JPH01212117A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPH01212117A
JPH01212117A JP63035268A JP3526888A JPH01212117A JP H01212117 A JPH01212117 A JP H01212117A JP 63035268 A JP63035268 A JP 63035268A JP 3526888 A JP3526888 A JP 3526888A JP H01212117 A JPH01212117 A JP H01212117A
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Fumio Murabayashi
文夫 村林
Yoji Nishio
洋二 西尾
Shoichi Furutoku
古徳 正一
Shinji Katono
上遠野 臣司
Noriaki Oka
岡 則昭
Shigeru Takahashi
高橋 卯
Takashi Kuraishi
倉石 孝
Toshio Imai
俊夫 今井
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    • H03K19/08Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices
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    • H03K19/09448Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors using MOSFET or insulated gate field-effect transistors, i.e. IGFET in combination with bipolar transistors [BIMOS]

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体集積回路装置の出力回路に係り、特に、
信号のレベル変換を行う出力回路において、高耐圧性、
高速性、高集性に優れた特性を有する出力回路に関する
〔従来の技術〕
バイポーラトランジスタと0MO8を基本回路内で複合
し、CMO3の低消費電力性・高集積性とバイポーラト
ランジスタの高速性を兼め備えたLSIを実現しようと
いう狙いで、バイポーラ・CMO8複合技術が開発され
ている。このバイポーラ・CMO8複合技術はメモリ、
ゲートアレイなどに応用されており、既に製品が各社よ
り発表されている。このバイポーラ・CMO8複合技術
によるゲートアレイに用いられる出力回路は、例えば日
経エレクトロニクス(85,8,12,p196)に開
示されている。この回路図を第2図に示す。
基本的な動作は以下の通りである。内部回路の出力信号
を201のCMOSインバータに入力する。
このインバータは内部回路の信号を電源電圧までフル振
巾させる為の増幅回路である。インバータ201の出力
は202のPMOSトランジスタと203.204(7
)NMOSトランジスタに送られ、それぞれのMOSト
ランジスタは205,206のバイポーラトランジスタ
を駆動する。例えば入力端子207に“H”が入力され
るとインバータ201によって入力は反転し“L”とな
る。したがって202のPMOSはオン、203,20
4のNMO8はオフとなり、205のNPNトランジス
タはオン、206のNPNトランジスタはオフとなり、
結局208の出力はIIH”となる。逆に、入力207
に“L”が入力するとインバータ201によって入力が
反転し“HI+となる。したがって、202のPMOS
はオフ、203゜204のNMO8はオントなり、20
5(7)NPNトランジスタはオフ、206のNPNト
ランジスタはオンとなり、結局208の出力はtj L
 j+となる。この様に、従来の出力回路は、内部信号
をCMO3で受け、0MO8によってバイポーラを駆動
する事によって相補動作を行い低消費電力化を達成して
いた。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術は、5v電源系に使用されるものであり、
電源の電位差が大きくなった場合のデバイスの耐圧の点
についての配慮がなされておらず、例えば、10v以上
の電位差を有する電源系において使用した場合には、デ
バイスの耐圧上の問題から、回路の信頼性が落ちる。あ
るいは最悪の場合には回路の誤動作に至るといった問題
があった。
本発明の目的は、IOV以上の電位差を有する電源系に
おいても使用可能な高耐圧型出力回路を提供することに
ある。
以下、従来技術の問題点を詳しく述べる。第2図に示す
従来回路は5v単一電源で使用するLSIに用い開発さ
れており、5■単一電源で使用する限りでは、マージン
を含めても耐圧上の問題は全くない。しかし、IOV以
上の電位差を有する電源系で使用すると、以下で説明す
る様に、耐圧上の問題が生じる。第3図(a)は1チツ
プ内に、+5Vと−5,2vの2電源を有するLSIの
電源構成を示している。1は第1の電源線であり、+5
Vの電位を有する。2はGND線であり、3は第2の電
源線で−5,2vの電位を有する。この様に電源構成は
、例えば1チツプ内にECLの信号レベルをTTLある
いはCMOSの信号レベルが混在する場合に必要となる
301は内部回路であり、バイポーラトランジスタとP
MOS、NMO8が混在して2回路を構成している。3
04,305はそれぞれECLの入力回路、出力回路で
ある。チップ外からのECL信号を304で入力し、3
06のレベル変換回路によって内部信号に変換する。ま
た、内部信号は307のレベル変換回路でレベル変換し
、305でECL信号をチップ外に出力する。302゜
303はそれぞれTTLあるいは0MO8の入力回路、
出力回路である。TTLレベルの外部信号は302の入
力回路からチップ内に入り303の出力回路からチップ
外に出力される。この様な電源構成をとる事によって、
ECL/TTL入出力回路が1チツプ内に混在するLS
Iが実現する。
しかしながら、かかる電源構成においては、以下の問題
が生じる。第3図(b)はLSIの縦構造を示している
。404はP型基板、401はバイポーラトランジスタ
、402はPMOS、403はNMO8,405はコレ
クタ、406はPMO3のNウェル、407はPMO3
(7)’/−ス、408はNMO5のドレインである。
同図(、)に示した電源構成をとった場合、P型基板4
04はPN接合アイソレーションをとる為に、最も低い
電位レベルである第2の電源(−5,2V)線3に接続
される。一方、同図(、)の内部回路301あるいは入
出力回路302,303で用いられるバイポーラトラン
ジスタ401とPMO8402゜NMO5403には以
下の電圧が印加される。すなわち、バイポーラトランジ
スタ401のコレクタ405には+5V、PMO340
2(7)’/−X407には+5v、同じ<PMO8(
7)Nウェル406には+5V、NMO3403(7)
ドレイン408には+5vが印加される。この時、40
5と404,406と404,408と403の間には
10.2V、電源電位の変動による最悪の場合には10
.2V以上の電圧がかかる。この中でバイポーラのコレ
クタ405と基板404との間の耐圧、およびPMO8
のNウェル406と基板404との間の耐圧は十分高く
、問題は生じない。
しかし、NMO8403のドレイン408と基板404
との間の耐圧は十分高いとは言えず、安定なデバイス特
性が期待できない。このNMO8の耐圧が問題となるの
は第3図(a)のTTL入力回路302、レベル変換回
路306,307、内部回路301、TTL出力回路3
03である。その他の回路304,305のNMO8の
ドレインはOv以下の電圧しかかからないので、耐圧の
問題は生じない。この様に、第3図の様な電源構成とし
た場合には、NMO5の耐圧が問題となる。
また、電源構成を第4図(a)の様にする事が考えられ
る。内部回路301は第2の電源線3とGND線2に接
続する。チップ外部のECL信号は入力回路304で内
部信号に変換し、内部信号は出力回路305でチップ外
部に出力する。
TTL信号は入力回路302に入力し、レベル変換回路
306にて内部信号に変換する。内部信号はレベル変換
回路307にてレベル変換し、出力回路303にてチッ
プ外部に出力する。かかる電源構成においては、ECL
入力回路304、内部回路301、ECL出力回路30
5は第2の電源線3とGND線2に接続されており、こ
れらの回路にかかる最大の電圧は5.2vであるので、
電源バラツキを考慮しても耐圧上の問題は生じない。
しかしながら、TTL入力回路302およびレベル変換
回路306、TTL出力回路303およびレベル変換回
路307においては、同図(b)のNMO8403(F
)ドL/イ:/40Bに+5V(7)電圧がかかるので
、基板404 (−5,2V)との間に10.2Vの電
位差を生じ、NMO8のドレイン−基板間耐圧が問題と
なる。したがって、第4図(a)の電源構成の場合には
、302の入力回路、306,307のレベル変換回路
、303の出力回路は耐圧上の問題からNMO8を使用
した回路構成にする事はできない。よって、出力回路3
03に第2図に示すNMO8を用いた従来回路を使用す
る事はできない。
本発明は、かかる問題点を鑑み、高耐圧でかつ低消費電
力性・高速性を有する出力回路を提供することを目的と
している。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、出力回路をNPNトランジスタおよびPM
O8で構成し、高耐圧型回路とすると共に、単一チャネ
ルMO3を相補信号によって相補動作させる事によって
達成される。以下、第1図によって本発明の詳細な説明
する。第1図(a)において、105,106はPMO
8,103゜104はNPNトランジスタである。PM
O3105はNPNトランジスタ103のベース電流を
供給し、103を駆動する。PMO8106はNPNト
ランジスタ104のベース電流を供給し、104を駆動
する。入力段はMOSで構成しているので入力インピー
ダンスが高く、出力段はバイポーラトランジスタで構成
しているので出力インピーダンスが小さく駆動力が高い
。この回路はPMO8およびNPNトランジスタによっ
て構成されているので、第4図に示す電源構成にし基板
電位を−5,2vにしても、耐圧上の問題は生じない。
従って、第1図(a)に示す回路構成とすれば、高耐圧
化という第1の目的は達成される。
次に、低消費電力性を得る為に、NPNトランジスタ1
03とNPNトランジスタ104が相補動作する必要が
ある。103と104が相補動作する為には、PMO8
101(7)ゲート端子105とPMOS102のゲー
ト端子IQ6に相補信号を入力すればよい。そこで、端
子105,106に差動回路の出力端子を接続する。第
1図(b)にかかる回路を示す。108は差動回路、1
09は入力端子、110,111はNPNトランジスタ
である。回路動作は以下の如くである。入力端子109
に“H”が入力すると、NPNトランジスタ110はオ
ン、NPNトランジスタ111はオフとなる。すると1
10のコレクタ106は“L It、111のコレクタ
105は11H”となる。
105.106はそれぞれPMOS101と102のゲ
ートに接続されるので、PMO8101はオフ、102
はオンとなる。したがって、NPNトランジスタ103
はオフ、104はオンとなり、出力107は“L”とな
る。一方、入力109に“L”が入力すると、110は
オフ、111はオンとなり、106は“H”、105は
“L”となる。したがって、101と103はオン、1
02と104はオフとなり、出力107は14 Hjl
となる。この様に入力段に差動回路を接続する事によっ
て、相補動作が可能となり、出力段には直流電流がない
ので低消費電力化が達成される。また、第1図(b)か
ら明らかな様に、差動回路108は、NPNトランジス
タによって構成されているので、差動回路部にも耐圧上
の問題は生じない。以上の説明で明らかになった様に、
第1図(b)の回路によって、高耐圧化、高速・低消費
電力化が構成される。
〔作用〕
第1図(b)に示す回路によって、以下説明を行う。ま
ず、本発明回路はNPNトランジスタおよびPMOSト
ランジスタによって構成されており、NMOSは使用し
ていない。したがって、第4図(a)に示した電源構成
に本発明回路を使用しても耐圧上の問題は生じない。な
ぜならば、耐圧上の問題を有するのは、基板とNMOS
のドレイン間のみであり、バイポーラのコレクタと基板
間、あるいはPMO8のNウェルと基板間は十分に高い
耐圧を有しているからである。
次に1本発明回路(b)の動作を説明する。入力109
にuH”が入った場合、110はオン、111はオフ、
よって106は“L H1105は“H”となる。した
がって、101,103はオフ、102,104はオン
となり、出力107は“L”となる。逆に、入力109
に“L”が入った場合、110はオフ、111はオン、
よって106は“H”、105はtl L 1+ トナ
ル。1.、1=がって、101,103はオン、102
,104はオフとなり、出力107は“H”となる。か
かる動作より明らかになった様に、本発明回路(b)は
単一チャネルMO3で構成されているが、差動回路を用
いる事により、相補動作を行う。したがって、差動回路
を流れる小さな定電流以外には、直流電流がほとんど流
れないので、低消費電力化が達成される。また、出力段
にはトーテムポール構成のバイポーラトランジスタを使
用しているので、出力インピーダンスが小さく負荷駆動
力が高いので高定である6また、トーテムバイポーラは
PMO8で駆動するので、回路は非常に小型となる。
以上の説明で明らかな様に、本発明回路は、PMO8と
NPNバイポーラ構成により高耐圧化を達成し、かつ入
力段に差動回路を用いる事により、相補動作を行い低消
費電力化を達成している。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第5図により説明する。なお
、本実施例は第4図(、)に示した電源構成におけるレ
ベル変換回路307および出力回路303を実現したも
のである。したがって、本実施例による出力回路は、第
2の電源−5,2vとGNDの間で動作する内部回路の
信号を第1の電源+5vとGNDの間にあるTTLレベ
ルの信号として出力するものである。以上の事を前提と
して、以下回路構成および回路動作を説明する。
回路は大きく分けて入力部507.レベルシフト部50
8、出力部509より構成される。入力部の電源端子5
05はGNDに接続され、電源端子506は第2の電源
(−5,2V)に接続される。
入力端子501には内部回路からの信号が入力される。
内部回路信号のロウレベルVILは−5,2V、ハイレ
ベルVIHはovかあるいはこれに近い振巾の信号であ
る。入力部507によって、入力信号は約0.8  V
振巾の信号に変換する。入力部の出力109には変換後
の約0.8 v振巾の信号が現われる。この様に、約5
vの振巾を持つ内部回路信号を入力部の出力109で約
0.8  Vの振巾に変換する理由は、NPNトランジ
スタ110のベース・エミッタ間にかかる逆バイアスを
最小限に抑える為である。次に、レベルシフト部の電源
端子504は第1の電源(+ 5 V)に接続され、電
源端子506は第2の電源(−5,2V)に接続される
。このレベルシフト部508においては、入力部の出力
109の信号をレベルシフトして増巾すると共に、相補
信号を作っている。GNDより低い電位であり、かっ振
巾が約0.8  Vの109の信号が、105,106
では約5■の振巾を持つ正の電位の振巾に変換される。
105と106の信号は互いに反転している。最後に、
出力部509の電源端子504は第1の電源(+5V)
に接続され、電源端子505はGNDに接続される。出
力部509はバッファ回路であり、105.106の相
補信号をシンプルエンド出力する。出力端子107には
TTLレベルの信号が出力される。2MO8503と5
07の働きについては後述する。回路構成は以上の如く
であり、回路動作を以下説明する。なお、以下の説明に
おいて、入力信号のggH”レベルKg L IFレベ
ルと入力部507の出力109(7)”H”L/べ/L
l”L”レベルとレベルシフト部の出力105,106
の“H”レベル“L”レベルと出力信号の11 HI+
レベル゛′L″レベルはそれぞれ値が異なるが、簡単の
為に、それぞれのat Hnはすべてa Hn、それぞ
れの“L”レベルはすべて14 L 19と記す。入力
端子501にH”が入ると、109は11 L ljと
なる。よって、110はオフ、111はオンとなり、1
06は“H”、105は11 L ljとなる。
101がオンとなるので103はオン、507゜102
はオフとなるので104はオフ、したがって出力端子1
07には“H”が出力される。また、入力端子501に
RL ljが入力すると、109は“H”となり、11
0はオン、111はオフする。
よッテ、105は16 Hlj、106はL″となる。
101がオフするので103がオフ、507゜102が
オンするので104はオン、したがって出力端子107
にはu L ttが出力される。かがる動作から、本実
施例はスルー回路を構成している。
本実施例をインバータ回路に変更する事は容易に可能で
ある。すなわち、105を110のコレクタに接続し、
106を111のコレクタに接続する。かかる構成にお
いては、上記回路動作とは反転した信号が出力されるの
で、結局インバータ回路となる。また、多入力論理を構
成したい場合には、入力部507’のCMO5部によっ
て論理を構成する事ができる。更に本実施例回路の特徴
は2MO8503を追加する事によって、トライステー
ト回路を構成している事である。イネーブル端子502
に”H”が入力すると2MO8503はオフし、回路は
通常動作をする。一方、502に“L”が入力すると2
MO8503はオンし、110と111のエミッタがハ
イレベルにクランプされ、110および111の両方が
オフする。
よって、105.106はいずれも“H”となり、10
1.102,507のPMOSはすべてオフする。すな
わち、103,104はいずれもオフとなり、出力はハ
イインピーダンスとなる。最後に、507(7)PMO
Sは1o4のベース供給用MO8である。106がL”
の時、507は104にベース電流を供給し続けるので
、104はオン状態を維持する。したがって、TTL回
路に接続される出力107は、TTLからのシンク電流
IOLを十分吸い込む事ができ、出力の11 L $1
が維持される。なお、本実施例の入ガ部507に用いた
NMOSのドレインには電源構成がら明らかな如く、最
高でも○Vの電圧しか印加されない。
したがって、入力部のNMOSのドレイン・基板間には
5.2 vの電位差しか生じないので、耐圧も問題ない
ことは自明である。
第6図は第5図6実施例を一部変更した回路である。全
体の回路構成や回路動作は第5図の実施例と同じである
。変更した部分は、NPNトランジスタ110のコレク
タとGNDの間にショットキダイオード602を挿入し
、NPNトランジスタ111のコレクタとGNDの間に
ショットキダイオード601を挿入した所である。この
様にダイオードを挿入する事によってNDNトランジス
タ110と111のコレクタの低レベルをGNDレベル
にクランプする事ができる。このクランプによって、N
PNトランジスタの飽和を防ぎ、回路を安定に動作する
事ができる。
また、第5図、第6図の実施例は、スルー回路を構成し
ているが、端子105をトランジスタ110のコレクタ
に接続し、端子106をトランジスタ111のコレクタ
に接続する事によって、インバータ回路を構成する事が
できる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、出力回路の高耐圧化を可能にし、かつ
高速・低消費電力化を実現する事ができる。すなわち、
本発明回路はレベルシフト回路部と出力バッファ回路部
とをPMOSとバイポーラトランジスタで構成している
ので、NMO3のドレイン−基板間の耐圧に制限されず
高耐圧化を達成している。また、PMOSによる単一チ
ャネルMO3を相補動作させる為に、出力バッファ部の
前段のレベルシフト部を差動回路で構成した。このこと
により、出力バッファ部は相補動作をするので、直流電
流がほとんど流れず、低消費電力化が達成される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基本的な特性を有する回路図、第2図
は従来例を示す回路図、第3図(a)および第4図(a
)は本発明が適用される電源構成を示す図、第3図(b
)および第4図(b)は本発明回路を形成するデバイス
の縦構造を示す図、第5図は本発明の一実施例を示す回
路図、第6図は第5図の実施例を一部変更した回路図で
ある。 l・・・第1の電源線、2・・・GND、3・・・第3
の電源線、101,102102−P、103,104
゜110.111−NPNト5ンジスタ、202 ・・
・PMOS、203,204−NMO5,205゜20
6・・・NPNトランジスタ、302,304・・・入
力回路、303,305・・・出力回路、306゜30
7・・・レベル変換回路、401・・・NPNトランジ
スタ、402−P M OS、403・NMO8,40
4・・・P基板、405 ・・・コレクタ、406・・
・Nウェル、501・・・入力端子、504・・・第1
の電源端子、505・・・GND端子、506・・・第
2の電源端子、507・・・入力部、508・・・レベ
ルシフト部、509・・・出力部。 第1図 第2図 第3図 (b) 4θ4 84図 (a) (b) 4θ4 第5図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、PMOSトランジスタ、NMOSトランジスタ、バ
    イポーラトランジスタを含み同一半導体基板上に形成し
    た半導体集積回路装置において、該半導体基板の電位で
    ある第1電位と、該第1電位より高い第2電位、該第2
    電位より高い第3電位とを印加され、前記第2電位の電
    源線と前記第3電位の電源線の間にPMOSトランジス
    タとバイポーラトランジスタにより構成した回路を有す
    ることを特徴とする半導体集積回路装置。 2、前記回路が、前記第1電位と前記第2電位の範囲に
    ある信号レベルの第1信号を入力し、該第1信号を信号
    の高レベルが前記第2電位より高く前記第3電位より低
    い範囲にある第2信号に変換して出力するバッファ回路
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半
    導体集積回路装置。 3、前記出力回路が、前記第2電位の電源線と前記第3
    電位の電源線の間に、直列に配置した第1PMOSトラ
    ンジスタと第2PMOSトランジスタおよび直列に配置
    された第1バイポーラトランジスタと第2バイポーラト
    ランジスタを並列に配置し、前記第1PMOSトランジ
    スタのドレインを前記第1バイポーラトランジスタのベ
    ースに接続し、前記第2PMOSトランジスタのドレイ
    ンを前記第2バイポーラトランジスタのベースに接続し
    、前記第1バイポーラトランジスタと前記第2バイポー
    ラトランジスタの接合部に出力信号取出端部を設けたこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の半導体集積
    回路装置。
JP63035268A 1988-02-19 1988-02-19 半導体集積回路装置 Expired - Lifetime JP2753247B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010119104A (ja) * 2008-11-11 2010-05-27 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd 位相歪みのない電圧レベル変換器

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