JPH0322620A - 相補型misfet集積回路 - Google Patents

相補型misfet集積回路

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JPH0322620A
JPH0322620A JP1157693A JP15769389A JPH0322620A JP H0322620 A JPH0322620 A JP H0322620A JP 1157693 A JP1157693 A JP 1157693A JP 15769389 A JP15769389 A JP 15769389A JP H0322620 A JPH0322620 A JP H0322620A
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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〕 本発明は相補型MISFET集積回路に関し、特に相補
型レシオ回路を備えた相補型MISFET集積回路に関
する. 〔従来の技術〕 従来、相補型MISFET集積回路、例えばCMOS集
積回路の高速化手法の一つとして、PチャネルMOSF
ETを負荷とし、NチャネルMOSFETをドライバー
としたレシオ回路を用いることが知られている。
これは特に低電圧時には必須な手法である。
第4図はCMOS集積回路の一例の、PチャネルMOS
FETを負荷とし、NチャネルMOSFETをドライバ
ーとした相補型レシオ・イン,< ++夕回路図である
負荷であるPチャネルMOSFETMP..は、ゲート
が接地電位にバイアスされ、NチャネルMO S F 
E T M N 4rのゲートは入力電圧V ,N,が
加えられる。
とのレシオ・インバータは従来から知られているように
、出力■。。−r4の低レベル電圧の変動が大きいとい
う欠点がある。
その原因は、PチャネルMOSFETMP..およびN
チャネルM O S F E T M N s +のし
きい電圧のばらつき等のプロセス変動、および電源電圧
,温度の変動にある。
なぜなら、それらがPチャネルMOSFETMP41と
NチャネルM O S F E T M N s +と
の抵抗比を変化させてしまうからである。
この問題は、電気機器のポータブル化が進み、動作電源
電圧の低電圧化が図られると一層深刻な問題となる。
例えば、負荷のPチャネルMOSFETが飽和領域で動
作しているとすると、その電流値工,は、空乏近似によ
れば Ip=+βp (VDD Vot+y  I V?p 
I) ”, (V?P :PチャネルMOSFETのし
きい電圧、βP:比例係数) と表せるが、ここでIVtplの変動が一定であるとし
た時、■,の変動率はvnnの電位が低くなれば大きく
なることがわかる。これはvDつ自体について同様であ
る。
通常第4図に示されたレシオ・インバータの低レベル電
圧出力時には、低レベル電圧を十分低くとるため負荷の
PチャネルM O S F E T M P 41は飽
和領域で動作するように設計されるが、もし3極管特佳
領域で動作するように設計されても同様なことがいえる
明らかに、ここで述べた低レベル電圧の問題は、ドライ
バーであるNチャネルM O S F E T M N
 4、の電流駆動能力を十分に大きくとり、負荷のPチ
ャネルM O S F E T M P 4 sとのオ
ン抵抗比を十分に大きく取っておけば解決されるが、そ
れは必然的に低レベル出力状態から高レベル出力状態へ
の立上り速度の低下を招き、好ましい解決策ではない。
次に、第5図のレシオ・インバータは、第4図のレシオ
・インバータを変形したセルフ・バイアス増幅器型であ
る。
この場合、しきい電圧等のプロセス、電源電圧および温
度の変動による回路特性の不安定化で最?問題となるの
は電圧利得の変動である.増幅器の機能から電圧利得は
OdBより大きい必要があるが、一般にこの回路では電
圧利得を大きくすることと高速化とは相反する方向であ
り、通常高速化を優先して電圧利得は前述の変動の範囲
内で必要最小限な電圧利得が得られるように設計し、電
圧利得を大きくするには同様な増幅器を縦属接続して対
処する。
電圧利得を大きくすることと高速化とが相反する理由は
次のように説明される。
第5図のレシオ・インバータの動作速度を上げるために
は、当然立上り時の速度も上げる必要があるが、このた
めには出力を電源と接続している負荷のPチャネルMO
 S F E TMP s+の能力を上げる必要がある
。こうすることによりセルフ・バイアス電圧も上がり、
NチャネルMOSFETMNs+の能力も上がるため出
力を引き下げる速度も上昇する. しかし、このようにしてセルフ・バイアス電圧が上がる
と負荷のPチャネルMOSFETMP■は3極管特性領
域側に動作領域が移動するため、出力インピーダンスが
下がり電圧利得は低下してしまう. このように、第5図のレシオ・インバータでは、プロセ
ス,電源電圧および温度の変動の範囲内で必要な電圧利
得を確保するため、動作速度は犠牲にしなければならな
かった。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述した従来の相補型MISFET集積回路は、例えば
MOSFETのしきい電圧のばらつき等のプロセス変動
および電源電圧,温度の変動に対して、出力電圧や電圧
利得がばらつくため、これらを所定の範囲内の値とする
ために、動作速度からみると、必ずしも最適な設計とす
ることが出来ないという欠点がある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の相補型MISFET集積回路は、接地端子及び
出力端子間に接続されゲートに入力信号を入力する一導
電型のトランジスタと、電源端子及び前記出力端子間に
接続され所定のオン抵抗をもつ逆導電型の第1の負荷ト
ランジスタと、前記電源端子及び出力端子間に接続され
ゲートに検出電圧を入力してオン・オフする所定のオン
抵抗をもつ逆導電型の第2の負荷トランジスタとを備え
たインバータ回路と、動作電圧のレベルを検出してこの
レベルに応じた前記検出信号を出力する電圧検出回路と
を有している. 〔実施例〕 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
第1図は本発明の第1の実施例の回路図である.Nチャ
ネルMO S F E TMN u , PチャネルM
O S F E TMP rt , MP rsの3つ
のトランジスタによりPチャネルMO S F E T
MP +! , M P rsを負荷トランジスタとす
る相補型のレシオ・インバータlを構成している. PチャネルM O S F E T M P l !は
常に動作するわけではなく、電圧比較器CP+の出力に
よって制御されている. PチャネルMO S F E TMP ..及びNチャ
ネルM O S F E T M N + ,はゲート
がそれぞれ接地端子および電源端子(電圧VゎD)に接
続さているがその出力v1の電位は、PチャネルMOS
FETMPllを負荷トランジスタ、NチャネルMOS
F’ETMNrrをドライバーとした相補型のレシオ・
インバータを構或した時の出力低レベルの電位そのもの
となっている。すなわち、電圧比較器C P 1と共に
電圧検出回路2を形成する。
基準電圧■。2、は、レシオ・インバータ1の低レベル
電位として許される上限電位とする。これには所定の定
電圧源を利用すればよい。
次に、このような構或で何故従来より高速なPチャネル
MOSFETを負荷とする相補型のレシオ・インバータ
が得られるのか説明する。
第4図のような従来回路では、プロセス,電源電圧,温
度の変動範囲内でNチャネルMOSFETと比べて相対
的にPチャネルMOSFETの能力が最も高くなった場
合を悲定して、その時の低レベル出力電圧が許容値の上
限となるようにPチャネルMOSFETのサイズつまり
ゲート幅およびゲート長が決められる. 従って、−一般的には、低レベル出力電圧に対してはオ
ーバー・マージンとなり、逆に出力の立上り速度につい
ては必要以上に負荷のPチャネルMOSFETの能力を
低くしているために遅くしてしまっている。
しかし、本発明の構成では、低レベル出力電圧をPチャ
ネルMOSFETMP..,NチャネルMO S F 
E T M N 1rにより発生し、それと低レベル出
力電圧の上限電位である■。F1とを比較し、プロセス
,電源電圧,温度の変動によってPチャネルMOSFE
Tの能力がNチャネルMOSF’ETに対し相補的に高
くなり、低レベル出力電圧がVltl!Flより高くな
った場合には、比較器CPIの出力が高レベルとなりP
チャネルMOSFETMPuをオフすることによって低
レベル出力電圧を下げることが出来るため、Pチャネル
MOSFETの能力が低い場合にはPチャネルMOSF
’ETMP u , MP 1sの両方をオンとして従
来よりPチャネルMOSFETの能力を上げることが出
来る。
つまり本発明では、出力の立上り速度の最悪値を改善す
ることが出来るため、従来より相補型のレシオ・インバ
ータを高速化することが出来る。
尚、本発明でVmty+を厳密に低レベル出力電圧の上
限値に設定せずとも従来より高速な相補型のレシオ・イ
ンバータが得られることは明らかである。
本発明の高速化効果を調べるために、次のような条件で
試算してみる。
本発明は低電源電圧時により一層効果を発揮するので、
電源電圧は1vという低電圧と仮定する。
ページャ等では現在既にこのような電源電圧となってい
る孔乾電池1本での動作が要求される用途では当然この
ような低電圧を考えることになる。ここでは、Pチャネ
ルMOSFETのしきい電圧の変動を考えることとし、
そのばらつき幅は− 0. 4 Vから−〇. 7 V
であるとする。
すると、負荷のPチャネルMOSFETが飽和している
と仮定すると、空乏近似よりしきい値ぎ− 0. 4 
Vの時に流せる電流Ia4と−0.7■の時に流せる電
流工。,との比は、 Ia4  [0−VDD  (  0.4)]”(一1
+0.4)” 0.09 0.36 =0.25 となる。従って、従来のように常に負荷のPチャネルM
OSFETのサイズを一定としていると、PチャネルM
OSFETのしきい値が−0.7Vの時の立ち上がり速
度は−0.4vの時の174になってしまう。
よって、既に低レベル電圧の上限がPチャネルMOSF
ETのしきい値が−〇.4■の時に限界値になるように
設計されているとすると、立ち上がり速度の最悪値はこ
れ以上上げられない。
しかし、本発明ではPチャネルMOSFETMP lt
, MP 1mが同一のサイズであるとした時これらを
従来例の回路で設計した場合のPチャネルMOSFET
のサイズと同一とした場合、低レベル電圧の最悪値はP
チャネルM O S F E T M P l 2をオ
フすることにより従来例と同一としながら、Pチャネル
MOSFETのしきい値が−0.7■と大きい場合には
、PチャネルM O S F E T M P r t
もオンさせることにより、従来より2倍の立ち上がり速
度が得られる。
尚、本実施例では、低レベル電圧の参照回路として機能
しているPチャネルM O S F ET M P +
 I, NチャネルM O S F E T M N 
r sからなる回路を別に設けているが、レシオ・イン
バータ1を常時使用するのでなければ、使用していない
時に直接レシオ・インバータニの出力V。uTの低レベ
ルを調べることによって負荷トランジスタのPチャネル
MO S F ET M P l*を制御することも可
能である。
この場合にはもちろん、スイッチ等を追加する必要があ
る. 第2図は本発明の第2の実施例の回路図である。
第1の実施例が低レベル出力電圧の上限に対するチェッ
クしか行っていなかったのに対し、本実施例では基準電
圧VR11F2A# V。F21の電圧を異ならせるこ
とによりよりこまかく負荷トランジスタのPチャネルM
OSFETのサイズ(オン抵抗)を調整し、さらに高速
化を図ったものである。
20はクロックCK2により一定のシークエンスで電圧
比較器C P !A , C P 21の出力の状態を
順次調べることにより、オンさせるべきPチャネルMO
SFETを選択する負荷制御回路である。
第3図は本発明の第3の実施例の回路図である.本実施
例はレシオ・インバータl3をセルフ・バイアス増幅器
型にしたものである。
抵抗R,は十分に抵抗値の高い帰還抵抗である。
31はD/A変換器、32はA/D変換器である。
33はC Ksのクロックにより一定のシークエンスで
D/A変換器31を制御してその出力VS+を変化させ
なからPチャネルM O S P E T M P s
 sとNチャネルM O S F E T M N 3
 2からなるリファ?ンス用インバータの出力電圧■3
■を入力とするA/D変換器32の出力を調べることに
よってインバータの電圧利得を調べる利得判定器であり
、その利得に応じて負荷制御回路34はPチャネルM 
O S F E T M P 31のオン・オフを制御
する。
本実施例でも第1の実施例同様、負荷トランジスタのP
チャネルMOSFETの能力を調節することにより従来
より高速化できる。
尚、本実施例では電圧利得を直接測定しているが、一般
的にPチャネルMOSFETを負荷とする相補FJtの
レシオ・インバータの低レベル出力電圧とそれをセルフ
・バイアス増幅器として用いた時の電圧利得とは相関が
あるので、予め低レベル出力電圧と電圧利得との対応を
知ることにより、セレフ・バイアス増幅器の場合にも、
インバータとしての低レベル出力電圧の参照により第1
,第2の実施例と同様な方法で負荷トランジスタのPチ
ャネルMOSFETを制御してもよい。
〔発明の効果〕“ 以上説明したように本発明は、電圧検出回路により直接
または間接的にPチャネルMISFETを負荷とする相
補型レシオ回路の低レベル出力電圧または電圧利得等を
調べ、その値によって負荷トランジスタのサイズ(オン
抵抗)を調整する構或とすることにより、動作速度を従
来より高速化することができる゛効来がある。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 接地端子及び出力端子間に接続されゲートに入力信号を
    入力する一導電型のトランジスタと、電源端子及び前記
    出力端子間に接続され所定のオン抵抗をもつ逆導電型の
    第1の負荷トランジスタと、前記電源端子及び出力端子
    間に接続されゲートに検出電圧を入力してオン・オフす
    る所定のオン抵抗をもつ逆導電型の第2の負荷トランジ
    スタとを備えたインバータ回路と、製作電圧のレベルを
    検出してこのレベルに応じた前記検出信号を出力する電
    圧検出回路とを有することを特徴とする相補型MISF
    ET集積回路。
JP1157693A 1989-06-19 1989-06-19 相補型misfet集積回路 Expired - Fee Related JP2910058B2 (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000278098A (ja) * 1999-03-24 2000-10-06 Texas Instr Japan Ltd レシオ回路、ラッチ回路及びmosトランジスタ

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59111334U (ja) * 1983-12-26 1984-07-27 パイオニア株式会社 インバ−タ回路
JPS6399615A (ja) * 1986-10-16 1988-04-30 Fujitsu Ltd 半導体集積回路の出力回路

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