JPH03116316A - 低電圧cmos出力バッファ - Google Patents
低電圧cmos出力バッファInfo
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- 230000002265 prevention Effects 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 5
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- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C7/00—Arrangements for writing information into, or reading information out from, a digital store
- G11C7/10—Input/output [I/O] data interface arrangements, e.g. I/O data control circuits, I/O data buffers
- G11C7/1051—Data output circuits, e.g. read-out amplifiers, data output buffers, data output registers, data output level conversion circuits
- G11C7/1057—Data output buffers, e.g. comprising level conversion circuits, circuits for adapting load
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- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F13/00—Interconnection of, or transfer of information or other signals between, memories, input/output devices or central processing units
- G06F13/38—Information transfer, e.g. on bus
- G06F13/40—Bus structure
- G06F13/4063—Device-to-bus coupling
- G06F13/4068—Electrical coupling
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- G—PHYSICS
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/003—Modifications for increasing the reliability for protection
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- H03K19/094—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は半導体集積回路デバイス用の出力バッファ回路
に関し、特に低電圧源を用いて出力バスを駆動するCM
O3回路に関する。
に関し、特に低電圧源を用いて出力バスを駆動するCM
O3回路に関する。
集積回路デバイスに用いられるトランジスタの大きさが
チップ上により多数のデバイスを作ることができるよう
により小さな寸法まで縮小されるとき、いわゆる「ホッ
ト・エレクトロン」作用に起因する劣化を減少するよう
にチップに供給される電圧を低下させることが望ましい
。さらに、集積回路デバイスの最大許容損失およびスイ
ッチング速度はデバイスを低い電圧で作動させることに
よって減少することができる。マイクロプロセッサおよ
び記憶回路のようなMOS集積回路デバイスは長年の間
+5vの電源で作動してきたが、現在多くのデバイスは
+3.3vのような低い電圧で作動するように設計さて
いる。低い供給電圧はホット・エレクトロン作用を減少
するとともに各トランジスタの最大許容損失をも減少す
る。この低い最大許容損失は、単一チップに無数のトラ
ンジスタが含まれているとき極めて重要とする。さらに
、1つの論理レベルと他の論理レベルとの間の電圧スイ
ングはないので、スイッチング速度は減少される。
チップ上により多数のデバイスを作ることができるよう
により小さな寸法まで縮小されるとき、いわゆる「ホッ
ト・エレクトロン」作用に起因する劣化を減少するよう
にチップに供給される電圧を低下させることが望ましい
。さらに、集積回路デバイスの最大許容損失およびスイ
ッチング速度はデバイスを低い電圧で作動させることに
よって減少することができる。マイクロプロセッサおよ
び記憶回路のようなMOS集積回路デバイスは長年の間
+5vの電源で作動してきたが、現在多くのデバイスは
+3.3vのような低い電圧で作動するように設計さて
いる。低い供給電圧はホット・エレクトロン作用を減少
するとともに各トランジスタの最大許容損失をも減少す
る。この低い最大許容損失は、単一チップに無数のトラ
ンジスタが含まれているとき極めて重要とする。さらに
、1つの論理レベルと他の論理レベルとの間の電圧スイ
ングはないので、スイッチング速度は減少される。
最近設計のあるMOS集積回路デバイスはこれらの低供
給電圧で作動し得るが、多くのMOSおよびバイポーラ
・デバイスは依然として従来の+5y電源を使用してい
る。特に、現在入手し得るほとんどすべての記憶デバイ
スは+5v電源と併用するように作られているので、+
3.3V電源を用いるマイクロプロセッサ・デバイスは
これらの+5v記憶デバイスと共にバスで作動すること
が可能でなければならない、各種電圧源のデバイスは、
別々のインターフェース回路を要求しない同じバスを共
有することが可能である方がよい。
給電圧で作動し得るが、多くのMOSおよびバイポーラ
・デバイスは依然として従来の+5y電源を使用してい
る。特に、現在入手し得るほとんどすべての記憶デバイ
スは+5v電源と併用するように作られているので、+
3.3V電源を用いるマイクロプロセッサ・デバイスは
これらの+5v記憶デバイスと共にバスで作動すること
が可能でなければならない、各種電圧源のデバイスは、
別々のインターフェース回路を要求しない同じバスを共
有することが可能である方がよい。
低電圧源を用いるマイクロプロセッサ・チップは、高電
圧源を用いる記憶チップと直接インターフェース接続す
ることができなければならない、 MOSチップのすべ
ての入力パッドで普通使用される入力保護デバイスは過
電圧を許して無害であるので、低電圧チップはその入力
で高電圧論理レベルを受は入れることができる。同様に
、高電圧チップの入力パッドは5V MOSレベルよ
りも低いTTL論理レベルを受けるように通常規定され
ているので、低電圧出力は高電圧チップの入力を容易に
駆動することができる。しかし、低電圧チップの出力端
子に問題が起こることがあり、すなわち、例えばマイク
ロプロセッサ装置の主システム・バスの場合のように、
数個のドライバがバスに接続されているとき、かつドラ
イバの若干が低電圧チップの上にあるが他のドライバが
高電圧チップの上にあるとき、低電圧チップの出力が3
状態である間にバスに現われる高電圧の状況は、バスの
高電圧が低電圧チップの出力バッファのプルアップ・ト
ランジスタを通して低圧電源に電流をシンクする公算を
生じる。マイクロプロセッサ・チップからのシステム・
バスを駆動するこれらの出力バッファはおそらく32個
または64個あると思われるので、これに起因する電流
過負荷は+5V駆動チツプおよび+3.3■受信チツプ
のいずれにとっも破滅的であろう。これまでは、この電
流シンク作用は1個のプルアップ・トランジスタに代わ
り2個のトランジスタを積み重ねることによって回避さ
れていたが、これはチップのサイズを不必要に増大させ
、すなわち出力バッファは標準チップの上に最も大形の
トランジスタを一般に使用し、また主データ・バスだけ
でもおそらく32個または64個の出力バッファがある
ので、積み重ね式トランジスタの使用は許容されない。
圧源を用いる記憶チップと直接インターフェース接続す
ることができなければならない、 MOSチップのすべ
ての入力パッドで普通使用される入力保護デバイスは過
電圧を許して無害であるので、低電圧チップはその入力
で高電圧論理レベルを受は入れることができる。同様に
、高電圧チップの入力パッドは5V MOSレベルよ
りも低いTTL論理レベルを受けるように通常規定され
ているので、低電圧出力は高電圧チップの入力を容易に
駆動することができる。しかし、低電圧チップの出力端
子に問題が起こることがあり、すなわち、例えばマイク
ロプロセッサ装置の主システム・バスの場合のように、
数個のドライバがバスに接続されているとき、かつドラ
イバの若干が低電圧チップの上にあるが他のドライバが
高電圧チップの上にあるとき、低電圧チップの出力が3
状態である間にバスに現われる高電圧の状況は、バスの
高電圧が低電圧チップの出力バッファのプルアップ・ト
ランジスタを通して低圧電源に電流をシンクする公算を
生じる。マイクロプロセッサ・チップからのシステム・
バスを駆動するこれらの出力バッファはおそらく32個
または64個あると思われるので、これに起因する電流
過負荷は+5V駆動チツプおよび+3.3■受信チツプ
のいずれにとっも破滅的であろう。これまでは、この電
流シンク作用は1個のプルアップ・トランジスタに代わ
り2個のトランジスタを積み重ねることによって回避さ
れていたが、これはチップのサイズを不必要に増大させ
、すなわち出力バッファは標準チップの上に最も大形の
トランジスタを一般に使用し、また主データ・バスだけ
でもおそらく32個または64個の出力バッファがある
ので、積み重ね式トランジスタの使用は許容されない。
+3.3V CMO3出力バッファが単一ソース・バ
スすなわちポイント・ツー・ポイントのみを駆動してい
る場合でも、バスは受信機の入力回路または他の装置に
よって+3.3V以上まで駆動されるので、本発明の改
良された回路はそのような状況でも役に立つ。
スすなわちポイント・ツー・ポイントのみを駆動してい
る場合でも、バスは受信機の入力回路または他の装置に
よって+3.3V以上まで駆動されるので、本発明の改
良された回路はそのような状況でも役に立つ。
こうして、低電圧論理レベル(すなわち低電圧源)を高
電圧論理レベルを用いる他のチップと共に使用する集積
回路デバイスをインターフェース接続する改良された方
法を提供することが望ましい。低電圧源を用いる改良さ
れた出力バッファ回路を提供す−ることも望ましく、こ
の場合回路は出力節点からの電流を回路の電源にシンク
せずにその出力節点に現われる過電圧を許容する。さら
に、高電圧論理レベルにインターフェース接続するのに
用いる改良された小形のくすなわち安価で低電力の)出
力バッファ回路を提供することが望ましい。
電圧論理レベルを用いる他のチップと共に使用する集積
回路デバイスをインターフェース接続する改良された方
法を提供することが望ましい。低電圧源を用いる改良さ
れた出力バッファ回路を提供す−ることも望ましく、こ
の場合回路は出力節点からの電流を回路の電源にシンク
せずにその出力節点に現われる過電圧を許容する。さら
に、高電圧論理レベルにインターフェース接続するのに
用いる改良された小形のくすなわち安価で低電力の)出
力バッファ回路を提供することが望ましい。
本発明の1つの実施例により、CMOSブツシュ・プル
出力バッファは低電圧(例えば+3.3V)源によって
作動されるが、低電圧源に大きな電流をシンクせずにそ
の出力節点が高い電圧(例えば+5V)までの増加に耐
えることができる。こうして、このバッファが効果的に
作動し得るのは、バスによっても作動するいろいろな高
電圧源を持つバスに結合されるときである。この出力バ
ッファのPチャネル・プルアップ・トランジスタはゲー
トに出力節点の電圧を追従させる配列を有するので、プ
ルアップ・トランジスタはあたかもゲートが低電圧供給
レベルすなわち+3.3vに保持されているかのように
、ターン・オンではなくオフ状態に保たれる。この配列
は、1つの実施例では、出カブルアツブ・トランジスタ
のゲートを出力節点に接続するもう1つのPチャネル・
トランジスタを含むので、このゲートは(出力節点が低
供給電圧プラスPチャネルしきい値電圧を越えるとき)
出力節点の電圧を追い、したがってプルアップ・トラン
ジスタが出力節点から電源まで導通しないようにする。
出力バッファは低電圧(例えば+3.3V)源によって
作動されるが、低電圧源に大きな電流をシンクせずにそ
の出力節点が高い電圧(例えば+5V)までの増加に耐
えることができる。こうして、このバッファが効果的に
作動し得るのは、バスによっても作動するいろいろな高
電圧源を持つバスに結合されるときである。この出力バ
ッファのPチャネル・プルアップ・トランジスタはゲー
トに出力節点の電圧を追従させる配列を有するので、プ
ルアップ・トランジスタはあたかもゲートが低電圧供給
レベルすなわち+3.3vに保持されているかのように
、ターン・オンではなくオフ状態に保たれる。この配列
は、1つの実施例では、出カブルアツブ・トランジスタ
のゲートを出力節点に接続するもう1つのPチャネル・
トランジスタを含むので、このゲートは(出力節点が低
供給電圧プラスPチャネルしきい値電圧を越えるとき)
出力節点の電圧を追い、したがってプルアップ・トラン
ジスタが出力節点から電源まで導通しないようにする。
出力Pチャネル・プルアップ・トランジスタのこのゲー
トを駆動するインバータも、電圧を下げる働きをする配
列によって、インバータPチャネル・プルアップ・トラ
ンジスタに達する前に逆電流がその低電圧電源に入るこ
とから保護され、1つの実施例では、これは人体効果を
示すと思われる直列のNチャネル・トランジスタ(その
ゲートが高電圧源に結合されている)によって達成され
かつ有効抵抗を提供するような大きさにされている。出
力バッファが3状態にされているとき電流の望ましくな
いシンキングを生じると思われるもう1つの可能性は、
出力節点に現われるPチャネル・プルアップ・トランジ
スタのソ−ス/ドレーンとそのN型くぼみとの間のPN
接合であり、すなわちこの接合は出力節点がチップの供
給電圧レベルを上回るときに順方向にバイアスされるよ
うになる。この順方向バイアス条件を避けるために、高
電圧源(外部チップの論理レベル)は低電圧出力バッフ
ァのN型くぼみに接続される。認められる通り、直列N
チャネル・トランジスタのゲートは高電圧源に結合され
、またこれは出力Pチャネル・プルアップ・トランジス
タが完全な+3.3■で明らかにされないように行われ
る。もし直列Nチャネル・トランジスタがそのゲートに
低電圧源を有するならば、出力Pチャネル・プルアップ
・トランジスタに対する駆動電圧は人体効果により約+
2.7■に制限される。
トを駆動するインバータも、電圧を下げる働きをする配
列によって、インバータPチャネル・プルアップ・トラ
ンジスタに達する前に逆電流がその低電圧電源に入るこ
とから保護され、1つの実施例では、これは人体効果を
示すと思われる直列のNチャネル・トランジスタ(その
ゲートが高電圧源に結合されている)によって達成され
かつ有効抵抗を提供するような大きさにされている。出
力バッファが3状態にされているとき電流の望ましくな
いシンキングを生じると思われるもう1つの可能性は、
出力節点に現われるPチャネル・プルアップ・トランジ
スタのソ−ス/ドレーンとそのN型くぼみとの間のPN
接合であり、すなわちこの接合は出力節点がチップの供
給電圧レベルを上回るときに順方向にバイアスされるよ
うになる。この順方向バイアス条件を避けるために、高
電圧源(外部チップの論理レベル)は低電圧出力バッフ
ァのN型くぼみに接続される。認められる通り、直列N
チャネル・トランジスタのゲートは高電圧源に結合され
、またこれは出力Pチャネル・プルアップ・トランジス
タが完全な+3.3■で明らかにされないように行われ
る。もし直列Nチャネル・トランジスタがそのゲートに
低電圧源を有するならば、出力Pチャネル・プルアップ
・トランジスタに対する駆動電圧は人体効果により約+
2.7■に制限される。
本発明の新しい特徴は特許請求の範囲にに示されている
。しかし本発明自体は、他の特徴およびその利点につい
て、1つの特定実施例の詳細な説明を以下の付図と共に
読んだとき、最も良く理解されると思う。
。しかし本発明自体は、他の特徴およびその利点につい
て、1つの特定実施例の詳細な説明を以下の付図と共に
読んだとき、最も良く理解されると思う。
第1図から、本発明の1つの実施例によるCMO33状
態出力バッファ回路が示されている。出力節点10はP
チャネル・プルアップ出力トランジスタ11およびNチ
ャネル・プルダウン出力トランジスタ12によってブツ
シュ・プル法で駆動される。これら2個のトランジスタ
11および12のソース・ドレーン通路は■31節点(
「大地」)と低電圧+3.3■源■dd3との間に直列
に接続されている。駆動電圧「駆動ロー」はトランジス
タ11および12のゲートならびに14にそれぞれ加え
られる。駆動ロー電圧はハイ・レベル(約+3.3■ま
たは論理の「1」)であってプルダウン・トランジスタ
12をターン・オンさせかつ出カニ0を論理の「0」
(この例ではV。)まで駆動し、この駆動ロー電圧はイ
ンバータ15によりゲート14に加えられる。駆動ハイ
電圧はローまたは論理の「0」であってプルアップ・ト
ランジスタ11をターン・オンさせかつ出力10をハイ
に駆動するが、この駆動ハイ電圧は入力16からNチャ
ネル・プルダウン・トランジスタならびにPチャネル・
プルアップトランジスタ18を含むインバータ段に加え
られる。正常な駆動状況(すなわち節点10へのデータ
出力を持つ)では、駆動ハイ電圧と駆動ロー電圧は同じ
論理レベルである。
態出力バッファ回路が示されている。出力節点10はP
チャネル・プルアップ出力トランジスタ11およびNチ
ャネル・プルダウン出力トランジスタ12によってブツ
シュ・プル法で駆動される。これら2個のトランジスタ
11および12のソース・ドレーン通路は■31節点(
「大地」)と低電圧+3.3■源■dd3との間に直列
に接続されている。駆動電圧「駆動ロー」はトランジス
タ11および12のゲートならびに14にそれぞれ加え
られる。駆動ロー電圧はハイ・レベル(約+3.3■ま
たは論理の「1」)であってプルダウン・トランジスタ
12をターン・オンさせかつ出カニ0を論理の「0」
(この例ではV。)まで駆動し、この駆動ロー電圧はイ
ンバータ15によりゲート14に加えられる。駆動ハイ
電圧はローまたは論理の「0」であってプルアップ・ト
ランジスタ11をターン・オンさせかつ出力10をハイ
に駆動するが、この駆動ハイ電圧は入力16からNチャ
ネル・プルダウン・トランジスタならびにPチャネル・
プルアップトランジスタ18を含むインバータ段に加え
られる。正常な駆動状況(すなわち節点10へのデータ
出力を持つ)では、駆動ハイ電圧と駆動ロー電圧は同じ
論理レベルである。
出力節点10を3状態にするために、出力トランジスタ
11および12はいずれもターン・オフされるので、出
力節点10は■s、ならびに電源V 443のいずれに
対しても高いインピーダンスを見る。3状態条件を得る
ために、入力29はローに駆動され、これは節点13お
よび14の両方を断念させる。
11および12はいずれもターン・オフされるので、出
力節点10は■s、ならびに電源V 443のいずれに
対しても高いインピーダンスを見る。3状態条件を得る
ために、入力29はローに駆動され、これは節点13お
よび14の両方を断念させる。
本発明の特徴により、第1図の回路は、それが悪影響を
もたらさずに3状態条件によるとき、出力節点10を電
源V4d’Jの電圧以上にするようにされる。すなわち
、出力節点10は3.3■プラスPチャネル・トランジ
スタのしきい値電圧より高くなることができ、これが起
こると、Pチャネル・トランジスタ23はターン・オン
されてゲート13(駆動ハイ電圧)を出力節点10に追
従させ、こうしてPチャネル出力トランジスタ11がタ
ーン・オンされないようにするので、電流がV。3電源
にシンクするのを防止する。もしトランジスタ23がこ
の機能を示さなかったならば、出力節点の+5vレベル
は、3.3vのゲート13および3.3vのトランジス
タ11のソース24と共に、トランジスタ11をターン
・オンさせる。しかし、出力節点10の電圧にゲート1
3を追従させることによって、この望ましくない動作が
防止される。
もたらさずに3状態条件によるとき、出力節点10を電
源V4d’Jの電圧以上にするようにされる。すなわち
、出力節点10は3.3■プラスPチャネル・トランジ
スタのしきい値電圧より高くなることができ、これが起
こると、Pチャネル・トランジスタ23はターン・オン
されてゲート13(駆動ハイ電圧)を出力節点10に追
従させ、こうしてPチャネル出力トランジスタ11がタ
ーン・オンされないようにするので、電流がV。3電源
にシンクするのを防止する。もしトランジスタ23がこ
の機能を示さなかったならば、出力節点の+5vレベル
は、3.3vのゲート13および3.3vのトランジス
タ11のソース24と共に、トランジスタ11をターン
・オンさせる。しかし、出力節点10の電圧にゲート1
3を追従させることによって、この望ましくない動作が
防止される。
だが、ゲート13のこの高い電圧によってトランジスタ
18を介して電源V。3にシンクするのを防ぐために、
Nチャネルバス・トランジスタ25はトランジスタ18
のドレーン節点26を節点13に結合し、かつ人体効果
およびそのソース・ドレーン抵抗によって結節点13の
過電圧がトランジスタ18のソース・ドレーン通路を経
てV 、d3電源に放電しないようにする働きをする。
18を介して電源V。3にシンクするのを防ぐために、
Nチャネルバス・トランジスタ25はトランジスタ18
のドレーン節点26を節点13に結合し、かつ人体効果
およびそのソース・ドレーン抵抗によって結節点13の
過電圧がトランジスタ18のソース・ドレーン通路を経
てV 、d3電源に放電しないようにする働きをする。
トランジスタ25のゲート27は+5V電源V。Sに接
続されている。+5vの供給電圧はPチャネル・トラン
ジスタ18用のN型くぼみにも接続されている。トラン
ジスタ25は抵抗および人体効果によりVdd2に近づ
く結節点26の電圧を「保持」する。結節点26は電源
Vdd3の近くに保持されるので、最小の電流がこの通
路によってチップ電源にシンクされる。
続されている。+5vの供給電圧はPチャネル・トラン
ジスタ18用のN型くぼみにも接続されている。トラン
ジスタ25は抵抗および人体効果によりVdd2に近づ
く結節点26の電圧を「保持」する。結節点26は電源
Vdd3の近くに保持されるので、最小の電流がこの通
路によってチップ電源にシンクされる。
第2図から、Pチャネル・トランジスタ11および23
が形成されるN型くぼみ28は5V電源Vdd、に接続
されるので、これらのトランジスタ11および23のP
+ソース領域とドレーン領域との間のPN接合は、結節
点10が■6,3とダイオード降下との和の値を越える
とき順方向バイアスを受けなくなる。第2図はN型くぼ
み技術を示すが、言うまでもなく、本発明の特徴はツイ
ン・タブ技術に適用できるとともに基板が+5Vに接続
されるならばP型くぼみにも適用できる。
が形成されるN型くぼみ28は5V電源Vdd、に接続
されるので、これらのトランジスタ11および23のP
+ソース領域とドレーン領域との間のPN接合は、結節
点10が■6,3とダイオード降下との和の値を越える
とき順方向バイアスを受けなくなる。第2図はN型くぼ
み技術を示すが、言うまでもなく、本発明の特徴はツイ
ン・タブ技術に適用できるとともに基板が+5Vに接続
されるならばP型くぼみにも適用できる。
使用される特定デバイスのサイズは設計規則、所期の駆
動容量、およびいろいろな他の要素に左右されるが、第
1図の回路にあるトランジスタのサイズ決定の一例とし
て、Pチャネル・プルアップ・トランジスタ11につい
ては1600X1のサイズを使用し、Nチャネル・プル
ダウン・トランジスタ12 (ホット・エレクトロン効
果を最小にするより長いチャネル長さ)については12
50X2.5のサイズを、インバータにあるPチャネル
負荷トランジスタ18については小さな75×1デバイ
ス・サイズを、また直列Nチャネル・トランジスタ25
(これもACストレスを避ける長いチャネル)につい
ては200X4のサイズを使用する。並列トランジスタ
23は、250X1である。
動容量、およびいろいろな他の要素に左右されるが、第
1図の回路にあるトランジスタのサイズ決定の一例とし
て、Pチャネル・プルアップ・トランジスタ11につい
ては1600X1のサイズを使用し、Nチャネル・プル
ダウン・トランジスタ12 (ホット・エレクトロン効
果を最小にするより長いチャネル長さ)については12
50X2.5のサイズを、インバータにあるPチャネル
負荷トランジスタ18については小さな75×1デバイ
ス・サイズを、また直列Nチャネル・トランジスタ25
(これもACストレスを避ける長いチャネル)につい
ては200X4のサイズを使用する。並列トランジスタ
23は、250X1である。
ゲート27が高電圧源+5vに接続されている直列Nチ
ャネル・トランジスタ25、およびゲートが+3.3V
(低電圧源)に接続されているPチャネル並列トランジ
スタ23はいずれもPチャネル・プルアップ・トランジ
スタ11のゲート13を、出力電圧が+3.3VにPチ
ャネルしきい値電圧の大きさを加え値を越えるときに結
節点10に現われる出力電圧に追随させる。同時に、直
列Nチャネル・トランジスタ25はそのソース結節点2
6を+3.3V(低電圧源レベル)近くに保ち、こうし
て大きな電流が低電圧源にシンクするのを防止する。も
しトランジスタ25のゲート27が+5Vではなく+3
.3Vに接続されたならば、回路はこの場合もまた人体
効果により結節点13を+ 3.3 Vに駆動する。
ャネル・トランジスタ25、およびゲートが+3.3V
(低電圧源)に接続されているPチャネル並列トランジ
スタ23はいずれもPチャネル・プルアップ・トランジ
スタ11のゲート13を、出力電圧が+3.3VにPチ
ャネルしきい値電圧の大きさを加え値を越えるときに結
節点10に現われる出力電圧に追随させる。同時に、直
列Nチャネル・トランジスタ25はそのソース結節点2
6を+3.3V(低電圧源レベル)近くに保ち、こうし
て大きな電流が低電圧源にシンクするのを防止する。も
しトランジスタ25のゲート27が+5Vではなく+3
.3Vに接続されたならば、回路はこの場合もまた人体
効果により結節点13を+ 3.3 Vに駆動する。
直列Nチャネル・トランジスタ25は人体効果により所
望の機能を果たすが、これは増加したソース電圧により
作られるしきい値電圧の変化である。大部分のCMO3
応用では、Nチャネル・トゲート・ソース電圧がこの高
いしきい値に等しいときチャネルはピンチ・オフする。
望の機能を果たすが、これは増加したソース電圧により
作られるしきい値電圧の変化である。大部分のCMO3
応用では、Nチャネル・トゲート・ソース電圧がこの高
いしきい値に等しいときチャネルはピンチ・オフする。
すなわち換言すれば、ゲート・ドレーン電圧はゼロにほ
ぼ等しい(ゲートは5Vでドレーンは約5vである)の
で、ドレーン・ソース電圧はゲート・ソース電圧にほぼ
同じでありかつしきい値電圧にほぼ同じであり、すなわ
ちV4g”Vg@=Vth 6 Vthはより高いので
、Vd、すなわちチャネルの両端に大きな降下が存在す
る。
ぼ等しい(ゲートは5Vでドレーンは約5vである)の
で、ドレーン・ソース電圧はゲート・ソース電圧にほぼ
同じでありかつしきい値電圧にほぼ同じであり、すなわ
ちV4g”Vg@=Vth 6 Vthはより高いので
、Vd、すなわちチャネルの両端に大きな降下が存在す
る。
常時、バス・トランジスタは容量性負荷を駆動し、した
がって電流の流れはゼロまで降下しかつチャネル両端の
電圧降下V。は節単に人体効果によってより高いVいと
なる。しかし、回路のこの応用では、電流がゼロまで降
下しないので、チャネルの両端にはIR降下も存在する
。したがってパス・トランジスタ25を用いる第1図の
回路の利点は、回路がゼロまで降下しない(出力電圧が
(+3.3V+yい、)まで降下する場合を除く)ので
、その回路が人体効果とチャネルIR降下の両方を利用
することである。サイズ決定は、この点でかつ正常駆動
操作時に、この回路の作動を最適にするのに用いられる
点が注目される。
がって電流の流れはゼロまで降下しかつチャネル両端の
電圧降下V。は節単に人体効果によってより高いVいと
なる。しかし、回路のこの応用では、電流がゼロまで降
下しないので、チャネルの両端にはIR降下も存在する
。したがってパス・トランジスタ25を用いる第1図の
回路の利点は、回路がゼロまで降下しない(出力電圧が
(+3.3V+yい、)まで降下する場合を除く)ので
、その回路が人体効果とチャネルIR降下の両方を利用
することである。サイズ決定は、この点でかつ正常駆動
操作時に、この回路の作動を最適にするのに用いられる
点が注目される。
これまでは、この種の出力バッファにあるPチャネル・
プルアップ・トランジスタ11を経て電源に電流がシン
クする問題は、1個のトランジスタ11ではなく2個の
トランジスタの積み重ねによって解決されていた。その
ような回路の一例は米国特許第第4,782,250号
に見られる。2個のトランジスタ積み重ねに伴う問題点
は、積重ねのトランジスタが同じ駆動能力を維持するた
めに1個のプル・アンプ・トランジスタの2倍大のデバ
イス幅を必要とすることである。例えば、第1図の回路
の実施例では、トランジスタ11は1600:1μmの
サイズを有するが、同等の能力を持つ2個のトランジス
タの積重ねは3200 : 1μmトランジスタを2個
必要とする。したがって事前駆動輪理も2個のトランジ
スタの積重ねについてサイズを決めなければならず、事
前駆動輪理またはクロキング用の2倍の面積/ローディ
ングが要求される。
プルアップ・トランジスタ11を経て電源に電流がシン
クする問題は、1個のトランジスタ11ではなく2個の
トランジスタの積み重ねによって解決されていた。その
ような回路の一例は米国特許第第4,782,250号
に見られる。2個のトランジスタ積み重ねに伴う問題点
は、積重ねのトランジスタが同じ駆動能力を維持するた
めに1個のプル・アンプ・トランジスタの2倍大のデバ
イス幅を必要とすることである。例えば、第1図の回路
の実施例では、トランジスタ11は1600:1μmの
サイズを有するが、同等の能力を持つ2個のトランジス
タの積重ねは3200 : 1μmトランジスタを2個
必要とする。したがって事前駆動輪理も2個のトランジ
スタの積重ねについてサイズを決めなければならず、事
前駆動輪理またはクロキング用の2倍の面積/ローディ
ングが要求される。
第1図の回路のもう1つの利点は、ホット・エレクトロ
ン作用を減少させる能力である。結節点10で各ビット
に接続されている第1図の回路(すなわち32個のこれ
らの回路)を持つ32ビツト・バスは+5Vでありかつ
32個の駆動回路のすべては3状態であるものと想定す
る。この場合に第1図の回路はバス・ラインの電荷をゆ
っくりリーク・オフさせるので、そのレベルは次のバス
・サイクルまでV dd3とPチャネルしきい値電圧と
の和になる(言うまでもなく、ある場合にはバスの各ビ
ットに接続される第1図の回路が数個あるのは、あるバ
スが数個の電源から駆動されることがあるからである。
ン作用を減少させる能力である。結節点10で各ビット
に接続されている第1図の回路(すなわち32個のこれ
らの回路)を持つ32ビツト・バスは+5Vでありかつ
32個の駆動回路のすべては3状態であるものと想定す
る。この場合に第1図の回路はバス・ラインの電荷をゆ
っくりリーク・オフさせるので、そのレベルは次のバス
・サイクルまでV dd3とPチャネルしきい値電圧と
の和になる(言うまでもなく、ある場合にはバスの各ビ
ットに接続される第1図の回路が数個あるのは、あるバ
スが数個の電源から駆動されることがあるからである。
)こうして、スイッチングの時点の電圧は+5Vレベル
から減少されるので、Nチャネル・プルダウン・トラン
ジスタ12のチャネル長さは、デバイスがホット・エレ
クトロンの作用を受けないようにしながら短くすること
ができる。すなわち、トランジスタ12のサイズおよび
その駆動回路のいずれにおいても、チップの面積がより
多く節約される。これらの節点のローディングも減少さ
れる。
から減少されるので、Nチャネル・プルダウン・トラン
ジスタ12のチャネル長さは、デバイスがホット・エレ
クトロンの作用を受けないようにしながら短くすること
ができる。すなわち、トランジスタ12のサイズおよび
その駆動回路のいずれにおいても、チップの面積がより
多く節約される。これらの節点のローディングも減少さ
れる。
先行技術の回路では、Pチャネル・プルアップ・トラン
ジスタを経て電源に入る電流のシンキングは上述のよう
な2個のトランジスタの積重ねを使用し、またプルアッ
プ・トランジスタの内の1個のソース/ドレーンPN接
合を順方向にバイアスさせてN型くぼみを充電する方法
を使用した。
ジスタを経て電源に入る電流のシンキングは上述のよう
な2個のトランジスタの積重ねを使用し、またプルアッ
プ・トランジスタの内の1個のソース/ドレーンPN接
合を順方向にバイアスさせてN型くぼみを充電する方法
を使用した。
しかし、出力電圧が低(なるとき、くぼみ内の電荷が電
源内に放電して電流のトランジェントを作る、という1
つの望ましからぬ結果を生じた。
源内に放電して電流のトランジェントを作る、という1
つの望ましからぬ結果を生じた。
第1図の回路の有利な特徴は、チップに余分なV dd
s電圧を要する見返りとして得られるが、これが1個の
ピンを意味するに過ぎないのは、この+5V入力には動
ローディングが存在しないからである。実際に、1つの
実施例では、他の目的(E S Dすなわち静電放電保
護の目的)でチップに+5V電圧が要求され、したがっ
て+5V電圧は少しも追加の重荷ではない。別法として
、充電ポンプを用いて■64.を内部発生することがで
きる。
s電圧を要する見返りとして得られるが、これが1個の
ピンを意味するに過ぎないのは、この+5V入力には動
ローディングが存在しないからである。実際に、1つの
実施例では、他の目的(E S Dすなわち静電放電保
護の目的)でチップに+5V電圧が要求され、したがっ
て+5V電圧は少しも追加の重荷ではない。別法として
、充電ポンプを用いて■64.を内部発生することがで
きる。
第1図の回路のもう1つの支障は、入力16からゲート
13に現われる駆動−ハイ電圧の断念がバス・トランジ
スタ25の存在および回路最適化のためのサイズ決定に
より遅延されることである。
13に現われる駆動−ハイ電圧の断念がバス・トランジ
スタ25の存在および回路最適化のためのサイズ決定に
より遅延されることである。
すなわち、入力16が低くなると、ゲート13はその断
念条件■443に進まなければならず、これは故意に小
さくされたトランジスタ18および25を通して節点1
3の放電を必要とする。もし節点13の電圧、駆動−ハ
イが節点14の駆動ローの主張前に断念されなければ、
大きな出力クロスオーバ電流が生じる。この実施例では
、このクロスオーバ電流を防止するために、節点13は
入力31および16をデータで駆動すべきすべてのマシ
ン・サイクルの始まる前に入力16を低くすることによ
って各駆動サイクル前に無条件に断念される。
念条件■443に進まなければならず、これは故意に小
さくされたトランジスタ18および25を通して節点1
3の放電を必要とする。もし節点13の電圧、駆動−ハ
イが節点14の駆動ローの主張前に断念されなければ、
大きな出力クロスオーバ電流が生じる。この実施例では
、このクロスオーバ電流を防止するために、節点13は
入力31および16をデータで駆動すべきすべてのマシ
ン・サイクルの始まる前に入力16を低くすることによ
って各駆動サイクル前に無条件に断念される。
当業者が提案すると思われるいくつかの実施例がある。
この実施例では、第3図から、もし第1図の回路を含む
チップが4つの位相φ3、φ2、φ3およびφ4を含み
かつ時間φ2の間に入力信号36が妥当でありかつ信号
39がハイであるならば、節点19は節点13および1
4を断念させるように、すなわち出力10を無条件3状
態にするように、各位相φ1の間ハイに駆動される。第
1図の駆動回路は、φ2の間妥当である節点34の電圧
により駆動される1対のバス・トランジスタ32および
33を含む。節点34のこの電圧がハイになると、Nチ
ャネル・トランジスタ33はターン・オンされるととも
に、Pチャネル・トランジスタ32もインバータ35を
介してターン・オンされ、NORゲート37およびNA
NDゲ−ト38の出力がラッチされる。節点360入カ
データはNORゲート37およびNANDゲート38を
経て回路に加えられる。節点39の出力使用可能信号は
、論理の「1」のレベル(本例では+3.3V)である
とき、NANDゲート38を使用可能にして入力36か
らのデータをバス・トランジスタ33を経てインバータ
15に加えさせ、また人力36のデータが節点16に加
えられ(反転され)るようにインバータ40を介してN
ORゲート37の入力で論理の「0」として現われる。
チップが4つの位相φ3、φ2、φ3およびφ4を含み
かつ時間φ2の間に入力信号36が妥当でありかつ信号
39がハイであるならば、節点19は節点13および1
4を断念させるように、すなわち出力10を無条件3状
態にするように、各位相φ1の間ハイに駆動される。第
1図の駆動回路は、φ2の間妥当である節点34の電圧
により駆動される1対のバス・トランジスタ32および
33を含む。節点34のこの電圧がハイになると、Nチ
ャネル・トランジスタ33はターン・オンされるととも
に、Pチャネル・トランジスタ32もインバータ35を
介してターン・オンされ、NORゲート37およびNA
NDゲ−ト38の出力がラッチされる。節点360入カ
データはNORゲート37およびNANDゲート38を
経て回路に加えられる。節点39の出力使用可能信号は
、論理の「1」のレベル(本例では+3.3V)である
とき、NANDゲート38を使用可能にして入力36か
らのデータをバス・トランジスタ33を経てインバータ
15に加えさせ、また人力36のデータが節点16に加
えられ(反転され)るようにインバータ40を介してN
ORゲート37の入力で論理の「0」として現われる。
節点39の出力使用可能電圧が論理の「0」であるとき
は、NANDゲート38の出力はハイであり、すなわち
インバータ15の出力はローであるが、NORゲート3
7の出力は(データ人力36にかかわらず)ローであり
、また節点13の駆動−ハイ電圧はハイであり、したが
って出力10は3状態になっている。こうして、全サイ
クルについて出力バッファ回路を3状態にするように、
出力使用可能節点39はφ2の間口−に駆動される。
は、NANDゲート38の出力はハイであり、すなわち
インバータ15の出力はローであるが、NORゲート3
7の出力は(データ人力36にかかわらず)ローであり
、また節点13の駆動−ハイ電圧はハイであり、したが
って出力10は3状態になっている。こうして、全サイ
クルについて出力バッファ回路を3状態にするように、
出力使用可能節点39はφ2の間口−に駆動される。
第1図の回路が+3.3vおよび+V5電圧源の使用に
関して説明されたが、言うまでもなく、本発明の特徴は
例えば+2.0 / + 3.3 Vまたは+2.5/
+5Vのような他の供給電圧の組合せに対しても適用す
ることができる。
関して説明されたが、言うまでもなく、本発明の特徴は
例えば+2.0 / + 3.3 Vまたは+2.5/
+5Vのような他の供給電圧の組合せに対しても適用す
ることができる。
本発明は特定の実施例について説明されたが、この説明
は制限の意味に解してはならない。本発明の開示された
実施例および他の実施例のいろいろな変形は、この説明
を参考として当業者にとって明らかであると思う。した
がって、特許請求の範囲は本発明の真の範囲に入るよう
な変形や組合せをすべて包含するものと考えられる。
は制限の意味に解してはならない。本発明の開示された
実施例および他の実施例のいろいろな変形は、この説明
を参考として当業者にとって明らかであると思う。した
がって、特許請求の範囲は本発明の真の範囲に入るよう
な変形や組合せをすべて包含するものと考えられる。
第1図は本発明の特徴を用いるCMO5出力バッファ回
路の電気接続図、第2図は第1図の回路の出力Pチャネ
ル・プルアップ・トランジスタを含む半導体チップの微
小部分の側断面図、第3図は第1図の回路に現われる信
号の電圧対時間の関係を示すタイミング図である。 符号の説明: 10.13.14.24.26.27.28.31.3
4−節点; 11、12、17、18、20、21、23.35.3
2.33・−トランジスタ 15.22.35.40−−一−ダイオード;15・・
−インバータ; 37.38・−ゲート; 19・−出力 36・−・入力 手 続 補 正 書く方式) 1、事件の表示 平成2年特許願第171306号 2、発明の名称 低電圧CMO3田カバツカバ ッファ正をする者 事件との関係
路の電気接続図、第2図は第1図の回路の出力Pチャネ
ル・プルアップ・トランジスタを含む半導体チップの微
小部分の側断面図、第3図は第1図の回路に現われる信
号の電圧対時間の関係を示すタイミング図である。 符号の説明: 10.13.14.24.26.27.28.31.3
4−節点; 11、12、17、18、20、21、23.35.3
2.33・−トランジスタ 15.22.35.40−−一−ダイオード;15・・
−インバータ; 37.38・−ゲート; 19・−出力 36・−・入力 手 続 補 正 書く方式) 1、事件の表示 平成2年特許願第171306号 2、発明の名称 低電圧CMO3田カバツカバ ッファ正をする者 事件との関係
Claims (20)
- (1)出力バッファ回路であって、 a)おのおのがソース・ドレーン通路とゲートとを有す
るNチャネル・プルダウン・トランジスタおよびPチャ
ネル・プルアップ・トランジスタと、 b)与えられた値の電圧源の両端に直列に接続されてい
るプルダウンおよびプルアップ・トランジスタのソース
・ドレーン通路、ならびにバッファ出力に接続されてい
る前記ソース・ドレーン通路間の出力節点と、 c)前記プルダウンおよびプルアップ・トランジスタの
前記ゲートに別々の論理入力を加える前記バッファ回路
用の論理入力装置と、 d)前記プルアップ・トランジスタと前記出力節点との
間に接続されたソース・ドレーン通路を有しかつ前記プ
ルアップ・トランジスタの前記ゲートに前記出力節点の
電圧を追従させるように与えられた値の前記電圧源に接
続されるゲートを有するPチャネル分路トランジスタと
、を含むことを特徴とする回路。 - (2)前記Pチャネル・プルアップ・トランジスタおよ
び前記Pチャネル分路トランジスタはおのおの前記与え
られた値の前記電圧源よりも高い値の電圧源に結合され
たN型くぼみを有し、それによって前記Pチャネル・ト
ランジスタのソースおよびドレーン領域のPN接合形の
順方向バイアスが回避されることを特徴とする請求項1
記載による回路。 - (3)前記入力論理装置は前記プルアップ・トランジス
タの前記ゲートを駆動するインバータと、前記インバー
タの電圧源に電流が流れ込まないようにプルアップ・ト
ランジスタの前記ゲートの過電圧を防止する装置とを含
む、ことを特徴とする請求項2記載による回路。 - (4)前記論理装置は第1および第2Nチャネル・トラ
ンジスタと第1Pチャネル・トランジスタとを有し、各
トランジスタはゲートを持ちかつすべてのトランジスタ
は与えられた値の前記電圧源の両端に直列に接続された
ソース・ドレーン通路を持ち、前記第1Nチャネルのソ
ース・ドレーン通路は前記プルアップ・トランジスタの
前記ゲートと基準電位との間に接続されている、ことを
特徴とする請求項1記載による回路。 - (5)論理電圧入力は前記第1Nチャネル・トランジス
タの前記ゲートに接続されるとともに、前記第1Pチャ
ネル・トランジスタの前記ゲートに接続される、ことを
特徴とする請求項4記載による回路。 - (6)前記第2Nチャネル・トランジスタの前記ゲート
は前記与えられた値よりも高い値の第2電圧源に接続さ
れる、ことを特徴とする請求項5記載による回路。 - (7)いずれも前記与えられた値よりも高い電圧源に接
続され、それによって前記ソース・ドレーン通路のPN
接合が前記出力節点の過電圧により順方向バイアスされ
るのが防止される、ことを特徴とする請求項1記載によ
る回路。 - (8)与えられた値の前記電圧源が約+3.3Vである
ことを特徴とする請求項1記載による回路。 - (9)前記与えられた値よりも高い値の前記電圧源が約
+5Vであることを特徴とする請求項7記載による回路
。 - (10)出力バッファ回路であって、 a)おのおのがソース・ドレーン通路およびゲートを有
する第1トランジスタならびに第2トランジスタと、 b)第1電圧源の両端に直列に接続されている第1およ
び第2トランジスタのソース・ドレーン通路、ならびに
バッファ出力に接続されている前記ソース・ドレーン通
路間の出力節点と、 c)前記第1および第2トランジスタの前記ゲートに別
々の論理入力を加える前記バッファ回路用の論理入力装
置と、 d)前記第2トランジスタの前記ゲートと前記出力節点
との間に接続されたソース・ドレーン通路を有しかつ与
えられた値の前記電圧源に接続されたゲートを有し、そ
れによって前記第2トランジスタの前記ゲートを前記出
力節点の過電圧に追従させる第3トランジスタと、 を含むことを特徴とする出力バッファ回路。 - (11)前記第3トランジスタは前記第2トランジスタ
と同じチャネル形を有し、かつ前記第1および第2トラ
ンジスタは反対のチャネル形を有する、ことを特徴とす
る請求項10記載による回路。 - (12)前記第1トランジスタはNチャネルであり、か
つ前記第2および第3トランジスタはPチャネルである
、ことを特徴とする請求項11記載による回路。 - (13)前記論理装置は前記第1トランジスタと同じチ
ャネル形の第4および第5トランジスタと前記第2トラ
ンジスタと同じチャネル形の第6トランジスタとを有す
る反転装置を含み、前記第4、第5および第6トランジ
スタはおのおの1個のゲートを有しかつこれらのトラン
ジスタはすべて与えられた値の前記電圧源の両端に直列
に接続されるソース・ドレーン通路を有し、前記第4ト
ランジスタの前記ソース・ドレーン通路は前記第2トラ
ンジスタの前記ゲートと基準電位との間に接続されてい
る、ことを特徴とする請求項10記載による回路。 - (14)論理回路は前記第4トランジスタの前記ゲート
にかつ前記第6トランジスタの前記ゲートに接続されて
いる、ことを特徴とする請求項13記載による回路。 - (15)前記第5トランジスタの前記ゲートは前記与え
られた値よりも高い値の第2電圧源に接続されている、
ことを特徴とする請求項14記載による回路。 - (16)前記第2および第3トランジスタはいずれも前
記与えられた値よりも高い電圧源に接続されたくぼみを
有し、それによって前記ソース・ドレーン通路のPN接
合が前記出力節点の過電圧によって順方向にバイアスさ
れるのが防止される、ことを特徴とする請求項10記載
による回路。 - (17)出力節点と、ゲートを有するとともに与えられ
た値の電圧源に前記出力節点を接続するソース・ドレー
ン通路を有するプルアップ・トランジスタと、前記ゲー
トを論理電圧で駆動する論理装置と、前記ゲートと前記
出力節点との間に接続されて前記ゲートを前記与えられ
た値より高い電圧まで前記出力節点の電圧に追従させ、
それによって前記プルアップ・トランジスタが前記電圧
源に電流を流し込むターン・オン状態になるのを防止す
る装置と、前記ソース・ドレーン通路のPM接合が前記
与えられた値よりも高い前記電圧により順方向バイアス
されるようになるのを防止する装置と、を含むことを特
徴とする回路。 - (18)前記ゲートと出力節点との間に接続された前記
装置はゲートが前記電圧源に接続されているトランジス
タのソース・ドレーン通路である、ことを特徴とする請
求項17記載による回路。 - (19)前記防止装置は前記ソース・ドレーン通路が前
記与えられた値よりも高い電圧に接続されて作られるく
ぼみを含む、ことを特徴とする請求項17記載による回
路。 - (20)前記論理装置は前記ゲートが前記与えられた値
よりも高い電圧であるときに、前記論理装置に接続され
た前記与えられた値の電圧源に電流が流れないようにす
る装置を含む、ことを特徴とする請求項17記載による
回路。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US07/372,670 US4963766A (en) | 1989-06-28 | 1989-06-28 | Low-voltage CMOS output buffer |
US372670 | 1989-06-28 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03116316A true JPH03116316A (ja) | 1991-05-17 |
JP2863817B2 JP2863817B2 (ja) | 1999-03-03 |
Family
ID=23469171
Family Applications (1)
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