、前記第1および第2の入力端子の信号レベルがそれぞれ前記第1のレベルである場合に前記出力端子をフローティング状態に制御する駆動回路と、
    前記出力端子が前記第2のレベルに向けて駆動される場合に前記出力端子の信号レベルを前記第1および第2のレベルの間の第3のレベルに制限する振幅制限回路と、
    を備え
    前記第1および第2のレベルはハイレベル又はロウレベルのいずれかであり、且つ、互いに異なるレベルであることを特徴とするラッチ回路。
  2. 前記駆動回路は、
    前記第2の入力端子の信号レベルが前記第2のレベルである場合にオンとなって前記出力端子を前記第1のレベルに駆動し、前記第2の入力端子の信号レベルが前記第1のレベルである場合にオフとされる第1の第1導電型トランジスタと、
    前記第1の入力端子の信号レベルが前記第2のレベルである場合にオンとなって前記出力端子を前記第2のレベルに駆動し、前記第1の入力端子の信号レベルが前記第1のレベルである場合にオフとされる第1の第2導電型トランジスタと、
    を備え、
    前記振幅制限回路は、前記第1のレベルを供給する電源と前記出力端子との間に接続され、ダイオード接続される第2の第1導電型トランジスタで構成されることを特徴とする請求項1記載のラッチ回路。
  3. 前記駆動回路は、
    前記第1の第2導電型トランジスタとカレントミラーを構成する第2の第2導電型トランジスタと、
    前記第1の入力端子の信号レベルが前記第2のレベルである場合にオンとなって前記第2の第2導電型トランジスタをオン状態に駆動し、前記第1の入力端子の信号レベルが前記第1のレベルである場合にオフとされる第3の第1導電型トランジスタと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項2記載のラッチ回路。
  4. 前記第1および第2の入力端子と、前記出力端子と、前記駆動回路と、前記振幅制限回路とをそれぞれ2組備え、
    一の組の前記第1および第2の入力端子は、他の組の前記第2および第1の入力端子とそれぞれ共通とされ、一および他の組のそれぞれの前記出力端子は、差動信号を後段の回路に対して出力することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一に記載のラッチ回路。
  5. 前記出力端子における信号レンジは、前記後段の回路における入力信号レンジと略同一であることを特徴とする請求項4記載のラッチ回路。
  6. 差動的に動作するサンプリングラッチ回路と、
    前記サンプリングラッチ回路から出力される第1および第2の出力信号をそれぞれ前記第1および第2の入力端子に受ける請求項4または5に記載のラッチ回路と、
    CML回路である前記後段の回路と、
    を備えるシリアル信号受信回路。
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