JPH05234380A - 半導体記憶装置 - Google Patents

半導体記憶装置

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JPH05234380A
JPH05234380A JP4035205A JP3520592A JPH05234380A JP H05234380 A JPH05234380 A JP H05234380A JP 4035205 A JP4035205 A JP 4035205A JP 3520592 A JP3520592 A JP 3520592A JP H05234380 A JPH05234380 A JP H05234380A
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JP4035205A
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Makoto Yoshida
真 吉田
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    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C7/00Arrangements for writing information into, or reading information out from, a digital store
    • G11C7/10Input/output [I/O] data interface arrangements, e.g. I/O data control circuits, I/O data buffers
    • G11C7/1078Data input circuits, e.g. write amplifiers, data input buffers, data input registers, data input level conversion circuits

Abstract

(57)【要約】 【構成】 入力データに応じて相補的なHレベルとLレ
ベルを出力するデータ入力バッファ2と、2入力の信号
レベルを比較してメモリセルアレイのビット線対を相補
的にHレベルとLレベルに設定するセンスアンプ6とを
2本のデータ線3,4を介して接続する。 【効果】 2本のデータ線3,4の終端の電位を逆転さ
せるだけでセンスアンプ6が信号レベルを確定するの
で、このデータ線3,4上の信号遷移時間を短縮しアク
セス速度を向上させることができるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、SRAM[static ran
dom access memory ]やDRAM[dynamicRAM ]等の
書き込み可能な半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】SRAMやDRAM等の書き込み可能な
半導体記憶装置は、図5に示すように、データ入力パッ
ド21から入力された書き込みデータをまずデータ入力
バッファ22に送るようになっている。データ入力バッ
ファ22は、ここではインバータ回路によって構成して
いる。このインバータ回路のような論理ゲートは、出力
レベルに対して入力のスレショルドレベルがノイズマー
ジンを有しているので、入力のH/Lレベルがある程度
接近していたとしても、これを確実なHレベル又はLレ
ベルとなる出力レベルに再設定して出力することができ
る。従って、このデータ入力バッファ22は、バスライ
ン等を介して送られて来る際に劣化した入力データをこ
のように出力レベルのHレベル又はLレベルに設定する
ために用いられる。
【0003】上記データ入力バッファ22で出力レベル
に再設定されたデータは、1本のデータ線23を介して
メモリセル群24に送られるようになっている。ただ
し、このデータ線23は、半導体チップ上を長い距離に
わたって敷設されているので、ここでも信号の劣化が生
じる。そこで、メモリセル群24では、このデータ線2
3の終端に論理ゲート25(図ではインバータ回路)を
接続して、劣化したデータの信号レベルを再びHレベル
又はLレベルに設定し直すようにしている。そして、こ
の論理ゲート25の出力は、そのまま、及び、インバー
タ回路26で反転されて、カラムトランスファゲート2
7に送られることになる。
【0004】カラムトランスファゲート27は、メモリ
セルアレイの多数のビット線対から図示しないカラムデ
コーダによって1対のビット線対28を選択し、このビ
ット線対28の一方のビット線Bバーに論理ゲート25
の出力を接続すると共に、他方のビット線Bにインバー
タ回路26の出力を接続するようにした回路である。従
って、論理ゲート25から出力されたデータは、相補的
にHレベルとLレベルに設定されて1対のビット線対2
8のそれぞれのビット線B,Bバーに送られ、図示しな
いローデコーダによって選択されたメモリセル29に書
き込まれることになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、近年、半導
体記憶装置は、ICの世代が進むにつれてメモリセルの
面積を減少させるだけでなくチップ面積も増大させるこ
とによって記憶容量の大幅な増加を実現させている。従
って、上記図5におけるデータ入力バッファ22からメ
モリセル群24に至るデータ線23も、このチップ面積
の増大に伴ってますます距離が長くなり、信号線の分布
容量も大きくなって来ている。
【0006】このため、従来の半導体記憶装置は、この
データ線23の分布容量の増大に伴い信号遷移時間の遅
れが顕著となり、アクセス速度が低下するという問題が
発生していた。
【0007】即ち、最近の半導体記憶装置では、データ
線23が20mmにも及ぶものがあり、このデータ線23
の単位長あたりの分布容量を0.5pF/mmとすると、
全長では、10pF(=20mm×0.5pF/mm)にも
達する大きな値となる。ここで、電圧Vと容量Cと電荷
Qとは、数1の関係にあり、
【0008】
【数1】
【0009】この電荷Qと瞬時電流iと時間tとの間に
は、数2の関係があるので、
【0010】
【数2】
【0011】これら数1,数2から電荷Qを消去する
と、数3の関係が得られる。
【0012】
【数3】
【0013】また、瞬時電流iが一定の電流Iであると
すると、積分項はこの電流Iと時間tとの積で表される
ので、これらの関係は数4に示すようになる。
【0014】
【数4】
【0015】従って、電源VCCを5Vとし、3mAの駆
動能力のあるトランジスタを使用して、上記データ線2
3をGNDレベルからVCCレベルの70%まで充電しよ
うとすると、数5に示すように、
【0016】
【数5】
【0017】約11.7n秒の充電時間を要することに
なる。
【0018】このため、図5に示した半導体記憶装置の
場合、図6に示すように、時刻t11でデータ入力パッド
21の入力データS21がHレベルからLレベルに切り換
わりデータ入力バッファ22がHレベルを出力すると、
データ線23の終端の電位S22がGNDレベルからVCC
レベルに徐々に上昇する。そして、11.7n秒後の時
刻t12に、このデータ線23の終端の電位S22がVCCレ
ベルの70%に達すると、漸く論理ゲート25の出力S
23がLレベルに切り換わると共にインバータ回路26の
出力S24がHレベルに切り換わるようになり、カラムト
ランスファゲート27を介してビット線対28の2本の
ビット線B,Bバーの充放電が開始される。
【0019】この結果、従来の半導体記憶装置では、デ
ータ線23の終端の電位をVCCレベル付近まで上昇させ
たりGNDレベル付近まで低下させて、これらの間をフ
ルスイングさせる必要があるため、このデータ線の分布
容量による充放電時間の遅れが大きな原因となってアク
セス速度が低下するという問題が発生することになる。
【0020】本発明は、上記事情に鑑み、データ入力バ
ッファ22の出力を相補的な2本のデータ線を介してセ
ンスアンプで受け取るようにすることにより、僅かな電
位の変化で信号レベルを確定し、データ線上の信号遷移
時間を短縮することができる半導体記憶装置を提供する
ことを目的としている。
【0021】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、入力
データに応じて2出力を相補的にHレベルとLレベルに
設定するデータ入力バッファと、2入力の信号レベルを
比較してメモリセルアレイの1対のビット線対における
2本のビット線を相補的にHレベルとLレベルに設定す
るセンスアンプと、上記データ入力バッファの2出力を
センスアンプの2入力にそれぞれ接続する2本のデータ
線とを備えており、また、請求項2の発明は、請求項1
の発明の構成に加えて、入力データの信号レベルの変化
を検出した場合に一定時間だけ検出信号を出力する入力
遷移検出回路と、この入力遷移検出回路が検出信号を出
力した場合に、データ入力バッファとセンスアンプとを
接続する2本のデータ線を短絡するスイッチ回路とを備
えており、そのことにより上記目的が達成される。
【0022】
【作用】データ入力バッファは、入力データに応じて相
補的なHレベルとLレベルを2本のデータ線にそれぞれ
出力するようになっている。即ち、例えば入力データが
Hレベルの場合には、一方のデータ線にHレベルを出力
すると共に、他方のデータ線にLレベルを出力し、入力
データがLレベルの場合には、2本のデータ線にそれぞ
れこの逆の信号レベルを出力する。
【0023】センスアンプは、2本のデータ線の終端の
電位を比較して、メモリセルアレイの1対のビット線対
における2本のビット線を相補的にHレベルとLレベル
に設定する。即ち、一方のデータ線の終端の電位が他方
よりも高くなると、一方のビット線にHレベルを出力す
ると共に、他方のビット線にLレベルを出力し、他方の
データ線の終端の電位の方が高くなると、2本のビット
線にそれぞれこの逆の信号レベルを出力する。
【0024】従って、入力データの信号レベルが変化し
てデータ入力バッファの出力がLレベルからHレベルに
変化した側のデータ線では、充電電流が供給されて分布
容量への充電が開始される。すると、このデータ線の分
布容量の充電に伴って、メモリセル群側の終端の電位が
徐々に上昇する。また、データ入力バッファの出力がL
レベルに変化した側のデータ線では、放電電流が流出さ
れて分布容量の放電が開始される。すると、このデータ
線の分布容量の放電に伴って、メモリセル群側の終端の
電位が徐々に低下する。そして、これら2本のデータ線
の終端の電位が一方の上昇と他方の低下によって逆転す
ると、センスアンプの出力も反転して1対のビット線対
に逆の信号レベルを出力するようになる。
【0025】この結果、本発明によれば、データ線の電
位をフルスイングさせる必要がなくなり、2本のデータ
線の終端の電位が逆転するまで充電及び放電を行うだけ
でセンスアンプが出力レベルを確定することができるの
で、データ線上の信号遷移時間を短縮することができる
ようになる。
【0026】また、請求項2の発明によれば、入力デー
タの信号レベルが変化すると、入力遷移検出回路が一定
時間だけ検出信号を出力し、この間スイッチ回路によっ
て2本のデータ線が短絡される。すると、それまで十分
に充放電されてHレベルとLレベルが確定していた2本
のデータ線の電位が急速に接近し、少なくともこのスイ
ッチ回路付近ではほぼ同電位となる。そこで、再びスイ
ッチ回路が2本のデータ線を切り離し、データ入力バッ
ファから新たなHレベルとLレベルが出力されると、請
求項1の構成のみの場合よりも早くにこれら2本のデー
タ線の終端の電位が逆転し、センスアンプの出力も迅速
に反転するようになる。
【0027】この結果、請求項2の発明によれば、デー
タ入力バッファによる2本のデータ線の充放電の開始前
に、これらを短絡して電位を接近させておくことができ
るので、データ線上の信号遷移時間をより短縮すること
ができるようになる。
【0028】なお、上記データ入力バッファが出力する
Hレベルを電源電圧レベルよりも低い電圧となるように
しておけば、データ線の充放電電流も少なくて済み、こ
のデータ線上の信号遷移時間をさらに短縮すると共に、
消費電力の低減化を図ることも可能となる。
【0029】
【実施例】本発明の実施例について以下に説明する。
【0030】図1に本発明の一実施例を示す。本実施例
の半導体記憶装置におけるデータ書き込み部のブロック
図である。図2は図1のデータ書き込み部の動作を示す
タイムチャートである。
【0031】本実施例は、SRAMやDRAMにおける
データ書き込み部の回路について説明する。
【0032】バスライン等を介してSRAMやDRAM
に入力された書き込みデータは、半導体チップ上に形成
されたデータ入力パッド1を介してデータ入力バッファ
2に送られるようになっている。
【0033】データ入力バッファ2は、2つのインバー
タ回路2a,2bと2つの出力回路2c,2dとで構成
されている。第1のインバータ回路2aは、データ入力
パッド1からの書き込みデータを反転して出力するよう
になっていて、バスライン等を介して送られて来る際に
劣化したデータを出力レベルのHレベル又はLレベルに
設定するためのものである。また、第2のインバータ回
路2bは、この第1のインバータ回路2aの出力をさら
に反転させるためのものである。2つの出力回路2c,
2dは、共に2個のNチャンネルMOS・FETによる
トーテムポール出力回路によって構成され、2つのイン
バータ回路2a,2bの出力を2本のデータ線3,4に
送り出すためのバッファ回路である。即ち、第1の出力
回路2cは、第2のインバータ回路2bがHレベルを出
力した場合に、電源VCC側のMOS・FETがONとな
ってデータ線3にHレベルを出力し、第1のインバータ
回路2aがHレベルを出力した場合には、GND側のM
OS・FETがONとなってデータ線3にLレベルを出
力するようになっている。また、第2の出力回路2d
は、第1のインバータ回路2aがHレベルを出力した場
合に、電源VCC側のMOS・FETがONとなってデー
タ線4にHレベルを出力し、第2のインバータ回路2b
がHレベルを出力した場合には、GND側のMOS・F
ETがONとなってデータ線4にLレベルを出力するよ
うになっている。従って、これら2つの出力回路2c,
2dは、入力データに応じて2本のデータ線3,4を相
補的にHレベルとLレベルに設定することになる。ただ
し、これらの出力回路2c,2dは、NチャンネルMO
S・FETを用いているため、しきい値電圧Vthとバッ
クバイアス効果による変化分の電圧αだけ、出力するH
レベルがVCCレベルよりも低下する。
【0034】上記データ入力バッファ2の出力回路2
c,2dから出力された2本のデータ線3,4は、半導
体チップ上を長い距離にわたって敷設され、各メモリセ
ル群5のセンスアンプ6に接続されている。従って、こ
のデータ線3,4は、従来と同様に大きな分布容量を有
することになり、実施例では20mmにわたって敷設され
ることになるので、データ線3,4の単位長あたりの分
布容量を0.5pF/mmとすると、全長で10pF
(=20mm×0.5pF/mm)にも達する大きな値と
なる。
【0035】上記メモリセル群5のセンスアンプ6は、
2本のデータ線3,4の終端の電位差を増幅する差動増
幅回路である。即ち、2本のデータ線3,4の終端をそ
れぞれ2個のPチャンネルのMOS・FETのゲート入
力とし、これら2個のMOS・FETのドレインの電位
をさらに2個のNチャンネルのMOS・FETによって
相補的に増幅するようになっている。そして、各Pチャ
ンネルのMOS・FETのドレインがそれぞれインバー
タ回路6a,6bを介し、センスアンプ6の出力として
カラムトランスファゲート7に接続されている。従っ
て、このセンスアンプ6は、2本のデータ線3,4の終
端の電位差に基づいて相補的な出力をカラムトランスフ
ァゲート7に送り出すことができる。
【0036】カラムトランスファゲート7は、メモリセ
ルアレイの多数のビット線対から図示しないカラムデコ
ーダによって1対のビット線対8を選択し、このビット
線対8の一方のビット線Bに上記センスアンプ6のイン
バータ回路6aの出力を接続すると共に、他方のビット
線Bバーにインバータ回路6bの出力を接続するように
した回路である。従って、センスアンプ6の相補的な出
力は、選択された1対のビット線対8のそれぞれのビッ
ト線B,Bバーに送られることになる。この1対のビッ
ト線対8には、多数のメモリセルが接続されている。そ
して、この1対のビット線対8上の信号レベルが確定す
ると、図示しないローデコーダによって選択されたいず
れかのメモリセル9に入力データが書き込まれることに
なる。
【0037】上記構成の半導体記憶装置のデータ書き込
み部の動作を図2に基づいて説明する。
【0038】時刻t1 にデータ入力パッド1の入力デー
タS1 がHレベルからLレベルに切り換わると、データ
入力バッファ2における第1のインバータ回路2aの出
力がHレベルに変化すると共に第2のインバータ回路2
bの出力がLレベルに変化する。そしてこれにより、第
1の出力回路2cにおける電源VCC側のMOS・FET
がOFFになりGND側のMOS・FETがONになる
と、データ線3の放電が行われ、このデータ線3の終端
の電位S2 が徐々に低下し始める。また、第2の出力回
路2dにおける電源VCC側のMOS・FETがONにな
りGND側のMOS・FETがOFFになると、データ
線4の充電が行われ、このデータ線4の終端の電位S3
が徐々に上昇を開始する。ただし、出力回路2c,2d
が出力するHレベルは、しきい値電圧Vthとバックバイ
アス効果による変化分の電圧αだけVCCレベルよりも低
下するので、これらデータ線3,4の電位S2 ,S3
は、GNDレベルとVCC−(Vth+α)との間で変化す
ることになる。
【0039】上記のようにして、データ線3,4の電位
S2 ,S3 が低下及び上昇を行い、時刻t2 において、
これらが逆転し、さらにセンスアンプ6におけるPチャ
ンネルMOS・FETのしきい値電圧Vth以上の差が生
じると、これらPチャンネルMOS・FETのドレイン
からの差動増幅出力S4 ,S5 がそれぞれ反転する。す
ると、インバータ回路6aの出力S6 がLレベルに切り
換わると共にインバータ回路6bの出力S7 がHレベル
に切り換わり、カラムトランスファゲート7を介して選
択されたビット線対8の2本のビット線B,Bバーの充
放電が開始される。なお、カラムトランスファゲート7
もNチャンネルのMOS・FETを用いているので、2
本のビット線B,Bバーの電位はGNDレベルとVCC−
(Vth+α)との間で変化する。そして、これら2本の
ビット線B,Bバーの電位が確定すると、図示しないロ
ーデコーダによって選択されたメモリセル9への書き込
みが行われることになる。
【0040】ここで、本実施例の場合のデータ線3,4
上の信号遷移時間を計算する。これらデータ線3,4の
分布容量は、上記のように全長で10pFに達する。ま
た、電源VCCを5Vとし、出力回路2c,2dのMOS
・FETの駆動能力を3mAとする。従って、これらの
条件は、前記図5に示した従来例と同様である。
【0041】まず、簡単のためデータ線3,4の電位が
GNDレベルとVCCレベルとの間でフルスイングした場
合について考える。これらデータ線3,4の終端の電位
S2,S3 が逆転し、さらにしきい値電圧Vth(0.8
V)以上の差が生じるまでの充放電時間は、前記数4よ
り数6の計算式を得て、
【0042】
【数6】
【0043】約9.7n秒となる。このため、本実施例
の場合には、データ線3,4の電位がGNDレベルとV
CCレベルとの間でフルスイングしたとしても、データ線
3,4上の信号遷移時間は、従来よりも約17%短縮さ
れる。
【0044】次に、実際にデータ線3,4の電位がGN
DレベルとVCC−(Vth+α)との間で変化する場合に
ついては、バックバイアス効果による変化分の電圧αを
0.7Vとすると、前記数4における電圧Vが数7に示
すように、
【0045】
【数7】
【0046】2.15Vとなるので、充放電時間は、数
8より、
【0047】
【数8】
【0048】約7.2n秒となる。このため、本実施例
の実際の信号遷移時間は、フルスイングの場合よりもさ
らに約26%改善され、図5に示した従来例と比べた場
合には、40%近く短縮されることになる。
【0049】また、上記のようにデータ線3,4の電位
をGNDレベルとVCC−(Vth+α)との間で変化させ
て振幅を小さくすることは、単に信号遷移時間を短縮す
るだけでなく、動作時の消費電力の低減を図ることにも
なる。即ち、CMOS回路の動作時消費電流は、回路に
DCパスがない場合には内部回路の負荷容量Cの充放電
電流によって決定され、この充放電電流Iは、動作周波
数をfとすると、数9で表される。
【0050】
【数9】
【0051】従って、この充放電電流Iは、電圧Vの二
乗に比例するため、データ線3,4の電位をVCCレベル
からVCC−(Vth+α)まで引き下げると、数10よ
り、
【0052】
【数10】
【0053】49%まで低減でき、消費電力をほぼ半減
させることができる。
【0054】この結果、本実施例によれば、2本のデー
タ線3,4の電位がGNDレベルとVCC−(Vth+α)
との間のほぼ半分程度まで変化することによりこれらの
電位が逆転すれば、センスアンプ6がビット線対8への
出力を確定することができるので、このデータ線3,4
上の信号遷移時間を大幅に短縮することができるように
なる。
【0055】図3は本発明の他の実施例を示すものであ
って、半導体記憶装置におけるデータ書き込み部のブロ
ック図、図4は図3のデータ書き込み部の動作を示すタ
イムチャートである。なお、上記図1に示した実施例と
同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記して説
明を省略する。
【0056】本実施例の半導体記憶装置のデータ書き込
み部には、データ入力パッド1の信号レベルを入力する
入力遷移検出回路10と、1組のCMOS・FETによ
ってデータ線3,4を短絡するスイッチ回路11とが設
けられている。入力遷移検出回路10は、データ入力パ
ッド1の信号レベルが変化した場合に、スイッチ回路1
1に対して一定時間だけ検出信号DTを出力するように
なっている。また、スイッチ回路11は、この入力遷移
検出回路10から検出信号DTが送られて来ると、CM
OS・FETをONにしてデータ線3,4を短絡するよ
うになっている。
【0057】従って、本実施例によれば、図4に示すよ
うに、データ入力パッド1の信号レベルが変化し、入力
遷移検出回路10からの検出信号DTが一定時間出力さ
れると、スイッチ回路11がデータ線3,4を短絡して
これらの電位S12,S13を急速に同電位となるまで充放
電する。そして、その後このデータ入力パッド1の信号
レベルの変化に応じてデータ入力バッファ2の出力が切
り換わると、一旦同電位となったデータ線3,4がそれ
ぞれ充放電されて、電位S12,S13を上昇し又は低下さ
せる。このため、センスアンプ6は、検出信号DTの出
力後僅かな時間でデータ線3,4の信号レベルを確定し
ビット線対8に出力することができるようになる。
【0058】この結果、本実施例によれば、データ入力
バッファ2による2本のデータ線3,4の充放電の開始
前に、これらを短絡して電位を接近させておくことがで
きるので、データ線3,4上の信号遷移時間をさらに短
縮することができるようになる。
【0059】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の半導体記憶装置によれば、2本のデータ線の終端の電
位を逆転させるだけでセンスアンプが信号レベルを確定
するので、このデータ線上の信号遷移時間を短縮しアク
セス速度を向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すものであって、半導体
記憶装置におけるデータ書き込み部のブロック図であ
る。
【図2】本発明の一実施例を示すものであって、図1の
データ書き込み部の動作を示すタイムチャートである。
【図3】本発明の他の実施例を示すものであって、半導
体記憶装置におけるデータ書き込み部のブロック図であ
る。
【図4】本発明の他の実施例を示すものであって、図3
のデータ書き込み部の動作を示すタイムチャートであ
る。
【図5】従来例を示すものであって、半導体記憶装置に
おけるデータ書き込み部のブロック図である。
【図6】従来例を示すものであって、図5のデータ書き
込み部の動作を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
2 データ入力バッファ 3 データ線 4 データ線 6 センスアンプ 8 ビット線対 10 入力遷移検出回路 11 スイッチ回路

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入力データに応じて2出力を相補的にHレ
    ベルとLレベルに設定するデータ入力バッファと、 2入力の信号レベルを比較してメモリセルアレイの1対
    のビット線対における2本のビット線を相補的にHレベ
    ルとLレベルに設定するセンスアンプと、 上記データ入力バッファの2出力をセンスアンプの2入
    力にそれぞれ接続する2本のデータ線とを備えたことを
    特徴とする半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】入力データの信号レベルの変化を検出した
    場合に一定時間だけ検出信号を出力する入力遷移検出回
    路と、 この入力遷移検出回路が検出信号を出力した場合に、デ
    ータ入力バッファとセンスアンプとを接続する2本のデ
    ータ線を短絡するスイッチ回路とが設けられたことを特
    徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
JP4035205A 1992-02-21 1992-02-21 半導体記憶装置 Withdrawn JPH05234380A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP4035205A JPH05234380A (ja) 1992-02-21 1992-02-21 半導体記憶装置
US08/019,557 US5657275A (en) 1992-02-21 1993-02-19 Semiconductor memory device including sense amplifier for high-speed write operation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP4035205A JPH05234380A (ja) 1992-02-21 1992-02-21 半導体記憶装置

Publications (1)

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JPH05234380A true JPH05234380A (ja) 1993-09-10

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