JPH1168548A - 半導体集積回路 - Google Patents

半導体集積回路

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JPH1168548A
JPH1168548A JP9219620A JP21962097A JPH1168548A JP H1168548 A JPH1168548 A JP H1168548A JP 9219620 A JP9219620 A JP 9219620A JP 21962097 A JP21962097 A JP 21962097A JP H1168548 A JPH1168548 A JP H1168548A
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JP
Japan
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substrate
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Application number
JP9219620A
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English (en)
Inventor
Kazuhiro Ishiyama
一弘 石山
Hiroshi Suzawa
寛 須澤
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】消費電力の増加なしに低電圧動作が可能でしか
も高速動作が可能な半導体集積回路を提供する。 【解決手段】VddとTOUT 間に接続され、ゲートがTIN
に接続されたPMOSトランジスタPT11と、VSS
TOUT との間に接続され、ゲートがTINに接続されたN
MOSトランジスタNT11と、VddとPT11の基板
との間に接続され、ゲートがTINに接続されたPMOS
トランジスタPT12と、PT11,PT12の基板と
TIN間に接続されたキャパシタC11と、PT11,P
T12の基板とVdd間に接続された抵抗器R11と、V
SSとNT11の基板との間に接続され、ゲートがTINに
接続されたNMOSトランジスタNT12と、NT1
1,NT12の基板とTIN間に接続されたキャパシタC
12と、NT11,NT12の基板とVSS間に接続され
た抵抗器R12とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、低電圧で動作する
デバイスに採用されるCMOS回路等の半導体集積回路
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体デバイスは微細化され、こ
れに伴うMOSトランジスタの微細化による信頼性を確
保するために、電源電圧の低電圧化が要求されている。
また、携帯機器への応用を含めて低消費電力化の要望が
強まっている。
【0003】電源電圧を低下させると消費電力は低くな
ることから、基本的には、低消費電力化を実現するに
は、電源電圧を低下させる方法が効果的である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、単に電源電
圧を低下させるだけでは、トランジスタ等の動作速度が
低下するという不利益がある。この動作速度の低下を避
けるために、MOSトランジスタのしきい値電圧を下げ
る方法がある。しかしながら、単純にしきい値電圧を下
げると、いわゆるオフリーク電流が指数関数的に増加し
て、上述した低消費電流化を実現できない。
【0005】以上のように、低消費電力化を実現するた
めには、速度の低下とオフリーク電流の増加を抑制する
必要がある。
【0006】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、消費電力の増加なしに低電圧動
作が可能でしかも高速動作が可能な半導体集積回路を提
供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体集積回路は、第1の電源と出力端子
との間に接続され、ゲートが入力端子に接続された第1
導電型電界効果トランジスタと、第2の電源と出力端子
との間に接続され、ゲートが入力端子に接続された第2
導電型電界効果トランジスタと、上記第2の電源と第2
導電型電界効果トランジスタとの接続ラインに設けら
れ、入力端子への信号入力レベルが上記第2導電型電界
効果トランジスタを導通状態に保持するレベルである場
合に導通状態に保持されるスイッチ回路と、上記第2導
電型電界効果トランジスタの基板と上記入力端子との間
に接続された容量素子と、上記第2導電型電界効果トラ
ンジスタの基板と上記第2の電源との間に接続された抵
抗素子とを有する。
【0008】また、本発明では、上記スイッチ回路はゲ
ートが上記入力端子に接続された第2の第2導電型電界
効果トランジスタからなる。
【0009】また、本発明では、上記第2の第2導電型
電界効果トランジスタの基板が上記容量素子の基板との
接続点に接続されている。
【0010】また、本発明の半導体集積回路は、第1の
電源と出力端子との間に接続され、ゲートが入力端子に
接続された第1導電型電界効果トランジスタと、第2の
電源と出力端子との間に接続され、ゲートが入力端子に
接続された第2導電型電界効果トランジスタと、上記第
1の電源と第1導電型電界効果トランジスタとの接続ラ
インに設けられ、入力端子への信号入力レベルが上記第
1導電型電界効果トランジスタを導通状態に保持するレ
ベルである場合に導通状態に保持される第1のスイッチ
回路と、上記第1導電型電界効果トランジスタの基板と
上記入力端子との間に接続された第1の容量素子と、上
記第1導電型電界効果トランジスタの基板と上記第1の
電源との間に接続された第1の抵抗素子と、上記第2の
電源と第2導電型電界効果トランジスタとの接続ライン
に設けられ、入力端子への信号入力レベルが上記第2導
電型電界効果トランジスタを導通状態に保持するレベル
である場合に導通状態に保持される第2のスイッチ回路
と、上記第2導電型電界効果トランジスタの基板と上記
入力端子との間に接続された第2の容量素子と、上記第
2導電型電界効果トランジスタの基板と上記第2の電源
との間に接続された第2の抵抗素子とを有する。
【0011】また、本発明では、上記第1のスイッチ回
路はゲートが上記入力端子に接続された第2の第1導電
型電界効果トランジスタからなり、上記第2のスイッチ
回路はゲートが上記入力端子に接続された第2の第2導
電型電界効果トランジスタからなる。
【0012】また、本発明では、上記第2の第1導電型
電界効果トランジスタの基板が上記第1の容量素子と上
記第1の第1導電型電界効果トランジスタの基板との接
続点に接続され、上記第2の第2導電型電界効果トラン
ジスタの基板が上記第2の容量素子と上記第2の第2導
電型電界効果トランジスタの基板との接続点に接続され
ている。
【0013】本発明の半導体集積回路によれば、たとえ
ば第1の導電型をp型、第2の導電型をn型とし、第1
の電源を電源電圧Vddを供給する電源、第2の電源を接
地電圧VSSを供給する電源として場合であって、たとえ
ばスイッチ回路がn型の電界効果トランジスタの場合に
は、以下のように動作する。すなわち、入力端子への入
力信号のレベルが接地電圧VSSレベルから上昇するとき
には、そのレベルが第1の第2導電型(n型)電界効果
トランジスタのしきい値電圧になるまでは、容量素子の
容量結合により第1および第2のn型電界効果トランジ
スタの基板電位はVSSレベルより上昇する。その結果、
いわゆる基板バイアスが浅くなり、第1のn型電界効果
トランジスタのしきい値電圧が下がる。
【0014】ここで、入力信号のレベルが第1のn型電
界効果トランジスタのしきい値電圧を越えると第1のn
型電界効果が導通(オン)状態となり、出力端子が接地
レベルに引き込まれる。このとき、上述したように第1
のn型電界効果トランジスタのしきい値電圧は下がって
いることから、第1のn型電界効果トランジスタは通常
のしきい値電圧状態時より早めにオン状態に遷移する。
また、入力信号のレベルが第2のn型電界効果トランジ
スタのしきい値電圧を越えると第2のn型電界効果トラ
ンジスタがオン状態となり、第1および第2のn型電界
効果トランジスタの基板電位は接地電圧VSSレベルに下
降する。そして、やがて入力信号のレベルが電源電圧V
ddまで上昇し、第1のn型電界効果トランジスタはオン
状態に保持され、出力端子から接地電圧VSSレベルの信
号が出力される。
【0015】一方、入力端子への入力信号のレベルが電
源電圧Vddレベルから降下し、そのレベルが第2のn型
電界効果トランジスタのしきい値電圧より低くなると、
第2のn型電界効果トランジスタは非導通(オフ)状態
となる。そして、容量素子の容量結合により、第1およ
び第2のn型電界効果トランジスタの基板電位は、接地
電圧VSSレベルより低くなる。すなわちマイナスの電位
に保持される。その結果、基板バイアスが深くなり、第
1のn型電界効果トランジスタのしきい値電圧が上昇
し、第1のn型電界効果トランジスタは安定にオフ状態
に保持される。このため、オフリーク電流がほとんど流
れない。また、このオフ状態にあっては、容量素子の容
量値と抵抗素子の抵抗値に基づく時定数により、第1の
n型電界効果トランジスタの基板電位は、マイナス電位
から接地電圧VSSレベルに向かって徐々に上昇する。こ
れにより、第1のn型電界効果トランジスタの基板バイ
アスが時間的に徐々に浅い方向に遷移される。すなわ
ち、第1のn型電界効果トランジスタがオン状態となる
直前の入力信号のレベルが接地電圧VSSレベルからしき
い値電圧に到達するまでの間に基板バイアスを浅くして
スタンバイ状態に設定される。したがって、回路が高速
に動作することになる。
【0016】
【発明の実施の形態】図1は、本発明に係る半導体集積
回路の一実施形態を示す回路図である。すなわち、図1
の半導体集積回路10は、第1の第1導電型(たとえば
p型)電界効果トランジスタとしてのpチャネル型MO
Sトランジスタ(PMOS)PT11、第2の第1導電
型(p型)電界効果トランジスタからなる第1のスイッ
チ回路としてのPMOSトランジスタPT12、第1の
第2導電型(たとえばn型)電界効果トランジスタとし
てのnチャネル型MOSトランジスタ(NMOS)NT
11、第2の第2導電型(n型)電界効果トランジスタ
からなる第2のスイッチ回路としてのNMOSトランジ
スタNT12、第1の容量素子としてのキャパシタC1
1、第2の容量素子としてのキャパシタC12、第1の
抵抗素子としての抵抗器R11、および第2の抵抗素子
としての抵抗器R12により構成されている。
【0017】PMOSトランジスタPT11のソースが
電源電圧Vddの供給ライン(第1の電源)に接続され、
ドレインが出力端子TOUT に接続され、ゲートが入力端
子TINに接続されている。NMOSトランジスタNT1
1のソースが接地電圧VSSの供給ライン(第2の電源)
に接続され、ドレインが出力端子TOUT に接続され、ゲ
ートが入力端子TINに接続されている。これらPMOS
トランジスタPT11およびNMOSトランジスタNT
11によりCMOSインバータが構成されている。
【0018】PMOSトランジスタPT12のソースが
電源電圧Vddの供給ラインに接続され、ドレインがその
基板およびPMOSトランジスタPT11の基板に接続
されている。キャパシタC11の第1の電極がPMOS
トランジスタPT11およびPT12のゲート、すなわ
ち入力端子TINに接続され、第2の電極がPMOSトラ
ンジスタPT11の基板とPMOSトランジスタPT1
2のドレインおよび基板との接続点(ノード)ND11
に接続されている。そして、ノードND11と電源電圧
ddの供給ラインとの間に、PMOSトランジスタPT
12に並列して抵抗器R11が接続されている。
【0019】NMOSトランジスタNT12のソースが
接地電圧VSSの供給ラインに接続され、ドレインがその
基板およびNMOSトランジスタNT11の基板に接続
されている。キャパシタC12の第1の電極がNMOS
トランジスタNT11およびNT12のゲート、すなわ
ち入力端子TINに接続され、第2の電極がNMOSトラ
ンジスタNT11の基板とNMOSトランジスタNT1
2のドレインおよび基板との接続点(ノード)ND12
に接続されている。そして、ノードND12と接地電圧
SSの供給ラインとの間に、NMOSトランジスタPT
12に並列して抵抗器R12が接続されている。
【0020】次に、上記構成による動作を説明する。ま
ず、入力信号SINのレベルが接地電圧VSSレベルから電
源電圧Vddレベルに遷移する場合のNMOSトランジス
タNT11およびNT12の動作について説明する。
【0021】入力端子TINへの入力信号SINのレベルが
接地電圧VSSレベルから上昇するときには、そのレベル
がNMOSトランジスタNT12のしきい値電圧になる
までは、キャパシタC12の容量結合によりNMOSト
ランジスタNT11およびNMT12の基板電位はVSS
レベルより上昇する。その結果、いわゆる基板バイアス
が浅くなり、NMOSトランジスタNT11のしきい値
電圧が下がる。
【0022】ここで、入力信号SINのレベルがNMOS
トランジスタNT11のしきい値電圧を越えるとNMO
SトランジスタNT11が導通(オン)状態となり、出
力端子TOUT が接地レベルに引き込まれる。このとき、
上述したようにNMOSトランジスタNT11のしきい
値電圧は下がっていることから、NMOSトランジスタ
NT11は通常のしきい値電圧状態時より早めにオン状
態に遷移する。また、入力信号SINのレベルがNMOS
トランジスタNT12のしきい値電圧を越えるとNMO
SトランジスタNT12がオン状態となり、NMOSト
ランジスタNT11およびNT12の基板電位は接地電
圧VSSレベルに下降する。そして、やがて入力信号SIN
のレベルが電源電圧Vddまで上昇し、NMOSトランジ
スタNT11およびNT12はオン状態に保持され、出
力端子TOUT から接地電圧VSSレベルの信号SOUT が出
力される。
【0023】次に、入力信号SINのレベルが電源電圧V
ddレベルから接地電圧VSSレベルに遷移する場合のNM
OSトランジスタNT11およびNT12の動作につい
て説明する。
【0024】入力端子TINへの入力信号SINのレベルが
電源電圧Vddレベルから降下し、そのレベルがNMOS
トランジスタNT12のしきい値電圧より低くなると、
NMOSトランジスタNT12は非導通(オフ)状態と
なる。そして、キャパシタC12の容量結合により、N
MOSトランジスタNT11およびNT12の基板電位
は、接地電圧VSSレベルより低くなる。すなわちマイナ
スの電位に保持される。その結果、基板バイアスが深く
なり、NMOSトランジスタNT11のしきい値電圧が
上昇し、NMOSトランジスタNT11は安定にオフ状
態に保持されてる。このため、オフリーク電流がほとん
ど流れない。
【0025】また、このオフ状態にあっては、キャパシ
タC12の容量値と抵抗器R12の抵抗値に基づく時定
数により、NMOSトランジスタNT11の基板電位
は、マイナス電位から接地電圧VSSレベルに向かって徐
々に上昇する。これにより、NMOSトランジスタNT
11の基板バイアスが時間的に徐々に浅い方向に遷移さ
れる。すなわち、NMOSトランジスタNT11がオン
状態となる直前の入力信号SINのレベルが接地電圧VSS
レベルからしきい値電圧に到達するまでの間に基板バイ
アスを浅くしてスタンバイ状態に設定される。したがっ
て、回路が高速に動作することになる。
【0026】次に、入力信号SINのレベルが電源電圧V
ddレベルから接地電圧VSSレベルに遷移する場合のPM
OSトランジスタPT11およびPT12の動作につい
て説明する。
【0027】入力端子TINへの入力信号SINのレベルが
電源電圧Vddレベルから降下するときには、そのレベル
がPMOSトランジスタNT12のしきい値電圧になる
までは、キャパシタC11の容量結合によりPMOSト
ランジスタPT11およびPMT12の基板電位は電源
電圧Vddレベルより下降する。その結果、いわゆる基板
バイアスが浅くなり、NMOSトランジスタPT11の
しきい値電圧が下がる。
【0028】ここで、入力信号SINのレベルがPMOS
トランジスタPT11のしきい値電圧に達するとPMO
SトランジスタPT11がオン状態となり、出力端子T
OUTは電源電圧Vddレベルに向かって上昇する。このと
き、上述したようにPMOSトランジスタPT11のし
きい値電圧は下がっていることから、PMOSトランジ
スタNT11は通常のしきい値電圧状態時より早めにオ
ン状態に遷移する。また、入力信号SINのレベルがPM
OSトランジスタPT12のしきい値電圧に達するとP
MOSトランジスタPT12がオン状態となり、PMO
SトランジスタPT11およびPT12の基板電位は電
源電圧Vddレベルに上昇する。そして、やがて入力信号
SINのレベルが接地電圧VSSレベルまで降下し、PMO
SトランジスタPT11はオン状態に保持され、出力端
子TOUT から電源電圧Vddレベルの信号SOUT が出力さ
れる。
【0029】次に、入力信号SINのレベルが接地電圧V
SSレベルから電源電圧Vddレベルに遷移する場合のPM
OSトランジスタPT11およびPT12の動作につい
て説明する。
【0030】入力端子TINへの入力信号SINのレベルが
接地電圧VSSレベルから上昇し、そのレベルがPMOS
トランジスタPT12のしきい値電圧より高くなると、
PMOSトランジスタPT12はオフ状態となる。そし
て、キャパシタC11の容量結合により、PMOSトラ
ンジスタPT11およびPT12の基板電位は、電源電
圧Vddレベルより高くなる。すなわちVdd+αの電位に
保持される。その結果、基板バイアスが深くなり、PM
OSトランジスタPT11のしきい値電圧が上昇し、P
MOSトランジスタPT11は安定にオフ状態に保持さ
れてる。このため、オフリーク電流がほとんど流れな
い。
【0031】また、このオフ状態にあっては、キャパシ
タC11の容量値と抵抗器R11の抵抗値に基づく時定
数により、PMOSトランジスタPT11の基板電位
は、(Vdd+α)電位から電源電圧Vddレベルに向かっ
て徐々に降下する。これにより、PMOSトランジスタ
PT11の基板バイアスが時間的に徐々に浅い方向に遷
移される。すなわち、PMOSトランジスタPT11が
オン状態となる直前の入力信号SINのレベルが電源電圧
ddレベルからしきい値電圧に到達するまでの間に基板
バイアスを浅くしてスタンバイ状態に設定される。した
がって、回路が高速に動作することになる。
【0032】図2は、図1の回路について、各素子のパ
ラメータを図3に示すように設定し、電源電圧Vddを1
Vとしてシミュレーションを行ったときの動作波形を示
す図である。図2において、横軸が時間、縦軸が電圧を
それぞれ表している。また、図2において、Pch Bulkは
PMOSトランジスタPT11,P12の基板電位を、
Nch BulkはNMOSトランジスタNT11,N12の基
板電位を示している。
【0033】図2からわかるように、本実施形態に係る
CMOSインバータ回路は、電源電圧Vddが1Vと低電
圧であっても、応答性よく良好に動作する。
【0034】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、電源電圧Vddの供給ラインと出力端子TOUT との間
に接続され、ゲートが入力端子TINに接続されたPMO
SトランジスタPT11と、接地電圧VSSの供給ライン
と出力端子TOUT との間に接続され、ゲートが入力端子
TINに接続されたNMOSトランジスタNT11と、電
源電圧Vddの供給ラインとPMOSトランジスタPT1
1の基板との間に接続され、ゲートが入力端子TINに接
続されたPMOSトランジスタPT12と、PMOSト
ランジスタPT11,PT12の基板と入力端子TINと
の間に接続されたキャパシタC11と、PMOSトラン
ジスタPT11,PT12の基板と電源電圧Vddの供給
ラインとの間に接続された抵抗器R11と、接地電圧V
SSの供給ラインとNMOSトランジスタNT11の基板
との間に接続され、ゲートが入力端子TINに接続された
NMOSトランジスタNT12と、NMOSトランジス
タNT11,NT12の基板と入力端子TINとの間に接
続されたキャパシタC12と、NMOSトランジスタN
T11,NT12の基板と接地電圧VSSの供給ラインと
の間に接続された抵抗器R12とを有することから、消
費電流の増加なしに低電圧動作が可能で、しかも高速動
作を実現できる利点がある。
【0035】なお、本実施形態では、CMOSインバー
タ回路のPMOSトランジスタPT11およびNMOS
トランジスタNT11のいわゆる基板バイアス制御回路
を両トランジスタについてそれぞれ設けた構成を例に説
明したが、いずれか一方側に設ける構成も可能であるこ
とはいうまでもない。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
消費電力の増加なしに低電圧動作が可能で、しかも高速
動作が可能な半導体集積回路を実現できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体集積回路の一実施形態を示
す回路図である。
【図2】図1の回路について各素子のパラメータを図3
に示すように設定し、電源電圧Vddを1Vとしてシミュ
レーションを行ったときの動作波形を示す図である。
【図3】シミュレーションを行ったときの図1の回路に
おける各素子のパラメータを示す図である。
【符号の説明】
10…半導体集積回路、PT11…PMOSトランジス
タ(第1の第1導電型電界効果トランジスタ、PT12
…PMOSトランジスタ(第2の第1導電型電界効果ト
ランジスタ、NT11…NMOSトランジスタ(第1の
第2導電型電界効果トランジスタ、NT12…NMOS
トランジスタ(第2の第2導電型電界効果トランジス
タ、C11…第1の容量素子としてのキャパシタ、C1
2…第2の容量素子としてのキャパシタ、R11…第1
の抵抗素子としての抵抗器、R12…第2の抵抗素子と
しての抵抗器、TIN…入力端子、TOUT …出力端子。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の電源と出力端子との間に接続さ
    れ、ゲートが入力端子に接続された第1導電型電界効果
    トランジスタと、 第2の電源と出力端子との間に接続され、ゲートが入力
    端子に接続された第2導電型電界効果トランジスタと、 上記第2の電源と第2導電型電界効果トランジスタとの
    接続ラインに設けられ、入力端子への信号入力レベルが
    上記第2導電型電界効果トランジスタを導通状態に保持
    するレベルである場合に導通状態に保持されるスイッチ
    回路と、 上記第2導電型電界効果トランジスタの基板と上記入力
    端子との間に接続された容量素子と、 上記第2導電型電界効果トランジスタの基板と上記第2
    の電源との間に接続された抵抗素子とを有する半導体集
    積回路。
  2. 【請求項2】 上記スイッチ回路はゲートが上記入力端
    子に接続された第2の第2導電型電界効果トランジスタ
    からなる請求項1記載の半導体集積回路。
  3. 【請求項3】 上記第2の第2導電型電界効果トランジ
    スタの基板が上記容量素子の基板との接続点に接続され
    ている請求項2記載の半導体集積回路。
  4. 【請求項4】 第1の電源と出力端子との間に接続さ
    れ、ゲートが入力端子に接続された第1導電型電界効果
    トランジスタと、 第2の電源と出力端子との間に接続され、ゲートが入力
    端子に接続された第2導電型電界効果トランジスタと、 上記第1の電源と第1導電型電界効果トランジスタとの
    接続ラインに設けられ、入力端子への信号入力レベルが
    上記第1導電型電界効果トランジスタを導通状態に保持
    するレベルである場合に導通状態に保持される第1のス
    イッチ回路と、 上記第1導電型電界効果トランジスタの基板と上記入力
    端子との間に接続された第1の容量素子と、 上記第1導電型電界効果トランジスタの基板と上記第1
    の電源との間に接続さされた第1の抵抗素子と、 上記第2の電源と第2導電型電界効果トランジスタとの
    接続ラインに設けられ、入力端子への信号入力レベルが
    上記第2導電型電界効果トランジスタを導通状態に保持
    するレベルである場合に導通状態に保持される第2のス
    イッチ回路と、 上記第2導電型電界効果トランジスタの基板と上記入力
    端子との間に接続された第2の容量素子と、 上記第2導電型電界効果トランジスタの基板と上記第2
    の電源との間に接続された第2の抵抗素子とを有する半
    導体集積回路。
  5. 【請求項5】 上記第1のスイッチ回路はゲートが上記
    入力端子に接続された第2の第1導電型電界効果トラン
    ジスタからなり、 上記第2のスイッチ回路はゲートが上記入力端子に接続
    された第2の第2導電型電界効果トランジスタからなる
    請求項4記載の半導体集積回路。
  6. 【請求項6】 上記第2の第1導電型電界効果トランジ
    スタの基板が上記第1の容量素子と上記第1の第1導電
    型電界効果トランジスタの基板との接続点に接続され、 上記第2の第2導電型電界効果トランジスタの基板が上
    記第2の容量素子と上記第2の第2導電型電界効果トラ
    ンジスタの基板との接続点に接続されている請求項5記
    載の半導体集積回路。
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