JPH04130816A - フリップフロップ回路 - Google Patents
フリップフロップ回路Info
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- JPH04130816A JPH04130816A JP2250170A JP25017090A JPH04130816A JP H04130816 A JPH04130816 A JP H04130816A JP 2250170 A JP2250170 A JP 2250170A JP 25017090 A JP25017090 A JP 25017090A JP H04130816 A JPH04130816 A JP H04130816A
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- channel mosfet
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- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
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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】
〔産業上の利用分野〕
マイクロプロセッサ等の順序回路システムにおける、フ
リップフロップの回路構成方法に関する。
リップフロップの回路構成方法に関する。
マイクロコンピュータの汎用レジスタ・ファイル等に用
いられるフリップフロップの回路例として、「合波講座
マイクロエレクトロニクス3゜VLSI(7)設計12
回路とレイアウトJ(1985年岩波書店発行)の第7
8頁に長時間レジスタの回路図が記載されている。この
回路は、2つのインバータによって閉ループを形成する
ことで長時間データを記憶できるレジスタである。デー
タをセットするときはパストランジスタ(NチャネルM
OSFET)を導通状態にして、入力データをインバー
タの閉ループに書き込む。
いられるフリップフロップの回路例として、「合波講座
マイクロエレクトロニクス3゜VLSI(7)設計12
回路とレイアウトJ(1985年岩波書店発行)の第7
8頁に長時間レジスタの回路図が記載されている。この
回路は、2つのインバータによって閉ループを形成する
ことで長時間データを記憶できるレジスタである。デー
タをセットするときはパストランジスタ(NチャネルM
OSFET)を導通状態にして、入力データをインバー
タの閉ループに書き込む。
上記従来技術の長時間レジスタを用いて、32ビツト×
nワード(nは整数)の汎用レジスタ・ファイルを構成
する場合、入力データをデータ保持回路に転送するパス
トランジスタ(NチャネルMOSFETで構成される)
のゲート入力は、通常、1ワード当たり1本の信号線で
制御される。
nワード(nは整数)の汎用レジスタ・ファイルを構成
する場合、入力データをデータ保持回路に転送するパス
トランジスタ(NチャネルMOSFETで構成される)
のゲート入力は、通常、1ワード当たり1本の信号線で
制御される。
信号線はその配線材料に導通性の良い金属材料を用いて
配線しても、その配線抵抗が存在する。また、パストラ
ンジスタのゲートはコンデンサと等価であるので、汎用
レジスタの1ワ一ド分は第2図に示した回路と等価であ
る。第2図の回路において、制御信号線のドライバ(バ
ッファ)から最も離れている位置のゲート入力信号は、
途中の配線に寄生する抵抗やコンデンサの影響で信号変
化が鈍くなる。第3図にその信号波形を示す。一方、N
チャネルMOSFETのしきい電圧は電源電圧の172
より接地電位に近い値であるので、第3図の様な信号波
形がゲート端子に入力されるとパストランジスタは、導
通状態から遮断状態になるタイミングが遅れてしまうと
いう問題点がある。
配線しても、その配線抵抗が存在する。また、パストラ
ンジスタのゲートはコンデンサと等価であるので、汎用
レジスタの1ワ一ド分は第2図に示した回路と等価であ
る。第2図の回路において、制御信号線のドライバ(バ
ッファ)から最も離れている位置のゲート入力信号は、
途中の配線に寄生する抵抗やコンデンサの影響で信号変
化が鈍くなる。第3図にその信号波形を示す。一方、N
チャネルMOSFETのしきい電圧は電源電圧の172
より接地電位に近い値であるので、第3図の様な信号波
形がゲート端子に入力されるとパストランジスタは、導
通状態から遮断状態になるタイミングが遅れてしまうと
いう問題点がある。
特に、制御信号のサイクル時間が高速なプロセッサにお
いては、完全に遮断状態になる前に入力データが変化し
てしまい、保持すべきデータが破壊されるという問題点
がある。
いては、完全に遮断状態になる前に入力データが変化し
てしまい、保持すべきデータが破壊されるという問題点
がある。
上記の問題点は、半導体の微細加工が進み、配線の線幅
が細くなると、配線抵抗が増大し、更に深刻になる。
が細くなると、配線抵抗が増大し、更に深刻になる。
また、同一のクロック信号で動作するシステム内に、N
ANDゲート等で構成されたフリップフロップを有する
場合、NANDゲートの入力論理しきい電圧は1通常、
電源電圧の1/2の近傍に設定されている。したがって
、NANDゲートで構成されたフリップフロップが導通
状態から遮断状態になるタイミングに比べ、上記汎用レ
ジスタ・ファイルのパストランジスタが、導通状態から
遮断状態になるタイミングが極端に遅くなり、クロック
のスキューが増大するという問題点がある。
ANDゲート等で構成されたフリップフロップを有する
場合、NANDゲートの入力論理しきい電圧は1通常、
電源電圧の1/2の近傍に設定されている。したがって
、NANDゲートで構成されたフリップフロップが導通
状態から遮断状態になるタイミングに比べ、上記汎用レ
ジスタ・ファイルのパストランジスタが、導通状態から
遮断状態になるタイミングが極端に遅くなり、クロック
のスキューが増大するという問題点がある。
そこで本発明の目的は、上記遮断状態への遷移を高速化
し、マシンサイクルの高速なマイクロプロセッサへ適用
可能なレジスタ・ファイルの回路を提供することにある
。
し、マシンサイクルの高速なマイクロプロセッサへ適用
可能なレジスタ・ファイルの回路を提供することにある
。
また、本発明の他の目的は、NANDゲート等で構成さ
れたフリップフロップとパストランジスタを用いたフリ
ップフロップを含む同期システムにおいて、フリップフ
ロップの入力信号が導通状態から遮断状態になるタイミ
ングのスキューを削減できるフリップフロップの回路を
提供することにある。
れたフリップフロップとパストランジスタを用いたフリ
ップフロップを含む同期システムにおいて、フリップフ
ロップの入力信号が導通状態から遮断状態になるタイミ
ングのスキューを削減できるフリップフロップの回路を
提供することにある。
上記目的を達成するために、入力データをデータ保持回
路に転送するパストランジスタ(NチャネルMOSFE
Tで構成される)のしきい電圧を、他のNチャネルMO
SFETのしきい電圧より高めに設定したものである。
路に転送するパストランジスタ(NチャネルMOSFE
Tで構成される)のしきい電圧を、他のNチャネルMO
SFETのしきい電圧より高めに設定したものである。
一方、上記のパストランジスタによってデータ保持回路
に転送された高レベル電圧は、NチャネルMOSFET
のしきい電圧分だけ低下することが知られている。そこ
で、この電圧低下分を考慮して、データ保持回路の入力
しきい電圧を低めに設定したものである。つまり、デー
タ保持回路を構成するインバータの接地側トランジスタ
の駆動能力(ゲート幅)を増大させたものである。
に転送された高レベル電圧は、NチャネルMOSFET
のしきい電圧分だけ低下することが知られている。そこ
で、この電圧低下分を考慮して、データ保持回路の入力
しきい電圧を低めに設定したものである。つまり、デー
タ保持回路を構成するインバータの接地側トランジスタ
の駆動能力(ゲート幅)を増大させたものである。
さらにまた、NANDゲート等で構成されたフリップフ
ロップとのタイミングのスキューを削減するため、NA
NDゲート等で構成されたフリップフロップのクロック
入力端子の入力信号しきい電圧を他の入力端子の入力信
号しきい電圧より、低めに設定したものである。つまり
、クロック信号が接続されているMOSFETの内、接
地側トランジスタの駆動能力(ゲート幅)を増大させた
ものである。
ロップとのタイミングのスキューを削減するため、NA
NDゲート等で構成されたフリップフロップのクロック
入力端子の入力信号しきい電圧を他の入力端子の入力信
号しきい電圧より、低めに設定したものである。つまり
、クロック信号が接続されているMOSFETの内、接
地側トランジスタの駆動能力(ゲート幅)を増大させた
ものである。
パストランジスタ(NチャネルMOSFET)で入力デ
ータをデータ保持回路に転送するフリップフロップにお
いて、上記パストランジスタ(NチャネルMOSFET
)のゲート入力信号が第3図のように立ち下がり動作の
鈍い信号であっても、パストランジスタ(NチャネルM
OSFET)のしきい電圧を、他のNチャネルMOSF
ETのしきい電圧より高めに設定しであるので、ゲート
入力信号がパストランジスタのしきい電圧に達するのが
早まる。それによって、パストランジスタが早めに導通
状態から遮断状態に切り替わるので、次の入力データに
よって、保持すべきデータを破壊することを回避するこ
とができ、誤動作することがない。
ータをデータ保持回路に転送するフリップフロップにお
いて、上記パストランジスタ(NチャネルMOSFET
)のゲート入力信号が第3図のように立ち下がり動作の
鈍い信号であっても、パストランジスタ(NチャネルM
OSFET)のしきい電圧を、他のNチャネルMOSF
ETのしきい電圧より高めに設定しであるので、ゲート
入力信号がパストランジスタのしきい電圧に達するのが
早まる。それによって、パストランジスタが早めに導通
状態から遮断状態に切り替わるので、次の入力データに
よって、保持すべきデータを破壊することを回避するこ
とができ、誤動作することがない。
また、データ保持回路を構成するインバータの接地側ト
ランジスタの駆動能力(ゲート幅)を増大させであるの
で、データ保持回路の入力しきい電圧が低めに設定され
ている。それによって、NチャネルMOSFETのしき
い電圧分だけ低下している入力の高レベル電圧を、確実
に高レベル電圧として保持することができ、誤動作を防
止することができる。つまり、パストランジスタによっ
てデータ保持回路に転送された高レベル電圧を、確実に
高レベル電圧として保持することができるようになる。
ランジスタの駆動能力(ゲート幅)を増大させであるの
で、データ保持回路の入力しきい電圧が低めに設定され
ている。それによって、NチャネルMOSFETのしき
い電圧分だけ低下している入力の高レベル電圧を、確実
に高レベル電圧として保持することができ、誤動作を防
止することができる。つまり、パストランジスタによっ
てデータ保持回路に転送された高レベル電圧を、確実に
高レベル電圧として保持することができるようになる。
さらにまた、NANDゲート等で構成されたフリップフ
ロップとパストランジスタを用いたフリップフロップを
共に含む同期システムにおいて、NANDゲート等で構
成されたフリップフロップのクロック信号が接続されて
いるMOSFETの内、接地側トランジスタの駆動能力
(ゲート幅)を増大させであるので、クロック入力端子
の入力信号しきい電圧は、他の入力端子の入力信号しき
い電圧(通常、電源電圧の1/2程度)より低めになり
、低い電圧でフリップフロップを導通状態から遮断状態
に遷移することができる。それによって、NANDゲー
ト等で構成されたフリップフロップの状態遷移タイミン
グを、パストランジスタを用いたフリップフロップの状
態遷移タイミングと同程度に遅らせることができるので
、上記2種類のフリップフロップの状態遷移タイミング
のスキューを削減することが可能になり、タイミングス
キューによる誤動作を回避することができる。
ロップとパストランジスタを用いたフリップフロップを
共に含む同期システムにおいて、NANDゲート等で構
成されたフリップフロップのクロック信号が接続されて
いるMOSFETの内、接地側トランジスタの駆動能力
(ゲート幅)を増大させであるので、クロック入力端子
の入力信号しきい電圧は、他の入力端子の入力信号しき
い電圧(通常、電源電圧の1/2程度)より低めになり
、低い電圧でフリップフロップを導通状態から遮断状態
に遷移することができる。それによって、NANDゲー
ト等で構成されたフリップフロップの状態遷移タイミン
グを、パストランジスタを用いたフリップフロップの状
態遷移タイミングと同程度に遅らせることができるので
、上記2種類のフリップフロップの状態遷移タイミング
のスキューを削減することが可能になり、タイミングス
キューによる誤動作を回避することができる。
以下、本発明の一実施例を囚を用いて説明する。
第1図は本発明の一実施例である汎用レジスタファイル
の2ワ一ド分と制御回路中のフリップフロップの回路構
成図である。上記の汎用レジスタファイルおよびフリッ
プフロップは、マイクロプロセッサ等を構成する要素回
路の一部である。
の2ワ一ド分と制御回路中のフリップフロップの回路構
成図である。上記の汎用レジスタファイルおよびフリッ
プフロップは、マイクロプロセッサ等を構成する要素回
路の一部である。
回路101から132及び201から232は、それぞ
れ1ビツトの情報を保持するフリップフロップであり、
フリップフロップ101から132の32ビツトで1ワ
ードを、また、フリップフロップ201から232の3
2ビツトで別の1ワードを構成している。
れ1ビツトの情報を保持するフリップフロップであり、
フリップフロップ101から132の32ビツトで1ワ
ードを、また、フリップフロップ201から232の3
2ビツトで別の1ワードを構成している。
フリップフロップ101から232の内部は、Nチャネ
/L/MOSFET301,305とインバータ302
,303,304から構成されている。
/L/MOSFET301,305とインバータ302
,303,304から構成されている。
インバータ302及び303はそれぞれの入力端子と出
力端子を相互に接続してループを構成し、1ビツトの情
報を保持する。NチャネルMOSFET301は制御信
号310がハイレベルのとき、インバー9)I/−プ3
02,303に入力データ311を転送する。また、N
チャネルMOSFET305は制御信号312がハイレ
ベルのとき、インバータループ302,303に保持し
ていたデータを出力信号線313へ送出する。
力端子を相互に接続してループを構成し、1ビツトの情
報を保持する。NチャネルMOSFET301は制御信
号310がハイレベルのとき、インバー9)I/−プ3
02,303に入力データ311を転送する。また、N
チャネルMOSFET305は制御信号312がハイレ
ベルのとき、インバータループ302,303に保持し
ていたデータを出力信号線313へ送出する。
各ビットのフリップフロップはそれぞれビット位置ごと
に、書き込みデータバス401から432及び読み出し
データバス501から532に接続している。また、ワ
ードごとに、書き込み制御線601.602及び読み出
し制御線701,702に接続している。つまり、フリ
ップフロップ101から132の入力データ線311は
、それぞれ書き込みデータバス401から432に接続
し、出力信号線313はそれぞれ、読み出しデータバス
501から532に接続し、制御信号線310及び31
2はそれぞれ書き込み制御信号線601及び読み出し制
御信号線701に接続している。また、フリップフロッ
プ201から232の入力データ線311は、それぞれ
書き込みデータバス401から432に接続し、出力信
号線313はそれぞれ、読み出しデータバス501から
532に接続し、制御信号線310及び312はそれぞ
れ書き込み制御信号線602及び読み出し制御信号線7
02に接続している。
に、書き込みデータバス401から432及び読み出し
データバス501から532に接続している。また、ワ
ードごとに、書き込み制御線601.602及び読み出
し制御線701,702に接続している。つまり、フリ
ップフロップ101から132の入力データ線311は
、それぞれ書き込みデータバス401から432に接続
し、出力信号線313はそれぞれ、読み出しデータバス
501から532に接続し、制御信号線310及び31
2はそれぞれ書き込み制御信号線601及び読み出し制
御信号線701に接続している。また、フリップフロッ
プ201から232の入力データ線311は、それぞれ
書き込みデータバス401から432に接続し、出力信
号線313はそれぞれ、読み出しデータバス501から
532に接続し、制御信号線310及び312はそれぞ
れ書き込み制御信号線602及び読み出し制御信号線7
02に接続している。
書き込み制御縁601はANDゲート611によって、
書き込み指示信号621とクロック信号(φ)600と
の論理積によって生成される。同様に、書き込み制御線
602はANDゲート612によって、書き込み指示信
号622とクロック信号(φ)600との論理積によっ
て生成される。
書き込み指示信号621とクロック信号(φ)600と
の論理積によって生成される。同様に、書き込み制御線
602はANDゲート612によって、書き込み指示信
号622とクロック信号(φ)600との論理積によっ
て生成される。
図には示してないが、書き込み指示信号621及び62
2は、マイクロプロセッサの動作を指示する命令コード
の一部を解読することにより、生成されている。
2は、マイクロプロセッサの動作を指示する命令コード
の一部を解読することにより、生成されている。
書き込み制御線601,602及び読み出し制御線70
1,702は、それぞれ1本の信号線に32個のNチャ
ネルMOSFETが接続している。
1,702は、それぞれ1本の信号線に32個のNチャ
ネルMOSFETが接続している。
各ビットのNチャネルMOSFETの間を接続する配線
には、電導性の良い金属配線が使われているが、それで
も若干の配線抵抗がある。また、各ビットにおいて上記
の制御線はMOSFETのゲート端子に接続しており、
MOSFETのゲート端子は他の端子(ソース、ドレイ
ン、基板)との間では、コンデンサと見做すことができ
るので、1本の制御線は、第2図に示した回路と等価で
ある。第2図において、800は制御信号線のドライバ
ゲートであり、801から831はMOSFETのゲー
ト端子の寄生容量の等価コンデンサ、832は制御信号
線のドライバゲートから最も遠方にあるビット132の
NチャネルMOSFET301゜841から872は各
ビットのNチャネルMOSFETの間を接続する配線の
配線抵抗である。
には、電導性の良い金属配線が使われているが、それで
も若干の配線抵抗がある。また、各ビットにおいて上記
の制御線はMOSFETのゲート端子に接続しており、
MOSFETのゲート端子は他の端子(ソース、ドレイ
ン、基板)との間では、コンデンサと見做すことができ
るので、1本の制御線は、第2図に示した回路と等価で
ある。第2図において、800は制御信号線のドライバ
ゲートであり、801から831はMOSFETのゲー
ト端子の寄生容量の等価コンデンサ、832は制御信号
線のドライバゲートから最も遠方にあるビット132の
NチャネルMOSFET301゜841から872は各
ビットのNチャネルMOSFETの間を接続する配線の
配線抵抗である。
上記第2図の等価回路のMOSFET832のゲートに
入力される信号は、途中にある寄生容量のコンデンサを
配線抵抗を通して充放電する必要があるので、その信号
波形は極端に鈍ることがある。第3図に配線抵抗と寄生
容量を考慮した際の信号波形を示す。バッファ800の
入力端子にステップ関数的な信号波形が入力されても、
配線抵抗と寄生容量によって、MOSFET83−2の
ゲートに入力される信号は第3図のように鈍った信号に
なってしまう。一方、NチャネルMOSFETのしきい
電圧は、通常、電源電圧の172より、接地電位に近い
値(Vtn)に設定しである。そのため、第3図のよう
に鈍った信号がNチャネルMOSFETのゲートに印加
されると、ゲート信号の立ち上がり波形は急峻であるの
で、遮断状態から導通状態になるタイミングは問題ない
が、ゲート信号の立ち下がり波形は鈍っているので、導
通状態から遮断状態になるタイミングが大きく遅れてし
まう。しかし本発明によれば、MOSFET832のし
きい電圧は、通常のNチャネルMOSFETのしきい電
圧より高め(Vtnh)に設定されているので、導通状
態から遮断状態になるタイミングを早めることができる
。特に、ゲート信号の立ち下がり波形が第3図のように
鈍っているので、しきい電圧のシフトによる遮断タイミ
ングの改善には大きな効果がある。
入力される信号は、途中にある寄生容量のコンデンサを
配線抵抗を通して充放電する必要があるので、その信号
波形は極端に鈍ることがある。第3図に配線抵抗と寄生
容量を考慮した際の信号波形を示す。バッファ800の
入力端子にステップ関数的な信号波形が入力されても、
配線抵抗と寄生容量によって、MOSFET83−2の
ゲートに入力される信号は第3図のように鈍った信号に
なってしまう。一方、NチャネルMOSFETのしきい
電圧は、通常、電源電圧の172より、接地電位に近い
値(Vtn)に設定しである。そのため、第3図のよう
に鈍った信号がNチャネルMOSFETのゲートに印加
されると、ゲート信号の立ち上がり波形は急峻であるの
で、遮断状態から導通状態になるタイミングは問題ない
が、ゲート信号の立ち下がり波形は鈍っているので、導
通状態から遮断状態になるタイミングが大きく遅れてし
まう。しかし本発明によれば、MOSFET832のし
きい電圧は、通常のNチャネルMOSFETのしきい電
圧より高め(Vtnh)に設定されているので、導通状
態から遮断状態になるタイミングを早めることができる
。特に、ゲート信号の立ち下がり波形が第3図のように
鈍っているので、しきい電圧のシフトによる遮断タイミ
ングの改善には大きな効果がある。
なお、NチャネルMOSFETのしきい電圧を高めに設
定することは、MOSFETのゲート領域の基板のごく
表面層だけにボロン(B)等のイオンを打ち込むことに
より、容易に実現できる。
定することは、MOSFETのゲート領域の基板のごく
表面層だけにボロン(B)等のイオンを打ち込むことに
より、容易に実現できる。
第4図はインバータの構成を示した回路図である。Pチ
ャネルMOSFET41とNチャネルMOSFET42
から構成されている。一般にインバータ40の入力しき
い電圧は電源電圧の1/2に設定されている。これはP
チャネルMOSFET41とNチャネルMOSFET4
2のゲート幅を調整することにより達成されている。例
えば、PチャネルMOSFET41とNチャネルMOS
FET42のゲート長がともに1μm程度である場合は
、PチャネルMOSFET41のゲート幅を10μm程
度にし、NチャネルMOSFET42のゲート幅を5μ
m程度にすることにより、インバータ40の入力しきい
電圧を電源電圧の1/2に設定することができる。
ャネルMOSFET41とNチャネルMOSFET42
から構成されている。一般にインバータ40の入力しき
い電圧は電源電圧の1/2に設定されている。これはP
チャネルMOSFET41とNチャネルMOSFET4
2のゲート幅を調整することにより達成されている。例
えば、PチャネルMOSFET41とNチャネルMOS
FET42のゲート長がともに1μm程度である場合は
、PチャネルMOSFET41のゲート幅を10μm程
度にし、NチャネルMOSFET42のゲート幅を5μ
m程度にすることにより、インバータ40の入力しきい
電圧を電源電圧の1/2に設定することができる。
インバータ302のPチャネル間O8FETのゲート幅
は5μm、NチャネルMOSFETのゲート幅を15μ
mであり、入力しきい電圧は低い値に設定されている。
は5μm、NチャネルMOSFETのゲート幅を15μ
mであり、入力しきい電圧は低い値に設定されている。
インバータ3o3のPチャネル間O8FETのゲート幅
は2μm、NチャネルMOSFETのゲート幅を1μm
であり、入力のしきい電圧は通常の値に設定されている
。また、両方のMOSFETのゲート幅をともに小さく
しているので、ドライバビリティが小さく、Nチャネル
MOS FET301の転送データを優先してラッチす
ることができる。
は2μm、NチャネルMOSFETのゲート幅を1μm
であり、入力のしきい電圧は通常の値に設定されている
。また、両方のMOSFETのゲート幅をともに小さく
しているので、ドライバビリティが小さく、Nチャネル
MOS FET301の転送データを優先してラッチす
ることができる。
NチャネルMOSFET301のゲート幅は10μmで
あり、ON抵抗が低くなるように設定されている。また
、MOSFETのゲート領域の基板のごく表面層だけに
ボロン(B)等のイオンを打ち込まれており、しきい電
圧が高めに設定されている。
あり、ON抵抗が低くなるように設定されている。また
、MOSFETのゲート領域の基板のごく表面層だけに
ボロン(B)等のイオンを打ち込まれており、しきい電
圧が高めに設定されている。
NチャネルMOSFET305のゲート幅は5μmであ
り、MOSFET301と同様に、しきい電圧が高めに
設定されている。
り、MOSFET301と同様に、しきい電圧が高めに
設定されている。
インバータ304のPチャネルMOSFETのゲート幅
は25μm、NチャネルMOSFETのゲート幅を25
μmであり、出力信号に強力なドライブ能力を持たせて
いる。
は25μm、NチャネルMOSFETのゲート幅を25
μmであり、出力信号に強力なドライブ能力を持たせて
いる。
NチャネルMOSFETをパストランジスタに使った場
合、ハイレベル信号を伝達するとき、出力信号Vout
は、ゲート電圧をVgs、シきい電圧をVtnとすると
、 Vout= Vgs −Vtn (なお、NチャネルMOSFETは導通状態であるので
、V gs = V cc ) となり、出力電圧が低下することが広く知られている。
合、ハイレベル信号を伝達するとき、出力信号Vout
は、ゲート電圧をVgs、シきい電圧をVtnとすると
、 Vout= Vgs −Vtn (なお、NチャネルMOSFETは導通状態であるので
、V gs = V cc ) となり、出力電圧が低下することが広く知られている。
本発明によれば、NチャネルMOSFET301のしき
い電圧を高め(Vtnh)Vtn)に設定しているので
、上記の出力電圧の低下がさらに大きくなる。したがっ
て、Voutはローレベルのとき、Oボルト。ハイレベ
ルのとき、(VCe −V tnh )ボルトとなり、
出力電圧の範囲が狭く且つ低くなる。しかし本発明によ
れば、パストランジスタの出力を受けるインバータ30
2の入力しきい電圧は、通常のしきい電圧であるVcc
/2ボルトより、低く設定されており、(Vcc −V
tnh)/ 2ボルトに設定されているので、上記のよ
うに、パストランジスタの出力電圧が(Vcc −Vt
nh)ボルトまでしか上昇しなくても、確実にハイレベ
ルといって認識することができ、誤動作を起こすことが
ない。
い電圧を高め(Vtnh)Vtn)に設定しているので
、上記の出力電圧の低下がさらに大きくなる。したがっ
て、Voutはローレベルのとき、Oボルト。ハイレベ
ルのとき、(VCe −V tnh )ボルトとなり、
出力電圧の範囲が狭く且つ低くなる。しかし本発明によ
れば、パストランジスタの出力を受けるインバータ30
2の入力しきい電圧は、通常のしきい電圧であるVcc
/2ボルトより、低く設定されており、(Vcc −V
tnh)/ 2ボルトに設定されているので、上記のよ
うに、パストランジスタの出力電圧が(Vcc −Vt
nh)ボルトまでしか上昇しなくても、確実にハイレベ
ルといって認識することができ、誤動作を起こすことが
ない。
読み出し制御線701,702は、マイクロプロセッサ
の動作を指示する命令コードの一部を解読することによ
り生成されている。通常1サイクルの間、どちらか一方
の信号がハイレベルになっており、サイクルの切れ目で
切り替わる信号である。したがって、両方の信号が長時
間、共にハイレベルになることはない。しかし、読み出
し制御線701,702は、書き込み信号線601゜6
02と同様に、−本の信号線に32個のNチャネルMO
SFETが接続しているので、信号線のバッファから最
も遠い位置にあるビットの入力信号波形は、第3図と同
様の信号波形になる。そのため、読み出し制御線701
.702が切り替わる瞬間において1両方の信号の電圧
レベルが共にNチャネルMOSFETのしきい電圧より
高くなることがある。この時、2つのレジスタから出力
されるデータが異なる場合、読み出しデータバス401
から432において、データの衝突が発生し、正確な出
力データが確定するのに、長い時間を必要とする。しか
し本実施例によれば、データ出力用のNチャネルMOS
FET305も、データ書き込み用NチャネルMOSF
ET301と同様に、しきい電圧が高めに設定されてい
るので、出力を禁止すべきレジスタのデータ出力用のN
チャネルMOSFET305は、早めに遮断状態になる
、それによって、出力データの衝突時間が短縮され、高
速に正確な出力データを確定することが可能になる。
の動作を指示する命令コードの一部を解読することによ
り生成されている。通常1サイクルの間、どちらか一方
の信号がハイレベルになっており、サイクルの切れ目で
切り替わる信号である。したがって、両方の信号が長時
間、共にハイレベルになることはない。しかし、読み出
し制御線701,702は、書き込み信号線601゜6
02と同様に、−本の信号線に32個のNチャネルMO
SFETが接続しているので、信号線のバッファから最
も遠い位置にあるビットの入力信号波形は、第3図と同
様の信号波形になる。そのため、読み出し制御線701
.702が切り替わる瞬間において1両方の信号の電圧
レベルが共にNチャネルMOSFETのしきい電圧より
高くなることがある。この時、2つのレジスタから出力
されるデータが異なる場合、読み出しデータバス401
から432において、データの衝突が発生し、正確な出
力データが確定するのに、長い時間を必要とする。しか
し本実施例によれば、データ出力用のNチャネルMOS
FET305も、データ書き込み用NチャネルMOSF
ET301と同様に、しきい電圧が高めに設定されてい
るので、出力を禁止すべきレジスタのデータ出力用のN
チャネルMOSFET305は、早めに遮断状態になる
、それによって、出力データの衝突時間が短縮され、高
速に正確な出力データを確定することが可能になる。
なお、読み出しデータバス401から432上のデータ
においても、NチャネルN0SFET301の転送デー
タと同様に、NチャネルMOSFETをパストランジス
タに使った際の出力電圧の低下がある。そこで、読み出
しデータバス401から432上のデータを受は取るゲ
ートは、インバータ302と同様に、入力しきい電圧を
通常より低めの、(Vcc −Vtnh)/ 2ボルト
に設定する必要がある。
においても、NチャネルN0SFET301の転送デー
タと同様に、NチャネルMOSFETをパストランジス
タに使った際の出力電圧の低下がある。そこで、読み出
しデータバス401から432上のデータを受は取るゲ
ートは、インバータ302と同様に、入力しきい電圧を
通常より低めの、(Vcc −Vtnh)/ 2ボルト
に設定する必要がある。
第1図において900は、制御回路中の状態を保持する
フリップフロップである。フリップフロップ900は、
インバータ901及びNANDゲート902から905
より構成されている。
フリップフロップである。フリップフロップ900は、
インバータ901及びNANDゲート902から905
より構成されている。
インバータ901は第4図のように、PチャネルMOS
FET41とNチャネルMOSFET42から構成され
ている。インバータ901のPチャネルMOSFETの
ゲート幅は2μm、NチャネルMOSFETのゲート幅
を1μmであり、入力のしきい電圧は通常の値(Vcc
/2)に設定されている。
FET41とNチャネルMOSFET42から構成され
ている。インバータ901のPチャネルMOSFETの
ゲート幅は2μm、NチャネルMOSFETのゲート幅
を1μmであり、入力のしきい電圧は通常の値(Vcc
/2)に設定されている。
第5図にNANDゲートの回路構成を示す。Pチャネル
MOSFET51.52とNチャネルMOSFET53
.54から構成されている。
MOSFET51.52とNチャネルMOSFET53
.54から構成されている。
NANDゲート904と905は同じ内部構成であり、
PチャネルMOSFET51.52及びNチャネルMO
SFET53.54はともに、ゲート幅は5μmであり
、入力のしきい電圧は通常の値(Vcc/2)に設定さ
れている。
PチャネルMOSFET51.52及びNチャネルMO
SFET53.54はともに、ゲート幅は5μmであり
、入力のしきい電圧は通常の値(Vcc/2)に設定さ
れている。
NANDゲート902と903は同じ内部構成であり、
PチャネルMOSFET51.52及びNチャネルMO
SFET53はともに、ゲート幅は5μmであり、Nチ
ャネルMOSFET54のゲート幅は20μmである。
PチャネルMOSFET51.52及びNチャネルMO
SFET53はともに、ゲート幅は5μmであり、Nチ
ャネルMOSFET54のゲート幅は20μmである。
したがって、IN2端子の入力しきい電圧は通常の値(
Vcc/2)に設定されているが、クロック信号(φ)
906が接続されるINI端子の入力しきい電圧は通常
の値より、低め(Vtnh)に設定されている。
Vcc/2)に設定されているが、クロック信号(φ)
906が接続されるINI端子の入力しきい電圧は通常
の値より、低め(Vtnh)に設定されている。
フリップフロップ900は、クロック信号(φ)906
がハイレベルのとき、入力信号907を正極性出力端子
(Q)908に伝達し、負極性出力端子(QN)909
へは入力信号907の反転信号を伝達する(導通状態)
。クロック信号(φ)906がローレベルになると、フ
リップフロップ900は、クロック信号(φ)9o6が
ローレベルに変化したときに出力端子に伝達していた値
を保持し続ける(遮断状態)。したがって、フリップフ
ロップ900は、レジスタファイルのフリップフロップ
101と同様に、クロック信号(φ)906の立ち下が
りエツジでデータをラッチするフリップフロップである
。
がハイレベルのとき、入力信号907を正極性出力端子
(Q)908に伝達し、負極性出力端子(QN)909
へは入力信号907の反転信号を伝達する(導通状態)
。クロック信号(φ)906がローレベルになると、フ
リップフロップ900は、クロック信号(φ)9o6が
ローレベルに変化したときに出力端子に伝達していた値
を保持し続ける(遮断状態)。したがって、フリップフ
ロップ900は、レジスタファイルのフリップフロップ
101と同様に、クロック信号(φ)906の立ち下が
りエツジでデータをラッチするフリップフロップである
。
クロック信号(φ)906はレジスタファイルの書き込
みタイミングを決定するクロック信号(φ)600をバ
ッファ910で増幅した信号である。図には示していな
いが、クロック信号(φ)906も、書き込み制御線6
01.602と同様に、複数のフリップフロップ900
が接続している。したがって、バッファ910から最も
離れて配線されたフリップフロップのクロック信号は、
書き込み制御線601,602と同様に、第3図に示し
たような信号波形になる。本発明によれば、フリップフ
ロップ900のクロック入力端子の入力しきい電圧は、
レジスタファイルの書き込み制御線のしきい電圧と同じ
、 Vtnhボルトに設定されているので、フリップフ
ロップ900が導通状態から遮断状態になるタイミング
は、レジスタファイルのフリップフロップ101が導通
状態から遮断状態になるタイミングと同一になる。した
がって、同一のクロック信号(φ)によって、データを
ラッチする複数のフリップフロップにおいて、データを
ラッチするタイミングのスキューを削減することができ
る。
みタイミングを決定するクロック信号(φ)600をバ
ッファ910で増幅した信号である。図には示していな
いが、クロック信号(φ)906も、書き込み制御線6
01.602と同様に、複数のフリップフロップ900
が接続している。したがって、バッファ910から最も
離れて配線されたフリップフロップのクロック信号は、
書き込み制御線601,602と同様に、第3図に示し
たような信号波形になる。本発明によれば、フリップフ
ロップ900のクロック入力端子の入力しきい電圧は、
レジスタファイルの書き込み制御線のしきい電圧と同じ
、 Vtnhボルトに設定されているので、フリップフ
ロップ900が導通状態から遮断状態になるタイミング
は、レジスタファイルのフリップフロップ101が導通
状態から遮断状態になるタイミングと同一になる。した
がって、同一のクロック信号(φ)によって、データを
ラッチする複数のフリップフロップにおいて、データを
ラッチするタイミングのスキューを削減することができ
る。
本発明は、以上説明したように構成されているので以下
に記載されるような効果を奏する。
に記載されるような効果を奏する。
レジスタファイルのフリップフロップにおいて、入力デ
ータをデータ保持回路に転送するパストランジスタ(N
チャネルMOSFETで構成される)のしきい電圧を、
他のNチャネルMOSFETのしきい電圧より高めに設
定しであるので、パストランジスタの遮断状態への遷移
を高速化できる。
ータをデータ保持回路に転送するパストランジスタ(N
チャネルMOSFETで構成される)のしきい電圧を、
他のNチャネルMOSFETのしきい電圧より高めに設
定しであるので、パストランジスタの遮断状態への遷移
を高速化できる。
それによって、マシンサイクルの高速なマイクロプロセ
ッサへ適用可能なレジスタ・ファイルの回路を実現する
ことができる。
ッサへ適用可能なレジスタ・ファイルの回路を実現する
ことができる。
また、上記レジスタファイルのフリップフロップにおい
て、データ保持回路を構成するインバータの接地側トラ
ンジスタの駆動能力(ゲート幅)を増大させであるので
、データ保持回路の入力しきい電圧が低めに設定されて
いる。それによって、NチャネルMOSFETのしきい
電圧分だけ低下している入力の高レベル電圧を、確実に
高レベル電圧として保持することができ、誤動作を防止
することができる。つまり、パストランジスタによって
データ保持回路に転送された高レベル電圧を、確実に高
レベル電圧として保持することができるようになる。
て、データ保持回路を構成するインバータの接地側トラ
ンジスタの駆動能力(ゲート幅)を増大させであるので
、データ保持回路の入力しきい電圧が低めに設定されて
いる。それによって、NチャネルMOSFETのしきい
電圧分だけ低下している入力の高レベル電圧を、確実に
高レベル電圧として保持することができ、誤動作を防止
することができる。つまり、パストランジスタによって
データ保持回路に転送された高レベル電圧を、確実に高
レベル電圧として保持することができるようになる。
さらにまた、NANDゲート等で構成されたフリップフ
ロップ(主に、制御回路中で使用される)とパストラン
ジスタを用いたフリップフロップ(主に、レジスタファ
イルとして使用される)を共に含む同期システムにおい
て、NANDゲート等で構成されたフリップフロップの
クロック信号が接続されているMOSFETの内、接地
側トランジスタの駆動能力(ゲート幅)を増大させであ
るので、クロック入力端子の入力信号しきい電圧は、他
の入力端子の入力信号しきい電圧(通常、電源電圧の1
72程度)より低めになり、低い電圧でフリップフロッ
プを導通状態から遮断状態に遷移することができる。そ
れによって、NANDゲート等で構成されたフリップフ
ロップの状態遷移タイミングを、パストランジスタを用
いたフリップフロップの状態遷移タイミングと同程度に
遅らせることができるので、上記2種類のフリップフロ
ップの状態遷移タイミングのスキューを削減することが
可能になり、タイミングスキューによる誤動作を回避す
ることができる。
ロップ(主に、制御回路中で使用される)とパストラン
ジスタを用いたフリップフロップ(主に、レジスタファ
イルとして使用される)を共に含む同期システムにおい
て、NANDゲート等で構成されたフリップフロップの
クロック信号が接続されているMOSFETの内、接地
側トランジスタの駆動能力(ゲート幅)を増大させであ
るので、クロック入力端子の入力信号しきい電圧は、他
の入力端子の入力信号しきい電圧(通常、電源電圧の1
72程度)より低めになり、低い電圧でフリップフロッ
プを導通状態から遮断状態に遷移することができる。そ
れによって、NANDゲート等で構成されたフリップフ
ロップの状態遷移タイミングを、パストランジスタを用
いたフリップフロップの状態遷移タイミングと同程度に
遅らせることができるので、上記2種類のフリップフロ
ップの状態遷移タイミングのスキューを削減することが
可能になり、タイミングスキューによる誤動作を回避す
ることができる。
第1図は本発明の一実施例であるレジスタファイルと制
御回路中のフリップフロップの回路構成図、第2図は書
き込み制御線601の等価回路図、第3図はフリップフ
ロップ132における書き込み制御線601の信号波形
図、第4図はインバータの構成を示す回路図、第5図は
NANDゲートの構成を示す回路図である。 101〜232・・・レジスタファイルのフリップフロ
ップ、301,305・・・しきい電圧を高めに設定し
たNチャネルMOSFET、302・・・しきい電圧を
低めに設定したインバータ、900・・・制御回路中の
フリップフロップ、902,903・・・し晃 図 第 図 ■ 図 葉 面 第 図
御回路中のフリップフロップの回路構成図、第2図は書
き込み制御線601の等価回路図、第3図はフリップフ
ロップ132における書き込み制御線601の信号波形
図、第4図はインバータの構成を示す回路図、第5図は
NANDゲートの構成を示す回路図である。 101〜232・・・レジスタファイルのフリップフロ
ップ、301,305・・・しきい電圧を高めに設定し
たNチャネルMOSFET、302・・・しきい電圧を
低めに設定したインバータ、900・・・制御回路中の
フリップフロップ、902,903・・・し晃 図 第 図 ■ 図 葉 面 第 図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、第1のインバータと第2のインバータがそれぞれの
入力端子と出力端子をループ状に接続されたインバータ
ループと、 1つのNチャネルMOSFETとから成り、該Nチャネ
ルMOSFETのソース端子はフリップフロップの入力
信号に接続され、ドレイン端子は該第1のインバータの
入力信号に接続され、ゲート端子は該フリップフロップ
の書き込み制御信号に接続されているフリップフロップ
回路において、 該NチャネルMOSFETのしきい電圧は、該第1およ
び第2のインバータを構成するNチャネルMOSFET
のしきい電圧より高めに設定されている ことを特徴とするフリップフロップ回路。 2、上記第1項に記載のフリップフロップ回路において
、 該第1のインバータは、入力しきい電圧が他のインバー
タの入力しきい電圧より低い値になるように、該第1の
インバータを構成する MOSFETのゲート幅を調整したインバータである ことを特徴とするフリップフロップ回路。 3、上記第1項乃至第2項に記載の第1のフリップフロ
ップ回路と同一位相のクロックでデータをラッチする第
2のフリップフロップ回路において、 該第2のフリップフロップ回路はNANDゲート等で構
成され、 該クロック信号は該NANDゲートの1つの入力端子に
接続しており、 更に、該クロック信号が接続しているNANDゲートの
該入力端子は、他の入力端子のしきい電圧より低い値に
なるように、該NANDゲートを構成するMOSFET
のゲート幅を調整したNANDゲートである ことを特徴とするフリップフロップ回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2250170A JPH04130816A (ja) | 1990-09-21 | 1990-09-21 | フリップフロップ回路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2250170A JPH04130816A (ja) | 1990-09-21 | 1990-09-21 | フリップフロップ回路 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04130816A true JPH04130816A (ja) | 1992-05-01 |
Family
ID=17203864
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2250170A Pending JPH04130816A (ja) | 1990-09-21 | 1990-09-21 | フリップフロップ回路 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04130816A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015180052A (ja) * | 2014-02-28 | 2015-10-08 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 半導体装置及びその駆動方法、並びに電子機器 |
JP2018078573A (ja) * | 2017-11-20 | 2018-05-17 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | フリップフロップ及びシフトレジスタ |
US10297618B2 (en) | 2006-09-29 | 2019-05-21 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Display device |
-
1990
- 1990-09-21 JP JP2250170A patent/JPH04130816A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10297618B2 (en) | 2006-09-29 | 2019-05-21 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Display device |
US10930683B2 (en) | 2006-09-29 | 2021-02-23 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Display device |
US11967598B2 (en) | 2006-09-29 | 2024-04-23 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Display device |
US12107092B2 (en) | 2006-09-29 | 2024-10-01 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Display device |
JP2015180052A (ja) * | 2014-02-28 | 2015-10-08 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 半導体装置及びその駆動方法、並びに電子機器 |
JP2018078573A (ja) * | 2017-11-20 | 2018-05-17 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | フリップフロップ及びシフトレジスタ |
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