JPH06244714A - ダイナミック回路 - Google Patents

ダイナミック回路

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JPH06244714A
JPH06244714A JP5027932A JP2793293A JPH06244714A JP H06244714 A JPH06244714 A JP H06244714A JP 5027932 A JP5027932 A JP 5027932A JP 2793293 A JP2793293 A JP 2793293A JP H06244714 A JPH06244714 A JP H06244714A
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JP
Japan
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dynamic
mos transistor
transistor
node
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JP5027932A
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Hiroshi Mobara
宏 茂原
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Abstract

(57)【要約】 【目的】高速動作だけでなく、消費電力を削減するため
の低速動作も容易に可能になるダイナミック回路を提供
する。 【構成】ダイナミック・ノード11に連なる電流パス
に、少なくとも1個のMOSトランジスタ回路およびク
ロック信号によってダイナミック・ノードに対する電荷
の供給を制御するようにスイッチ制御される電荷供給制
御用のMOSトランジスタP2、N2が挿入され、電荷
供給制御用のMOSトランジスタのオフ・リーク電流が
少なくとも1個のMOSトランジスタ回路に使用されて
いるMOSトランジスタP1、N1のオフ・リーク電流
よりも小さくなるように設定されていることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路に形成
されたダイナミック回路に係り、特にダイナミック・ノ
ードに対する電荷の供給を制御する絶縁ゲート型トラン
ジスタ(MOSトランジスタ)に関する。
【0002】
【従来の技術】RISC(縮小命令セットコンピュー
タ)プロセッサやCISC(複合命令セットコンピュー
タ)プロセッサにおいては、高速動作が必須であり、L
SI全体のMOSトランジスタの閾値を下げることによ
ってトランジスタの駆動力(電流値)を増加させること
が行われている。これによる効果は、5V電源系の回路
よりも、3.3V電源系の回路の方が著しく、その一例
について、以下に説明する。例えばMOSトランジスタ
の閾値の絶対値|Vth|を0.8Vから0.5Vに落と
した場合のMOSトランジスタの飽和電流を考える。5
V電源系では、飽和電流の増加は (5−0.5)2 /(5−0.8)2 =1.15 …(1) であり、動作速度の増加率はほぼ15%であると見做せ
る。3.3V電源系では、飽和電流の増加は (3.3−0.5)2 /(3.3−0.8)2 =1.25 …(2) であり、動作速度の増加率はほぼ25%であると見做す
ことができ、一世代先のプロセスによる動作速度が達成
される。
【0003】ところで、近年、上記したようなRISC
プロセッサやCISCプロセッサにおいては、動作速度
の高速化につれて消費電流の増加が問題になりつつあ
る。また、数十MHzのクロック信号で動作するLSI
の中には、数Wから10W程の電力を消費するものが現
われ、パッケージや使用環境の観点から実現が難しいも
のが出始めている。
【0004】そこで、RISCプロセッサやCISCプ
ロセッサを用いたコンピュータシステムにおいて、キー
入力待ち状態などのウェイト状態における動作周波数を
下げたり、アプリケーションソフトによっては使用頻度
の少ない機能回路ブロックの動作周波数を下げたりし
て、少しでも消費電力を減らす試みがなされている。従
って、単に、高速動作という仕様に加えて、消費電力を
削減するために低速動作という仕様が必須になってく
る。
【0005】ところで、高速動作が必須のRISCプロ
セッサやCISCプロセッサにおいては、回路規模(使
用素子数)やAC消費電流(fcv)を減らす目的でダ
イナミック回路が多用されている。
【0006】ダイナミック回路は、特定のダイナミック
・ノードに負荷として付加されているキャパシタンスを
一時記憶素子として用いる。即ち、信号源(あるいは、
それにより制御された電荷供給源)からダイナミック・
ノードに対する電荷の供給が一時的に停止しても、ダイ
ナミック・ノードに負荷として付加されているキャパシ
タンスが電荷供給停止前の状態を記憶していることを利
用する。
【0007】例えばクロックド・インバータ回路からな
るダイナミック回路は、クロック信号により動作状態が
制御されることによって、入力ノードから出力ノードへ
信号を伝達したり、出力ノード(ダイナミック・ノー
ド)を以前の状態を一時的に記憶する機能を有する。
【0008】一方、ダイナミック回路がダイナミック・
ノードの電荷を保持している状態においては、ダイナミ
ック・ノードからの電荷のリークが問題になる。ダイナ
ミック・ノードに対する電荷の供給を一時的に停止した
時に、電荷供給停止前の状態をどの位の時間だけ記憶し
ているかは、電荷のリーク量により決まる。
【0009】ダイナミック回路が使用されていても、高
速動作している場合には、前述したようにLSI全体の
MOSトランジスタの閾値を一律に低くしても問題はな
い。即ち、閾値を下げることによりMOSトランジスタ
のリーク電流が増加しても、ダイナミック・ノードの電
荷を保持すべき時間が短いので、誤動作することはな
い。
【0010】しかし、消費電力を減らすために低速動作
させようとすると、MOSトランジスタのリーク電流の
増加によって制限されるLSIの下限動作周波数が新た
な問題になってくる。
【0011】即ち、ダイナミック・ノードに対する電荷
の供給を制御するMOSトランジスタがオフ状態の時の
リーク電流(オフ・リーク電流)が大きいと、このMO
Sトランジスタを低いクロック周波数で動作させた場
合、ダイナミック・ノードの電荷が逃げ、一時記憶とい
う機能を実現できなくなるのである。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
LSIは、使用するMOSトランジスタの閾値を下げて
いるので、高速動作の仕様は満たすことは可能である
が、消費電力を削減するために低いクロック周波数で動
作させると、内蔵しているダイナミック回路において一
時記憶機能を実現できなくなり、低速動作の仕様を満た
すことが困難になるという問題があった。
【0013】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、高速動作だけでなく、消費電力を削減するた
めの低速動作も容易に可能になるダイナミック回路を提
供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明のダイナミック回
路は、ダイナミック・ノードに連なる電流パスに挿入さ
れた少なくとも1個のMOSトランジスタ回路と、上記
電流パスに挿入されて上記MOSトランジスタ回路に直
列に接続され、クロック信号によって上記ダイナミック
・ノードに対する電荷の供給を制御するようにスイッチ
制御される電荷供給制御用のMOSトランジスタとを具
備するダイナミック回路において、上記電荷供給制御用
のMOSトランジスタのオフ・リーク電流が前記少なく
とも1個のMOSトランジスタ回路に使用されているM
OSトランジスタのオフ・リーク電流よりも小さく設定
されていることを特徴とする。
【0015】
【作用】ダイナミック回路が低いクロック周波数での動
作に十分耐えられる程度に、電荷供給制御用のMOSト
ランジスタのオフ・リーク電流が小さな値に抑えられる
ことにより、ダイナミックノードの一時記憶が可能にな
る。ダイナミック回路の動作速度を上げるためには、電
荷供給制御用のMOSトランジスタ以外の他のMOSト
ランジスタの閾値を低く設定すればよい。従って、高速
動作だけでなく、消費電力を削減するための低速動作が
容易に可能となるダイナミック回路を実現することがで
きる。
【0016】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図1は、本発明の第1実施例に係るダイナ
ミック回路の一般的な構成を示す回路図である。図1に
示すダイナミック回路において、ダイナミック・ノード
11には、負荷としてキャパシタンス(図示せず)が接
続されている。
【0017】電荷供給制御用のPMOSトランジスタP
21、…P2nは、電源電位(Vcc)ノードと前記ダイ
ナミック・ノード11との間の複数の電流パスにそれぞ
れ対応して接続され、上記ダイナミック・ノードに対す
る正の電荷の供給を制御するように、それぞれ対応して
クロック信号φ1、…φnによってスイッチ制御され
る。上記複数のパスには、それぞれ対応して他のPMO
Sトランジスタ(図示せず)が直列に挿入されている。
【0018】電荷供給制御用のNMOSトランジスタN
21、…N2mは、前記ダイナミック・ノード11と接
地電位(Vss)ノードとの間の複数のパスにそれぞれ対
応して接続され、上記ダイナミック・ノードからの正の
電荷の放出(負の電荷の供給)を制御するように、それ
ぞれ対応してクロック信号ψ1、…ψmによってスイッ
チ制御される。上記複数の電流パスには、それぞれ対応
して他のNMOSトランジスタ(図示せず)が直列に挿
入されている。
【0019】上記ダイナミック回路においては、電荷供
給制御用のMOSトランジスタP21、…P2n、N2
1、…N2mのオフ・リーク電流が他のMOSトランジ
スタのオフ・リーク電流よりも小さくなるように設定さ
れている。
【0020】図2(a)、(b)は、図1のダイナミッ
ク回路の一具体例に係るCMOSクロックドインバータ
回路を示しており、図2(c)はこのクロックドインバ
ータ回路を制御するためのクロック信号φ、/φの波形
を示している。
【0021】図2(a)に示すCMOSクロックドイン
バータ回路において、PMOSトランジスタP1は、ソ
ースが電源電位(Vcc)ノードに接続され、ゲートが信
号入力ノード10に接続されている。NMOSトランジ
スタN1は、ソースが接地電位(Vss)ノードに接続さ
れ、ゲートが前記信号入力ノード10に接続されてい
る。これらの信号入力用のPMOSトランジスタP1お
よびNMOSトランジスタN1は、CMOSインバータ
回路部を構成している。
【0022】一方、PMOSトランジスタP2およびN
MOSトランジスタN2は、前記信号入力用のPMOS
トランジスタP1のドレインと前記NMOSトランジス
タN1のドレインとの間に直列に接続されており、それ
ぞれのゲートに対応して相補的なクロック信号/φ、φ
が与えられる。
【0023】そして、上記PMOSトランジスタP2お
よびNMOSトランジスタN2のドレイン相互接続点が
CMOSクロックドインバータ回路の出力ノード(ダイ
ナミック・ノード11)に接続されている。
【0024】上記CMOSクロックドインバータ回路
は、クロック信号/φ、φによってダイナミック・ノー
ド11に対する電荷の供給を制御するようにスイッチ制
御される電荷供給制御用のMOSトランジスタ(P2、
N2)とCMOSインバータ回路部とにより、ダイナミ
ック回路を構成している。
【0025】なお、図2(b)に示すクロックドインバ
ータ回路は、図2(a)に示したクロックドインバータ
回路のP1、P2の位置を入れ替え、また、N1、N2
の位置を入れ替えたものであり、やはりダイナミック回
路を構成している。
【0026】上記したようなダイナミック回路において
は、その動作速度を上げる目的で、CMOSインバータ
回路部などで使用しているMOSトランジスタ(P1、
N1など)の閾値の絶対値を例えば0.5Vの如く低く
設定している。
【0027】しかし、前記電荷供給制御用のMOSトラ
ンジスタ(P2、N2)のオフ・リーク電流が他のMO
Sトランジスタ(P1、N1など)のオフ・リーク電流
よりも小さく設定されている。
【0028】この場合、電荷供給制御用のMOSトラン
ジスタ(P2、N2)は、その閾値の絶対値が他のMO
Sトランジスタ(P1、N1など)のそれよりも大きい
値(例えば0.8V)に設定されることにより、電荷供
給制御用のMOSトランジスタ(P2、N2)のオフ・
リーク電流が所定の許容値に抑えられている。
【0029】換言すれば、上記ダイナミック回路が低い
クロック周波数での動作に十分耐えられる程度に、電荷
供給制御用のMOSトランジスタ(P2、N2)のオフ
・リーク電流が小さな値に抑えられており、ダイナミッ
クノード11の一時記憶が可能になる。
【0030】上記したようなダイナミック回路によれ
ば、高速動作だけでなく、消費電力を削減するための低
速動作が容易に可能になる。例えば33MHzのクロッ
ク周波数で動作させていたダイナミック回路をその1/
16のクロック周波数で動作させると、AC消費電流
(fcv)を1/16に低減することが可能になる。
【0031】従って、上記ダイナミック回路をRISC
プロセッサやCISCプロセッサに使用したコンピュー
タシステムにおいて、キー入力待ち状態などのウェイト
状態における動作周波数を下げたり、アプリケーション
ソフトによっては使用頻度の少ない機能回路ブロックの
動作周波数を下げたりして、少しでも消費電力を減らす
ことが可能になる。
【0032】なお、前記したように電荷供給制御用のM
OSトランジスタ(P2、N2)の閾値の絶対値を他の
MOSトランジスタ(P1、N1など)のそれよりも大
きい値に設定したことにより、ダイナミック回路の動作
速度の劣化が生じると考えられる。しかし、前式(1)
あるいは(2)から分かるように、電荷供給制御用のM
OSトランジスタ(P2、N2)の閾値電圧の絶対値を
他のMOSトランジスタ(P1、N1など)の閾値電圧
の絶対値と等しく実現した場合における飽和電流が得ら
れる程度に、電荷供給制御用のMOSトランジスタ(P
2、N2)のチャネル幅を設定する(例えば20%広げ
る)ことにより、ダイナミック回路の高速動作性に及ぼ
す影響を最小に抑えることが可能になる。
【0033】また、前記電荷供給制御用のMOSトラン
ジスタ(P2、N2)のオフ・リーク電流が他のMOS
トランジスタ(P1、N1など)のオフ・リーク電流よ
りも小さくなるように設定するためには、電荷供給制御
用のMOSトランジスタ(P2、N2)のチャネル長
が、他のMOSトランジスタ(P1、N1など)のチャ
ネル長よりも長くなるように設定してもよい。
【0034】この場合にも、上記電荷供給制御用のMO
Sトランジスタ(P2、N2)のチャネル長を他のMO
Sトランジスタ(P1、N1など)のチャネル長と等し
く実現した場合における飽和電流が得られる程度に、電
荷供給制御用のMOSトランジスタ(P2、N2)のチ
ャネル幅を設定することにより、ダイナミック回路の高
速動作性に及ぼす影響を最小に抑えることが可能にな
る。図3は、本発明の第2実施例に係るダイナミック回
路の一般的な構成を示す回路図である。図3に示すダイ
ナミック回路において、ダイナミック・ノード11に
は、負荷としてキャパシタンス(図示せず)が接続され
ている。
【0035】電荷供給制御用のCMOSトランスファゲ
ート31、…3nは、複数の信号源SG1、…SGnと
前記ダイナミック・ノード11との間の複数の電流パス
にそれぞれ対応して接続され、上記ダイナミック・ノー
ド11に対する電荷の供給を制御するようにスイッチ制
御される。上記CMOSトランスファゲート31、…3
nは、それぞれPMOSトランジスタP2jおよびNM
OSトランジスタN2j(j=1、…、n)の一対から
なり、それぞれ対応して相補的なクロック信号対(/φ
1、φ1)、…(/φn、φn)によってスイッチ制御
される。上記複数の信号源SG1、…SGnは、それぞ
れ他のMOSトランジスタ(図示せず)が用いられて構
成されている。
【0036】上記ダイナミック回路において、電荷供給
制御用のCMOSトランスファゲート31、…3nのM
OSトランジスタ(P2j、N2j)のオフ・リーク電
流が前記信号源SG1、…SGnに使用されている他の
MOSトランジスタのオフ・リーク電流よりも小さく設
定されている。図4は、図3のダイナミック回路の一具
体例に係るCMOS回路を示している。
【0037】図4に示すCMOS回路において、CMO
Sインバータ回路41は、VccノードとVssノードとの
間にPMOSトランジスタP1およびNMOSトランジ
スタN1が直列に接続され、上記両トランジスタのゲー
ト相互接続点が信号入力ノード10に接続され、ドレイ
ン相互接続点がCMOSインバータ回路の出力ノードに
なっている。
【0038】一方、CMOSトランスファゲート31
は、相補的なクロック信号/φ、φによってスイッチ制
御される電荷供給制御用のPMOSトランジスタP2お
よびNMOSトランジスタN2からなり、上記CMOS
インバータ回路41の出力ノードとダイナミック・ノー
ド11との間に接続され、上記ダイナミック・ノード1
1に対する電荷の供給を制御するようにスイッチ制御さ
れる。
【0039】上記構成のダイナミック回路においても、
図2に示したダイナミック回路と同様に、その動作速度
を上げる目的で、CMOSインバータ回路41などで使
用しているMOSトランジスタ(P1、N1など)の閾
値を例えば0.5Vの如く低く設定している。
【0040】そして、前記電荷供給制御用のMOSトラ
ンジスタ(P2、N2)のオフ・リーク電流が他のMO
Sトランジスタ(P1、N1など)のオフ・リーク電流
よりも小さく設定されているので、消費電力を削減する
ための低速動作が容易に可能になる。なお、本発明は、
図1中のVccノード側またはVssノード側のいずれか一
方にのみ電流パスが存在するダイナミック回路にも適用
可能である。さらに、図1のダイナミック回路の少なく
とも一部と図3のダイナミック回路の少なくとも一部と
を組み合わせたダイナミック回路にも適用可能である。
図5は、本発明の第3実施例に係るダイナミック回路を
示している。
【0041】このダイナミック回路において、バスライ
ン51とVccノードとの間にプリチャージ用のPMOS
トランジスタPTが接続されており、このトランジスタ
のゲートにはプリチャージ信号φ1が与えられる。ま
た、上記バスライン51がダイナミック・ノードとなっ
ており、このバスラインとVssノードとの間のm本の電
流パスのそれぞれには、互いに直列に接続された2個の
NMOSトランジスタN2j、N1j(j=1、…m)
が挿入されている。そして、上記NMOSトランジスタ
N1jの各ゲートに対応してデータSj(j=1、…
m)が与えられ、NMOSトランジスタN2jの各ゲー
トに対応してコマンドに対応して変化する制御信号ψj
(j=1、…m)が与えられる。
【0042】このダイナミック回路の動作は、バスライ
ン51をプリチャージ用トランジスタPTによりプリチ
ャージした後に、m本の電流パスのうちの任意のパスに
接続されているNMOSトランジスタN2jをオン状態
に制御することにより、これに接続されているNMOS
トランジスタN1jのオン/オフ状態(データSjによ
り決まる)をバスライン51に伝達する。なお、図2や
図4の回路の各ダイナミック・ノード11を共通に接続
し、この共通ノードをバスラインとして用いることも可
能である。
【0043】また、本発明は上記各実施例に限定される
ものではなく、ダイナミック・ノードに連なる電流パス
に、少なくとも1個のMOSトランジスタ回路およびク
ロック信号によってダイナミック・ノードに対する電荷
の供給を制御するようにスイッチ制御される電荷供給制
御用のMOSトランジスタが直列に挿入され、電荷供給
制御用のMOSトランジスタのオフ・リーク電流が上記
少なくとも1個のMOSトランジスタ回路に使用されて
いるMOSトランジスタのオフ・リーク電流よりも小さ
くなるように設定されていることを特徴とするものであ
る。
【0044】即ち、電荷供給制御用のMOSトランジス
タと2個以上の他のMOSトランジスタとが電流パスに
直列に挿入されている場合には、電荷供給制御用のMO
Sトランジスタのオフ・リーク電流が上記2個以上の他
のMOSトランジスタのうちの少なくとも1個のMOS
トランジスタのオフ・リーク電流よりも小さくなるよう
に設定されていることを特徴とするものである。図6
は、図5のダイナミック回路の変形例を示している。
【0045】このダイナミック回路は、図5のダイナミ
ック回路と比べて、バスライン51とVssノードとの間
のm本の電流パスのそれぞれに、直列に接続された3個
のNMOSトランジスタN3j、N2j、N1j(j=
1、…m)が挿入されている。そして、上記直列に接続
された3個のNMOSトランジスタのうちの中間に位置
するNMOSトランジスタN2jの各ゲートに対応して
コマンドに対応して変化する制御信号ψj(j=1、…
m)が与えられ、残りの2個のNMOSトランジスタN
1j、N3jの各ゲートに対応してデータSj、Dj
(j=1、…m)が与えられる。この場合、中間に位置
するNMOSトランジスタN2jのオフ・リーク電流の
大きさが残りの2個のNMOSトランジスタN1j、N
3jのそれぞれのオフ・リーク電流の中間になるように
設定されている。
【0046】
【発明の効果】上述したように本発明によれば、高速動
作だけでなく、消費電力を削減するための低速動作も容
易に可能になるダイナミック回路を実現することができ
る。
【0047】従って、本発明のダイナミック回路をプロ
セッサに使用したコンピュータシステムにおいて、キー
入力待ち状態などのウェイト状態における動作周波数を
下げたり、アプリケーションソフトによっては使用頻度
の少ない機能回路ブロックの動作周波数を下げたりし
て、少しでも消費電力を減らすことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例に係るダイナミック回路の
一般的な構成を示す回路図。
【図2】図1のダイナミック回路の一具体例に係るCM
OSクロックドインバータ回路を示す回路図および制御
用のクロック信号を示す波形図。
【図3】本発明の第2実施例に係るダイナミック回路の
一般的な構成を示す回路図。
【図4】図3のダイナミック回路の一具体例に係るCM
OS回路を示す回路図。
【図5】本発明の第3実施例に係るダイナミック回路を
示す回路図。
【図6】図5のダイナミック回路の変形例を示す回路
図。
【符号の説明】
10…信号入力ノード、11…ダイナミック・ノード、
31〜3n…CMOSトランスファゲート、41…CM
OSインバータ回路、51…バスライン、P2、P21
〜P2n、N2、N11〜N1m、N21〜N2m、N
31〜N3m…電荷供給制御用のMOSトランジスタ、
P1、N1…MOSトランジスタ回路のMOSトランジ
スタ、SG1〜SGn…信号源。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ダイナミック・ノードに連なる電流パス
    に挿入された少なくとも1個のMOSトランジスタ回路
    と、 上記電流パスに挿入されて上記MOSトランジスタ回路
    に直列に接続され、クロック信号によって上記ダイナミ
    ック・ノードに対する電荷の供給を制御するようにスイ
    ッチ制御される電荷供給制御用のMOSトランジスタと
    を具備し、 上記電荷供給制御用のMOSトランジスタのオフ・リー
    ク電流が前記少なくとも1個のMOSトランジスタ回路
    に使用されているMOSトランジスタのオフ・リーク電
    流よりも小さくなるように設定されていることを特徴と
    するダイナミック回路。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のダイナミック回路におい
    て、 前記電荷供給制御用のMOSトランジスタの閾値電圧の
    絶対値が前記MOSトランジスタ回路のMOSトランジ
    スタの閾値電圧の絶対値よりも大きくなるように設定さ
    れていることを特徴とするダイナミック回路。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のダイナミック回路におい
    て、 前記電荷供給制御用のMOSトランジスタのチャネル長
    が、前記MOSトランジスタ回路のMOSトランジスタ
    のチャネル長よりも長くなるように設定されていること
    を特徴とするダイナミック回路。
  4. 【請求項4】 請求項2に記載のダイナミック回路にお
    いて、 前記電荷供給制御用のMOSトランジスタは、このMO
    Sトランジスタの閾値電圧の絶対値を前記MOSトラン
    ジスタ回路のMOSトランジスタの閾値電圧の絶対値と
    等しく実現した場合における飽和電流が得られるように
    そのチャネル幅が設定されていることを特徴とするダイ
    ナミック回路。
  5. 【請求項5】 請求項3に記載のダイナミック回路にお
    いて、 前記電荷供給制御用のMOSトランジスタは、このMO
    Sトランジスタのチャネル長を前記MOSトランジスタ
    回路のチャネル長と等しく実現した場合における飽和電
    流が得られるようにそのチャネル幅が設定されているこ
    とをことを特徴とするダイナミック回路。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005323295A (ja) * 2004-05-11 2005-11-17 Asahi Kasei Microsystems Kk ラッチ回路及びフリップフロップ回路
KR20120130063A (ko) 2011-05-20 2012-11-28 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 반도체 장치
US9455709B2 (en) 2014-03-05 2016-09-27 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005323295A (ja) * 2004-05-11 2005-11-17 Asahi Kasei Microsystems Kk ラッチ回路及びフリップフロップ回路
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