JPH07202677A - Cmos出力バッファ回路 - Google Patents

Cmos出力バッファ回路

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JPH07202677A
JPH07202677A JP5348797A JP34879793A JPH07202677A JP H07202677 A JPH07202677 A JP H07202677A JP 5348797 A JP5348797 A JP 5348797A JP 34879793 A JP34879793 A JP 34879793A JP H07202677 A JPH07202677 A JP H07202677A
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JP
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inverter circuit
channel mosfet
cmos inverter
cmos
output buffer
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JP5348797A
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Takeshi Mizusawa
武 水澤
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 CMOS集積回路に使用するCMOS出力バ
ッファ回路の貫通電流を小さくすることができ、したが
って、消費電力を低減することができ、発生するノイズ
を低減することができるCMOS出力バッファ回路を提
供することを目的とするものである。 【構成】 CMOS出力バッファの最終段用Pチャネル
MOSFET、最終段用NチャネルMOSFETの前段
に、それぞれCMOSインバータ回路を設け、このCM
OSインバータ回路を構成するPチャネルMOSFET
の利得定数比と、CMOSインバータ回路を構成するN
チャネルMOSFETの利得定数比とを変えることによ
って、CMOS出力バッファの最終段用PチャネルMO
SFETのゲート、CMOS出力バッファの最終段用N
チャネルMOSFETのゲートに入力する電圧の立ち上
がりまたは立ち下がりを遅くしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、消費電力の低減と発生
するノイズの低減とを図ったCMOS出力バッファ回路
に関するのもである。
【0002】
【従来の技術】図3は、従来のCMOS出力バッファ回
路3の説明図であり、図3(1)はその回路図、図3
(2)は、その入力電圧波形、電源電流波形を示す図で
ある。
【0003】図3(2)において、P点の電圧は、Nチ
ャネルMOSFET12の閾値電圧VthN であり、Q点
の電圧はVDD−VthP である(電圧VthP は、Pチャネ
ルMOSFET11の閾値電圧(絶対値))である。
【0004】図3(2)に示すように、CMOS出力バ
ッファ回路3の入力電圧が立ち上がる瞬間と、その入力
電圧が立ち下がる瞬間とに、大きな電源電流が流れ、す
なわち、CMOS出力バッファ回路3がスイッチングす
る瞬間に、大きな電源電流が流れる。つまり、立ち上が
りのP点からQ点に到る期間、および立ち下がりのQ点
からP点に到る期間で、PチャネルMOSFET11、
NチャネルMOSFET12が同時にONになるため
に、大きな電源電流が流れる。
【0005】この大きな電源電流は、第1の電源VDD
ら、第2の電源(接地)GNDへ抜ける電流であるため
に、貫通電流と呼ばれている。CMOS出力バッファ回
路3のMOSFET11、12は、CMOS集積回路内
部のロジック部のMOSFETよりもかなり大きな面積
で利得定数が大きいことから、その貫通電流はかなり大
きいものとなる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例おいては、
貫通電流によって無駄な電力を多く消費するという問題
があり、また、極く短い時間にパルス状に大電流が流れ
るために、一時的に電源電圧が低下し、電源ノイズを発
生させたり、他の信号線にノイズを誘起させたりすると
いう問題がある。さらに、CMOS集積回路内の多数の
出力バッファ回路が同時にスイッチングした場合には、
上記ノイズはかなり大きくなり、集積回路が誤動作する
原因となる可能性があり、他の電子機器への電磁妨害の
原因となる可能性もあるという問題がある。
【0007】本発明は、CMOS集積回路に使用するC
MOS出力バッファ回路の貫通電流を小さくすることが
でき、したがって、消費電力を低減することができ、発
生するノイズを低減することができるCMOS出力バッ
ファ回路を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、CMOS出力
バッファの最終段用PチャネルMOSFET、最終段用
NチャネルMOSFETの前段に、それぞれCMOSイ
ンバータ回路を設け、このCMOSインバータ回路を構
成するPチャネルMOSFETの利得定数比と、CMO
Sインバータ回路を構成するNチャネルMOSFETの
利得定数比とを変えることによって、CMOS出力バッ
ファの最終段用PチャネルMOSFETのゲート、CM
OS出力バッファの最終段用NチャネルMOSFETの
ゲートに入力する電圧の立ち上がりまたは立ち下がりを
遅くしたものである。
【0009】
【作用】本発明は、CMOS出力バッファの最終段用P
チャネルMOSFET、最終段用NチャネルMOSFE
Tの前段に、それぞれCMOSインバータ回路を設け、
このCMOSインバータ回路を構成するPチャネルMO
SFETの利得定数比と、CMOSインバータ回路を構
成するNチャネルMOSFETの利得定数比とを変える
ことによって、CMOS出力バッファの最終段用Pチャ
ネルMOSFETのゲート、CMOS出力バッファの最
終段用NチャネルMOSFETのゲートに入力する電圧
の立ち上がりまたは立ち下がりを遅くしたので、CMO
S出力バッファ回路の貫通電流のピーク電流値が減少
し、したがって、消費電力が低減され、また、発生する
ノイズが低減される。
【0010】
【実施例】図1は、本発明の第1実施例であるCMOS
出力バッファ回路1の説明図であり、図1(1)は、そ
の回路図であり、図1(2)は、CMOS出力バッファ
回路1の最終段用PチャネルMOSFET13のゲート
へ入力する電圧波形と、最終段用NチャネルMOSFE
T14のゲートへ入力する電圧波形と、最終段の電源電
流の波形とを示す図である。
【0011】CMOS出力バッファ回路1は、最終段用
PチャネルMOSFET13と、最終段用NチャネルM
OSFET14と、第1のCMOSインバータ回路21
と、第2のCMOSインバータ回路22とで構成されて
いる。
【0012】最終段用PチャネルMOSFET13のソ
ースが第1の電源VDDに接続され、最終段用Nチャネル
MOSFET14のソースが第2の電源(接地)GND
に接続され、最終段用PチャネルMOSFET13のド
レインと最終段用NチャネルMOSFET14のドレイ
ンとが、CMOS出力バッファ回路1の出力端子34に
接続されている。
【0013】また、第1のCMOSインバータ回路21
の出力端子がPチャネルMOSFET13のゲートに接
続され、第2のCMOSインバータ回路22の出力端子
がNチャネルMOSFET14のゲートに接続され、第
1のCMOSインバータ回路21の入力端子と第2のC
MOSインバータ回路22の入力端子とがCMOS出力
バッファ回路1の入力端子33に接続されている。
【0014】さらに、第1のCMOSインバータ回路2
1、第2のCMOSインバータ回路22を構成するPチ
ャネルMOSFETの利得定数をβP とし、第1のCM
OSインバータ回路21、第2のCMOSインバータ回
路22を構成するNチャネルMOSFETの利得定数を
βN としたときに、第1のCMOSインバータ回路21
における利得定数の比βP /βN よりも、第2のCMO
Sインバータ回路22における利得定数の比βP /βN
が小さく設定されている。
【0015】次に、上記第1実施例の動作について説明
する。
【0016】まず、CMOSインバータ回路において、
入力電圧の立ち上がり、立ち下がりを遅くする方法につ
いて説明する。一般に、CMOSインバータ回路を構成
するPチャネルMOSFETの利得定数を通常よりも小
さくすると、そのPチャネルMOSFETの内部抵抗が
増加するために、そのCMOSインバータ回路の出力電
圧の立ち上がりが遅くなる。逆に、CMOSインバータ
回路を構成するNチャネルMOSFETの利得定数を通
常よりも小さくすると、そのNチャネルMOSFETの
内部抵抗が増加するために、そのCMOSインバータ回
路の出力電圧の立ち下がりが遅くなる。
【0017】上記実施例において、第1のCMOSイン
バータ回路21における利得定数の比βP /βN より
も、第2のCMOSインバータ回路22における利得定
数の比βP /βN が小さく設定されているので、第1の
CMOSインバータ回路21は、その利得定数の比が大
きく、したがって、第1のCMOSインバータ回路21
を構成するNチャネルMOSFETの内部抵抗が高いた
めに、通常のCMOSインバータ回路よりもその立ち下
がりが遅くなる。一方、第2のCMOSインバータ回路
22は、その利得定数の比が小さく、したがって、第2
のCMOSインバータ回路22を構成するPチャネルM
OSFETの内部抵抗が高いために、通常のCMOSイ
ンバータ回路よりもその立ち上がりが遅くなる。
【0018】すなわち、第1のCMOSインバータ回路
21は第2のCMOSインバータ回路22よりも、その
出力電圧の立ち下がりが遅く、第2のCMOSインバー
タ回路22は第1のCMOSインバータ回路21より
も、その出力電圧の立ち上がりが遅い。このために、C
MOS出力バッファ回路1の最終段用PチャネルMOS
FET13のゲートへ入力される入力電圧波形、最終段
用NチャネルMOSFET14のゲートへ入力される入
力電圧波形は、図1(2)に示すようになる。
【0019】つまり、上記実施例は、CMOS出力バッ
ファ回路1を構成する最終段用NチャネルMOSFET
13、最終段用PチャネルMOSFET14のそれぞれ
のゲートに、位相をずらした電圧波形を入力するもので
ある。
【0020】なお、P点の電圧は、NチャネルMOSF
ET14の閾値電圧VthN であり、Q点の電圧はVDD
thP であり、電圧VthP は、PチャネルMOSFET
13の閾値電圧(絶対値)である。
【0021】図1(2)において、貫通電流が流れる期
間は、PチャネルMOSFET13のゲート入力電圧が
P点からQ点に到るまでの期間と、NチャネルMOSF
ET14のゲート入力電圧がP点からQ点に到るまでの
期間とが重なっている期間であり、上記実施例における
貫通電流が流れる期間は、図3(2)に示す従来例にお
ける期間よりも短くなっている。
【0022】NチャネルMOSFET14のゲートへ印
加される入力電圧の立ち上がりをさらに遅くすれば、N
チャネルMOSFET14のゲートへ印加される入力電
圧のP点がさらに右方向に移動し、貫通電流が流れる期
間がさらに短くなる。入力電圧の立ち下がりで貫通電流
が流れる期間についても、上記立ち上りの場合と、同様
に考えることができる。つまり、PチャネルMOSFE
T13のゲートへ印加される入力電圧の立ち下がりをさ
らに遅くすれば、PチャネルMOSFET13のゲート
へ印加される入力電圧のQ点がさらに右方向に移動し、
貫通電流が流れる期間がさらに短くなる。
【0023】図3(1)に示す従来の出力バッファ回路
における貫通電流は、図3(2)の電源電流波形に示す
ように、入力電圧がVDD/2である付近で最大となる。
ところが、上記実施例では、図1(2)に示すように、
PチャネルMOSFET13、NチャネルMOSFET
14の各ゲートの入力電圧は位相がづれているために、
同時にVDD/2になることはなく、このために、貫通電
流のピーク電流値も減少する。また、貫通電流による消
費電力は、電源電流の積分値と電源電圧との積であるた
めに、上記実施例における消費電力は、従来例と比較し
て大幅に減少している。
【0024】なお、上記実施例において、立ち下がり、
立ち上がりの時間をさらに増加させるとPチャネルMO
SFET13、NチャネルMOSFET14が同時にO
Nする期間がゼロになり、貫通電流が流れなくなる。た
だし、立ち上がり、立ち下がりを極端に遅くすると、C
MOS出力バッファ回路1として必要とする動作速度が
得られなくなることがあり、貫通電流の低減と動作速度
とのかねあいの最適化設計が必要となる。
【0025】また、第1のCMOSインバータ回路2
1、第2のCMOSインバータ回路22にも貫通電流が
流れるが、そのインバータ回路21、22を構成するM
OSFETのチャネル幅は、最終段用MOSFET1
3、14よりもかなり小さいので、第1のCMOSイン
バータ回路21、第2のCMOSインバータ回路22の
消費電力は、出力バッファ回路1の最終段の消費電力と
比較すると、無視できる程度に少ない。
【0026】図2は、本発明の第2実施例であるCMO
S出力バッファ回路2の説明図であり、図2(1)は、
その回路図であり、図2(2)は、CMOS出力バッフ
ァ回路2の最終段用PチャネルMOSFET15のゲー
トへ入力する電圧波形と、NチャネルMOSFET16
のゲートへ入力する電圧波形と、最終段の電源電流の波
形とを示す図である。
【0027】CMOS出力バッファ回路2は、最終段用
PチャネルMOSFET15と、最終段用NチャネルM
OSFET16と、第1のCMOSインバータ回路41
と、第2のCMOSインバータ回路42と、第3のCM
OSインバータ回路43と、第4のCMOSインバータ
回路44とで構成されている。
【0028】最終段用PチャネルMOSFET15は、
そのソースが第1の電源VDDに接続され、最終段用Nチ
ャネルMOSFET16は、そのソースが第2の電源
(接地)GNDに接続され、最終段用PチャネルMOS
FET15のドレインと最終段用NチャネルMOSFE
T16のドレインとがCMOS出力バッファ回路2の出
力端子34に接続されている。
【0029】また、第3のCMOSインバータ回路43
は、その出力端子が最終段用PチャネルMOSFET1
5のゲートに接続され、第4のCMOSインバータ回路
44は、その出力端子が最終段用NチャネルMOSFE
T16のゲートに接続され、第2のCMOSインバータ
回路42は、その出力端子が第3のCMOSインバータ
回路43の入力端子に接続され、第1のCMOSインバ
ータ回路41は、その出力端子が第4のCMOSインバ
ータ回路44の入力端子に接続され、第1のCMOSイ
ンバータ回路41の入力端子と第2のCMOSインバー
タ回路42の入力端子とがCMOS出力バッファ回路2
の入力端子33に接続されている。
【0030】さらに、第1のCMOSインバータ回路4
1、第2のCMOSインバータ回路42を構成するPチ
ャネルMOSFETの利得定数をβP とし、第1のCM
OSインバータ回路41、第2のCMOSインバータ回
路42を構成するNチャネルMOSFETの利得定数を
βN としたときに、第1のCMOSインバータ回路41
における利得定数の比βP /βN よりも、第2のCMO
Sインバータ回路42における利得定数の比βP /βN
が小さくなるように設定されている。
【0031】第1のCMOSインバータ回路41は、図
1に示す第1のCMOSインバータ回路21と同じ利得
定数の比βP /βN を有し、第2のCMOSインバータ
回路42は、図1に示す第2のCMOSインバータ回路
22と同じ利得定数の比βP/βN を有する。
【0032】第3のCMOSインバータ回路43、第4
のCMOSインバータ回路44は、通常の利得定数の比
を有するMOSFETで構成されている。第1のCMO
Sインバータ回路41、第2のCMOSインバータ回路
42の出力電圧の波形は、それぞれインバータ回路4
4、43で反転されるために、第1のCMOSインバー
タ回路21に対応する第1のCMOSインバータ回路4
1がNチャネルMOSFET16側に接続され、第2の
CMOSインバータ回路22に対応する第2のCMOS
インバータ回路42がPチャネルMOSFET15側に
接続され、図1に示す接続関係とは逆になっている。
【0033】なお、図2(2)において、P点の電圧
は、NチャネルMOSFET16の閾値電圧VthN であ
り、Q点の電圧はVDD−VthP であり、電圧VthP は、
PチャネルMOSFET15の閾値電圧(絶対値)であ
る。
【0034】次に、第2実施例の動作について説明す
る。
【0035】一般に、立ち上がり、立ち下がりが遅い波
形をインバータ回路に通すと、立ち上がり、立ち下がり
が速くなり(傾斜が急になり)、遅延時間が増加する
(立ち上がり、立ち下がりの開始が遅くなる)。
【0036】このために、第1のCMOSインバータ回
路41によって、立ち下がりを遅くすると、第4のCM
OSインバータ回路44の出力の立ち上がり、立ち下が
りが速いが、立ち上がりの遅延時間が増加する。これと
同様に、第2のCMOSインバータ回路42によって、
立ち上がりを遅くすると、第3のCMOSインバータ回
路43の出力の立ち上がり、立ち下がりが速いが、立ち
下がりの遅延時間が増加する。
【0037】上記のように、第3のCMOSインバータ
回路43、第4のCMOSインバータ回路44によっ
て、立ち上がり、立ち下がりを速め、遅延時間を増加さ
せると、CMOS出力バッファ回路2の最終段用Pチャ
ネルMOSFET15、最終段用NチャネルMOSFE
T16のゲートに入力する電圧は、図2(2)に示すよ
うに、各ゲートの入力電圧の位相がづれる。
【0038】図2(2)で貫通電流が流れる期間は、P
チャネルMOSFET15のゲート入力電圧がP点から
Q点に到るまでの期間と、NチャネルMOSFET16
のゲート入力電圧がP点からQ点に到るまでの期間とが
重なっている期間であり、図2(2)に示す場合は、貫
通電流が流れる時間が図1(1)に示す場合よりもさら
に短くなる。この貫通電流が流れる点におけるCMOS
出力バッファ回路2の最終段用PチャネルMOSFET
15、NチャネルMOSFET16のゲートに入力する
電圧は、VDD/2から十分に離れているので、貫通電流
のピーク値がかなり小さくなる。
【0039】なお、MOSFETの利得定数を小さくす
るには、ゲート幅を狭めるか、またはゲート長を長くす
ればよい。ゲートアレイのようにゲート幅、ゲート長が
変化できない場合は、複数のMOSFETを用いること
によって、利得定数が小さい等価的なMOSFETを構
成することができる。すなわち、複数のMOSFETの
ドレイン、ソースを直列に接続し、その両端を等価的M
OSFETのドレイン、ソースとし、各MOSFETの
全てのゲートを並列接続し、それを等価的MOSFET
のゲートとした場合に、この等価的MOSFETは、も
との1個のMOSFETよりも利得定数が小さくなる。
【0040】CMOSインバータ回路を構成する2つの
MOSFETのうちの一方のMOSFETの利得定数を
小さくする代わりに、他方のMOSFETの利得定数を
大きくしても、その効果は同じである。
【0041】
【発明の効果】本発明によれば、CMOS集積回路に使
用するCMOS出力バッファ回路の貫通電流を小さくす
ることができ、したがって、消費電力を低減することが
でき、発生するノイズを低減することができるという効
果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の説明図であり、図1
(1)は、その回路図であり、図1(2)は、第1実施
例の出力バッファ回路の最終段用PチャネルMOSFE
Tのゲートの入力電圧波形と、最終段用NチャネルMO
SFETのゲートの入力電圧波形と、最終段の電源電流
の波形とを示す図である。
【図2】本発明の第2実施例の説明図であり、図2
(1)は、その回路図であり、図2(2)は、第2実施
例の出力バッファ回路の最終段用PチャネルMOSFE
Tのゲートの入力電圧波形と、最終段用NチャネルMO
SFETのゲートの入力電圧波形と、最終段の電源電流
の波形とを示す図である。
【図3】従来のCMOS出力バッファ回路と、その入力
電圧波形、電源電流波形を示す図である。
【符号の説明】
1、2…CMOS出力バッファ回路、 13、15…最終段用PチャネルMOSFET、 14、16…最終段用NチャネルMOSFET、 21、41…第1のCMOSインバータ回路、 22、42…第2のCMOSインバータ回路 43…第3のCMOSインバータ回路、 44…第4のCMOSインバータ回路、 31、33…CMOS出力バッファ回路の入力端子、 32、34…CMOS出力バッファ回路の出力端子、 P…NチャネルMOSFETの閾値電圧VthN 、 Q…VDD−VthP 、 VthP …PチャネルMOSFETの閾値電圧。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CMOS出力バッファ回路において、 第1の電源にソースが接続されている最終段用Pチャネ
    ルMOSFETと;第2の電源にソースが接続されてい
    る最終段用NチャネルMOSFETと;上記最終段用P
    チャネルMOSFETのゲートに出力端子が接続されて
    いる第1のCMOSインバータ回路と;上記最終段用N
    チャネルMOSFETのゲートに出力端子が接続されて
    いる第2のCMOSインバータ回路と;を有し、 上記最終段用PチャネルMOSFETのドレインと上記
    最終段用NチャネルMOSFETのドレインとが上記C
    MOS出力バッファ回路の出力端子に接続され、上記第
    1のCMOSインバータ回路の入力端子と上記第2のC
    MOSインバータ回路の入力端子とが上記CMOS出力
    バッファ回路の入力端子に接続され、上記各CMOSイ
    ンバータ回路を構成するPチャネルMOSFETの利得
    定数をβP とし、記各CMOSインバータ回路を構成
    するNチャネルMOSFETの利得定数をβN としたと
    きに、上記第1のCMOSインバータ回路におけるβP
    /βN よりも、上記第2のCMOSインバータ回路にお
    けるβP /βN が小さいことを特徴とするCMOS出力
    バッファ回路。
  2. 【請求項2】 CMOS出力バッファ回路において、 第1の電源にソースが接続されている最終段用Pチャネ
    ルMOSFETと;第2の電源にソースが接続されてい
    る最終段用NチャネルMOSFETと;上記最終段用P
    チャネルMOSFETのゲートに出力端子が接続されて
    いる第3のCMOSインバータ回路と;上記最終段用N
    チャネルMOSFETのゲートに出力端子が接続されて
    いる第4のCMOSインバータ回路と;上記第3のCM
    OSインバータ回路の入力端子に出力端子が接続されて
    いる第2のCMOSインバータ回路と;上記第4のCM
    OSインバータ回路の入力端子に出力端子が接続されて
    いる第1のCMOSインバータ回路と;を有し、 上記最終段用PチャネルMOSFETのドレインと上記
    最終段用NチャネルMOSFETのドレインとが上記C
    MOS出力バッファ回路の出力端子に接続され、上記第
    1のCMOSインバータ回路の入力端子と上記第2のC
    MOSインバータ回路の入力端子とが上記CMOS出力
    バッファ回路の入力端子に接続され、上記各CMOSイ
    ンバータ回路を構成するPチャネルMOSFETの利得
    定数をβP とし、上記各CMOSインバータ回路を構成
    するNチャネルMOSFETの利得定数をβN としたと
    きに、上記第1のCMOSインバータ回路におけるβP
    /βN よりも、上記第2のCMOSインバータ回路にお
    けるβP /βN が小さいことを特徴とするCMOS出力
    バッファ回路。
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