JPH07193483A - 信号処理回路 - Google Patents

信号処理回路

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JPH07193483A
JPH07193483A JP5330524A JP33052493A JPH07193483A JP H07193483 A JPH07193483 A JP H07193483A JP 5330524 A JP5330524 A JP 5330524A JP 33052493 A JP33052493 A JP 33052493A JP H07193483 A JPH07193483 A JP H07193483A
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JP
Japan
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clock
terminal
circuit
signal processing
processing circuit
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Application number
JP5330524A
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English (en)
Inventor
Koji Kojima
浩嗣 小島
Satoshi Tanaka
聡 田中
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 CMOSディジタル信号処理回路において、
速度性能を低下させることなく、消費電力を低減させ
る。 【構成】 クロックの振幅を通常ゲ−トの信号振幅の2
分の1にしたクロック駆動回路を設けて、このクロック
駆動回路によりラッチ回路のクロックに駆動されるトラ
ンジスタのうち、PMOSとNMOSのトランジスタを
独立に駆動させる。すなわち、印加デ−タは通常ゲ−ト
と同じ振幅を印加する一方、クロック信号のみを通常ゲ
−トの信号振幅の2分の1の振幅を印加することによ
り、消費電力を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、回路の動作速度を低下
させることなく、消費電力を低減することが可能なディ
ジタル信号処理回路、特にCMOS半導体集積回路に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、高速に動作するディジタル信
号処理回路においては、パイプライン構成により処理の
スルー・プットを向上させる方法が用いられている。パ
イプライン構成では、論理回路や演算回路を適当なステ
ップに分割し、各々のステップにラッチ回路を設けたも
のである。例えば、ある値の部分積を演算する回路に、
直接それのキャリーをとる回路が接続されているときに
は、あるクロック周期で部分積の計算とキャリーの桁を
計算することになる。しかし、それら2つの回路の間に
ラッチ回路を挿入して、2つのステップに分割すること
により、パイプライン処理で1つ前のキャリーの桁の計
算と並行して次の部分積演算を行うことができるので、
処理のスルー・プットが向上する。なお、処理のスルー
・プットは、ラッチから次段のラッチまでの遅延時間に
より決定される。その場合、パイプラインにしても、1
つのステップの間の直列に接続されている論理ゲート数
が多ければ多いほど処理時間は遅くなるので、1段当り
のゲート数をできる限り少なくする。上述の例では、部
分積の演算回路はできるだけ少ない数のゲートを用いる
とともに、キャリー回路内でもできるだけ少ない数のゲ
ートを用いるようにする。
【0003】従って、分割するステップ数を増加すると
ともに、ラッチから次段のラッチまでの論理ゲートの段
数を少なくするほど、処理のスルー・プットは向上する
ことになる。なお、ディジタル信号処理回路として、C
MOSデバイスに関する技術は、例えば『最新CMOS
デバイスの動向』1979年7月号電子科学、昭和54年4月24
日産報出版発行、pp.13〜67に記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、処理の
スルー・プットを向上させるためには、ステップ数を増
加し、ラッチから次段のラッチまでの論理ゲートの段数
を少なくするほど、ラッチ回路を多く備える必要があ
る。しかしながら、パイプラインの段数を増やした場合
には、各ラッチ回路での消費電力が多くなるため、回路
規模の増大以上に電力の消費が増大するという問題があ
った。
【0005】消費電力を低減する効果的な方法として、
電源電圧を下げる方法があるが、この方法では、論理ゲ
ートの動作速度が遅くなり、回路の速度性能が低下して
しまう。
【0006】ところで、消費電力の分析を行うと、ラッ
チ回路はクロックで直接駆動されるため、その消費電力
は他の通常の論理ゲートに比べてかなり多いことがわか
った。通常の論理ゲートの状態反転は、クロックに同期
した信号を扱うため、クロック周期毎に信号が反転した
と仮定しても、クロックの1/2の周波数に過ぎない。
【0007】一般に、通常の論理ゲートの状態反転は、
クロックの1/4の周波数を最悪値とする場合が多い。
従って、クロックで直接駆動されるトランジスタ(クロ
ックの立上りまたは立下りで、データが保持されるハー
フ・ラッチ回路)は、通常の論理ゲートを構成するトラ
ンジスタの4倍の電力を消費することになる。
【0008】一般に、10個のトランジスタで構成され
るハーフ・ラッチ回路の場合、クロックの負荷となって
いるトランジスタは4個である(図1参照)。通常ゲー
トを構成するトランジスタで消費電力を1とすると、1
0個のトランジスタで構成される通常ゲートで消費され
る電力は10であり、10個のトランジスタで構成され
るハーフ・ラッチ回路の場合の電力は4×4+6=22
となる。従って、ラッチ回路で消費される電力は、通常
ゲートの2倍以上になる。
【0009】例えば、3段のパイプライン構成を用いた
ディジタル・フィルタにおいては、通常の演算回路によ
る電力消費は全体の60%、ラッチによる消費は40%
である。このように、ラッチ回路による電力消費のう
ち、16/22はクロックにより直接駆動されるために
消費されてしまう。従って、全体の約30%はクロック
により直接駆動される回路で消費されるのである。
【0010】本発明の目的は、このような従来の課題を
解決し、回路全体の処理速度を殆んど低下させずに、消
費電力を低減させることが可能な信号処理回路を提供す
ることにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の信号処理回路は、(イ)CMOS半導体集
積回路で構成される信号処理回路において、pチャネル
MOSトランジイタにクロックを供給する第1のクロッ
ク駆動回路と、nチャネルMOSトランジスタにクロッ
クを供給する第2のクロック駆動回路とを備え、第1お
よび第2のクロック駆動回路のクロック信号の振幅を通
常論理ゲートの信号振幅の2分の1にしたことを特徴と
している。ここで、第1および第2のクロック駆動回路
は、電源電圧をVDD、接地電圧をGNDとしたとき、
PMOSトランジスタを駆動するクロック駆動回路で
は、VDD/2とVDDの間で振れる信号を出力させ、
NMOSトランジスタを駆動するクロック駆動回路で
は、VDD/2とGNDの間で振れる信号を出力させ
る。また、(ロ)第1および第2のクロック駆動回路
は、電源電圧レベルとグランド電圧レベルの中点で互い
に接続されたインバータで構成され、各クロック駆動回
路の負荷容量の間で電荷の充放電を行うことも特徴とし
ている。さらに、(ハ)互いに等しいインピーダンスを
持つ2つの素子を電源電圧レベルとグランド電圧レベル
のそれぞれの端子と上記中点との間に接続していること
を特徴としている。
【0012】
【作用】本発明においては、クロックの振幅を通常ゲー
トの信号振幅の2分の1にして、ラッチ回路の消費電力
を低減させる。具体的には、ラッチ回路のクロックに駆
動されるトランジスタのうち、PMOSとNMOSのト
ランジスタを独立に駆動する低振幅のクロック駆動回路
を設ける。
【0013】ところで、クロックの振幅を0〜電源電圧
のフルスィングで振らせるときには、それに相応した電
圧が必要となる。一方、P=fCV2の関係から明らか
なように、振幅を半分にすると、電力は1/4に低減で
きる。また、T=CRの時定数の式から明らかなよう
に、振幅を下げることにより、抵抗Rは大となるため、
時定数は大となって動作速度は遅くなる。従って、ラッ
チ回路自身の遅延は増大するが、元来、遅延時間全体に
占めるラッチ回路自身の遅延は僅かであるため、全体と
しての遅延はそれほどない。
【0014】これにより、ディジタル信号処理回路全体
の処理速度を殆んど低下させずに、消費電力を低減する
ことができる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を、図面により詳細に
説明する。
【0016】図1は本発明の一実施例を示す回路構成図
である。電源供給端子と中間電位ノードH−VDDに接
続された第1のインバータ群と、中間電位ノードH−V
DDと接地端子GNDの間に接続された第2のインバー
タ群で構成されている。第1のインバータは、駆動する
PMOSトランジスタの負荷容量に応じて、互いに従属
もしくは並列に接続され、第2のインバータは、駆動す
るNMOSトランジスタの負荷容量に応じて、互いに従
属もしくは並列に接続されている。さらに、互いに等し
いインピーダンスを持つ素子を、電源供給端子VDDと
中間電位ノードH−VDD、中間電位ノードH−VDD
と接地端子GNDの間に、それぞれ接続している。
【0017】第1のインバータ群は、他の第1のインバ
ータもしくは、クロック信号を供給すべきゲートのPM
OSトランジスタに対して、VDD/2とVDDの間で
振れる信号を出力する。第2のインバータ群は、他の第
2のインバータもしくは、クロック信号を供給すべきゲ
ートのNMOSトランジスタに対して、VDD/2とG
NDの間で振れる信号を出力する。
【0018】中間電位ノードH−VDDの安定化につい
て以下説明する。
【0019】中間電位ノードH−VDDの電位を決める
式を数1,2に示す。
【0020】
【数1】
【0021】
【数2】
【0022】入力されたクロックがHのとき中間電位ノ
ードH−VDDの電位は、C2とCex1を並列接続し
た容量と、C3とCex2を並列接続した容量のバラン
スで数1のように決まる。これは、M1,M8がON、
M2,M7がOFFでC1,C4との接続が遮断されて
いるためである。入力されたクロックがLowのとき
は、逆にC1とCex1を並列接続した容量と、C4と
Cex2を並列接続した容量のバランスで数2のように
決まる。Cex1とCex2が十分に大きく、C1,C
2,C3,C4が無視できる場合は、中間電位ノードH
−VDDの電位はクロックの状態によらず、Cex1と
Cex2の容量のバランスのみで決まるので、電位が安
定する。また、Cex1とCex2を互いに等しい容量
とすることにより、中間電位ノードH−VDDの電位
は、電源電圧の2分の1に保たれる。
【0023】説明を平易にするため、中間電位ノードH
−VDDに接続する素子を容量に限定した。容量に限定
した場合、それ自身による電力消費がない点で有利であ
る。しかし、いかなるインピーダンスを持つ素子につい
ても同様の動作が可能である。特に容量に並列に抵抗を
接続すると、クロックを停止した場合にも安定に中間電
位を保持することが可能である。
【0024】本実施例において、回路全体の処理速度は
ラッチから次段のラッチまでのゲート遅延で決定される
が、このゲートは従来通りの電源電圧が印加されている
ため、遅延の増大はない。すなわち、ラッチ回路自身の
遅延は増大するが、元来、遅延時間全体に占めるラッチ
回路自身の遅延の大きさは、僅かであるためである。図
1のクロック駆動回路を用いた場合、クロックで直接駆
動される回路の消費電力は、従来の1/4になる。例え
ば、3段のパイプライン構成を用いたディジタルフィル
タにおいて、全体の30%を占めていたクロックで直接
駆動される回路の消費電力が1/4になるので、消費電
力は全体で22%減少される(30−8=22)。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ラッチ回路のクロックに駆動されるトランジスタのう
ち、PMOSとNMOSのトランジスタを独立に駆動す
る低振幅のクロック駆動回路を設けることにより、信号
処理回路全体の処理速度を殆んど低下させずに、消費電
力を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す信号処理回路の構成図
である。
【符号の説明】
1…第1のクロック駆動回路を構成するインバータ、 2…第2のクロック駆動回路を構成するインバータ、 3…負荷容量、 4…中間電位安定化容量、 CLK…クロック入力端子、 VDD…電源供給端子、 GND…接地端子、 H−VDD…クロック駆動回路の中間電位端子。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】CMOS半導体集積回路で構成される信号
    処理回路において、電源供給端子と中間電位端子に接続
    されたインバータ群で構成される、pチャネルMOSト
    ランジスタにクロックを供給する第1のクロック駆動回
    路と、上記中間電位端子と接地端子に接続されたインバ
    ータ群で構成される、nチャネルMOSトランジスタに
    クロックを供給する第2のクロック駆動回路と、電源供
    給端子と上記中間電位端子に接続された第1の2端子素
    子と、上記中間電位端子と接地端子に接続された第2の
    2端子素子を備え、上記第1および第2のクロック駆動
    回路のクロック信号の振幅を通常論理ゲートの信号振幅
    よりも小さくしたことを特徴とする信号処理回路。
  2. 【請求項2】上記第1および第2の2端子素子のインピ
    ーダンスを互いに等しくして、上記中間電位端子の電位
    を電源電圧の2分の1に保持したことを特徴とする請求
    項1に記載の信号処理回路。
  3. 【請求項3】上記第1および第2の2端子素子のインピ
    ーダンスを容量性のみとしたことを特徴とする請求項1
    および2に記載の信号処理回路。
  4. 【請求項4】上記第1および第2の2端子素子のインピ
    ーダンスを容量と抵抗の並列接続により実現したことを
    特徴とする請求項1および2に記載の信号処理回路。
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