JPH02194729A - 論理回路 - Google Patents

論理回路

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JPH02194729A
JPH02194729A JP1012004A JP1200489A JPH02194729A JP H02194729 A JPH02194729 A JP H02194729A JP 1012004 A JP1012004 A JP 1012004A JP 1200489 A JP1200489 A JP 1200489A JP H02194729 A JPH02194729 A JP H02194729A
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JP
Japan
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logic circuit
logic
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JP1012004A
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English (en)
Inventor
Nobuo Tanba
丹場 展雄
Koichi Imato
今任 宏一
Hiroki Nakajima
広樹 中島
Ikuro Aiba
相場 育郎
Masanori Odaka
小高 雅則
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Akita Electronics Systems Co Ltd
Renesas Eastern Japan Semiconductor Inc
Original Assignee
Hitachi Ltd
Hitachi Tohbu Semiconductor Ltd
Akita Electronics Co Ltd
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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] 本発明は論理回路、さらには相補素子を用いて論理回路
の前段に適用して有効な技術に関するもので、例えばC
MO8あるいはバイポーラ・CMo5型の論理回路が形
成される半導体集積回路装置に利用して有効な技術に関
するものである。
[従来の技術] 相補素子を用いた論理回路としては、例えば第8図に示
すようなCMO8論理回路1,2が一般的である。この
CMO8論理回路1,2は、高側電源電位Vccと低側
電源電位Veeの間にpチャンネルMOSトランジスタ
MpとnチャンネルMOSトランジスタMnを直列接続
し、両トランジスタMp、Mnのゲートを共通接続して
入力端子とするとともに、両トランジスタMp、Mnの
接続点(ドレイン・ノード)から出力端子を取り出す(
例えば1日経マグロウヒル社刊行「日経エレクトロニク
ス1986年3月10日号(no。
390)j p199〜217参照)。
第9図は、第8図に示したCMO8論理回路の動作例を
タイミングチャートによって示す。
同図において、Volは前段側の論理回路1から出力さ
れて後段側の論理回路2に入力される論理信号であって
、そのレベルは、はぼ電源電位VccとVeeの笥囲で
振幅する。
VtpはpチャンネルMOSトランジスタMpのしきい
値、VtnはnチャンネルMOSトランジスタMnのし
きい値である。この場合、VtpとVtnは、Vtp<
Vtnの関係にある。
後段側論理回路2のpチャンネルMOSトランジスタM
Pは、VolがVtpよりも高電位のときにオフとなり
、VolがVtpよりも低電位になるとオン駆動される
。また、nチャンネルMOSトランジスタMnは、Vo
lがVtnよりも低電位のときにオフとなり、volが
Vtnよりも高電位になるとオン駆動される。
Vo2は、後段側論理回路2のMOSトランジスタMp
、Mnが相補駆動されることによって出力される論理信
号である。
Volが低レベル(与Ve e)のとき、Vo1<Vt
 p (<Vt n)であることにより、MPがオンで
Mnがオフとなって、Vo2は高レベルとなっている。
ここで、Volが低レベル(4Vee)から高レベル(
≠V c c )に立ち上がる場合、Volが上昇して
、先ず、Vt p<Vo l<Vt nとなる。
この期間(tof)では、Mpの方がオンからオフにな
って、Mp、Mn共にオフの状態が生じる。
この状態では、論理回路2の出力がVccとVeeのい
ずれからも切り離された中立状態となるため、Vo2は
今までの高レベルを維持する。
このあと、Volがさらに上昇して、(Vtp<)Vt
n<Volになると、Mnがオフからオンになって、M
pがオフでMnがオンの状態となる。このときに到って
はじめて、Vo2は、Vea側から能動的にプルダウン
されるようになって、高レベルから低レベルへ立ち下げ
られるようになる。これにより、Vo2は、所定の過渡
遅延時間(t s)を経て正式な低レベルに達する。
このようにして、論理回路2の入力であるv。
1が低レベルから高レベルに立ち上がると、これにやや
遅れて、上記論理回路2の出力であるV。
2が高レベルから低レベルに立ち下がる。
一方、Volが高レベル(弁Vcc)のときには、Vo
 1)Vt n (>Vt p)であることにより、M
nがオンでMpがオフとなって、Vo2は低レベルとな
っている。
ここで、今度は、Volが高レベル(弁Vcc)から低
レベル(:Vea)に立ち下がる場合、Volが下降し
て、先ず、V t P < V o 1 < V t 
nとなる。この期間では、Mnの方がオンからオフにな
って、Mn、Mp共にオフの状態が生じる。
この状態では、論理回路2の出力がVeeとVcCのい
ずれからも切り離された中和状態となるため、Vo2は
今までの低レベルを維持する。
このあと、Volがさらに下降して、(Vtn>)Vt
p>Volになると、Mpがオフからオンになって、M
nがオフでMpがオンの状態となる。このときに到って
はじめて、Vo2は、VcC側から能動的にプルアップ
されるようになって、低レベルから高レベルへ立ち上げ
られるようになる。これにより、V o 2は、所定の
過渡遅延時間(ts)を経て正式な高レベルに達する。
このようにして、論理回路2の入力であるV。
1が高レベルから低レベルに立ち下がると、これにやや
遅れて、Vo2が低レベルから高レベルに立ち上がる。
以上のように、相補スイッチ素子であるPチャンネルM
OSトランジスタMpとnチャンネルMOSトランジス
タMnが、同時にオフになる期間(tof)をはさんで
交互にオン駆動されることにより、少ない消費電力でも
って論理動作を行なうことができるようになっている。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上述した技術には1次のような課題のあ
ることが本発明者らによって明らかとされた。
すなわち、上述した論理回路では、消費電力を少なくす
ることができるという利点はあるものの、入力信号に対
する出力信号の応答時間が概して遅い、すなわち動作速
度が遅いという問題があった6本発明の目的は、相補素
子による論理回路をその消費電力を増大させることなく
、その動作を高速化させることを可能にする、という技
術を提供することにある。
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴に
ついては、本明細書の記述および添附図面から明らかに
なるであろう。
[課題を解決するための手段] 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、高側電源電位と低側電源電位の間で相補駆動
される一対のスイッチ素子によって構成される次段の論
理回路に入力信号を与える論理回路にあって、上記一対
のスイッチ素子を相補駆動する論理信号を互いに同相か
つレベルシフトされた2系統の論理信号に振り分ける、
というものである。
[作用] 上記した手段によれば、相補駆動される一対のスイッチ
素子はそれぞれ、その入力信号のレベルが高側あるいは
低側にシフトされることにより、入力信号の立ち上り時
あるいは立ち下がり時におけるオン開始のタイミングが
早められるようになって、一方のスイッチ素子がオフに
なってから他方のスイッチがオンになるまでの間の時間
が短縮され、これによって論理回路の出力が能動的にプ
ルダウンあるいはプルアップされる時期が早められるよ
うになる。
これにより、CMOSトランジスタなどの相補素子によ
って構成される論理回路をその消費電力を増大させるこ
となく、その動作を高速化させる、という目的が達成さ
れる。
[実施例] 以下、本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明
する。
なお5図において、同一符号は同一あるいは相当部分を
示すものとする。
第1図は本発明の一実施例による論理回路を示す。
同図に示す論理回路2はそれぞれ、相補駆動されるスイ
ッチ素子としてCMOSトランジスタMp、Mnを用い
たものであって、高側電源電位Vccと低側電源電位V
esの間にpチャンネルMOSトランジスタMpとnチ
ャンネルMOSトランジスタMnを直列接続し、両トラ
ンジスタpチャンネル、nチャンネルのゲートを入力端
子とするとともに、両トランジスタMp、Mnの接続点
(ドレイン・ノード)から出力端子を取り出す。
ここで、前段側の論理回路1は、相補型出力回路を構成
するpチャンネルMOSトランジスタMpとnチャンネ
ルMOSトランジスタMnの間に、電圧降下素子である
ダイオードDiが順方向に挿入されている。このダイオ
ードDiは一種のレベルシフト回路を構成し、その両端
からは、互いに同相かつ相対的にレベルシフトされた2
系統の論理出力信号Volp、Volnが取り出される
そして、この2系統の論理出力信号Volp、Vo1n
が、後段側の論理回路2のCMOSトランジスタMp、
Mnの各ゲートに振り分けられて入力されるようになっ
ている。すなわち、後段側論理回路2のpチャンネルM
osトランジスタMpのゲートには、ダイオードDiに
よってVbe(約0.6V)だけ相対的にレベルシフト
・ダウンされた信号Volp(:Vo 1 n−Vb 
e)が入力される。また、nチャンネルMOS)−ラン
ジスタMnにはV b eだけ相対的にレベルシフト・
アップされた信号Voln (弁Volp+Vbe)が
入力される。
第2図は、第1図に示したCMO8論理回路の動作例を
タイミングチャートによって示す。
同図において、Volpは前段側の論理回路1からV 
b eだけレベルシフト・ダウンされて出力される論理
信号であって、そのレベルは、はぼ高側電源電位Vcc
からVbeだけ下がった電位(弁Vcc−Vbe)と低
側電源電位Veeの範囲で振幅する。この(Vcc−V
be)とVaeの間を振幅する論理信号Volpは、後
段側論理回路2のpチャンネルMOSトランジスタMp
のゲートに導通湘動信号として入力される。
V o 1 nは前段側の論理回路1からV b eだ
けレベルシフト・アップされて出力される論理信号であ
って、そのレベルは、はぼ低側電源電位VeeからVb
aだけ上がった電位(:Vee+Vbe)と高側電源電
位Vccの範囲で振幅する。この(Vee+Vbe)と
Vccの間を振幅する論理信号Volnは、後段側論理
回路2のnチャンネルMOSトランジスタMnのゲート
に導通駆動信号として入力される。
VtpはpチャンネルMOSトランジスタMpのしきい
値、VtnはnチャンネルMOSトランジスタMnのし
きい値である。VtpとVtnは、V t p < V
 t nの関係にある。
後段側論理回路2において、pチャンネルMOSトラン
ジスタMPは、VolpがVtpよりも高電位のときに
オフとなり、VolpがVtpよりも低電位になるとオ
ン駆動される。また、nチャンネルMOSトランジスタ
M n V o 1 nがVtnよりも低電位のときに
オフとなり、V o 1 nがVtnよりも高電位にな
るとオン駆動される。
Vo2は、後段側論理回路2のVo8)−ランジスタM
 P p M nが相補駆動されることによって出力さ
れる論理出力信号である。
前段側論理回路1から後段側論理回路2に入力される一
対の論理信号Vo 1 p、 Vo 1 nは、前段側
論理回路1の論理入力信号Vilに応じて、互いに一定
のレベル差(Vbe)を保ちながら同相で変化する。
VolpおよびVolnが共に低レベル領域にあるとき
には、V o 1 p < V t pおよびVoln
<Vtnであることにより、MpがオンでMnがオフと
なって、Vo2は高レベルとなっている。
ここで、VolpおよびVolnが低レベルから高レベ
ルに立ち上がる場合、先ず、VOIP>VtpおよびV
oln<Vtnとなる。この期間(tof)では、Mp
の方がオンからオフになって、Mp、Mn共にオフの状
態が生じる。この状態では、論理回路2の出力がVcc
とVeeのいずれからも切り離された中立状態となるた
め、Vo2は今までの高レベルを維持する。
このあと、V o 1 pおよびV o 1 nがさら
に上昇して、Volp>VtPおよびVoln)Vtn
になると、Mnがオフからオンになって、Mpがオフで
Mnがオンの状態となる。このときに到ってはじめて、
Vo2は、Vcc側から能動的にプルダウンされるよう
になって、高レベルから低レベルに立ち下げられるよう
になる。これにより、Vo2は、所定の過渡遅延時間(
t s)を経て正式な低レベルに達する。
このようにして、論理回路2の入力であるV。
1pおよびVolnが低レベルから高レベルに立ち上が
ると、これにやや遅れて、Vo2が高レベルから低レベ
ルに立ち下がる。
この場合、VolpおよびVolnが立ち上がるのに際
して、VolnはVolpに対してvbeだけレベルシ
フト・アップされていることにより、VolpよりもV
beだけ高いところから上昇する。つまり、Volnは
Volpよりもvbe分だけ先行して上昇する。このた
め、VolnがVtnを越えるタイミングは、Volp
がVtnを越えるタイミングよりも早くなる。Voln
は、VolpがVtnよりも略Vbeだけ手前にある時
点で、Vtnに達することができる。したがって、Mn
がオフからオンにされるタイミングは、Vainが相対
的にレベルシフトされていない従来の場合に比べて大幅
に早められるようになる。これにより、Vo2は、Mp
、Mnが共にオフの状態から抜は出して、Vcc側から
能動的にプルダウンされるようになるタイミングが早め
られる。つまり、Vo2の立ち下がりが早められる。
一方、V o 1 pおよびVolnが共に高レベル領
域にあるときには、Volp>VtpおよびVoln)
Vtnであることにより、MnがオンでMpがオフとな
って、Vo2は低レベルとなっている。
ここで、VolpおよびVolnが高レベルから低レベ
ルに立ち下がる場合、先ず、V o 1 n <Vtn
およびVolp>Vtpとなる。この期間(tof)で
は、Mnの方がオンからオフになって、Mp、Mn共に
オフの状態が生じる。この状態では、論理回路2の出力
がVccとV e eのいずれからも切り離された中立
状態となるため、VO2は今までの低レベルを維持する
このあと、VolpおよびVolnがさらに下降して、
Voln(VtnおよびV o 1 p < V tp
になると、MPがオフからオンになって、Mnがオフで
MPがオンの状態となる。このときに到ってはじめて、
VO2は、Vcc側から能動的にプルアップされるよう
になって、低レベルから高レベルへ立ち上げられるよう
になる。これにより、VO2は、所定の過渡遅延時間(
t s)を経て正式な高レベルに達する。
このようにして、論理回路2の入力であるV。
1pおよびV o 1 nが高レベルから低レベルに立
ち下がると、これにやや遅れて、VO2が低レベルから
高レベルに立ち上がる。
この場合、VolpおよびV o 1 nが立ち下がる
のに際して、Volpは、Volnに対してVbeだけ
レベルシフト・ダウンされていることにより、Voln
よりもVbeだけ低いところから下降する。つまり、V
 o 1 pはVolnよりもVbe分だけ先行して下
降する。このため、V o 1pがVtp以下になるタ
イミングは、VolnがVtp以下になるタイミングよ
りも早くなる。Volpは、VolnがVtpよりも略
Vbeだけ手前にある時点で、Vtp以下になることが
できる。したがって、MPがオフからオンにされるタイ
ミングは、Volpが相対的にレベルシフトされていな
い従来の場合に比べて大幅に早められるようになる。こ
れにより、VO2は、M P v M nが共にオフの
状態から抜は出して、Vcc側から能動的にプルダウン
されるようになるタイミングが早められる。つまり、V
O2の立ち下がりが早められる。
以上のように、高側電源電位と低側電源電位の間で相補
駆動される一対のスイッチ素子によって楕成される次段
の論理回路に入力信号を与える論理回路にあって、上記
一対のスイッチ素子を相補駆動する論理信号を互いに同
相かつレベルシフトされた2系統の論理信号に振り分け
ることにより、一方のスイッチ素子がオフになってから
他方のスイッチがオンになるまでの間の時間が短縮され
、これによって次段論理回路の出力が能動的にプルダウ
ンあるいはプルアップされる時期が早められるようにな
る。これにより、次段論理回路をその消費電力を増大さ
せることなく、その動作を高速化させることができるよ
うになる。
第3図は、上述した論理回路を多段接続して使用する場
合の回路例を示す、この場合、CMOSトランジスタM
pとMnは、その間にドレイン・ノードにダイオードD
iが挿入されるとともに、それぞれのゲートが互いに分
離されて駆動されるようになる。
第4図は1本発明をバイポーラ・CMO8論理回路に適
用した場合の実施例を示したものであって、レベルシフ
ト回路をなすダイオードDiは、出力段をなす一対のバ
イポーラ・トランジスタQ1、Q2の間に挿入されてい
る。
第5図は、本発明を多入力論理回路に適用した例を示し
たものであって、レベルシフト回路をなすダイオードD
iは、pチャンネルMOSトランジスタMpl、Mn2
とnチャンネルMOSトランジスタMnl、Mn2の間
に挿入されている。
Mpl、Mp2とMnl、Mn2の各ゲートに入力され
る論理信号はそれぞれ、前段側の論理回路にて互いに一
定のレベル差を持つようにレベルシフトされる。
第6図は、上記レベルシフト回路をなすダイオードDi
をCMO8論理回路とともに半導体基板上に集積形成す
る場合の実施例を示したものであって、10はp型シリ
コン半導体基板、11はP+型埋込層、12はn+型埋
込層、13はp型ウェル層、14はn型ウェル層、16
nおよび16pはソース拡散層、17nおよび17pは
ドレイン拡散層、18はゲート電極、19hおよび19
pは多結晶シリコン層である。
ここで、多結晶シリコン19nおよび19pは、nチャ
ンネルMOSトランジスタMn側のn+チャンネルドレ
イン拡散層17とpチャンネルMOSトランジスタMp
のp+型ドレイン拡散層17pを相互に接続するととも
に、Mn側のn+型ドレイン拡散層17からの染み出し
によってドープされたp導電性付与不純物とによって、
pn接合型のダイオードDiを形成している。
第7図は、上記レベルシフト回路をなすダイオードDi
をバイポーラ・CMOS論理回路とともに半導体基板上
に集積形成する場合の実施例を示したものであって、2
0.20’はバイポーラ・トランジスタQl、Q2のコ
レクタ領域をなすn型拡散層、21はp型ベース拡散層
、22はn+型エミッタ拡散層である。
この場合は、Ql側のエミッタ拡散層22とQ2側(コ
レクタ拡散層だけを図示)のコレクタ拡散層20′が、
多結晶シリコン層19.19Pによって形成されるダイ
オードDiを介して接続されている。ダイオードDiの
n型半導体部分をなす多結晶シリコン層19の部分は、
Q2のn型コレクタ拡散層20′の上に形成されること
によって、そのn型コレクタ拡散層20′からnチャン
ネル導電性付与不純物がドープされている。また、ダイ
オードDiのp型半導体部分をなす多結晶シリコンM 
19 pの部分は、基板10に形成されたp+拡散暦2
3の上に形成されることによって。
そのp+拡散肩23からp導電性付与不純物がドープさ
れている。
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが1本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。
例えば、相補駆動されるスイッチ素子は、MOSあるい
はバイポーラ以外のタイプのスイッチ素子例えばMIS
 (金属−絶縁物一半導体)型トランジスタであっても
よい。
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野であるCMOS論理回路お
よびバイポーラ・CMOS論理回路に適用した場合につ
いて説明したが、それに限定されるものではなく、上記
以外の論理回路例えばTTLなどにも適用できる。
[発明の効果] 本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである
すなわち、CMOS論理回路などのような相補素子によ
って構成される論理回路を、その消費電力を増大させる
ことなく、その動作の高速化させることができる、とい
う効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例による論理回路を示す、 第2図は第1図に示した論理回路の動作を説明するため
の図。 第3図は本発明は発明による論理回路を多段接続する場
合の実施例を示す図、 第4図は本発明をバイポーラ・CMOS論理回路に適用
した場合の実施例を示す図。 第5図は本発明を多入力論理回路に適用した場合の実施
例を示す図。 第6図は本発明によるCMOS論理回路を半導体基板に
集積形成する場合の実施例を示す図。 第7図は本発明によるバイポーラ・CMOS論理回路を
半導体基板に集積形成する場合の実施例を示す図、 第8図は従来のCMOS論理回路の構成例を示す図、 第9図は第8図に示した論理回路の動作を説明するため
の図である。 1.2・・・・論理回路、Mn、Mp・・・・相補駆動
される一対のスイッチング素子であるCMOSトランジ
スタ、Di・・・・レベルシフト回路を形成するダイオ
ード、Volp、Voln・・・・互いにレベルシフト
され、かつ同相の論理信号、tof・・・・Mp、Mn
が共にオフになる期間。 第 図 第 図 第 図 第 図 策 図 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、高側電源電位と低側電源電位の間で相補駆動される
    一対のスイッチ素子によって構成される次段の論理回路
    に入力信号を与える論理回路であって、上記一対のスイ
    ッチ素子を相補駆動する論理信号を互いに同相かつ相対
    的にレベルシフトされた2系統の論理信号に振り分ける
    レベルシフト回路を備えた論理回路。 2、相補型出力回路を構成する一対のスイッチ素子の間
    に電圧降下素子を挿入することにより、この電圧降下素
    子の両端から、互いに同相かつレベルシフトされた2系
    統の論理信号を得ることを特徴とする特許請求の範囲第
    1項記載の論理回路。 3、レベルシフト回路をダイオードで構成したことを特
    徴とする特許請求の範囲第1項または第2項記載の論理
    回路。
JP1012004A 1989-01-23 1989-01-23 論理回路 Pending JPH02194729A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04130770A (ja) * 1990-09-21 1992-05-01 Mitsubishi Electric Corp 半導体集積回路

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