JPH04317212A - Latch circuit and flip-flop circuit appropriate for low voltage operation and microprocessor using them - Google Patents

Latch circuit and flip-flop circuit appropriate for low voltage operation and microprocessor using them

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JPH04317212A
JPH04317212A JP3085020A JP8502091A JPH04317212A JP H04317212 A JPH04317212 A JP H04317212A JP 3085020 A JP3085020 A JP 3085020A JP 8502091 A JP8502091 A JP 8502091A JP H04317212 A JPH04317212 A JP H04317212A
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JP
Japan
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insulated gate
output
potential point
operating potential
input
Prior art date
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Application number
JP3085020A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Yano
和男 矢野
Mitsuru Hiraki
充 平木
Makoto Hanawa
誠 花輪
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a latch circuit and a flip-flop circuit using a BiCMOS which is appropriate for a high speed operation at low power supply voltage and which has small power consumption and a microprocessor using them. CONSTITUTION:An npn transistor Q1 between a power supply Vcc and an output terminal DO and an npn transistor Q2 between an output terminal DO and a ground GND are provided. A pMOS MP1 and 2 between the Vcc and a base N1 of the Q1, a pM0S MP5 between the Vcc and a base N3 of the Q2, and nMOS MN 3 and 4, inverters MP8 and MN9 inputting an output signal and clocked inverters MP6, MP7, MN7 and MN8 between a gate N2 of the MP5 and the GND are provided. The gate of the MPI and the gate of the MN4 are connected, an input signal DI is supplied to the connection point, and control signals CK and CKN are supplied to the gates of the MP2 and the MN3.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、CMOSとバイポーラ
トランジスタを組み合わせた高速で低消費電力のラッチ
回路,フリップフロップ回路、さらにこれを用いたマイ
クロプロセッサに関し、特に0.5 ミクロン以下の微
細加工を用い、4V以下の電源電圧を用いた集積回路等
に好適なものである。
[Industrial Application Field] The present invention relates to high-speed, low-power consumption latch circuits and flip-flop circuits that combine CMOS and bipolar transistors, as well as microprocessors using the same, and in particular to microprocessors using the same. It is suitable for integrated circuits using a power supply voltage of 4 V or less.

【0002】0002

【従来の技術】ラッチ回路,フリップフロップ回路は、
コンピュータの基本的な構成要素である。最近、集積回
路技術の進歩により、コンピュータのマシンサイクルは
飛躍的に高速化しているため、ラッチ回路あるいはフリ
ップフロップ回路も極めて高速なものが必要になってき
た。
[Prior art] Latch circuits and flip-flop circuits are
It is a basic component of a computer. Recently, advances in integrated circuit technology have dramatically increased the speed of computer machine cycles, and as a result, extremely high-speed latch circuits or flip-flop circuits have become necessary.

【0003】高速動作に適したCMOS構成のフリップ
フロップ回路としては、T.Tokumaruet a
lによりIEEE JOURNAL OF SOLID
−STATE CIRCUITS, Vol.24,N
o.4,August 1989,pp.938−94
3において従来より論じられている。
As a flip-flop circuit having a CMOS structure suitable for high-speed operation, T. Tokumaruet a
IEEE JOURNAL OF SOLID
-STATE CIRCUITS, Vol. 24,N
o. 4, August 1989, pp. 938-94
This has been previously discussed in 3.

【0004】一方、バイポーラトランジスタとCMOS
を同一チップ上で組み合わせた、高速で低消費電力のB
iCMOS論理回路が、集積回路の高速化の手段として
関心を集めており、現在急速に応用範囲を広げている。 従来のBiCMOS組み合わせ論理回路としては、H.
Momose et al, IEEEELECTRO
N DEVICES MEETING 1987,pp
.838−840において論じられている。このH.M
omose et alの文献に開示された従来のBi
CMOSによる2入力NAND回路を図13に示す。
On the other hand, bipolar transistors and CMOS
A high-speed, low-power B that combines on the same chip
iCMOS logic circuits are attracting attention as a means of increasing the speed of integrated circuits, and are currently rapidly expanding their range of applications. As a conventional BiCMOS combinational logic circuit, H.
Momose et al.
N DEVICES MEETING 1987, pp.
.. 838-840. This H. M
The conventional Bi disclosed in the document of omose et al.
FIG. 13 shows a two-input NAND circuit using CMOS.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】T.Tokumaru
 et alの文献の開示技術に従って構成された図7
に示すCMOS回路によるフリップフロップ回路では、
高速のマイクロプロセッサでの応用には、動作速度が遅
いという問題点がある。この問題点は、特に出力の負荷
容量が大きい場合に重大となる。
[Problem to be solved by the invention]T. Tokumaru
FIG. 7 constructed according to the technique disclosed in the document of et al.
In the flip-flop circuit using the CMOS circuit shown in
Application to high-speed microprocessors has the problem of slow operating speed. This problem becomes particularly serious when the output load capacity is large.

【0006】一方、CMOSの高集積性を活かしつつ高
速性能を達成する技術として、オンチップでバイポーラ
トランジスタを形成するBiCMOS技術が注目されて
おり、フリップフロップ回路もBiCMOS技術により
高速化することが期待される。しかし、図7のCMOS
回路を図13に示す従来のBiCMOS回路によって単
純に置き換えた図8の回路では、以下の理由で、貫通電
流が大きいという問題点が有る。以下これを説明する。
On the other hand, BiCMOS technology, which forms bipolar transistors on-chip, is attracting attention as a technology that achieves high-speed performance while taking advantage of the high degree of integration of CMOS, and it is expected that flip-flop circuits will also be faster using BiCMOS technology. be done. However, the CMOS in Figure 7
The circuit of FIG. 8, in which the circuit is simply replaced with the conventional BiCMOS circuit shown in FIG. 13, has a problem in that the through current is large for the following reason. This will be explained below.

【0007】すなわち、図8の回路で入力DIがハイ、
CKがハイ、CKNがロー、出力DOはハイの場合を考
える。この時N21はMP28,MP29により充電さ
れてハイである。クロック信号CK0,CKがハイから
ローへ変化すると(CKNがローからハイへ変化すると
)、MN29,30がオン状態となる。この時N22は
ローとなるのでQ9はオフとなる。またN23はMN3
1,32により充電されて、Q10がオン状態となる。 このため、DOはQ10を通して放電されハイからロー
へと変化する。ところが、この時、MP28,29,M
N34,35はオフ状態となっているので、N21はハ
イのままである。従って、DOがローになるとQ11が
オン状態となってしまう。従って、電源電圧Vccから
Q11,Q10を介して大量の貫通電流が流れる。この
ため、DOのハイからローへの変化は遅くなってしまう
のに加え、消費電力が大きくなるという問題点がある。
That is, in the circuit of FIG. 8, when the input DI is high,
Consider the case where CK is high, CKN is low, and the output DO is high. At this time, N21 is charged by MP28 and MP29 and is high. When the clock signals CK0 and CK change from high to low (CKN changes from low to high), the MNs 29 and 30 are turned on. At this time, N22 becomes low, so Q9 is turned off. Also, N23 is MN3
1 and 32, Q10 is turned on. Therefore, DO is discharged through Q10 and changes from high to low. However, at this time, MP28, 29, M
Since N34 and 35 are in the off state, N21 remains high. Therefore, when DO goes low, Q11 turns on. Therefore, a large amount of through current flows from the power supply voltage Vcc through Q11 and Q10. For this reason, there are problems in that not only does the change of DO from high to low become slow, but power consumption increases.

【0008】さらに、図8の回路では4V以下の電源電
圧Vccでは、動作速度が極めて遅くなってしまうとい
う問題がある。図8に示すように、DIが同種のBiC
MOS回路によって駆動されるとすると、DIのハイレ
ベルはVcc−VBEとなる。ここで、Vccは電源電
圧、VBEはバイポーラトランジスタのオン状態におけ
るベース・エミッタ間電圧である。また、バイポーラト
ランジスタQ10が動作するためには、ノ−ドN23は
接地電位よりVBEだけ高い電位にある必要がある。従
って、動作状態では、MN32のゲート・ソース間には
、最大でもVcc−2VBEという電圧しか印加されな
い。 VBEは約1Vであるから、Vcc−2VBEは約Vc
c−2(V)である。図9(a)には、MOSFETの
ドレイン電流のゲート・ソース間電圧依存性を示す。こ
の図から明らかなようにVBEの影響によって、図8の
回路のMN32のドレイン電流は大幅に減少してしまう
ので、回路動作速度も遅くなる。電源電圧が低下すると
Vccに対してVBEが相対的に大きくなるので、この
ドレイン電流の減少の影響も顕著になる。従って、図8
の回路では低電圧で動作速度が遅くなってしまう。従来
BiCMOS論理回路は5Vの標準電源電圧を動作電圧
としていたが、0.5 ミクロン以下のゲート長を持つ
集積回路が作製可能となった現在では、4V以下の低電
源電圧で動作することが強く望まれるようになってきた
。これは、MOSFETのホットキャリアによる素子劣
化を防ぎ、かつ消費電力を低減するためである。図8の
回路ではこの低電源電圧動作の要求を満たすことは不可
能であり、これが、マイクロプロセッサ等のデータ処理
装置の高速化をはばむ大きな壁となってきている。これ
を裏返せば、低電圧動作可能な新しい高速フリップフロ
ップ回路が発明されれば、その産業的価値は極めて高い
ことを示している。従って本発明の目的は、BiCMO
S技術を用いた高速,低消費電力で、低電圧動作が可能
なフリップフロップ回路を提供することにある。
Furthermore, the circuit shown in FIG. 8 has a problem in that the operating speed becomes extremely slow when the power supply voltage Vcc is 4V or lower. As shown in Figure 8, the DI is similar to BiC
If it is driven by a MOS circuit, the high level of DI will be Vcc-VBE. Here, Vcc is the power supply voltage, and VBE is the base-emitter voltage of the bipolar transistor in the on state. Further, in order for bipolar transistor Q10 to operate, node N23 needs to be at a potential higher than the ground potential by VBE. Therefore, in the operating state, only a maximum voltage of Vcc-2VBE is applied between the gate and source of MN32. Since VBE is approximately 1V, Vcc-2VBE is approximately Vc
c-2(V). FIG. 9(a) shows the gate-source voltage dependence of the drain current of a MOSFET. As is clear from this figure, the drain current of MN32 in the circuit of FIG. 8 is significantly reduced due to the influence of VBE, and the circuit operating speed is also slowed down. When the power supply voltage decreases, VBE becomes relatively large with respect to Vcc, so the effect of this decrease in drain current also becomes significant. Therefore, Figure 8
In this circuit, the operating speed becomes slow at low voltage. Conventionally, BiCMOS logic circuits operated at a standard power supply voltage of 5V, but now that it has become possible to fabricate integrated circuits with gate lengths of 0.5 microns or less, it is strongly recommended that they operate at a low power supply voltage of 4V or less. It has become desired. This is to prevent device deterioration due to hot carriers in the MOSFET and to reduce power consumption. It is impossible for the circuit shown in FIG. 8 to satisfy this requirement for low power supply voltage operation, and this has become a major barrier to increasing the speed of data processing devices such as microprocessors. This means that if a new high-speed flip-flop circuit that can operate at low voltages is invented, its industrial value will be extremely high. Therefore, it is an object of the present invention to
The object of the present invention is to provide a flip-flop circuit using S technology that is capable of high speed, low power consumption, and low voltage operation.

【0009】一方、最近エンジニアリングワークステー
ション用の高速CPUとしてRISC(縮小命令セット
コンピュータ)プロセッサが注目されている。RISC
では、命令体系を単純化することによりサイクル時間を
短縮して高速化を図るため、サイクル時間の低減が重要
課題となっている。従来、マイクロプロセッサ用のレジ
スタとしては、2相クロックを用いたものが多く用いら
れてきた。2相クロックを用いる場合、データ保持には
スルー型ラッチが使用可能なため、フリップフロップ自
体は高速である。このスルー型ラッチは、クロックがハ
イ又はローのとき入力データは出力にスルーで伝わり、
クロックが他方のときには入力データは出力に伝わらず
出力の情報が保持されるタイプのラッチであり、マスタ
ースレーブ型のものより約2倍高速である。しかし、2
相クロック間のオーバラップを避けるため二つのクロッ
クの間に待ち時間が必要であり、このために高速のマシ
ンサイクルを達成するのに適さなかった。これは、オー
バーラップがあるとデータが一段分余分に進んでしまう
ためである。一方、1相クロックの場合にはこの待ち時
間は不要なので、クロックは高速にできるもののマスタ
スレーブ型のフリップフロップが必要となり、レジスタ
自体の遅延時間が大きくなってしまうという問題点があ
った。このため、従来の技術では、超高速のRISCプ
ロセッサに適したレジスタ構成は困難である。
On the other hand, RISC (Reduced Instruction Set Computer) processors have recently attracted attention as high-speed CPUs for engineering workstations. RISC
In order to shorten the cycle time and increase speed by simplifying the instruction system, reducing the cycle time has become an important issue. Conventionally, registers for microprocessors have often used two-phase clocks. When a two-phase clock is used, a through-type latch can be used to hold data, so the flip-flop itself is fast. This through-type latch allows input data to pass through to the output when the clock is high or low.
This type of latch holds the output information without transmitting the input data to the output when the clock is on the other side, and is approximately twice as fast as the master-slave type. However, 2
In order to avoid overlap between the phase clocks, a waiting time is required between the two clocks, making it unsuitable for achieving high speed machine cycles. This is because when there is an overlap, the data advances by one step. On the other hand, in the case of a one-phase clock, this waiting time is unnecessary, so although the clock can be made faster, a master-slave type flip-flop is required, which poses a problem in that the delay time of the register itself increases. For this reason, with conventional techniques, it is difficult to create a register configuration suitable for ultra-high-speed RISC processors.

【0010】従って本発明の他の目的は、短いサイクル
時間で動作する高速RISCプロセッサに適したフリッ
プフロップを提供することにある。
It is therefore another object of the present invention to provide a flip-flop suitable for high speed RISC processors operating with short cycle times.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の一実施形態によるラッチ回路は、第1の動
作電位点(Vcc)と出力端子(DO)の間にコレクタ
・エミッタ経路が接続された第1のnpnトランジスタ
(Q1)と、上記出力端子(DO)と第2の動作電位点
(GND)との間にコレクタ・エミッタ経路が接続され
た第2のnpnトランジスタ(Q2)と、上記第1動作
電位点(Vcc)と上記第1のnpnトランジスタのベ
ース(N1)との間にソース・ドレイン経路が直列接続
された第1と第2のpチャネル絶縁ゲートFET(MP
1,2)と、上記第1の動作電位点(Vcc)と上記第
2のnpnトランジスタ(Q2)のベース(N3)との
間の電流経路にソース・ドレイン経路の接続された第3
のpチャネル絶縁ゲート型FET(MP5)と、上記第
3のpチャネル絶縁ゲート型FET(MP5)のゲート
(N2)と上記第2の動作電位点(GND)との間にソ
ース・ドレイン経路が直列接続された第1と第2のnチ
ャネル絶縁ゲートFET(MN3,4)と、上記出力端
子(DO)の信号を入力として応答するインバータ(M
P8,MN9)と、上記インバータ(MP8,MN9)
の出力信号(N4)を入力とするクロックトインバータ
(MP6,MP7,MN7,MN8)とを具備してなり
、上記クロックトインバータ(MP6,MP7,MN7
,MN8)の出力は上記出力端子(DO)に接続され、
上記クロックトインバータ(MP6,MP7,MN7,
MN8)は、制御信号(CK,CKN)によって上記出
力端子(DO)と上記第1動作電位点(Vcc)あるい
は上記第2動作電位点(GND)との間を絶縁ゲートF
ET(MP6,7,MN7,8)を介して導通状態とせ
しめ、上記第1のpチャネル絶縁ゲートFET(MP1
)のゲートと上記第1のnチャネル絶縁ゲートFET(
MN4)のゲートとが接続され、この接続点に第1の入
力信号(DI)が供給され、上記第2のpチャネル絶縁
ゲートFET(MP2)のゲートと上記第2のnチャネ
ル絶縁ゲートFET(MN3)のゲートには上記制御信
号(CK)及びその逆相の信号(CKN)がそれぞれ供
給されることを特徴とする(図1参照)。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, a latch circuit according to an embodiment of the present invention has a collector-emitter path between a first operating potential point (Vcc) and an output terminal (DO). a first npn transistor (Q1) connected to the above, and a second npn transistor (Q2) whose collector-emitter path is connected between the output terminal (DO) and a second operating potential point (GND). and first and second p-channel insulated gate FETs (MP
1, 2), and a third transistor whose source-drain path is connected to the current path between the first operating potential point (Vcc) and the base (N3) of the second npn transistor (Q2).
A source-drain path is provided between the p-channel insulated gate FET (MP5), the gate (N2) of the third p-channel insulated gate FET (MP5), and the second operating potential point (GND). First and second n-channel insulated gate FETs (MN3, 4) connected in series, and an inverter (M
P8, MN9) and the above inverter (MP8, MN9)
clocked inverters (MP6, MP7, MN7, MN8) which input the output signal (N4) of the clocked inverters (MP6, MP7, MN7).
, MN8) is connected to the above output terminal (DO),
The above clocked inverters (MP6, MP7, MN7,
MN8) connects the insulated gate F between the output terminal (DO) and the first operating potential point (Vcc) or the second operating potential point (GND) by control signals (CK, CKN).
ET (MP6, 7, MN7, 8), and the first p-channel insulated gate FET (MP1
) and the first n-channel insulated gate FET (
The first input signal (DI) is supplied to this connection point, and the gate of the second p-channel insulated gate FET (MP2) and the second n-channel insulated gate FET (MN4) are connected to the gate of the second p-channel insulated gate FET (MP2). The control signal (CK) and its opposite phase signal (CKN) are supplied to the gate of the MN3) (see FIG. 1).

【0012】さらに、本発明の好適な実施形態によるマ
スタースレーブ型フリップフロップは、入力信号(N9
)と制御信号(CK,CKN)が供給された第1のラッ
チ回路(L1)と、上記第1のラッチ回路(L1)の出
力端子(N10)を入力信号とし、上記第1のラッチ回
路(L1)と逆相の制御信号(CKN,CK)によって
動作する第2のラッチ回路(L2)とを具備することを
特徴とするものである(図4参照)。
Furthermore, the master-slave type flip-flop according to the preferred embodiment of the present invention has an input signal (N9
) and a control signal (CK, CKN) are supplied to the first latch circuit (L1), and the output terminal (N10) of the first latch circuit (L1) is used as an input signal, and the first latch circuit ( (See FIG. 4).

【0013】また、本発明の好適な実施形態による論理
機能付きラッチ回路は、第1の動作電位点(Vcc)と
出力端子(N15)の間にコレクタ・エミッタ経路が接
続された第1のnpnトランジスタ(Q13)と、上記
出力端子(N15)と第2の動作電位点(GND)との
間に接続されたプルダウン素子(Q14,MP35,M
N45)と、上記第1動作電位点(Vcc)と上記第1
のnpnトランジスタ(Q13)のベース(N12)と
の間の電流経路にソース・ドレイン経路が接続された第
1のpチャネル絶縁ゲートFET(MP34)とこれと
直列にソース・ドレイン経路が接続されたpチャネル絶
縁ゲートFETからなる第1のスイッチング回路(MP
30−33)と、上記第1のnpnトランジスタ(Q1
3)のベース(N12)と上記第2の動作電位点(GN
D)との間の電流経路にソース・ドレイン経路が接続さ
れた第1のnチャネル絶縁ゲートFET(MN39)と
これに直列にソース・ドレイン経路が接続されたnチャ
ネル絶縁ゲートFETからなる第2のスイッチング回路
(MN40−43)と、上記出力端子(N15)の信号
を入力として応答するインバータ(I9)と、上記イン
バータ(I9)の出力信号を入力とするクロックトイン
バータ(CI3)を具備してなり、上記クロックトイン
バータ(CI3)の出力は上記出力端子(N15)に接
続され、上記クロックトインバータ(CI3)は、制御
信号(CK,CKN)によって上記出力端子(N15)
と上記第1動作電位点(Vcc)あるいは上記第2動作
電位点(GND)との間を絶縁ゲートFETを介して導
通状態とせしめ、上記クロックトインバータ(CI3)
は出力を充放電するのに絶縁ゲートFETを用いており
、上記第1のスイッチング回路(MP30−33)がオ
ン状態となるとき、第2のスイッチング回路(MN40
−43)はオフとなるように構成され上記第1のスイッ
チング回路(MP30−33)がオフ状態となるとき、
第2のスイッチング回路(MN40−43)はオンとな
るように構成されることを特徴とする(図11参照)。
The latch circuit with logic function according to the preferred embodiment of the present invention also includes a first npn whose collector-emitter path is connected between the first operating potential point (Vcc) and the output terminal (N15). A transistor (Q13) and a pull-down element (Q14, MP35, M
N45), the first operating potential point (Vcc) and the first
A first p-channel insulated gate FET (MP34) whose source/drain path was connected to the current path between the base (N12) of the npn transistor (Q13) and the source/drain path was connected in series with the first p-channel insulated gate FET (MP34). A first switching circuit (MP
30-33) and the first npn transistor (Q1
3) base (N12) and the second operating potential point (GN
A first n-channel insulated gate FET (MN39) whose source/drain path is connected to the current path between the current path and the second n-channel insulated gate FET (MN39) whose source/drain path is connected in series with A switching circuit (MN40-43), an inverter (I9) that responds to the signal of the output terminal (N15) as input, and a clocked inverter (CI3) that receives the output signal of the inverter (I9) as input. The output of the clocked inverter (CI3) is connected to the output terminal (N15), and the clocked inverter (CI3) is connected to the output terminal (N15) by the control signal (CK, CKN).
and the first operating potential point (Vcc) or the second operating potential point (GND) through an insulated gate FET, and the clocked inverter (CI3)
uses an insulated gate FET to charge and discharge the output, and when the first switching circuit (MP30-33) is turned on, the second switching circuit (MN40) is turned on.
-43) is configured to be turned off, and when the first switching circuit (MP30-33) is turned off,
The second switching circuit (MN40-43) is characterized in that it is configured to be turned on (see FIG. 11).

【0014】[0014]

【作用】本発明の代表的な実施形態(図1)では、出力
ノード充電のための第1のnpnバイポーラトランジス
タ(Q1)のベース(N1)はpチャネルMOSFET
(MP1,2)のドレイン出力によって駆動され、出力
ノード放電のための第2のnpnバイポーラトランジス
タ(Q2)のベースもpチャネルMOSFET(MP5
)のドレイン出力によって駆動される。一方、電源電圧
(Vcc)の低下に際して、出力ノード放電のためのn
pnバイポーラトランジスタ(Q2)の影響でpチャネ
ルMOSFET(MP5)のドレイン・ソース間に印加
される電圧が小さくなる。しかし、図9(b)に示すよ
うに、ドレイン・ソース間の電圧がVBE分小さくなっ
ても、MOSFETのドレイン電流はあまり変化しない
。かくして、本発明の代表的な実施形態は、電源電圧が
小さくなっても高速に動作する。従って、従来のBiC
MOSゲート回路では動作不可能な4V以下の電源電圧
でも、本発明の代表的な実施形態は高速に動作し、従っ
て消費電力を大幅に小さくすることができる。
Operation: In the exemplary embodiment of the invention (FIG. 1), the base (N1) of the first npn bipolar transistor (Q1) for charging the output node is a p-channel MOSFET.
Driven by the drain output of (MP1,2), the base of the second npn bipolar transistor (Q2) for output node discharge is also a p-channel MOSFET (MP5
) is driven by the drain output of the On the other hand, when the power supply voltage (Vcc) decreases, n
The voltage applied between the drain and source of the p-channel MOSFET (MP5) is reduced due to the influence of the pn bipolar transistor (Q2). However, as shown in FIG. 9(b), even if the drain-source voltage decreases by VBE, the drain current of the MOSFET does not change much. Thus, exemplary embodiments of the present invention operate at high speed even at reduced power supply voltages. Therefore, conventional BiC
Even with power supply voltages below 4V, which are inoperable with MOS gate circuits, representative embodiments of the present invention can operate at high speed, thus significantly reducing power consumption.

【0015】また、出力ノード(DO)をバイポーラト
ランジスタ(Q2)が放電する時は、充電用pチャネル
MOSFET(MPN6,7)がオン状態となるが、バ
イポーラトランジスタ(Q2)の方がMOSFET(M
P6,7)より電流駆動能力が大幅に大きいので、この
pチャネルMOSFETによる電流のために、放電動作
が遅くなることはない。従って図8に示す単純なBiC
MOS構成のラッチのような、大きな貫通電流による動
作速度の劣化、あるいは大きな消費電力という問題を回
避できる。
Furthermore, when the bipolar transistor (Q2) discharges the output node (DO), the charging p-channel MOSFETs (MPN6, 7) are turned on, but the bipolar transistor (Q2) is
Since the current driving capability is significantly larger than that of P6, P7), the discharge operation will not be slowed down due to the current generated by this p-channel MOSFET. Therefore, the simple BiC shown in FIG.
It is possible to avoid the problem of deterioration of operating speed or large power consumption due to large through current, as in MOS-configured latches.

【0016】また、本発明の別の代表的な実施形態(図
4)では、1相クロックで動作できるマスタースレーブ
型フリップフロップが構成できるため、高速のマシンサ
イクルでの動作に適し、また出力をバイポーラトランジ
スタで高速に駆動し、重い負荷容量の条件でも短時間に
充放電できるため、やはり高速のマシンサイクル動作に
適する。従って超高速のマシンサイクル動作が必要とさ
れる、RISCプロセッサの高速化が達成できる。
In another typical embodiment of the present invention (FIG. 4), a master-slave type flip-flop that can operate with a single-phase clock can be configured, making it suitable for operation in high-speed machine cycles, and with a high output speed. It can be driven at high speed using bipolar transistors and can be charged and discharged in a short time even under conditions of heavy load capacity, making it suitable for high-speed machine cycle operation. Therefore, it is possible to achieve high-speed RISC processors that require ultra-high-speed machine cycle operations.

【0017】本発明の代表的な実施形態(図1)では、
PチャネルMOSFET(MP5)のソースはバイポー
ラトランジスタ(Q1)のエミッタ・コレクタ経路を介
して第1動作電位点(Vcc)に接続されているが、本
発明はこの接続に限定されるものではない。例えば、P
チャネルMOSFET(MP5)のソースは適当な電圧
降下素子を介して第1動作電位点(Vcc)に接続する
ことができる。但し、PチャネルMOSFET(MP5
)のソースを直接に第1動作電位点(Vcc)に接続す
ると、バイポーラトランジスタ(Q2)のオン状態にこ
のバイポーラトランジスタ(Q2)は飽和してしまう。 この飽和を防ぐに充分な電圧降下を生じる電圧降下素子
を介してPチャネルMOSFET(MP5)のソースを
第1動作電位点(Vcc)に接続すべきことは、当業者
に容易に理解できるところであろう。本発明のその他の
目的と他の特徴は以下の実施例より明らかとなろう。
In an exemplary embodiment of the invention (FIG. 1):
Although the source of the P-channel MOSFET (MP5) is connected to the first operating potential point (Vcc) via the emitter-collector path of the bipolar transistor (Q1), the present invention is not limited to this connection. For example, P
The source of the channel MOSFET (MP5) can be connected to the first operating potential point (Vcc) via a suitable voltage drop element. However, P-channel MOSFET (MP5
) is directly connected to the first operating potential point (Vcc), the bipolar transistor (Q2) will be saturated in the ON state of the bipolar transistor (Q2). Those skilled in the art will readily understand that the source of the P-channel MOSFET (MP5) should be connected to the first operating potential point (Vcc) via a voltage drop element that produces a voltage drop sufficient to prevent this saturation. Dew. Other objects and features of the present invention will become clear from the following examples.

【0018】[0018]

【実施例】実施例1 以下、本発明の一実施例を図1により説明する。図1は
本発明のラッチ回路の回路図を示す。MP1−8はpチ
ャネルMOSFET、MN1−10はnチャネルMOS
FET、Q1,2はnpnバイポーラトランジスタ、I
1−I2はCMOSインバータである。
EXAMPLES Example 1 An example of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1 shows a circuit diagram of a latch circuit of the present invention. MP1-8 are p-channel MOSFETs, MN1-10 are n-channel MOSs
FET, Q1, 2 are npn bipolar transistors, I
1-I2 is a CMOS inverter.

【0019】始めに本実施例の論理動作について説明す
る。クロック信号CKがローの時は、MP2,MN1,
MP4,MN3がオン状態となるためノードN1,N2
には入力DIの反転信号が出力される。一方、MP7,
MN7はオフとなるので、MP6−8,MN7−9は出
力に影響を与えない。N1,N2,DOがハイの時には
、バイポーラトランジスタQ1はオフ、MP5はオフ、
MN5はオンとなるので、N3はローレベルとなり、Q
2はオフである。従って、DOはハイレベルに保たれる
。 N1,N2がハイで、DOがローの時には、バイポーラ
トランジスタQ1がオンとなりDOを充電する。また、
MP5はオフ、MN5はオンとなるので、N3はローレ
ベルとなり、Q2はオフである。従って、DOはローか
らハイへと変化する。N1,N2,DOがローの時には
、バイポーラトランジスタ(Q1)はオフ、MP5はオ
フ、MN5はオフ、MN6はオンとなり、N3はローレ
ベルであるので、Q2はオフである。従って、DOはロ
ーレベルに保たれる。N1,N2がローで、DOがハイ
の時には、バイポーラトランジスタ(Q1)はオフ、M
P5はオン、MN5はオフとなるので、N3はMP5に
より充電されQ2はオンとなる。従って、DOはハイか
らローへと変化する。以上より、N1,N2がハイの時
にはDOもハイ、N1,N2がローの時にはDOもロー
となる。従って、CKがローの時には、DOにはDIの
反転信号が出力される。
First, the logical operation of this embodiment will be explained. When the clock signal CK is low, MP2, MN1,
Since MP4 and MN3 are in the on state, nodes N1 and N2
An inverted signal of the input DI is output. On the other hand, MP7,
Since MN7 is turned off, MP6-8 and MN7-9 do not affect the output. When N1, N2, DO are high, bipolar transistor Q1 is off, MP5 is off,
Since MN5 is turned on, N3 becomes low level and Q
2 is off. Therefore, DO is kept at a high level. When N1 and N2 are high and DO is low, bipolar transistor Q1 turns on and charges DO. Also,
Since MP5 is off and MN5 is on, N3 is at low level and Q2 is off. Therefore, DO changes from low to high. When N1, N2, and DO are low, the bipolar transistor (Q1) is off, MP5 is off, MN5 is off, and MN6 is on. Since N3 is at low level, Q2 is off. Therefore, DO is kept low. When N1 and N2 are low and DO is high, the bipolar transistor (Q1) is off and M
Since P5 is on and MN5 is off, N3 is charged by MP5 and Q2 is turned on. Therefore, DO changes from high to low. From the above, when N1 and N2 are high, DO is also high, and when N1 and N2 are low, DO is also low. Therefore, when CK is low, an inverted signal of DI is output to DO.

【0020】次に、CKがハイの時はMP2,MN1,
MP4,MN3がオフ状態となるため、N1,N2は充
電も放電もしないので、その状態を保持する。また、こ
の時、MP7,MN7はオン状態であり、MP6,7,
MN7,8からなる回路はN4の反転信号をDOに出力
する。従って、DOがハイの時には、ハイ状態を保持し
、DOがロー状態の時には、ロー状態を保持する。CK
がハイで、DOがハイの時、雑音によりDOがハイから
わずかに下がったレベルになってしまったとする。この
時DOのレベル低下がMP8,MP9のCMOSインバ
ータのロジックスレッシュホールド電圧以下にならなけ
れば、N4は接地レベルのままに保たれるので、MP6
,7からなる電流経路を介してDOは充電され、ハイレ
ベル(電源電圧のレベル)にもどる。また、N2に雑音
に入りVcc−VT以下(VTはMN10のしきい電圧
)の電圧になった場合にも、MN10がオンとなりN2
をVcc−VTまで充電する。DOがローに保持されて
いる時に、雑音によりDOがローからわずかに高いレベ
ルになった時も同様にして、レベルは回復する。以上に
より、CKがハイの時には、出力の電位はスタティック
に保持される。
Next, when CK is high, MP2, MN1,
Since MP4 and MN3 are in the off state, N1 and N2 are neither charged nor discharged, and therefore maintain that state. Also, at this time, MP7 and MN7 are in the on state, and MP6, 7,
The circuit consisting of MN7 and MN8 outputs the inverted signal of N4 to DO. Therefore, when DO is high, it remains high, and when DO is low, it remains low. C.K.
Suppose that when is high and DO is high, DO becomes a level slightly lower than high due to noise. At this time, unless the level of DO drops below the logic threshold voltage of the CMOS inverters of MP8 and MP9, N4 is kept at the ground level, so MP6
, 7, DO is charged and returns to the high level (power supply voltage level). Also, if noise enters N2 and the voltage becomes lower than Vcc-VT (VT is the threshold voltage of MN10), MN10 is turned on and N2
Charge to Vcc-VT. Similarly, when DO is held low and noise causes DO to go from low to a slightly higher level, the level will recover. As described above, when CK is high, the output potential is held statically.

【0021】以上により、本実施例はCKがローの時は
インバータとなり、CKがハイの時は出力レベルを保持
することがわかる。即ち、ラッチ回路として動作する。 本回路は、入力が変化する時、過渡的に電流がながれる
だけで、その他の時には、リーク電流が流れるだけであ
る。従って、CMOS並みに消費電力は小さい。出力D
OのノードはバイポーラトランジスタQ1,Q2により
駆動されるので、出力DOに大きな容量性負荷が接続さ
れていても、本回路は高速に動作する。次に本実施例の
過渡動作についてプルダウン動作を例に説明する。DI
がハイ、DOがハイで、CKがハイからローへと変化す
る場合を考える。CKがハイの時には出力DOはハイレ
ベルに保たれており、N1,2もハイレベルである。C
Kがハイからローへ変化すると、MN3,4を介して、
N2の電荷が放電され、N2はローレベルとなる。続い
て、MP5がオンとなり、N3が充電されて、Q2がオ
ンとなる。従って、出力DOをQ2が放電する。この時
、MP6,MP7を介して、VccからDOに電流が流
れる。しかし、バイポーラトランジスタQ2は電流駆動
能力が大きいので、この電流の影響はほとんど受けずに
、高速にDOを放電することができる。このため、本実
施例は高速動作が可能である。逆のプルアップ動作につ
いても出力ノードDOをバイポーラトランジスタQ1が
充電する時は、放電用nチャネルMOSFETMN7,
8がオン状態となるが、バイポーラトランジスタQ1の
方がMOSFETMN7,8より電流駆動能力が大幅に
大きいので、同様である。また、このように電流駆動能
力の大きなバイポーラトランジスタQ1,Q2によって
出力DOを駆動するため、MOSFET(MP6−8,
MN7−9)のゲート幅を大きく設計しても動作速度は
あまり遅くならないという特徴がある。このため、雑音
によってデータが破壊されにくい。特に、微細な集積回
路のデータ破壊の原因となるアルファ粒子によるデータ
破壊(ソフトエラー)防止に対して大きな効果がある。
From the above, it can be seen that the present embodiment functions as an inverter when CK is low, and maintains the output level when CK is high. That is, it operates as a latch circuit. In this circuit, current only flows transiently when the input changes, and only leakage current flows at other times. Therefore, power consumption is as low as CMOS. Output D
Since the node O is driven by bipolar transistors Q1 and Q2, this circuit operates at high speed even if a large capacitive load is connected to the output DO. Next, the transient operation of this embodiment will be explained using a pull-down operation as an example. D.I.
Consider the case where CK is high, DO is high, and CK changes from high to low. When CK is high, the output DO is kept at high level, and N1 and N2 are also at high level. C
When K changes from high to low, via MN3 and 4,
The charge on N2 is discharged, and N2 becomes low level. Subsequently, MP5 is turned on, N3 is charged, and Q2 is turned on. Therefore, Q2 discharges the output DO. At this time, a current flows from Vcc to DO via MP6 and MP7. However, since the bipolar transistor Q2 has a large current driving capability, it is hardly affected by this current and can discharge DO at high speed. Therefore, this embodiment is capable of high-speed operation. Regarding the reverse pull-up operation, when the bipolar transistor Q1 charges the output node DO, the discharging n-channel MOSFET MN7,
The bipolar transistor Q1 has a much larger current driving capability than the MOSFETs MN7 and MN8, so the same is true of the bipolar transistor Q1. In addition, in order to drive the output DO by bipolar transistors Q1 and Q2 with large current drive capacity, MOSFETs (MP6-8,
MN7-9) has the characteristic that even if the gate width is designed to be large, the operating speed does not slow down much. Therefore, data is less likely to be destroyed by noise. In particular, it is highly effective in preventing data destruction (soft errors) caused by alpha particles, which cause data destruction in minute integrated circuits.

【0022】図7に示したCMOS回路では、CMOS
同士で充電と放電を同時に行うため、出力の変化は遅い
。また、図8に示す全てBiCMOS回路による構成で
は、バイポーラトランジスタ同士で充電と放電を同時に
行うため、やはり高速動作はできず、さらに両バイポー
ラトランジスタが大きな電流駆動力を持つため、大きな
貫通電流が流れてしまうという問題点があった。
In the CMOS circuit shown in FIG.
Because they charge and discharge at the same time, the output changes slowly. In addition, in the all-BiCMOS circuit configuration shown in Figure 8, since the bipolar transistors charge and discharge at the same time, high-speed operation is still not possible, and since both bipolar transistors have a large current driving force, a large through current flows. There was a problem that the

【0023】次に、本実施例の低電圧における動作につ
き説明する。MP1,MP2,MN1,MN2は通常の
CMOSと同様の入力振幅,出力振幅で動作するので動
作速度の電圧依存性はCMOSと同程度である。ノード
N2がハイ(Vcc)からロー(接地電位)へ変化する
時を考える。
Next, the operation of this embodiment at low voltage will be explained. Since MP1, MP2, MN1, and MN2 operate with the same input amplitude and output amplitude as normal CMOS, the voltage dependence of the operating speed is comparable to that of CMOS. Consider the time when node N2 changes from high (Vcc) to low (ground potential).

【0024】MP5のソース端子DOは、N2が変化す
る直前までVccとなっており、N2が急激にローへと
変化すると、MP5のゲート・ソース間には (絶対値
で) 最大Vccの電圧が印加される。これは、CMO
Sゲート中のpチャネルMOSFETのゲート・ソース
間に印加される電圧と同等である。その後、N3がMP
5を通して充電され、バイポーラトランジスタQ2がオ
ンとなるが、この時N3は接地電位より、VBE程度高
い電位にある。従って、MP5のドレイン・ソース間の
電圧は、最大でも、Vcc−VBEとなる。しかし、図
9(b)に示すように、MOSFETのドレイン電流は
、ドレイン・ソース間の電圧が小さくなっても、飽和領
域ではほとんど変化しないので、VBE分のドレイン・
ソース間電圧の低下は動作速度にあまり影響しない。こ
の様にして本実施例は低電圧でも高速に動作することが
できる。
The source terminal DO of MP5 is at Vcc until just before N2 changes, and when N2 suddenly changes to low, the maximum voltage (in absolute value) of Vcc is applied between the gate and source of MP5. applied. This is CMO
This is equivalent to the voltage applied between the gate and source of a p-channel MOSFET in the S gate. After that, N3 becomes MP
5 and turns on the bipolar transistor Q2, but at this time N3 is at a potential higher than the ground potential by about VBE. Therefore, the voltage between the drain and source of MP5 is Vcc-VBE at the maximum. However, as shown in FIG. 9(b), the drain current of the MOSFET hardly changes in the saturation region even if the voltage between the drain and source becomes small.
The reduction in source-to-source voltage does not significantly affect operating speed. In this way, this embodiment can operate at high speed even at low voltage.

【0025】図2には、CMOSによるラッチ回路、図
8に示すBiCMOS回路によるラッチ回路、図1の本
実施例の入力から出力に信号が達する際の遅延時間の電
源電圧依存性をそれぞれ示す。4V以下の電圧では、図
8の回路の遅延時間が急激に大きくなるのに対し、本実
施例は高速に動作する。0.5 ミクロンのゲート長を
持つnチャネルMOSFETのホットキャリアによる素
子劣化から決まる降伏電圧はおよそ4Vであり、これよ
りゲート長の小さいMOSFETでは降伏電圧は4V以
下となる。従って、0.5 ミクロン以下のゲート長の
MOSFETを用いた集積回路において本発明はとくに
有効となる。 実施例2 図3は本発明の第2の実施例によるラッチ回路の回路図
を示す。この実施例が図1と異なる点は、図1のMN1
,2,MP3,4が図3ではMN11,MP11によっ
て置き換えられている点と、クロック信号CK,CKN
と入力信号DIの接続されている2個の直列接続された
MOSFETの順序が逆になっている点と、図1のnM
OS(MN5,6)が図3では抵抗R1によって置き換
えられている点である。MN11,MP11はMN12
,13,MP9,10に比べるとゲート幅の小さいMO
SFETによって構成する。MN11,MP11は、N
5とN6の間の電位差がMN11,MP11のしきい電
圧(0.5V程度)以上になると電流を流して電位差を
小さくする働きをする。従って、CKがローの時には、
N5,N6には入力DIの反転信号が出力され、またC
Kがハイの時には、N5,N6にはその以前の電位が保
持される。従って、本実施例の論理動作は実施例1の論
理動作と同様である。入力信号DIとクロックCK,C
KNの入力される直列接続のMOSFETの上下関係(
MP9とMP10の上下関係、MN12とMN13の上
下関係)は明かにどちらでも論理動作上は同等であり、
従って本実施例は実施例1と同じ動作となる。Q4のベ
ースN7に接続された抵抗R1は、動作時にQ4のベー
ス中に溜った電荷を動作終了後に放電するもので、動作
は実施例1のMN5,MN6と同様である。従って、本
実施例においても実施例1と全く同じ特徴及び効果があ
る。
FIG. 2 shows the power supply voltage dependence of the delay time when a signal reaches the output from the input of the CMOS latch circuit, the BiCMOS latch circuit shown in FIG. 8, and the embodiment of FIG. 1, respectively. At voltages below 4V, the delay time of the circuit of FIG. 8 increases rapidly, whereas this embodiment operates at high speed. The breakdown voltage of an n-channel MOSFET with a gate length of 0.5 microns determined from device deterioration due to hot carriers is approximately 4V, and the breakdown voltage of a MOSFET with a gate length smaller than this is 4V or less. Therefore, the present invention is particularly effective in integrated circuits using MOSFETs with gate lengths of 0.5 microns or less. Embodiment 2 FIG. 3 shows a circuit diagram of a latch circuit according to a second embodiment of the present invention. The difference between this embodiment and FIG. 1 is that MN1 in FIG.
, 2, MP3, 4 are replaced by MN11, MP11 in FIG. 3, and the clock signals CK, CKN
and the order of the two series-connected MOSFETs connected to the input signal DI are reversed, and the nM of FIG.
The point is that OS (MN5, 6) is replaced by resistor R1 in FIG. MN11, MP11 is MN12
, 13, MO with a smaller gate width compared to MP9 and 10.
It is composed of SFET. MN11 and MP11 are N
When the potential difference between MN11 and N6 exceeds the threshold voltage (approximately 0.5V) of MN11 and MP11, a current flows to reduce the potential difference. Therefore, when CK is low,
The inverted signal of input DI is output to N5 and N6, and C
When K is high, N5 and N6 retain their previous potentials. Therefore, the logical operation of this embodiment is similar to that of the first embodiment. Input signal DI and clock CK, C
The vertical relationship of series-connected MOSFETs to which KN is input (
The vertical relationship between MP9 and MP10, and the vertical relationship between MN12 and MN13) are clearly equivalent in terms of logical operation,
Therefore, this embodiment operates in the same way as the first embodiment. The resistor R1 connected to the base N7 of Q4 discharges the charge accumulated in the base of Q4 during operation after the operation is completed, and the operation is the same as that of MN5 and MN6 in the first embodiment. Therefore, this embodiment also has exactly the same features and effects as the first embodiment.

【0026】本実施例でMN11,MP11の代わりに
、単純にN5とN6を接続したものもまた同様の効果が
あるが、本実施例に比べると動作速度がやや遅くなる。 これは、以下の理由である。N5をMP9,10により
充電する場合を考える。図3の本実施例では、ゲート幅
の小さいMN11,MP11を介して漏れる電流は少な
く、従ってMP10はQ3のベース寄生容量を充電する
だけでN5を高速に充電する。これに対し、N5がN6
に直接接続されている場合、MP10は、MN12のド
レイン寄生容量、MP12のゲート容量をも同時に充電
する必要が有り、さらにゲート幅の大きなMN12を流
れる貫通電流をも駆動する必要がある。従って、N5と
N6を直接接続すると動作速度は遅くなる。但し、この
ような直接接続の方が素子数が少なく、従って、面積も
小さいという利点がある。
In this embodiment, simply connecting N5 and N6 instead of MN11 and MP11 has the same effect, but the operating speed is slightly slower than in this embodiment. The reason for this is as follows. Consider the case where N5 is charged by MP9 and MP10. In this embodiment of FIG. 3, the current leaking through MN11 and MP11 having small gate widths is small, so MP10 quickly charges N5 by simply charging the base parasitic capacitance of Q3. On the other hand, N5 is N6
If MP10 is directly connected to MN12, it is necessary to simultaneously charge the drain parasitic capacitance of MN12 and the gate capacitance of MP12, and it is also necessary to drive the through current flowing through MN12, which has a large gate width. Therefore, if N5 and N6 are connected directly, the operating speed will be slow. However, such direct connection has the advantage of having fewer elements and therefore a smaller area.

【0027】実施例3 本発明の第3の実施例を図4により説明する。図4は本
発明によるマスタスレーブ型フリップフロップの回路図
を示す。図4でL1,2は実施例1で説明したラッチ回
路であり、低電圧でも高速動作が可能であり、かつ消費
電力が小さいのは実施例1で述べた通りである。クロッ
クトインバータCI1,2としては、図5に示すような
構成が考えられるがどれも論理機能としては同じである
Embodiment 3 A third embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG. FIG. 4 shows a circuit diagram of a master-slave type flip-flop according to the invention. In FIG. 4, L1 and L2 are the latch circuits described in the first embodiment, and as described in the first embodiment, they can operate at high speed even at low voltage and have low power consumption. The clocked inverters CI1 and CI2 may have a configuration as shown in FIG. 5, but they all have the same logical function.

【0028】本フリップフロップの動作は以下の通りで
、動作タイミングを図6に示す。CKがローの時、L1
がインバータとして働き、L2がデータ保持状態となっ
ている。この時、入力N9がローからハイへと変化した
とする(時刻T1)。
The operation of this flip-flop is as follows, and the operation timing is shown in FIG. When CK is low, L1
acts as an inverter, and L2 is in a data holding state. At this time, assume that the input N9 changes from low to high (time T1).

【0029】N10はこれとともに、ハイからローへと
変化するが、L2はデータ保持状態であるのでN11は
変化しない。CKがローからハイへと変化すると(時刻
T2)、L1はデータ保持状態となり、N10をローレ
ベルに保ち、L2はインバータとなるので、N11はロ
ーからハイへ変化する。このように、本実施例ではCK
がローからハイへと変化する時に入力信号が出力に伝達
されそのまま保持状態となる。すなわちD型のフリップ
フロップとして動作する。
Along with this, N10 changes from high to low, but since L2 is in the data holding state, N11 does not change. When CK changes from low to high (time T2), L1 enters the data holding state, keeps N10 at low level, and L2 becomes an inverter, so N11 changes from low to high. In this way, in this example, CK
When changes from low to high, the input signal is transmitted to the output and remains in the held state. That is, it operates as a D-type flip-flop.

【0030】ところで最近エンジニアリングワークステ
ーション用の高速CPUとしてRISC(縮小命令セッ
トコンピュータ)プロセッサが注目されている。RIS
Cでは、命令体系を単純化することによりサイクル時間
を短縮して高速化を図るため、サイクル時間の低減が重
要課題となっている。従来、マイクロプロセッサ用のレ
ジスタとしては、2相クロックを用いたものが多く用い
られてきた。2相クロックを用いる場合、データ保持に
はスルー型ラッチ回路で良いため、レジスタ自体は高速
である。しかし、2相クロック間の、オーバーラップを
避けるため二つのクロックの間に待ち時間が必要であり
、このために高速のマシンサイクルを達成するのに適さ
なかった。一方、1相クロックの場合には、この待ち時
間は不要なので、クロック自体は高速にできるものの、
マスタスレーブ型のフリップフロップが必要となり、フ
リップフロップ自体の遅延時間が大きくなってしまうと
いう問題点があった。図4の本実施例のフリップフロッ
プは、バイポーラトランジスタにより出力を駆動するた
め、高速動作が可能となる。従って、RISCプロセッ
サの高速化に大きな効果がある。
Recently, RISC (Reduced Instruction Set Computer) processors have been attracting attention as high-speed CPUs for engineering workstations. R.I.S.
In C, cycle time is shortened and speed is increased by simplifying the instruction system, so reducing cycle time is an important issue. Conventionally, registers for microprocessors have often used two-phase clocks. When using a two-phase clock, a through-type latch circuit can be used to hold data, so the register itself is high-speed. However, in order to avoid overlap between the two phase clocks, a waiting time is required between the two clocks, which makes it unsuitable for achieving high-speed machine cycles. On the other hand, in the case of a one-phase clock, this waiting time is unnecessary, so although the clock itself can be made faster,
This requires a master-slave type flip-flop, which has the problem of increasing the delay time of the flip-flop itself. Since the flip-flop of this embodiment shown in FIG. 4 drives the output with a bipolar transistor, high-speed operation is possible. Therefore, there is a great effect on speeding up the RISC processor.

【0031】実施例4 本発明の第4の実施例を図10,図11により説明する
。図10は本発明による整数演算ブロック、図11には
この整数演算ブロックに用いるセレクタ論理付きマスタ
スレーブフリップフロップを示す。
Embodiment 4 A fourth embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 shows an integer operation block according to the present invention, and FIG. 11 shows a master-slave flip-flop with selector logic used in this integer operation block.

【0032】図10の整数演算ブロックの動作は以下の
とおりである。ALU(算術論理演算ユニット)は二つ
の入力レジスタRG1,2からの入力を用いて算術演算
あるいは論理演算を行い、その結果を32ビットのデー
タD1に出力する。このALUによる結果は、出力レジ
スタRG3及びセレクタSL1に伝達される。セレクタ
SL1は汎用レジスタRG4からのデータ及びALUの
演算結果の中からオペランドセレクト制御信号によって
データを選択して、選択データを入力レジスタ(RG1
)へ出力する。このような整数演算ブロックの性能を律
速するのは図中で太線で示したパスである。すなわち入
力レジスタのデータがALU演算をされて、セレクタで
選択され、入力レジスタに戻るパスである。
The operation of the integer calculation block in FIG. 10 is as follows. The ALU (arithmetic and logic unit) performs arithmetic or logical operations using inputs from the two input registers RG1 and RG2, and outputs the result as 32-bit data D1. The result from this ALU is transmitted to output register RG3 and selector SL1. The selector SL1 selects data from the data from the general-purpose register RG4 and the operation results of the ALU using the operand select control signal, and inputs the selected data to the input register (RG1).
). What determines the performance of such an integer operation block is the path indicated by the bold line in the figure. That is, it is a path in which data in the input register is subjected to ALU operations, selected by a selector, and returned to the input register.

【0033】図11は図10のセレクタSL1,入力レ
ジスタRG1に相当する部分の1ビット分の回路図を示
す。図11の本実施例は、SL1のセレクト論理とRG
1のフリップフロップの論理が一体化されていることに
特徴が有る。すなわち、図4の実施例3と同様に、L3
とL4によってマスタスレーブフリップフロップを形成
しているが、L3のなかにセレクタの機能が組み込まれ
ている。ここで、A1,B1はオペランドセレクト用の
制御信号であり、A2はALUの出力の信号、B2は汎
用レジスタからのデータである。クロックトインバータ
CI3,4としては図5に示した構成を用いる。L3,
L4とも図3の実施例2に述べたラッチ回路と動作は同
様である。但し、図3のMOSFET,MN11,MP
11の代わりに、図11では抵抗R4,5を用い、図3
の抵抗R1の代わりに図11ではnMOS,MN45,
49を用いているが動作はまったく同様である。
FIG. 11 shows a 1-bit circuit diagram of a portion corresponding to selector SL1 and input register RG1 in FIG. The present embodiment in FIG. 11 has the selection logic of SL1 and the RG
The feature is that the logic of the first flip-flop is integrated. That is, similar to the third embodiment in FIG. 4, L3
A master-slave flip-flop is formed by L4 and L3, and a selector function is incorporated in L3. Here, A1 and B1 are control signals for operand selection, A2 is an output signal of the ALU, and B2 is data from a general-purpose register. The configuration shown in FIG. 5 is used as the clocked inverters CI3 and CI4. L3,
The operation of L4 is similar to that of the latch circuit described in the second embodiment of FIG. However, the MOSFET in Fig. 3, MN11, MP
11, resistors R4,5 are used in FIG. 11, and FIG.
In FIG. 11, instead of the resistor R1, nMOS, MN45,
49 is used, but the operation is exactly the same.

【0034】MP30−33,MN40−43は2入力
のセレクタを構成し、制御信号A1がハイの時はA2が
選択され、B1がハイの時はB2が選択される。通常の
CMOS論理回路の構成法にしたがって、nMOSが直
列になっている論理(例えば、MN41とMN43)で
はpMOSは並列接続(MP32とMP33)とするこ
とによりセレクタの論理を構成することができる。CK
がローの時これらの選択された信号の反転信号がN15
に出力される。フリップフロップとしての動作は実施例
3と同じであるのでここでは説明を省略する。このよう
に図11のフリップフロップは、セレクタ機能を内蔵し
ているため、入力(A1,A2,B1,B2)から出力
(N20)までのゲート段数が少なくてすむ。従って、
高速動作が可能である。セレクタとフリップフロップと
をそれぞれ独立のBiCMOSゲートとして構成すると
、セレクタ出力の負荷容量は小さいため(ファンアウト
=1)、このセレクタ部分はCMOSと同程度の速度に
なってしまい、BiCMOSにしても高速化できない。 図11の本実施例により論理段数を少なくでき、BiC
MOSの高速性能を活かすことができる。以上のように
マイクロプロセッサの中には、レジスタの入力部にこの
ようなセレクタが必要な場合が多い。
MP30-33 and MN40-43 constitute a two-input selector, and when control signal A1 is high, A2 is selected, and when B1 is high, B2 is selected. According to the usual configuration method of a CMOS logic circuit, in a logic in which nMOS are connected in series (for example, MN41 and MN43), a selector logic can be configured by connecting pMOS in parallel (MP32 and MP33). C.K.
When N15 is low, the inverted signal of these selected signals is
is output to. Since the operation as a flip-flop is the same as in the third embodiment, the explanation will be omitted here. As described above, since the flip-flop of FIG. 11 has a built-in selector function, the number of gate stages from the input (A1, A2, B1, B2) to the output (N20) can be reduced. Therefore,
High-speed operation is possible. If the selector and flip-flop are configured as independent BiCMOS gates, the load capacitance of the selector output is small (fanout = 1), so the speed of this selector part will be about the same as that of CMOS, and even if it is BiCMOS, it will be fast. cannot be converted into With this embodiment shown in FIG. 11, the number of logic stages can be reduced, and BiC
You can take advantage of the high-speed performance of MOS. As described above, in microprocessors, such a selector is often required at the input section of the register.

【0035】一方、例えば、マイクロプロセッサ構成に
不可欠な命令フェッチのためのプログラムカウンタ部に
おいてもセレクタ付のレジスタが必要である。図12に
示すようにプログラムカウンタにおいては、加算器出力
部のレジスタRG5が次の命令のアドレスを格納してお
り、分岐命令の無いかぎり、定数を1サイクルごとに加
えつづける。ALUによる加算結果であるRG5のデー
タは命令フェッチ時のメモリのアドレスとなる。この出
力レジスタRG5の入力部には、分岐の有無によって入
力を選択するセレクタSL3が必要であり、ここには図
11のセレクタ付フリップフロップを適用することによ
り高速な動作性能を実現できる。
On the other hand, for example, a register with a selector is also required in a program counter section for fetching instructions, which is essential in a microprocessor configuration. As shown in FIG. 12, in the program counter, register RG5 of the adder output section stores the address of the next instruction, and continues adding a constant every cycle unless there is a branch instruction. The data in RG5, which is the result of addition by the ALU, becomes the memory address at the time of instruction fetch. The input section of this output register RG5 requires a selector SL3 that selects the input depending on the presence or absence of a branch, and by applying the flip-flop with selector shown in FIG. 11 here, high-speed operation performance can be achieved.

【0036】[0036]

【発明の効果】本発明によれば、4V以下の低電圧で高
速動作でき、かつ貫通電流が小さいので消費電力が小さ
いラッチ回路,フリップフロップ回路が実現できる。従
って、0.5 ミクロン以下の微細なゲート長のMOS
FETを用いた集積回路に適用でき、高集積化,低電力
化に大きな効果が有る。
According to the present invention, it is possible to realize a latch circuit and a flip-flop circuit that can operate at high speed at a low voltage of 4 V or less and have low power consumption because of a small through current. Therefore, MOS with a fine gate length of 0.5 microns or less
It can be applied to integrated circuits using FETs, and has great effects on higher integration and lower power consumption.

【0037】また、特に高いマシンサイクルにおいて1
相クロックで動作するRISCプロセッサの高速化に適
する。マイクロプロセッサでは、セレクタとレジスタを
連続して設置する場合が多いので、本発明(実施例4)
により特に大きな高速化を図ることができる。
Also, especially at high machine cycles, 1
Suitable for speeding up RISC processors that operate on phase clocks. In microprocessors, selectors and registers are often installed consecutively, so the present invention (Embodiment 4)
This makes it possible to achieve particularly high speed.

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

【図1】本発明による第1の実施例のラッチ回路の回路
図である。
FIG. 1 is a circuit diagram of a latch circuit of a first embodiment according to the present invention.

【図2】本発明のラッチ回路の遅延時間の電源電圧依存
性である。
FIG. 2 shows the power supply voltage dependence of the delay time of the latch circuit of the present invention.

【図3】本発明による第2の実施例のラッチ回路の回路
図である。
FIG. 3 is a circuit diagram of a latch circuit of a second embodiment according to the present invention.

【図4】本発明による第3の実施例のマスタスレーブフ
リップフロップの回路図である。
FIG. 4 is a circuit diagram of a third embodiment of a master-slave flip-flop according to the present invention.

【図5】本発明による実施例3に用いるクロックトイン
バータの回路図である。
FIG. 5 is a circuit diagram of a clocked inverter used in Example 3 according to the present invention.

【図6】本発明による実施例3のフリップフロップの動
作のタイミングを示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing the timing of the operation of the flip-flop of Example 3 according to the present invention.

【図7】従来技術に従って構成されたCMOSマスタス
レーブフリップフロップ回路を示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a CMOS master-slave flip-flop circuit constructed according to the prior art.

【図8】図13の従来のBiCMOSゲートで図7のC
MOS回路を置換した場合のラッチ回路の回路図である
[Fig. 8] C of Fig. 7 in the conventional BiCMOS gate of Fig. 13;
FIG. 3 is a circuit diagram of a latch circuit when a MOS circuit is replaced.

【図9】MOSFETのドレイン電流のゲート・ソース
間電圧依存性およびドレイン・ソース間電圧依存性を示
す図である。
FIG. 9 is a diagram showing the gate-source voltage dependence and drain-source voltage dependence of the drain current of a MOSFET.

【図10】本発明の実施例による整数演算ブロックのブ
ロック図である。
FIG. 10 is a block diagram of an integer operation block according to an embodiment of the present invention.

【図11】本発明の実施例によるセレクタ付きマスタス
レーブフリップフロップの回路図である。
FIG. 11 is a circuit diagram of a master-slave flip-flop with selector according to an embodiment of the present invention.

【図12】本発明の実施例によるプログラムカウンタの
ブロック図である。
FIG. 12 is a block diagram of a program counter according to an embodiment of the invention.

【図13】従来のBiCMOSのよる2入力NANDゲ
ートの回路図である。
FIG. 13 is a circuit diagram of a conventional BiCMOS two-input NAND gate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

MP1−38…pチャネルMOSFET、MN1−49
…nチャネルMOSFET、Q1−16…npnバイポ
ーラトランジスタ、I1−10…インバータ回路、R1
−R5…抵抗、RG1−5…32ビットレジスタ、SL
1−3…32ビットセレクタ。
MP1-38...p channel MOSFET, MN1-49
...n channel MOSFET, Q1-16...npn bipolar transistor, I1-10...inverter circuit, R1
-R5...Resistor, RG1-5...32-bit register, SL
1-3...32-bit selector.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1の動作電位点と出力端子の間にコレク
タ・エミッタ経路が接続された第1のnpnトランジス
タと、上記出力端子と第2の動作電位点との間にコレク
タ・エミッタ経路が接続された第2のnpnトランジス
タと、上記第1動作電位点と上記第1のnpnトランジ
スタのベースとの間にソース・ドレイン経路が直列接続
された第1と第2のpチャネル絶縁ゲートFETと、上
記第1の動作電位点と上記第2のnpnトランジスタの
ベースとの間の電流経路にソース・ドレイン経路の接続
された第3のpチャネル絶縁ゲート型FETと、上記第
3のpチャネル絶縁ゲート型FETのゲートと上記第2
の動作電位点との間にソース・ドレイン経路が直列接続
された第1と第2のnチャネル絶縁ゲートFETと、上
記出力端子の信号を入力として応答するインバータと、
上記インバータの出力信号を入力とするクロックトイン
バータとを具備してなり、上記クロックトインバータの
出力は上記出力端子に接続され、上記クロックトインバ
ータは、制御信号によって上記出力端子と上記第1動作
電位点あるいは上記第2動作電位点とを絶縁ゲートFE
Tを介して導通状態とせしめ、上記第1のpチャネル絶
縁ゲートFETのゲートと上記第1のnチャネル絶縁ゲ
ートFETのゲートとが接続され、この接続点に第1の
入力信号が供給され、上記第2のpチャネル絶縁ゲート
FETのゲートと上記第2のnチャネル絶縁ゲートFE
Tのゲートには上記制御信号及びその逆相の信号がそれ
ぞれ供給されることを特徴とするラッチ回路。
1. A first npn transistor having a collector-emitter path connected between a first operating potential point and an output terminal, and a collector-emitter path connecting the output terminal and a second operating potential point. a second npn transistor connected to the first npn transistor, and first and second p-channel insulated gate FETs each having a source/drain path connected in series between the first operating potential point and the base of the first npn transistor. and a third p-channel insulated gate FET whose source/drain path is connected to the current path between the first operating potential point and the base of the second npn transistor, and the third p-channel insulated gate FET. The gate of the insulated gate FET and the second
first and second n-channel insulated gate FETs whose source/drain paths are connected in series with the operating potential point of the inverter;
a clocked inverter that receives the output signal of the inverter as an input, an output of the clocked inverter is connected to the output terminal, and the clocked inverter is configured to operate the output terminal and the first operation according to a control signal. The potential point or the above-mentioned second operating potential point is connected to the insulated gate FE.
The gate of the first p-channel insulated gate FET is connected to the gate of the first n-channel insulated gate FET, and a first input signal is supplied to this connection point; The gate of the second p-channel insulated gate FET and the second n-channel insulated gate FE
A latch circuit characterized in that the control signal and a signal having an opposite phase thereof are respectively supplied to the gate of T.
【請求項2】入力信号と制御信号が供給された請求項1
記載の第1のラッチ回路と、上記第1のラッチ回路の出
力端子を入力信号とし、上記第1のラッチ回路と逆相の
制御信号によって動作する請求項1記載の第2のラッチ
回路とを具備することを特徴とするマスタースレーブ型
フリップフロップ。
Claim 2: Claim 1 in which an input signal and a control signal are supplied.
The first latch circuit according to claim 1, and the second latch circuit according to claim 1, which takes an output terminal of the first latch circuit as an input signal and operates by a control signal having a phase opposite to that of the first latch circuit. A master-slave type flip-flop characterized by:
【請求項3】第1の動作電位点と出力端子の間にコレク
タ・エミッタ経路が接続された第1のnpnトランジス
タと、上記出力端子と第2の動作電位点との間に接続さ
れたプルダウン素子と、上記第1動作電位点と上記第1
のnpnトランジスタのベースとの間の電流経路にソー
ス・ドレイン経路が接続された第1のpチャネル絶縁ゲ
ートFETとこれと直列にソース・ドレイン経路が接続
されたpチャネル絶縁ゲートFETからなる第1のスイ
ッチング回路と、上記第1のpnpトランジスタのベー
スと上記第2の動作電位点との間の電流経路にソース・
ドレイン経路が接続された第1のnチャネル絶縁ゲート
FETとこれに直列にソース・ドレイン経路が接続され
たnチャネル絶縁ゲートFETからなる第2のスイッチ
ング回路と、上記出力端子の信号を入力として応答する
インバータと、上記インバータの出力信号を入力とする
クロックトインバータとを具備してなり、上記クロック
トインバータの出力は上記出力端子に接続され、上記ク
ロックトインバータは、制御信号によって上記出力端子
と上記第1動作電位点あるいは上記第2動作電位点との
間を絶縁ゲートFETを介して導通状態とせしめ、上記
クロックトインバータは出力を充放電するのに絶縁ゲー
トFETを用いており、上記第1のスイッチング回路が
オン状態となるとき、上記第2のスイッチング回路はオ
フとなるように構成され、上記第1のスイッチング回路
がオフ状態となるとき、上記第2のスイッチング回路は
オンとなるように構成されることを特徴とする論理機能
付きラッチ回路。
3. A first npn transistor having a collector-emitter path connected between a first operating potential point and an output terminal, and a pull-down transistor connected between the output terminal and a second operating potential point. an element, the first operating potential point and the first
A first p-channel insulated gate FET whose source/drain path is connected to the current path between the base and the base of the npn transistor; and a p-channel insulated gate FET whose source/drain path is connected in series with the current path. a switching circuit, and a source in a current path between the base of the first pnp transistor and the second operating potential point.
a second switching circuit consisting of a first n-channel insulated gate FET with a drain path connected thereto and an n-channel insulated gate FET with a source/drain path connected in series with the first n-channel insulated gate FET; and a clocked inverter that receives the output signal of the inverter as input, the output of the clocked inverter is connected to the output terminal, and the clocked inverter is connected to the output terminal by a control signal. The clocked inverter is electrically connected to the first operating potential point or the second operating potential point via an insulated gate FET, and the clocked inverter uses the insulated gate FET to charge and discharge the output. The second switching circuit is configured to be turned off when the first switching circuit is turned on, and the second switching circuit is turned on when the first switching circuit is turned off. A latch circuit with a logic function characterized by being configured as follows.
【請求項4】算術論理演算ユニットと、該算術論理演算
ユニットの入力もしくは出力のいずれかに接続されるセ
レクタとを具備してなるマイクロプロセッサであって、
上記セレクタは請求項3記載の論理機能付きラッチ回路
を含んでなることを特徴とするマイクロプロセッサ。
4. A microprocessor comprising an arithmetic and logic unit, and a selector connected to either an input or an output of the arithmetic and logic unit,
4. A microprocessor characterized in that said selector comprises a latch circuit with a logic function according to claim 3.
【請求項5】上記セレクタの一方の入力は上記算術論理
演算ユニットの上記出力に接続され、上記セレクタの他
方の入力は分岐先アドレスが供給され、上記セレクタの
出力は上記算術論理演算ユニットの上記入力に供給され
、上記算術論理演算ユニットの他方の入力には定数が供
給されることを特徴とする請求項4記載のマイクロプロ
セッサ。
5. One input of the selector is connected to the output of the arithmetic and logic unit, the other input of the selector is supplied with a branch destination address, and the output of the selector is connected to the output of the arithmetic and logic unit. 5. A microprocessor as claimed in claim 4, characterized in that a constant is supplied to one input and the other input of said arithmetic and logic unit.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07202647A (en) * 1993-12-29 1995-08-04 Nec Corp D type flip-flop circuit
US5990717A (en) * 1995-09-11 1999-11-23 Advanced Micro Devices, Inc. Latching method
JP2005537768A (en) * 2002-08-28 2005-12-08 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Method for reducing power consumption of state holding circuit, state holding circuit and electronic device

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