JPH02291719A - 電圧レベルシフト回路およびcmos関数回路 - Google Patents

電圧レベルシフト回路およびcmos関数回路

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JPH02291719A
JPH02291719A JP2066721A JP6672190A JPH02291719A JP H02291719 A JPH02291719 A JP H02291719A JP 2066721 A JP2066721 A JP 2066721A JP 6672190 A JP6672190 A JP 6672190A JP H02291719 A JPH02291719 A JP H02291719A
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output signal
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voltage
channel
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JP2066721A
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Elmer H Guritz
エルマ・エイチ・ガリッツ
Tsiu Chiu Chan
ジュー・チュー・チャン
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SGS Thomson Microelectronics Inc
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
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    • H03K3/02Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/353Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use, as active elements, of field-effect transistors with internal or external positive feedback
    • H03K3/356Bistable circuits
    • H03K3/356104Bistable circuits using complementary field-effect transistors
    • H03K3/356113Bistable circuits using complementary field-effect transistors using additional transistors in the input circuit
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
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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】 この発明は包括的には、集積回路に関し、より詳細には
、CMOSiil内の電圧レベルのシフトおよび論理関
数に関する。
集積回路がより小さな装置サイズを使用して製造される
程、より低いオンチップ動作電圧の使用がしばしば必要
である。これらより低い電圧が必要とされるのは部分的
には大変薄いゲート酸化物が使用されるときに発生する
熱電子の影響および大変小さい信号追跡に伴い起こり得
る金属エレクトロマイグレーシ腸ンの問題による。
多くの応用のため、電子工学産業はチップ間の通信のた
めの5ボルトTTL論理信号の使用について標準化をし
てきた。より小さなジオメトリで生ずる問題のために、
半導体の製造業者は多くの装置にオンチップ動作のため
のより低い電圧を使用する。3.3ボルトが典型的なオ
ンチップ動作電圧であり、装置のジオメトリが縮み続け
ればより低い電圧が期待され得る。
3.3ボルトのオンチ゛ツプレベルをオフチップ信号の
ために必要とされる5ボルトのレベルに変換するために
は電圧レベル変換器が必要とされる。
第1図はこの目的のため典型的に使用される先行技術の
回路を示す。
第1図では、インバータ10がPチャネルトランジスタ
14のゲートおよびNチャネルトランジスタ16のゲー
トに接続された入カノード12を有する。出力ノード1
8は入力信号Aの反転信号を有する。
ノード12上の入力は0から3.3ボルトまで変化する
。インバータ10への供給電圧は5ボルトなので、ノー
ド18上の信号は理想的には0ボルトから5ボルトまで
変化する。入力信号が0ボルトのとき、トランジスタ1
6はオフであり、トランジスタ14はオンである。この
ことが、ノード18に5ボルトの入力を与える。人力信
号が3.3ボルトなら、トランジスタ16はオンである
がPチャネルトランジスタ14は完全にはオフにされな
い。このことが起こるのは5ボルトのドレイン電圧が3
.3ボルトのゲート電圧より多大に高いので、漏れ電流
が流れることを可能にするからである。ノード18上の
電圧が0ボルトでも、必要なら、この状態でインバータ
を通る漏れ電流は各インバータ10に対し10ないし1
00マイクロアンプの高さになり得る。
20の出力ライン上に20の電圧レベルシフタを有する
CMOS回路では、定常状態条件の間、数ミリアンプの
DC電流のドレインを生じる。CMOS回路は、低電力
システムでの使用向けに設計されているので、この電流
のドレインは重大かつ望ましくないものとなり得る。た
とえば、いくつかのCMOS回路はシステム電力が失わ
れてもそれらの状態を保持するための組込みのバッテリ
バックアップを有するものとして設計されている。
単一のチップに数ミリアンプのドレインで、これら制限
された容量のパックアップバッテリはシステム電力が戻
るまで放電されることが可能である。
いくつかの装置については、5ボルトのTTL信号がチ
ップの間で使用されるときでさえ、集積回路チップに入
来する信号のために、電圧レベルシフタが必要とされる
。TTLIffl路の設計により、電圧レベルは典型的
には0と約2.5ボルトの間でスイッチする。この2.
5ボルト信号はオンチップの使用のためには3.3ボル
ト信号へ上げられなければならない。第1図に関連して
述べられる同じ漏れの問題が人カバッファ上でも生じ得
、Pチャネルトランジスタが完全にオフにされない。
チップ上の他の回路もまたより高い電圧電源を使用する
ことから時々恩恵を受ける。たとえば、チップ上で高い
ファンアウトを有するセンスアンプおよび他のドライバ
は、性能を改良するためより高い電圧電源を時々利用し
得る。これらサブロ路のすべてが第1図に示されるよう
なインバータまたは等価な回路により動かされなければ
ならず、インバータへの入力信号が0ボルトのとき、P
チャネルトランジスタを通るDCの漏れを有する傾向に
あるであろう。チップ上でなされなければならない電圧
レベル変換が多いほどDCalれのの問題も大きくなる
したがって、CMOSm圧レベルシフト回路がPチャネ
ルトランジスタの不完全なターンオフによるDCの漏れ
電流を伴わないで機能することが望ましいであろう。
したがって、この発明の目的は事実上漏れ電流を有しな
いCMOSレベルシフト回路を提洪することにある. この発明のさらなる目的は、関数発生器としても動作可
能なレベルシフト回路を提供することにある. 同様に、電圧レベルシフトを有するか有しないかにかか
わらず相補形出力関数をもたらす関数発生器を提供する
ことも本発明の目的とするところである。
したがって、この発明に従い、電圧レベルシフト回路は
相補形入力を有するクロス結合のCMOS回路を有する
.P形チャネルトランジスタは、正帰還を使用して完全
にオフにされ、事実上漏れ電流を除去する。Nチャネル
トランジスタは種々の論理関数を達成するように接続さ
れ得る。
前掲の請求項にこの発明の特徴において新規性があると
考えられる特性が述べられる.この発明自体はしかしな
がら使用の好ましいモードならびにそのさらなる目的お
よび利点とともに、添付の図面との関連において読まれ
るとき、例示的実施例の下記の詳細な説明への参照によ
り最もよく理解されるであろう。
背景に示されるように、ji1図はCMOS回路におけ
る電圧レベルシフトのために使用される先行技術のイン
パータを示す.このような先行技術の回路は、前述の理
由によりノード12での入力電圧が3.3ボルトのとき
重大なDC電流の漏れを有する. 第2図を参照すると、不完全にターンオフされるPチャ
ネルトランジスタによる重大なDC電流の漏れの被害を
被らない電圧レベルシフト回路が示される。回路20は
Nチャネルトランジスタ26ならびに28にそれぞれ接
続された相補形人力22および24を有する。Pチャネ
ルトランジスタ30および32はNチャネルトランジス
タ26および28にそれぞれ接続され、5ボルトの電源
VDDに接続される。
ノード34は、トランジスタ28および32の間のノー
ドであり、かつノード22での入力信号と同じ論理状態
を有する出力信号である。ノード36はトランジスタ2
6と30の間の接続であり、ノード24での入力信号と
同じ論理状態を有する出力信号である。トランジスタ3
0のゲートはノード34に接続され、トランジスタ32
のゲートはノード36に接続される。
当該技術の熟練者には認められるように、回路20は、
トランジスタ30および32のゲートへの正帰還により
ラッチに類似した態様で動作する。
人力Aがローのとき、入力λはハイである。これらの条
件下では、トランジスタ26はオフにされ、トランジス
タ28はオンにされる。このことがノード34での電圧
を接地電位に至らしめ、トランジスタ30をオンにする
。トランジスタ30がオンで、トランジスタ26がオフ
なら、ノード36での電圧はVDDと等しく、これは第
2図では5ボルトとして示される。ノード36でのこの
電圧がトランジスタ32をオフにする。トランジスタ3
2をオフにするため第1図の場合のような3.3ボルト
の信号の代わりに5ボルトの信号が使用されているので
、トランジスタ32は完全にオフになる。
このように、ノード22での入力がローで、ノード24
での入力がハイのとき、トランジスタ26および32は
完全にオフにされる。これで不完全にオフにされたPチ
ャネルトランジスタによる望まれない漏れ電流はない。
ノード22での入力がハイで、ノード24での入力がロ
ーのときは、回路20はアナログ態様で動作する。これ
らの条件下では、トランジスタ30は5ボルトの信号に
よりオフにされ、トランジスタ28は0ボルトの信号に
よりオフにされるであろう。こうしてノード34での電
圧.は5ボルトであり、ノード36での電圧は0ボルト
である。
第3図を参照すると、関数発生器としてかつ電圧シフタ
として動作し得る・代替的実施例が回路40,として示
される。回路40の上部部分は回路20の上部部分と同
じ態様で動−作する。Pチャネルトランジスダ42およ
び44はトランジスタ30と32にそれぞれ対応する。
出力ノード46および48は出力ノード36および34
にそれぞれ対応する。
入カノード50および52はNチャネルトランジスタ5
4のゲートおよび56のゲートそれぞれに接続される。
入カノード58および60はNチャネルトランジスタ6
2のゲートおよび64のゲートにそれぞれ接続される。
ノード58での信号の論理値はノード50での信号の補
数であり、ノード60での信号はノード52での信号の
補数である。
回路40は回路20に類似した態様で動作する。
信号Aまたは信号Bのいずれかが高ければ(3.3ボル
ト)、対応するトランジスタ54または56がオンにな
り、ノード46での電圧を0にする。
Pチャネルトランジスタ44がノード46での0ボルト
の信号によりオンにされたとき、ノード58または60
上の相補形信号は低くなり対応するトランジスタ62ま
たは64がオフにされ、ノード48での電圧が5ボルト
になることを引き起こす。ノード48での5ボルトの信
号はPチャネルトランジスタ42をオフにする。
ノード46での電圧は論理組合わせ人・nに等しく、ノ
ード48での電圧はA+Bに等しいことは、当該技術の
熟練者により認められるであろう。
最大レベル3.3ボルトを有する人力電圧で、Pチャネ
ルトランジスタ42または44を通る過度の漏れを伴わ
ずに5ボルトの出力電圧が得られる。
回路40は、第3図に示されるレベルシフト特徴を伴わ
なくとも関数およびその補数を発生するために使用可能
である。このことは入力電圧が0からVODの範囲にわ
たるとき生じるであろう。
このような関数発生器回路は、真のおよび補の信号をす
べての入力のために必要とし、所望のように使われ得る
出力関数およびその補のもののいずれかまたは双方を発
生させる。回路40が電圧レベルシフト回路として使用
されるとき、獲得されたレベルシフトの前の最後の論理
段階が第3図に示されるように組込まれ得て、レベルシ
フト関数を達成するのに必要とされる余分のトランジス
タ要素はほとんどないかまたは全くない。
第3図に示されるように、標準Nチャネル論理設計技術
はどのような所望の複雑性の関数をも発生させるために
使用可能である。回路40の左側および右側により達成
される関数が真に相補的であることだけが必要である。
そうではない場合、1つまたは2つ以上の可能な入力状
態がPチャネルトランジスタ42および44双方をオン
にし、接地への大きな電流の流れを作り出すであろう。
当該技術では知られているごとく、Pチャネルトランジ
スタの製造はNチャネルトランジスタの製造より困難で
、結果として得られるPチャネルトランジスタは集積回
路上ににより広い表面区域を必要とする。
したがって、論理関数を2つのPチャネルトランジスタ
だけの使用と組合わせた第3図に示されるような回路は
結果的に容易に製造されかつ集積回路チップ上に最小限
の量の区域をとる関数ブロックになる。
上記のように、第2図および第3図のレベルシフト回路
はオフチップ出力段階を起動するために使用され得るし
、またはより高い電圧回路がチップ上で必要とされると
きはいつでも使用され得る。
関数とその補のものの双方が回路20および回路40か
らの出力として入手可能なので、実際に集積回路のチッ
プの出力ビンに与えられる関数を規定するためメタライ
ゼーションが使用され得る。
このことのためメタライゼーションマスクのレイアウト
に依存して、異なる出力ピン関数の規定目的で使用され
る単一の基本チップの設計の製造が可能になるであろう
この発明が特に好ましい実施例への参照とともに示され
述べられたが、当該技術の熟練者によりこの発明の精神
と範囲を逸脱することなく型式および詳細における種々
の変更がなされ得ることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
第1図は先行技術の電圧レベルシフトCMOSインバー
タ回路の図であり、 第2図はこの発明に従う電圧レベルシフト回路の略図で
あり、 第3図は出力関数発生を含む、この発明に従う電圧レベ
ルシフト回路の略図である。 図において、10はインバータ、12はノード、14、
16はトランジスタ、18はノード、20は回路、22
および24はノード、26および28はトランジスタ、
30および32はトランジスタ、34および36はノー
ド、40は回路、42および44はトランジスタ、46
および48はノード、50および52はノード、54お
よび56はトランジスタ、58および60はノード、6
2および64はトランジスタである。 特許出願人 エス・ジー・エス・′トムソン・マイクロ
エレクトロニクス・

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)電圧源および第1の出力信号ノードに接続され第
    1の導電形のチャネルを有する電界効果トランジスタと
    、 電圧源および第2の出力信号ノードに接続され第1の導
    電形のチャネルを有する第2の電界効果トランジスタと
    、 第1の出力信号ノードおよび基準電位に接続され第2の
    導電形のチャネルを有する第3の電界効果トランジスタ
    と、 第2の出力信号ノードおよび基準電位に接続され第2の
    導電形のチャネルを有する第4の電界効果トランジスタ
    とを含み、 前記第1トランジスタのゲートが第2出力信号ノードに
    接続され、前記第2のトランジスタのゲートが第1の出
    力信号ノードに接続されている、電圧レベルシフト回路
  2. (2)第1の導電形がP形であり、第2の導電形がN形
    である、請求項1に記載の回路。
  3. (3)電圧源が5ボルトで前記第3および第4トランジ
    スタのゲートに結合された入力信号が約3.3ボルトを
    下回る、請求項1に記載の回路。
  4. (4)電圧源が約3.3ボルトで、前記第3および第4
    のトランジスタのゲートに結合された入力信号が約3.
    3ボルトを下回る、請求項1に記載の回路。
  5. (5)電圧源および第1の出力信号ノードに接続され第
    1の導電形のチャネルを有する第1の電界効果トランジ
    スタと、 電圧源と第2の出力信号ノードに接続された第1の導電
    形のチャネルを有する第2の電界効果トランジスタと 第2の導電形のチャネルを有する電界効果トランジスタ
    の第1の組とを含み、前記第1の組が第1の出力信号ノ
    ードおよび基準電位に接続されかつ論理関数を規定し、 第2の導電形のチャネルを有する電界効果トランジスタ
    の第2の組を含み、前記第2の組が第1の組の論理関数
    に対し相補形である論理関数を規定しかつ第2の出力信
    号ノードおよび基準電位に接続され、 前記第1トランジスタのゲートが第2の出力信号ノード
    に接続され、前記第2のトランジスタのゲートが第1の
    出力信号ノードに接続されている、CMOS関数回路。
  6. (6)第1の導電形がP形であり、第2の導電形がN形
    である、請求項1に記載の回路。
  7. (7)前記第1の組および前記第2の組がそれぞれ少な
    くとも2つのトランジスタを含む、請求項5に記載の回
    路。
  8. (8)電圧源および第1の出力信号ノードに接続され第
    1の導電形のチャネルを有する第1の電界効果トランジ
    スタと、 電圧源および第2の出力信号ノードに接続され第1の導
    電形のチャネルを有する第2の電界効果トランジスタと
    、 第2の導電形のチャネルを有する電界効果トランジスタ
    の第1の組とを含み、前記第1の組が第1の出力信号ノ
    ードおよび基準電位に接続されかつ論理関数を規定し、 第2の導電形のチャネルを有する電界効果トランジスタ
    の第2の組を含み、前記第2の組が第1の組の論理関数
    に対して相補形である論理関数を規定し、第2の出力信
    号ノードおよび基準電位に接続されており、 第1トランジスタのゲートが第2の出力信号ノードに接
    続されかつ第2のトランジスタのゲートが第1の出力信
    号ノードに接続されており、さらに電圧源が第1の電圧
    を提供し、前記第1および第2の組内のトランジスタの
    ゲートに結合された入力信号が第1の電圧とは異なる最
    大電圧を有する、電圧レベルシフト回路。
  9. (9)入力信号が第1の電圧を下回る最大電圧を有する
    、請求項8に記載の回路。
  10. (10)第1の電圧が5ボルトであり、入力信号が約3
    .3ボルトの最大電圧を有する、請求項9に記載の回路
  11. (11)第1の電圧が約3.3ボルトであり、入力信号
    が約3.3ボルトを下回る最大電圧を有する、請求項9
    に記載の回路。
  12. (12)第1の導電形がP形であり、第2の導電形がN
    形である、請求項8に記載の回路。
  13. (13)前記第1の組および第2の組がそれぞれ少なく
    とも2つのトランジスタを有する、請求項8に記載の回
    路。
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