JPS632423A - 集積論理回路 - Google Patents

集積論理回路

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JPS632423A
JPS632423A JP62148119A JP14811987A JPS632423A JP S632423 A JPS632423 A JP S632423A JP 62148119 A JP62148119 A JP 62148119A JP 14811987 A JP14811987 A JP 14811987A JP S632423 A JPS632423 A JP S632423A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、第1及び第2電源端子間にあってデータ出力
端子を出力絶縁ゲート電界効果トランジスタの導電チャ
ンネルを経て2個の電源端子の一方に接続する出力回路
と、出力電界効果トランジスタのゲート電極に時間依存
制御電圧を発生する制御回路とを具える集積論理回路に
関するものである。
斯かる論理回路はrlBM’s Technical 
DisclosureBulletin J VOI、
27.  N(114,1984年6月、 pp13〜
14から既知であり、これには出力電界効果トランジス
タの制御電極の制御電圧を初めゆっくり増大させ、次い
で追加の電界効果トランジスタのスイッチオン後に急速
に増大させて出力電界効果トランジスタを短時間のうち
に完全に導通せしめるようにした出力回路が示されてい
る。
それにもかかわらず、この出力回路は特に制御電圧の急
増中に集積回路の電源端子に高すぎる誘導逆電圧ピーク
を依然として発生して回路の正しい動作を著しく妨害し
得るという欠点を有している。即ち、既知の回路はこの
欠点を緩和するのが目的であるが、データ出力端子がか
なり大きな容量で負荷されると、追加の電界効果トラン
ジスタがスイッチオンされるやいなや、データ出力端子
が放電されて集積回路の接続線から成るインダクタンス
の両端間に高い逆電圧ピークを発生する。
追加の電界効果トランジスタのスイッチオンを遅らせる
こともできるが、この場合には出力電圧の変化が緩慢に
なり、極めて不所望になる。
本発明の目的は、逆電圧ピークを予め定めた値に制限し
得ると共にデータ出力端子に接続される容量の値に無関
係にすることができ、且つ出力回路がデータ出力端子を
最大の速度で充放電し得る集積論理回路を提供すること
にある。
この目的のために、本発明集積論理回路においては、制
御回路を、その回路のスイッチオン後の少なくとも初期
期間中、時間の平方根に略々比例して変化する制御電圧
を発生するよう構成したことを特徴とする。
本発明は、データ出力端子を充電又は放電する必要があ
る出力電界効果トランジスタを制御する少なくとも初期
の期間中、この出力電界効果トランジスタは飽和すると
いう事実の認識に基づくものである。このことは、この
初期期間中のこのトランジスタの主電流は導電チャンネ
ル両端間の電圧と無関係で、制御電極の制御電圧と略々
二次の関係にあることを意味する。誘導逆電圧ピークの
値は単位時間当たりの電流の変化の大きさに比例するた
め、制御電極の制御電圧を少なくとも前記初期期間中略
々ルート状に変化させて主電流が初期値から直線的に増
大するようにし、この増大中に予め定めた制限された一
定の誘導逆電圧を発生するようにすることにより最適な
効果が達成される。
電圧の“ルート状”変化は時間のn乗根に−致し、記載
の便宜上この変化又は増大を以後“ルート状”と称す。
前述したように、出力電界効果トランジスタの制御電圧
は初期期間中非直線状に増大する。現在の慣例の電界効
果トランジスタ(チャンネル長駒2μm)では制御電圧
を前記初期期間後にもルート状曲線に従って増大させる
ことができ、これは前記トランジスタでは主電流と導電
チャンネルの両端間の電圧と制御電極の電圧との間の前
述の関係が前記制御電極の電圧が増大するときにも維持
されるためである。
しかし、現在−部で開発され使用されている或いは使用
されようとしている“短チャンネル゛電界効果トランジ
スタ(チャンネル長1〜1.2 μm以下)では、初期
期間後の制御電圧は時間の関数として“ルート状”に増
大させる必要はなく、もっと急速に(例えば−%−tl
/2の代わりにt3/4で)増大させて所期の目的、即
ち電流の時間の関数としての一定の増大を達成すること
ができる。トランジスタの幾何学形状に応じて、制御電
圧は初期期間後時間の374乗に従って又は時間の一時
間数に従って増大させる必要がある。従って、前記制御
電圧を発生する素子にとっては (a)常に“ルート状”曲線に従うか、或いは(b)初
期期間中のみ“ルート状”に増大し、次いでもっと急速
に(tzt3/4又は直線的に)増大する時間の関数と
しての制御電圧の変化が重要となる。後者の場合は電界
強度EがIV/μmより高くなる短チヤンネルトランジ
スタの場合にのみ必要とされる。
電気素子の正しい選択及び設計により逆電圧をデータ出
力端子に存在する容量値と無関係に制限することができ
る。更に、出力トランジスタを“−ト状”駆動するこの
方法は許容し得る(−定)逆電圧でデータ出力端子の可
能最大速度の充放電を提供することができる。
本発明集積回路においては、制御回路は制御電極と2個
の電源端子との間に存在する容量性負荷と、制御電極と
2個の電源端子の一方との間に接続した電流源とを具え
るものとすることができる。
この電流源はその容量性負荷を充電又は放電してルート
状制御電圧を発生することができる。この容量性負荷は
出力電界効果トランジスタの制御電極の内部容量のみで
構成することができるが、外部容量を付加してこの容量
性負荷の値が出力電界効果トランジスタの製造のバラツ
キに左右されないようにすることができる。更に、この
容量性負荷は、関連する電流源を容易に再現可能な素子
のみで構成して簡単に実現し得るように選定することが
できる。
電流源は、第1及び第2絶縁ゲート電界効果トランジス
タの導電チャンネルの直列接続から成る電流通路を具え
、第1電界効果トランジスタの制御電極と第2電界効果
トランジスタの導電チャンネルを出力電界効果トランジ
スタの制御電極に接続し、第1電界効果トランジスタの
導電チャンネルを2個の電源端子の一方に接続し、第2
電界効果トランジスタの制御電極を出力電界効果トラン
ジスタの駆動信号を受信する駆動入力端子に接続した構
成にする巳とができる。
駆動信号の受信後、少数の素子から成る前記電流通路は
電流源に対する最適な電流対電圧特性の良好な近似を提
供することができる。駆動信号がない場合、第2電界効
果トランジスタがカットオフされて前記制御電極の充電
又は放電を阻止する。
電流源は、更に、制御電極が駆動入力端子に接続され且
つ導電チャンネルが第1及び第2電界効果トランジスタ
の直列接続と並列に接続された第3絶縁ゲート電界効果
トランジスタを具えることができる。
この第3電界効果トランジスタの付加により電流源に対
する最適電圧−電流特性の一層良好な近似が得られると
共に出力トランジスタの制御電極を電源電圧の全電圧ま
で駆動することができるという重要な利点が得られる。
電流源は互いに異なるスイッチオフ電圧を有する複数個
の並列配置の電流通路を具えることができる。
これら複数の電流通路の使用により電流源に対する所望
電圧−電流特性の精密な近似が得られる。
出力電界効果トランジスタがnチャンネル型の場合には
、容量性負荷は、主電極が正の方の電源電圧を受信する
電源端子に接続され且つ制御電極が出力電界効果トラン
ジスタの制御電極に接続されたpチャンネル型の絶縁ゲ
ート電界効果トランジスタも具えることができる。
上述の全ての電流源は制御電圧が正電源電圧のレベルに
近づくと小さすぎる充電電流を発生しやすい。この影響
は上記のpチャンネルトランジスタを用いて補償するこ
とができる。その理由はキャパシタとして接続されたこ
のトランジスタの導電チャンネルが、電源電圧と制御電
圧との差がこのトランジスタのしきい値電圧に達すると
同時に消失し、その結果としてそのキャパシタンスが著
しく減少するためである。この結果として、比較的大き
な電流が出力電界効果トランジスタの制御電極の充電に
得られるため、電流源により生ずる充電電流の減少が補
償される。この手段はpチャンネル出力電界効果トラン
ジスタに対しても適用し得る。
図面につき本発明を説明する。
第1及び第3図に示すトランジスタは全てNチャンネル
型である。
第1図は、データ出力端子の放電時における本発明集積
回路の出力回路の等価回路図を示し、この回路図には重
要な素子のみを示しである。集積回路2はデータ出力端
子14と、第1及び第2電源端子VDDI及びVSSI
を具え、その第1及び第2電源端子はそれぞれの誘導性
接続線し1及びし2を経て第1及び第2外部電源電圧V
DOE及びvSSεに接続される。データ出力端子14
をキャパシタCLIを経て第2外部電源電圧VSSEに
接続して容量性出力負荷を記号的に示しである。出力回
路は、更に、電流源S1を経て第1電源端子VDDIに
接続され且つキャパシタCTIを経て第2電源端子VS
SIに接続された内部接続点16を具えている。キャパ
シタCTIは接続点16に接続された出力電界効果トラ
ンジスタ几の制御電極における容量性負荷を記号的に示
したもので、この負荷は制御電極の内部容量及び制御電
極と2個の電源端子VD旧及びVSSIとの間の容量の
和から成る。出力電界効果トランジスタTしの導電チャ
ンネルがデータ出力端子14を第2電源端子vSSlに
接続する。電流源SlはキャパシタCTIを充電して制
御電圧を発生して出力電界効果トランジスタ几を導通さ
せ、キャパシタ[”Llを放電させる。
制御回路は、その導電チャンネルにより接続点16を第
2電源端子VSS[に接続すると共にその制御電極を駆
動信号を受信する駆動入力端子18に接続した追加のト
ランジスタT12を具えることができる。
入力端子18の駆動信号が高レベルの場合、トランジス
タT12が導通して接続点16が低電圧になって出力ト
ランジスタTしをカットオフする。入力端子18の駆動
信号が低レベルの場合にはトランジスT12がカットオ
フするため接続点16が電流源S1により充電されて出
力トランジスタT2が導通状態になる。駆動信号は破線
で示すように電流源S1にも供給して駆動信号が高レベ
ルのとき電流源S1をスイッチオフして電力消費を低減
することもできる。
トランジスタT12の導電率は小さく選択して出力トラ
ンジスタTLのスイッチオフが急激になりすぎないよう
にするのが好ましい。
第2a〜2d図はこの出力回路のいくつかの時間−電圧
波形図を示すものである。第2a図はルート状に増大す
る制御電圧vcを示す。第2b図は第1図の放電電流1
.を示す。第2C図はデータ出力端子14の電圧V。を
示し、第2d図は第1図の接続線L2の両端間に生ずる
誘導逆電圧VLを示す。これら4つの図の時間の原点t
。は電流源S1が接続点16を充電し始める瞬時に選ん
である。接続点16にルート状に増大する電圧が与えら
れると、出力電界効果トランジスタTLを流れる放電電
流は直線的に増大する。その理由は、トランジスタTL
が飽和され、その導電チャンネルを流れる電流I、が制
御電圧vcの二次関数であるためである。
放電電流りが直線的に増大すると、キャパシタCLIは
二次曲線に従って放電される。接続線L2の両端間に生
ずる逆電圧VLは放電電流I、の増加率に比例し、放電
電流[dは曲線的に増大するためこの逆電圧VLは一定
になる。放電電流りはその最終値まで増大し、瞬時1.
にこの値に達する。
瞬時1.後、キャパシタCLIは一定電流りで放電され
、データ出力端子の電圧V。が直線的に減少すると共に
逆電圧V、が消失する。放電電流I、は、出力トランジ
スタ几がその線形動作領域になる程度までキャパシタC
LIが放電されるまで一定に維持される。次いで放電電
流I、は略々指数関数に従って減少する(第2a〜2d
図には示していない)。
この出力回路は、接続線し2の所定のインダクタンス値
及び逆電圧vしの規定の最大値から出発して、キャパシ
タCLIのできるだけ速い放電を得ることができること
明らかである。また、キャパシタCLIO値が逆電圧v
しの値に何の影響も与えないこと明らかである。キャパ
シタCLIの高い値はデータ出力端子14の電圧V。が
ゆっくり減少する結果を生ずるだけである。
第3図はデータ出力端子14の充電時における本発明集
積回路の出力回路の等価回路図である。第1図と同一の
素子は同一の符号で示しである。出力電界効果トランジ
スタTHは第1電源端子VDDIをデータ出力端子14
に接続する。この出力トランジスタTitの制御電極と
、電源端子VDDIに接続された電流源S3を接続点3
6に接続する。キャパシタCT3及びトランジスタT3
2は第1図のキャパシタCTI及びトランジスタT12
と同一の機能を有する。トランジスタT32の制御電極
は反転された駆動信号を受信するデータ入力端子38に
接続する。反転駆動信号は電流源S3のスイッチオン及
びオフに用いることもでき、反転駆動信号が低レベルの
場合、及び従ってトランジスタT32がカットオフする
場合に電流源S3をスイッチオンすることもできる。
第2図に示す図は第3図に示す回路図にも適用すること
ができ、この場合には第2d図に示す逆電圧VLは接続
線L2の代わりに接続線し1の両端間の逆電圧vHを示
すとことになり、出力電圧V。は充電電流I、の影響の
下で、第2c図のように高電圧から低電圧に減少する代
わりに低電圧から高電圧に増大することになる。
第2a図及び2b図について述べたことは第3図に示す
回路にも言える。しかし、第3図の回路では逆電圧VH
の形成がデータ出力端子14の電圧V。の出力トランジ
スタTHへの負帰還作用によっても抑えられる点に注意
されたい。しかし、この電圧V。
はキャパシタCLIの値に依存し、この負帰還作用はC
LIが大きくなるにつれ弱くなる。この出力回路の設計
は種々の仕様書に含まれるキャパシタCLIの最大値に
対し行うことができるが、データ出力端子14には実際
には任意の大きさのキャパシタCLが負荷され得る事実
から出発して設計することもできる。大きなキャパシタ
が負荷される場合、負帰還作用は充電電流I、の上昇中
無視し得るほど弱く、出力回路の設計はデータ出力端子
14が第2電源電圧vSSεに短絡されるように設計す
る必要がある。
第4図は電流源Sに対するいくつかの可能な電圧−電流
特性を示す。
OPTで示す曲線はキャパシタンスCTI又はCT3と
結合した電流源Sに対する理論的に最適な電圧−電流曲
線を示す。このグラフは次の方程式:ここで、VLは誘
−導通電圧の目標値、Lは接続線のインダクタンスld
は出力電界効果トランジスタを流れる充電又は放電電流
; (It ここで、I、は電流源Sにより発生される電流、CTは
接続点16又は36における容量性負荷、VCは接続点
16又は36における制御電圧;(3)  L = K
(VC−Vt)2ここで、Kは出力電界効果トランジス
タの導電率、V、は出力電界効果トランジスタのしきい
値電圧;を用いて計算される。
式(3)の微分は 式(1)、 (2)及び(4)から、電流源Sにより供
給される電流I、は接続点16又は36の制御電圧の関
数として次式で表わされ、 これが第4図の理論的に最適な曲線OPTを示す。
曲線OPTは第5図に示す電流源S5を用いて近似する
ことができる。
第5図に示す電流源S5はpチャンネル形の第1及び第
2トランジスタT4及びT6の導電チャンネルの直列接
続から成る電流通路を具え、第1トランジスタT4の制
御電極と第2トランジスタT6の導電チャンネルを内部
接続点16又は36に接続し、第1トランジスタT4の
導電チャンネルを第1電源端子VDDIに接続し、第2
トランジスタT6の制御電極に駆動入力端子18又は3
8の駆動信号を受信するようにしである。第2トランジ
スタT6がスイッチとして作動するため、電流源S5は
出力トランジスタが駆動されるときにのみ電流I、を発
生する。この電流源S5と関連する電流−電圧特性を第
4図に曲線S5で示しである。この電流■、は制御電圧
vcが小さい間は曲線OPTによく近似するが、制御電
圧vcの高い値に対しては本質的に低すぎる。尚、制御
電圧VCは第1電源端子VDDIの電圧から第1トラン
ジスタT4のしきい値電圧を引いた値より決して高くな
らなC)ため、出力電界効果トランジスタはその制御電
極に第1電源端子VDDIの全電圧を決して受けること
ができない。
第6図に示す電流源S6は上述の欠点を緩和するもので
あり、この電流源では電流通路T4. T6と並列にp
チャンネル形の第3トランジスタT8を接続し、その制
御電極を駆動入力端子18又は38に接続する。この電
流源S6と関連する電圧−電流特性を第4図に86で示
しである。この電流は高い値の制御電圧VCに対して曲
線OPTに良好に近似する。
曲線OPTへの最良の近似は互いに異なるスイッチオフ
電圧を有する種々の電流通路を並列に具える電流源によ
り得られる。
第7図は斯かる電流源S7の一例を示し、この例では第
6図の電流源S6から出発して、第4pチヤンネル形ト
ランジスタD10(ダイオードとして接続しである)と
第5pチヤンネルトランジスタTIOの導電チャンネル
の直列接続から成る別の電流通路を付加し、ダイオード
として接続した第4トランジスタ010の導電チャンネ
ルを第1電源端子に順方向に接続する。第5トランジス
タTIOの制御電極を内部接続点16又は36に接続し
、その導電チャンネルを第1及び第2トランジスタT4
及びT6の共通接続点10に接続する。トランジスタT
4を含む第1電流通路はpチャンネルトランジスタのし
きい値電圧の1つ分に等しいスイッチオフ電圧を有する
が、トランジスタTIO及び010を含む第2電流通路
は斯かるしきい値電圧の2つ分に等しいスイッチオフ電
圧を有する。このようにすると、電流源S7は低い制御
電圧vcに対して第2電流通路により追加の電流ISを
発生することができる。
第4図の電圧−電流特性の中で37で示す曲線は曲線O
PT に最も良く近似する。このようにして、]吏用す
る電流源が複雑になるが曲線OPTへの任意所望の近似
を得ることができる。
第8図は電流源S6と、データ出力端子14を放電する
ための出力電界効果トランジスタTしとを具える集積回
路2を示す駆動回路は更にキャパシタとして接続したp
チャンネル型のトランジスタT14を具え、このキャパ
シタはその主電極により第1電源端子VDDIに接続す
ると共にその制御電極により内部接続点16に接続する
。第4図に示す特性を有する電流源S5. S6及びS
7は制御電圧veが第1電源端子11001の電圧に近
づぐと低すぎる電流ISを発生する。この不所望な影響
はトランジスタT14により補償することができる。こ
れは、そのキバシタンスが、制御電圧VCが第1電源端
子VDOIの電圧より1しきい値電圧分だけ低い値より
高くなると著しく減少するためであり、従って接続点1
6の容量性負荷が減少し、その結果として低電流入にも
かかわらず接続点16の“ルート状”の充電が行われ得
るからである。
本発明はpチャンネル型の出力電界効果トランジスタに
も適用し得ること明らかであり、この場合には電流源S
のトランジスタとキャパシタとして接続されるトランジ
スタT14をNチャンネル型にすると共に第2電源端子
vssrに接続する必要がある。また、この場合にはト
ランジスタT12又はTa2をpチャンネル型にし、こ
れにより接続点16又は36を第1電源端子VDDIに
接続する必要がある。
これから明らかなように、出力回路はp型でもN型でも
どちらのタイプの出力電界効果トランジスタでも含むこ
とができ、またいわゆるCMO3回路において通常の如
く両タイプの組合せを含むこともできる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明集積回路の、データ出力端子の放電時に
おける等価回路を示す回路図、第2a〜2d図は本発明
集積回路の出力回路の種々の時間−電圧波形図、 第3図は本発明集積回路の、データ出力端子の充電時に
おける等価回路を示す回路図、第4図は電流源に対する
いくつかの電圧−電流特性を示す図、 第5図は電流源の可能な構成例の回路図、第6図は電流
源の他の可能な構成例の回路図、第7図は電流源の更に
他の可能な構成例の回路図、 第8図は本発明による駆動回路の好適例を有する集積回
路の回路図である。 2.32・・・集積回路 VDDI、VSSI −・・電源端子 14・・・データ出力端子 CLI・・・負荷 VDDE、 VSSE・・・外部電源端子し1.シ2・
・・誘導性接続線 几、TI(・・・出力電界効果トランジスタ16、36
・・・内部接続点 St、 S3. S5. S6. S7・・・電流源C
TI、 C70・・・容量性負荷 T12. Ta2・・・追加のトランジスタ18、38
・・・駆動信号入力端子 F1G4

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、電源電圧を受信する第1及び第2電源端子と、少な
    くとも1個のデータ出力端子と、絶縁ゲート出力電界効
    果トランジスタの導電チャンネルにより前記データ出力
    端子を前記2個の電源端子の一方に接続する出力回路と
    を具え、該出力回路は更に前記出力電界効果トランジス
    タの制御電極に時間依存制御電圧を発生する制御回路を
    具えている集積論理回路において、前記制御回路は、そ
    のスイッチオン後の少なくとも初期期間中、時間の平方
    根に少なくとも略々比例して変化する制御電圧を発生す
    るようにしてあることを特徴とする集積論理回路。 2、前記制御回路は前記出力電界効果トランジタの制御
    電極と前記2個の電源端子との間に依存する容量性負荷
    と、前記制御電極と前記2個の電源端子の一方との間に
    接続された電流源とを具えていることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項記載の集積論理回路。 3、前記電流源は第1及び第2絶縁ゲート電界効果トラ
    ンジスタの導電チャンネルの直列接続から成る電流通路
    を具え、その第1電界効果トランジスタの制御電極と第
    2電界効果トランジスタの導電チャンネルを前記出力絶
    縁ゲート電界効果トランジスタの制御電極に接続すると
    共にその第1電界効果トランジスタの導電チャンネルを
    前記2個の電源端子の一方に接続し、且つその第2電界
    効果トランジスタの制御電極を前記出力電界効果トラン
    ジスタの駆動信号を受信する駆動入力端子に接続してあ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の集積論
    理回路。 4、前記電流源は、制御電極が駆動入力端子に接続され
    且つ導電チャンネルが前記第1及び第2電界効果トラン
    ジスタの直列接続と並列に接続された第3絶縁ゲート電
    界効果トランジスタを具えていることを特徴とする特許
    請求の範囲第3項記載の集積論理回路。 5、前記電流源は互いに異なるスイッチオフ電圧を有す
    る複数個の並列配置の電流通路を具えていることを特徴
    とする特許請求の範囲第3又は4項記載の集積論理回路
    。 6、前記出力電界効果トランジスタ又はnチャンネル型
    であり、且つ前記電流源内の電界効果トランジスタはp
    チャンネル型であり、前記電流源は2個の電源電圧の正
    の方の電圧を受信する電源端子に接続してあることを特
    徴とする特許請求の範囲第3、4又は5項記載の集積論
    理回路。 7、前記容量性負荷は、主電極が2個の電源電圧の正の
    方の電圧を受信する電源端子に接続され且つ制御電極が
    前記出力電界効果トランジスタの制御電極に接続された
    pチャンネル絶縁ゲート電界効果トランジスタを具えて
    いることを特徴とする特許請求の範囲第6項記載の集積
    論理回路。 8、前記出力電界効果トランジスタはpチャンネル型で
    あり、且つ前記電流源内の電界効果トランジスタはNチ
    ャイネル型であり、前記電流源は2個の電源電圧の負の
    方の電圧を受信する電源端子に接続してあることを特徴
    とする特許請求の範囲第3、4又は5項記載の集積論理
    回路。 9、前記容量性負荷は、主電極が2個の電源電圧の負の
    方の電圧を受信する電源端子に接続され且つ制御電極が
    前記出力電界効果トランジスタの制御電極に接続された
    Nチャンネル絶縁ゲート電界効果トランジスタを具えて
    いることを特徴とする特許請求の範囲第8項記載の集積
    論理回路。
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