JPH0235820A - Static complementary type semiconductor integrated circuit - Google Patents

Static complementary type semiconductor integrated circuit

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JPH0235820A
JPH0235820A JP63185946A JP18594688A JPH0235820A JP H0235820 A JPH0235820 A JP H0235820A JP 63185946 A JP63185946 A JP 63185946A JP 18594688 A JP18594688 A JP 18594688A JP H0235820 A JPH0235820 A JP H0235820A
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gate
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二宮 和貴
Takashi Taniguchi
隆志 谷口
Tetsuya Tanaka
哲也 田中
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H03K19/02Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
    • H03K19/08Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices
    • H03K19/094Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors
    • H03K19/0944Logic 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
    • H03K19/0948Logic 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 using CMOS or complementary insulated gate field-effect transistors

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Abstract

PURPOSE:To minimize the dislocation of the logical gate circuit change voltage of a static complementary semiconductor integrated circuit and to reduce an area by setting the gate width of the (n) pcs. of serial transistors from a conventional (n)-fold to n/2-fold or below. CONSTITUTION:In the circuit of 4 input NAND gates, the gate width of a P channel transistor 1 of an inverter circuit (a) is WP, the gate width of an N channel transistor 2 is made into WN and the 1/2 of a change voltage supply voltage is obtained, N channel transistors 7-10 go to 4WN/2.2, the WN goes to 4 pieces serially and goes to 4XWN/2 or below. Since P channel transistors 3-6 cannot be serial, the WP is obtained. The change voltage goes to approximately 1/2 as much as the supply voltage.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、スタティック相補型半導体集積回路に関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a static complementary semiconductor integrated circuit.

従来の技術 従来のスタティック相補型半導体集積回路は、インバー
タ回路で遷移電圧が電源電圧の1/2となるNチャネル
とPチャネルトランジスタのゲート幅を基準としている
。論理ゲート回路中で出力から接地電位の間でn個直列
となっているNチャネルトランジスタのゲート幅を上記
インバータ回路のnチャネルトランジスタのn倍として
いた。
2. Description of the Related Art Conventional static complementary semiconductor integrated circuits are based on the gate widths of N-channel and P-channel transistors whose transition voltage is 1/2 of the power supply voltage in an inverter circuit. The gate width of n N-channel transistors connected in series between the output and the ground potential in the logic gate circuit is n times that of the n-channel transistor in the inverter circuit.

同様に出力から電源電位の間でn個直列とないるPチャ
ネルトランジスタのゲート幅を上記インバータ回路のP
チャネルトランジスタのn倍としていた。
Similarly, the gate width of n P-channel transistors connected in series between the output and the power supply potential is set to P of the inverter circuit.
It was set to be n times as large as the channel transistor.

第8図はインバータ回路および入力NANDゲートの回
路図であり(a)のインバータの遷移電圧が電源電圧の
1/2となるようなPチャネルトランジスタ81.Nチ
ャネルトランジスタ82のゲート幅W、、WNに対して
(b)のn入力NANDゲートではNチャネルトランジ
スタがn個直列となっているため(a)のインバータ回
路のNチャネルトランジスタ2のゲート幅WNのn倍と
なっている。
FIG. 8 is a circuit diagram of an inverter circuit and an input NAND gate, in which a P-channel transistor 81. Since n N-channel transistors are connected in series in the n-input NAND gate in (b) with respect to the gate width W, , WN of the N-channel transistor 82, the gate width WN of the N-channel transistor 2 in the inverter circuit in (a) is It is n times larger than

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成は、ゲート長が2μm以
上と長〈従来のゲート・基板間容量による簡単なモデル
で近似できる場合に有効なものである。トランジスタの
微細化によりゲート長が短くなり、ドレイン・ソース間
の電圧により発生する電界が強くなった結果ゲート下を
流れる電子により移動度が飽和するという現象が起きゲ
ート電圧とドレインソース電流も自乗特性から一次特性
に近くなっている。この結果従来のモデルでは近似でき
なくなっておりトランジスタを直列にした場合従来のよ
うにドレイン・ソース間の電圧が分割されることによる
各トランジスタのドレイン・ソース間の電圧低下による
電流の減少が従来より少な(なっている。
Problems to be Solved by the Invention However, the above configuration is effective when the gate length is 2 μm or more (which can be approximated by a simple model using conventional gate-to-substrate capacitance). Due to the miniaturization of transistors, the gate length has become shorter, and the electric field generated by the voltage between the drain and source has become stronger. As a result, the mobility is saturated due to the electrons flowing under the gate, and the gate voltage and drain-source current also have square-law characteristics. It is close to a first-order characteristic. As a result, the conventional model can no longer approximate it, and when transistors are connected in series, the voltage between the drain and source of each transistor is divided and the current decreases due to the voltage drop between the drain and source of each transistor. It has become a little.

この結果従来の論理ゲート回路では遷移電圧がNチャネ
ルトランジスタが直列ではNチャネルトランジスタの駆
動能力が大きくなり接地電位側、Pチャネルトランジス
タが直列ではNチャネルトランジスタの駆動能力が小き
くなり電源電位側にずれるという問題点を有していた。
As a result, in conventional logic gate circuits, the transition voltage is shifted to the ground potential side when N-channel transistors are connected in series, as the drive capability of the N-channel transistor increases, and to the power supply potential side, when P-channel transistors are connected in series, as the drive capability of the N-channel transistor decreases. This had the problem of misalignment.

また論理ゲート回路の各入力が同タイミングで変化する
ことは少なく、各人力は遅延を持って入力される。この
結果最後の信号変化が入力されるタイミングでは他の入
力は確定していることになる。この結果NANDゲート
やNORゲートでは出力が変化する場合最後の信号が入
力されるトランジスタ以外はすべてオン状態となってい
る。この結果入力が同時に変化する場合と比較して遷移
電圧に影響を与える電源電圧の1/2程度のゲート電位
での電流値が増加するためやはり遷移電圧はずれる。
Furthermore, each input of a logic gate circuit rarely changes at the same timing, and each input is input with a delay. As a result, other inputs are determined at the timing when the last signal change is input. As a result, in a NAND gate or a NOR gate, when the output changes, all transistors except the transistor to which the last signal is input are in the on state. As a result, compared to the case where the inputs change simultaneously, the current value at the gate potential of about 1/2 of the power supply voltage, which affects the transition voltage, increases, so the transition voltage also shifts.

第9図は4人力NANDゲートの回路図、第10図は4
人力NANDゲートの遷移電圧のずれを示したものであ
る。遷移電圧が1.5v程度になっていることがわかる
。第11図は4人力NORゲートの回路図、第12図は
4人力NORゲートの遷移電圧のずれを示したもので3
.2V程度となっている。第13図はNチャネルトラン
ジスタ1個と、2個直列にした場合で一人力変化とニつ
を同時変化させたときの電流の比較図である。
Figure 9 is a circuit diagram of a 4-person NAND gate, and Figure 10 is a circuit diagram of a 4-person NAND gate.
This figure shows the shift in transition voltage of a human-powered NAND gate. It can be seen that the transition voltage is about 1.5V. Figure 11 is a circuit diagram of a 4-person powered NOR gate, and Figure 12 shows the shift in transition voltage of a 4-person powered NOR gate.
.. It is about 2V. FIG. 13 is a comparison diagram of current when one N-channel transistor is used, when two N-channel transistors are connected in series, and when both are changed simultaneously.

本発明はかかる点に鑑み、論理ゲート回路の遷移電圧の
ずれを小さくしたスタティック相補型半導体集積回路を
提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above, an object of the present invention is to provide a static complementary semiconductor integrated circuit in which the shift in transition voltage of a logic gate circuit is reduced.

課題を解決するための手段 本発明は、論理ゲート回路の遷移電圧のずれを小さくす
るためn個直列になっているトランジスタのゲート幅基
準のインバータ回路のn / 2倍以下の大きさで設計
したスタティック相補型半導体集積回路である。
Means for Solving the Problems The present invention is designed to be smaller than n/2 times the size of the inverter circuit based on the gate width of n transistors connected in series in order to reduce the shift in the transition voltage of the logic gate circuit. It is a static complementary semiconductor integrated circuit.

作   用 本発明は前記した設計法により、n個直列とないるトラ
ンジスタのゲート幅を従来のn倍からn/2倍以下にす
ることによって遷移電圧のrれを小さくし、さらにゲー
ト面積を小さくするものである。
The present invention uses the above-described design method to reduce the gate width of n transistors connected in series from n times to n/2 times the conventional width, thereby reducing the transition voltage r error and further reducing the gate area. It is something to do.

実施例 第1図は本発明の第1の実施例である4人力NANDゲ
ートの回路図であり(a)のインバータ回路のPチャネ
ルトランジスタ1のゲート幅をW、Nチャネルトランジ
スタ2のゲート幅をWNとし、遷移電圧電源電圧の1/
2とした場合Nチャネルトランジスタ、7〜10は4W
N/2.2となりWNは4個直列となっているが4×W
N/2以下となっている。Pチャネルトランジスタ3〜
6は直列できないのでW、となる。
Embodiment FIG. 1 is a circuit diagram of a four-man power NAND gate, which is the first embodiment of the present invention. WN, and the transition voltage is 1/1 of the power supply voltage.
When set to 2, N-channel transistor, 7 to 10 is 4W
N/2.2, so 4 WNs are connected in series, but 4×W
It is less than N/2. P-channel transistor 3~
6 cannot be connected in series, so it becomes W.

第2図は上記第1図の回路における直流解析の結果であ
り遷移電圧は電源電圧のほぼ1/2となっている。
FIG. 2 shows the result of DC analysis of the circuit shown in FIG. 1, and the transition voltage is approximately 1/2 of the power supply voltage.

第3図は本発明の詳細な説明図である。実線1は実測シ
ュミレーションにより直列となっている各トランジスタ
の入力に信号与えたとき、遷移電圧の電源電圧の1/2
の値に対するずれが小さくなり、各入力の遅延時間の最
大のものを最小とするような最適なゲート幅を求めてプ
ロットしたものであである。実線2は従来の技術による
トランジスタのゲート幅をプロットしたものである。実
線3は本発明によるゲート幅の上限であるN/2となる
ゲート幅をプロットしたもので従来のものと比較して最
適ゲート幅とのずれが小さ(なっている。また論理ゲー
ト回路の面積も従来の70%程度に小さくなり、またト
ランジスタのゲート容量も小さくなり、高速な論理ゲー
ト回路となる。
FIG. 3 is a detailed explanatory diagram of the present invention. Solid line 1 shows the transition voltage 1/2 of the power supply voltage when a signal is applied to the input of each transistor connected in series according to actual measurement simulation.
This is a plot of the optimum gate width that minimizes the maximum delay time of each input and reduces the deviation from the value of . Solid line 2 plots the gate width of a transistor according to the prior art. Solid line 3 is a plot of the gate width that is N/2, which is the upper limit of the gate width according to the present invention, and the deviation from the optimal gate width is smaller than that of the conventional one. Also, the area of the logic gate circuit is The gate capacitance of the transistor is also reduced to about 70% of that of the conventional one, resulting in a high-speed logic gate circuit.

また消費電力も小さくなる。Power consumption is also reduced.

第4図は本発明の第2図の実施例である4人力NORゲ
ートの回路図でありPチャネルトランジスタ41〜44
のゲート幅は上記W、を用いると4W xi/2=2W
、、Nチャネルトランジスタ45〜48は直列でないの
でWNとなる。
FIG. 4 is a circuit diagram of a four-power NOR gate which is an embodiment of the present invention shown in FIG.
Using the above W, the gate width of is 4W xi/2=2W
,,N channel transistors 45 to 48 are not connected in series, so they become WN.

第5図は本発明の第2の事例の4人力NORゲートの直
流開析結果であり、遷移電圧が電源電圧のほぼ1/2と
なっていることがわかる。またゲート面積も従来の56
%程度に小さくすることができる。
FIG. 5 shows the results of DC analysis of a four-man power NOR gate according to the second example of the present invention, and it can be seen that the transition voltage is approximately 1/2 of the power supply voltage. Also, the gate area is smaller than that of the conventional 56
%.

第6図は本発明の第3図の実施例における3人力0RN
ANDゲートである。Pチャネルトランジスタ61.6
2は2側面列となっているのでゲート幅は2/2xW、
=W、であり、Pチャネルトランジスタ63は直列では
ないのでゲート幅はW、となる。Nチャネルトランジス
タ64.66は2側面列となっており、ゲート幅は2/
2×WN=WNとなる。またNチャネルトランジスタ6
5.66も互いに2側面列となっておりゲート幅は2/
2XW、=W、となる。第7図は本発明の第3の実施例
の3人力0RNANDゲートの直流開析結果であり、遷
移電圧が電源電圧のほぼ1/2となっていることがわか
る。また面積も従来の58%程度に小さくすることがで
きる。
FIG. 6 shows a three-man-powered 0RN in the embodiment of FIG. 3 of the present invention.
It is an AND gate. P-channel transistor 61.6
2 has two side rows, so the gate width is 2/2xW,
=W, and since the P-channel transistor 63 is not connected in series, the gate width is W. The N-channel transistors 64 and 66 are arrayed on two sides, and the gate width is 2/2.
2×WN=WN. Also, N-channel transistor 6
5.66 are also arranged on two sides, and the gate width is 2/
2XW,=W. FIG. 7 shows the results of DC analysis of the three-manpower 0RNAAND gate according to the third embodiment of the present invention, and it can be seen that the transition voltage is approximately 1/2 of the power supply voltage. Furthermore, the area can be reduced to about 58% of the conventional size.

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば従来の設計と比較し
てスタティック相補半導体集積回路の論理ゲート回路遷
移電圧のずれを小さくし、また面積を小さくすることが
でき今後トランジスタの微細化、集積化、多入力ゲート
作成の実現に効果がありその実用適効果は大きい。
As described in detail, according to the present invention, it is possible to reduce the shift in logic gate circuit transition voltage of a static complementary semiconductor integrated circuit compared to conventional designs, and also to reduce the area. It is effective in realizing integration, integration, and creation of multi-input gates, and its practical effects are great.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の第1の実施例である4人力Nは本発明
の第2の実施例である4人力NORゲートの回路図、第
5図は同4人力NORゲートの直流解析の入出力特性曲
線図、第6図は本発明の第3の実施例における3人力0
RNANDゲートの回路図、第7図は同3人力0RNA
NDゲートの直流解析の入出力特性特性図、第8図は従
来のn入力NANDゲートの回路図、第9図は4人力N
ANDゲートの回路図、第10図は同4人力NANDゲ
ートの直流解析の入出力特性曲線図、第11図は4人力
NORゲートの回路図、第12図は同4人力NORゲー
トの直流解析の人出特性曲線図、第13図はNチャネル
トランジスタ1個の場合と、2側面列にした場合の入出
力特性図である。 1・・・・・・Pチャネルトランジスタ、2・・・・・
・Nチャネルトランジスタ、3〜6・・・・・・Pチャ
ネルトランジスタ、7〜10・・・・・・Nチャネルト
ランジスタ。 代理人の氏名 弁理人 粟野重孝 ほか1名t、S〜6
−P+ヤネルトラソジスタ (f−ト懺w) 第 図 田 刀 電 圧 〔V〕 Iji列とな〕でいるトランジスタ数 4I−尊 P−)?ネルトラソジスタ 田 刀 電 圧 [V] 圀 (ケート惜 W’)l) 第 図 61〜乙3 64〜乙6−−− P+ヤネルトランジスタ (テート幅Wp) N+Yネルトランジスタ (テート幅WN) 〔V〕 ?8〜9H−P+レネルトランジスタ ?72〜?IE−N 4− t−半ルトラソジスタ田 刀 電 圧 〔V〕 出 力 電 圧 〔V〕 因 第11図 JIB〜llll− 1172〜1II5 P+v卑ルトルトランジ スタヤネルトランジスタ
Figure 1 is a circuit diagram of a four-man powered NOR gate, which is the first embodiment of the present invention, and Figure 5 is a circuit diagram of a four-man powered NOR gate, which is the second embodiment of the present invention. The output characteristic curve diagram, FIG.
The circuit diagram of the RNAAND gate, Figure 7 is the same three-man-powered 0RNA
Input/output characteristics characteristic diagram of DC analysis of ND gate, Figure 8 is a circuit diagram of a conventional n-input NAND gate, Figure 9 is a 4-manpower NAND gate.
The circuit diagram of the AND gate, Fig. 10 is the input/output characteristic curve diagram of the DC analysis of the same 4-man-power NAND gate, Fig. 11 is the circuit diagram of the 4-man-power NOR gate, and Fig. 12 is the DC analysis of the 4-man power NOR gate. Figure 13 is an input/output characteristic diagram for the case of one N-channel transistor and for the case of two side arrays. 1...P channel transistor, 2...
- N channel transistor, 3 to 6...P channel transistor, 7 to 10...N channel transistor. Name of agent: Patent attorney Shigetaka Awano and 1 other person t, S~6
-P+Yanel transistor (f-to-to-w) Figure 2. Number of transistors in the Iji column 4I-sonP-)? Figure 61 - Otsu 3 64 - Otsu 6 --- P+Yanel transistor (Tate width Wp) N+Y Nel transistor (Tate width WN) [V] ? 8~9H-P+Renel transistor? 72~? IE-N 4- t-Half-transistor voltage [V] Output voltage [V] Cause Figure 11 JIB~llll- 1172~1II5 P+v low-level transistor Janel transistor

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 標準の遷移電圧を持つインバータ回路のNチャネルトラ
ンジスタとPチャネルトランジスタのゲート幅を基準と
し、論理ゲート回路中のトランジスタで出力と接地電位
との間でn個直列となっいるNチャネルトランジスタの
ゲート幅上記インバータ回路のNチャネルトランジスタ
のn/2倍以下とし、出力と電源電位の間でn個直列と
なっているPチャネルトランジスタのゲート幅を上記イ
ンバータ回路のPチャネルトランジスタのn/2倍以下
として論理ゲート回路を構成したとを特徴とするスタテ
ィック相補型半導体集積回路。
Based on the gate width of N-channel transistors and P-channel transistors in an inverter circuit with a standard transition voltage, the gate width of N-channel transistors in a logic gate circuit in which n transistors are connected in series between the output and the ground potential. The gate width of n P-channel transistors connected in series between the output and the power supply potential should be n/2 times or less than the N-channel transistor of the inverter circuit. A static complementary semiconductor integrated circuit comprising a logic gate circuit.
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