JP3534396B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置、特に微
細素子で構成された高速、高集積の半導体装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a high speed and highly integrated semiconductor device including fine elements.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体集積回路(LSI= Large Scale
Integration)の高集積化は、その構成素子であるMO
Sトランジスタの微細化により進められてきた。素子の
最小寸法が0.5 ミクロン以下のいわゆるデイープサブ
ミクロンLSIになると、素子の耐圧の低下とともにL
SIの消費する電力の増大が問題になつてくる。このよ
うな問題に対しては、素子の微細化にともなつて動作電
源電圧を低下させることが有効な手段であると考えられ
る。2. Description of the Related Art Semiconductor integrated circuits (LSI = Large Scale)
High integration is due to its component element, MO
This has been promoted by miniaturization of S transistors. When a so-called deep sub-micron LSI with a minimum element size of 0.5 micron or less is used, the withstand voltage of the element decreases and L
An increase in the power consumed by SI becomes a problem. For such a problem, it is considered that reducing the operating power supply voltage with the miniaturization of the element is an effective means.
【0003】現在のLSIの電源電圧としては5Vが主
流であるため、微細な素子でLSIを構成する手段とし
て、LSIチツプ上に外部電源電圧を降圧する電圧変換
回路を搭載する技術が、アイ・イー・イー・イー・ジヤ
ーナル・オブ・ソリツド・ステート・サーキツツ、第2
1巻、第5号、第605〜第611頁(1986)(IEE
E Jounal of Solid-State Circuits, vol.21, No.5, p
p.605-611, October 1986 )において論じられている。
この場合の外部電源電圧と内部電源電圧の値は、それぞ
れ5Vと3.5V である。このように、LSIの中でも
最高集積度のダイナミツクRAM(DRAM)で消費電力の
問題が顕在化しつつある。Since the power supply voltage of the present LSI is currently 5V, the technique of mounting a voltage conversion circuit for stepping down the external power supply voltage on the LSI chip is used as a means for constructing the LSI with fine elements. EE EE Journal of Solid State Circuits, 2nd
Volume 1, Issue 5, Pages 605-611 (1986) (IEE
E Jounal of Solid-State Circuits, vol.21, No.5, p
p.605-611, October 1986).
The values of the external power supply voltage and the internal power supply voltage in this case are 5V and 3.5V, respectively. As described above, the problem of power consumption is becoming apparent in the dynamic RAM (DRAM) having the highest degree of integration among LSIs.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、一方、物理的
な制約から電源電圧には下限が存在することが指摘され
ている。この制約については、アイ・イー・イー・イー
・ジヤーナル・オブ・ソリツド・ステート・サーキツ
ツ、第9巻、第5号、第256〜第267頁(197
4)( IEEE Jounal of Solid-State Circuits, vol.9,N
o.5, pp.256-267, October 1974 )において論じられて
いる。この中に示されているように、MOS トランジスタ
の低電流特性は、ドレイン電流がゲート電圧に対して指
数関数的に減衰する、いわゆるサブスレツシヨルド特性
を有している。この係数はサブスレツシヨルド係数(テ
ーリング係数)と呼ばれ、室温では80mV/1桁 程
度の値である。したがつて、電源電圧の低下に比例して
ゲートしきい値電圧を低下させると、トランジスタがカ
ツトオフしている期間にも微小な直流電流が流れ、待機
時の消費電流を増大させるという問題を有する。このた
め、従来のCMOS回路においては、電源電圧を低下さ
せたとき、しきい値電圧はある値以下には下げられない
とされていた。その実用上の下限については、プロシー
デイングス・オブ・テクニカル・ペーパーズ・1989
・インターナシヨナル・シンポジウム・オン・ブイエル
エスアイ・テクノロジー・システム・アンド・アプリケ
ーシヨンズ、第188〜第192頁(1989)(Proce
edings of Technical Papers,1989 International Symp
osium on VLSI Technology, Systems and Application
s, pp.188-192, May 1989)や、プロシーデイングス・
オブ・ザ・シンポジウム・オン・ロウ・テンパレチヤー
・エレクトロニクス・アンド・ハイ・テンパレチヤー・
スーパーコンダクターズ、第55〜第69頁(198
7) ( Proceedings of the Symposium on Low Tempera
ture Electronics and High Temperature Superconduct
ors, pp.55-69, Oct. 1987)、において論じられてい
る。その値はおよそ0. 35〜0.55V程度である。
このときの電源電圧の下限は、実用上1.5V程度であ
り、さらに電圧を下げると、遅延時間が著しく増大する
という問題があつた。On the other hand, however, it has been pointed out that the power supply voltage has a lower limit due to physical restrictions. Regarding this restriction, I.E.E.Journal of Solid State Circuits, Vol. 9, No. 5, 256-267 (197)
4) (IEEE Jounal of Solid-State Circuits, vol.9, N
o.5, pp.256-267, October 1974). As shown therein, the low current characteristic of the MOS transistor has a so-called subthreshold characteristic in which the drain current decays exponentially with respect to the gate voltage. This coefficient is called a subthreshold coefficient (tailing coefficient), and is a value of about 80 mV / 1 digit at room temperature. Therefore, if the gate threshold voltage is lowered in proportion to the drop in the power supply voltage, a minute DC current will flow even during the period when the transistor is cut off, which will increase the standby current consumption. . Therefore, in the conventional CMOS circuit, it has been said that the threshold voltage cannot be lowered below a certain value when the power supply voltage is lowered. For the practical lower limit, see Proceedings of Technical Papers, 1989.
・ International Symposium on Bryer S Technology System and Applications, 188-192 (1989) (Proce
edings of Technical Papers, 1989 International Symp
osium on VLSI Technology, Systems and Application
s, pp.188-192, May 1989) and Proceedings
Of the Symposium on Low Temperer Electronics & High Temperer
Superconductors, pp. 55-69 (198
7) (Proceedings of the Symposium on Low Tempera
ture Electronics and High Temperature Superconduct
ors, pp.55-69, Oct. 1987). Its value is about 0.35 to 0.55V.
The lower limit of the power supply voltage at this time is practically about 1.5 V, and there is a problem that the delay time remarkably increases when the voltage is further lowered.
【0005】本発明の目的は、低い電源電圧で動作が可
能な半導体集積回路を提供することにある。An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit which can operate with a low power supply voltage.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本願発明の一例を示せば
以下の通りである。即ち、多段に接続された複数の論理
回路を含む半導体装置であって、前記複数の論理回路の
それぞれは、第1しきい値電圧を持つPチャネルの第1
MOSトランジスタと第2しきい値電圧を持つNチャネ
ルの第2MOSランジスタとを含む第1CMOS回路で
あり、前記多段に接続された複数の論理回路の一つので
あって所定の信号経路の信号伝達のための論理回路の前
記第1CMOS回路は、前記第1及び第2MOSトラン
ジスタに替えて第3しきい値電圧を持つPチャネルの第
3MOSトランジスタと第4しきい値電圧を持つNチャ
ネルの第4MOSランジスタとを含む第2CMOS回路
で形成されるようにする。ここで、前記第3しきい値電
圧の絶対値は、前記第1しきい値電圧の絶対値よりも低
く、前記第4しきい値電圧の絶対値は、前記第2しきい
値電圧の絶対値よりも低い。更には前記第3及び第4M
OSトランジスタは、それぞれそのソース・ゲート間電
圧をOVとした場合にサブスレッショルド電流の流れる
特性を持つしきい値電圧を有するようにする。An example of the present invention will be described below. That is, in a semiconductor device including a plurality of logic circuits connected in multiple stages, each of the plurality of logic circuits has a first P-channel having a first threshold voltage.
A first CMOS circuit including a MOS transistor and an N-channel second MOS transistor having a second threshold voltage, which is one of the plurality of logic circuits connected in multiple stages, and which transmits a signal through a predetermined signal path. The first CMOS circuit of the logic circuit is for replacing the first and second MOS transistors with a P-channel third MOS transistor having a third threshold voltage and an N-channel fourth MOS transistor having a fourth threshold voltage. And a second CMOS circuit including and. Here, the absolute value of the third threshold voltage is lower than the absolute value of the first threshold voltage, and the absolute value of the fourth threshold voltage is the absolute value of the second threshold voltage. Lower than the value. Further, the third and fourth M
Each of the OS transistors has a threshold voltage having a characteristic that a subthreshold current flows when its source-gate voltage is OV.
【0007】所定の信号伝達経路を駆動する第2CMO
S回路にしきい値電圧の小さなMOSトランジスタを用
いることでその信号経路の高速化が図れる。Second CMO for driving a predetermined signal transmission path
By using a MOS transistor having a small threshold voltage in the S circuit, the speed of the signal path can be increased.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】図1は本発明によるCMOS集積
回路の基本概念を説明する実施例である。同図におい
て、CMOS集積回路はBLK1、BLK2などの複数
の回路ブロツクと、それらの間で信号を伝達する信号配
線から構成される。この図の例では、BLK1の出力を
信号配線SIG1によりBLK2の入力に伝達している。各
回路ブロツクは、他の回路ブロツクからの小さな振幅の
信号を受けて大きな振幅の信号に変換する信号受信部
(例えば、図中REC2)、大きな振幅の信号を処理す
る信号処理部(例えば、図中INV1、INV2)、小
さな振幅の信号を信号配線に出力する駆動回路(例え
ば、図中DRV1)とから構成される。1 is an embodiment for explaining the basic concept of a CMOS integrated circuit according to the present invention. In the figure, the CMOS integrated circuit is composed of a plurality of circuit blocks such as BLK1 and BLK2, and signal wirings for transmitting signals between them. In the example of this figure, the output of BLK1 is transmitted to the input of BLK2 through the signal wiring SIG1. Each circuit block receives a signal of a small amplitude from another circuit block and converts it into a signal of a large amplitude (eg, REC2 in the figure), and a signal processing section that processes a signal of a large amplitude (eg, a figure). Medium INV1 and INV2), and a drive circuit (for example, DRV1 in the figure) that outputs a signal with a small amplitude to the signal wiring.
【0009】これらのうち信号処理部は、電源電圧VC
CとVSSにより動作し、その信号振幅は(VCC−V
SS)となる。駆動回路DRV1はNチヤネルMOSト
ランジスタTN2およびPチヤネルMOS トランジスタT
P2により構成される。この駆動回路は電源電圧VCL
OおよびVSLOで動作し、信号線SIG1に振幅(V
CLO−VSLO)の信号を出力する。なお、これらの
電源電圧の間にはVCC>VCLO>VSLO>VSS
なる関係が成り立つている。なお、この例ではTN2の
バツクゲートはVSSに、TP2のバツクゲートはVC
Cに、それぞれ接続しているが、それぞれVSLO、V
CLOに接続してもかまわない。Of these, the signal processing section uses the power supply voltage VC
It operates by C and VSS, and its signal amplitude is (VCC-V
SS). The drive circuit DRV1 includes an N-channel MOS transistor TN2 and a P-channel MOS transistor T.
It is composed of P2. This drive circuit has a power supply voltage VCL
It operates with O and VSLO, and the amplitude (V
CLO-VSLO) signal is output. In addition, between these power supply voltages, VCC>VCLO>VSLO> VSS
The following relationship holds. In this example, the back gate of TN2 is VSS and the back gate of TP2 is VC.
Connected to C respectively, but VSLO and V respectively
You may connect to CLO.
【0010】信号受信部REC2は、転送ゲートを成す
NチヤネルMOSトランジスタTN3およびPチヤネル
MOSトランジスタTP3、互いのゲートとドレインが
交差接続されたNチヤネルMOSトランジスタ対TN4
とTN5およびPチヤネルMOSトランジスタ対TP4
とTP5から構成される。The signal receiving unit REC2 includes an N-channel MOS transistor TN3 and a P-channel MOS transistor TP3 which form a transfer gate, and an N-channel MOS transistor pair TN4 whose gates and drains are cross-connected.
And TN5 and P channel MOS transistor pair TP4
And TP5.
【0011】また転送ゲートTN3のゲートには電圧V
CLIを、TP3のゲートには電圧VSLIをそれぞれ
印加している。なお、TN3のバツクゲートはVSS
に、TP3のバツクゲートはVCCに、それぞれ接続し
ているが、これらは、それぞれVSLO、VCLOであつて
もかまわない。本実施例では、NチヤネルMOSトラン
ジスタのゲートしきい値電圧は約0.5V 、Pチヤネル
MOSトランジスタのゲートしきい値電圧は約−0.5
V に設定している。A voltage V is applied to the gate of the transfer gate TN3.
CLI and a voltage VSLI are applied to the gate of TP3, respectively. The back gate of TN3 is VSS.
Further, the back gate of TP3 is connected to VCC, respectively, but these may be VSLO and VCLO, respectively. In this embodiment, the gate threshold voltage of the N-channel MOS transistor is about 0.5V and the gate threshold voltage of the P-channel MOS transistor is about -0.5V.
It is set to V.
【0012】さて、この回路の動作を図2を用いて説明
する。この例では、VCC=1.5V、VSS=0V、
VCLO=1V、VSLO=0.5V、VCLI=1.5
V、VSLI=0Vの場合について説明するが、これら
の値に限るものでなく、VCC>VCLO>VSLO>
VSSかつ、VCLI>VSLIが成り立つような電圧
であれば効果がある。さて、今、回路ブロツクBLK1
内のインバータINV1の出力N1が、時刻t0において
1.5V から0Vに、時刻t3において0Vから1.5
V に変化する場合を考える。The operation of this circuit will be described with reference to FIG. In this example, VCC = 1.5V, VSS = 0V,
VCLO = 1V, VSLO = 0.5V, VCLI = 1.5
The case where V and VSLI = 0V will be described, but the values are not limited to these values, and VCC>VCLO>VSLO>
It is effective if the voltage is VSS and VCLI> VSLI. Now, now the circuit block BLK1
The output N1 of the inverter INV1 in the above circuit changes from 1.5V to 0V at time t0 and from 0V to 1.5 at time t3.
Consider the case where it changes to V 1.
【0013】時刻t0の以前、すなわち端子N1が1.
5V の間は、トランジスタTN2のゲート・ソース間
電圧は1V、トランジスタTP2のゲート・ソース間電
圧は0.5V になるため、TN2が導通、TP2が非導
通となり、駆動回路の出力、すなわち信号線SIG1に
はVSLO=0.5V が出力される。同時に、受信回路
REC2を構成する転送ゲートTN3のゲート・ソース
間電圧は1V、トランジスタTP3のゲート・ソース間
電圧は−0.5V になるため、TN3が導通、TP3が
非導通となる。トランジスタTN3の駆動能力をTP4
に比べて充分大きく設計しているため、端子N2は入力
SIG1と等しい0.5V になつており、トランジスタ
TP5が導通している。一方、端子N3の電圧は0.5
V 以下になつているため、トランジスタTN5は非導
通となり、端子N4は1.5V になつている。したがつ
て、トランジスタTN4は導通しており、端子N3は結
果的に0Vに設定されている。これらのトランジスタの
中で、TP3のゲート・ソース間電圧は−0.5V とゲ
ートしきい値電圧に一致するため、サブスレツシヨルド
電流と呼ばれる微小な電流が流れるが、集積回路全体の
トランジスタに比べれば、このトランジスタの占める割
合は小さく、その電流は無視できるほど小さい。さて、
時刻t0において端子N1が、1.5V から0Vに変化
する場合を考える。トランジスタTN2のゲート・ソー
ス間電圧は−0.5V 、トランジスタTP2のゲート・
ソース間電圧は−1Vになるため、TN2が非導通、T
P2が導通となり、駆動回路の出力、すなわち信号線S
IG1にはVCLO=1Vが出力される。これにより、
端子N2の電圧は約1Vまで上昇し、受信回路REC2
を構成する転送ゲートTN3のゲート・ソース間電圧は
0.5V、トランジスタTP3のゲート・ソース間電圧
は−1Vになるため、TN3が非導通、TP3が導通と
なる。トランジスタTP3の駆動能力をTN4 に比べて充
分大きく設計することにより、端子N3は入力SIG1
と等しい1Vになり、トランジスタTN5が導通する。
一方、端子N2の電圧は約1Vまで上昇しているので、
トランジスタTP5は非導通となり、端子N4は0Vに
なる。その結果、トランジスタTP4が導通し、端子N
2は時刻t2において、1.5V まで引き上げられる。Before the time t0, that is, the terminal N1 is 1.
During 5V, the gate-source voltage of the transistor TN2 is 1V, and the gate-source voltage of the transistor TP2 is 0.5V, so that TN2 is conductive and TP2 is non-conductive, that is, the output of the drive circuit, that is, the signal line. VSLO = 0.5V is output to SIG1. At the same time, the gate-source voltage of the transfer gate TN3 and the gate-source voltage of the transistor TP3 that form the receiving circuit REC2 are 1 V, respectively, so that TN3 is conductive and TP3 is non-conductive. The drive capability of the transistor TN3 is set to TP4
Since it is designed to be sufficiently large compared with the above, the terminal N2 is at 0.5V which is equal to the input SIG1, and the transistor TP5 is conducting. On the other hand, the voltage of the terminal N3 is 0.5
Since it is lower than V, the transistor TN5 is non-conductive, and the terminal N4 is at 1.5V. Therefore, the transistor TN4 is conducting and the terminal N3 is consequently set to 0V. Among these transistors, the gate-source voltage of TP3 is -0.5V, which is equal to the gate threshold voltage, so a minute current called the subthreshold current flows, but it is less than the transistors of the entire integrated circuit. For example, this transistor occupies a small proportion, and its current is negligibly small. Now,
Consider a case where the terminal N1 changes from 1.5V to 0V at time t0. The gate-source voltage of the transistor TN2 is -0.5 V, and the gate-source voltage of the transistor TP2 is
Since the source-to-source voltage is -1V, TN2 is non-conducting and T
P2 becomes conductive and the output of the drive circuit, that is, the signal line S
VCLO = 1V is output to IG1. This allows
The voltage of the terminal N2 rises to about 1V, and the receiving circuit REC2
Since the gate-source voltage of the transfer gate TN3 configuring the above is 0.5 V and the gate-source voltage of the transistor TP3 is -1 V, TN3 is non-conductive and TP3 is conductive. By designing the driving capability of the transistor TP3 to be sufficiently larger than that of TN4, the terminal N3 is connected to the input SIG1.
Becomes equal to 1 V, and the transistor TN5 becomes conductive.
On the other hand, since the voltage of the terminal N2 has risen to about 1V ,
The transistor TP5 becomes non-conductive, and the terminal N4 becomes 0V. As a result, the transistor TP4 becomes conductive and the terminal N
2 is pulled up to 1.5V at time t2.
【0014】時刻t3において端子N1が、0Vから
1.5Vに変化する場合にも、これと同様に信号線SIG1
は1Vから0.5Vに、端子N4は0Vから1.5Vへと
変化する。Similarly, when the terminal N1 changes from 0V to 1.5V at time t3, the signal line SIG1 is also changed.
Changes from 1V to 0.5V, and the terminal N4 changes from 0V to 1.5V.
【0015】このように、回路ブロツクBLK1内の
1.5Vの信号振幅を0.5V の振幅を有する信号に変
換し、かつ、その信号を回路ブロツクBLK2で再び
1.5Vの信号振幅に変換することができる。一般に、
集積回路の消費電力の大部分は、回路ブロツク間で信号
授受を行なうために設けられた信号線(バス)の充放電
で費やされる。したがつて、この信号線の電圧振幅を小
さくすることは集積回路全体の低消費電力化に極めて有
効である。また、集積回路ブロツク内の電圧振幅をバス
の信号振幅よりも大きくすることにより、ブロツク内の
回路群の動作速度を上げると同時に、バスを駆動するイ
ンバータ回路(ドライバ)のゲートをバスの振幅以上の
大きな振幅で駆動でき、バスのスイツチング速度も改善
できるという利点も兼ね備えている。本実施例では、信
号線SIG1の負荷容量CWを一回充放電するのに要す
る電荷量を CW(VCC−VSS) から、CW(V
CLO−VSLO) へと約三分の一に減少させること
ができる。これにより、消費電流および消費電力も約三
分の一に減少させることができる。また、同じ動作速度
で比較すると、信号線容量の充放電にともない発生する
信号線や電源線のピーク電流も約三分の一に減少させる
ことができ、信号線や電源線を構成する金属配線の信頼
性を向上させることもできる。さらには、電源線の抵抗
のために発生する電源の雑音も約三分の一に減少させる
ことができ、より動作が安定な集積回路を供することが
できる。このように、主たる信号線の信号振幅を小さく
することにより、高速性を維持しながら、低消費電力か
つ低雑音の集積回路を実現することができる。In this way, the signal amplitude of 1.5 V in the circuit block BLK1 is converted into a signal having an amplitude of 0.5 V, and the signal is converted again into a signal amplitude of 1.5 V in the circuit block BLK2. be able to. In general,
Most of the power consumption of the integrated circuit is consumed by charging / discharging a signal line (bus) provided for exchanging signals between circuit blocks. Therefore, reducing the voltage amplitude of this signal line is extremely effective in reducing the power consumption of the entire integrated circuit. In addition, by increasing the voltage amplitude in the integrated circuit block to be larger than the signal amplitude of the bus, the operating speed of the circuit group in the block is increased, and at the same time, the gate of the inverter circuit (driver) that drives the bus is set above the amplitude of the bus. It has the advantage that it can be driven with a large amplitude and the switching speed of the bus can be improved. In this embodiment, the charge amount required to charge and discharge the load capacitance CW of the signal line SIG1 once is changed from CW (VCC-VSS) to CW (V
CLO-VSLO) can be reduced to about one third. As a result, current consumption and power consumption can be reduced to about one third. In addition, when compared at the same operating speed, the peak current of the signal line and power supply line that occurs with the charging and discharging of the signal line capacity can be reduced to about one-third, and the metal wiring that constitutes the signal line and power supply line can be reduced. The reliability of can be improved. Furthermore, the noise of the power supply generated due to the resistance of the power supply line can be reduced to about one third, and an integrated circuit with more stable operation can be provided. By thus reducing the signal amplitude of the main signal line, it is possible to realize an integrated circuit with low power consumption and low noise while maintaining high speed.
【0016】以上の説明では、6つの電源電圧VCC,
VSS,VCLO,VSLO,VCLI,VSLIを用い
て回路を構成する場合について説明した。これらの電圧
の一部は本実施例で示したように同じ電圧であつても良
い。これらは全て外部から供給しても良いし、VCCと
VSSを装置外部から与え、集積回路内部に設けた電圧
変換回路によりVCLO、VSLO,VCLI,VSLIな
どを発生しても構わない。In the above description, the six power supply voltages VCC,
The case where the circuit is configured using VSS, VCLO, VSLO, VCLI, and VSLI has been described. Some of these voltages may be the same voltage as shown in this embodiment. All of these may be supplied from the outside, or VCC and VSS may be supplied from the outside of the device and VCLO, VSLO, VCLI, VSLI, etc. may be generated by a voltage conversion circuit provided inside the integrated circuit.
【0017】図3は本発明によるCMOS集積回路の他
の一実施例である。本実施例では、電源の種類を減らす
ために各導電型のMOSトランジスタのしきい値電圧の
種類を複数としている。同図において、図1の実施例と
異なる点は、駆動回路DRV3を構成するNチヤネルM
OSトランジスタTN6およびPチヤネルMOSトラン
ジスタTP6、および信号受信部REC4の転送ゲート
を成すNチヤネルMOSトランジスタTN7およびPチ
ヤネルMOSトランジスタTP7のゲートしきい値電圧
の絶対値を他の回路を構成するMOSトランジスタのゲ
ートしきい値電圧の絶対値よりも低くした事である。こ
れにより、駆動回路の電源電圧と転送ゲートのゲート印
加電圧をVCLおよびVSLに揃える事ができる。なお、
TN6とTN7のバツクゲートはVSSに、TP6とT
P7のバツクゲートはVCCに、それぞれ接続している
が、これらは、それぞれVSLおよびVCLであつても
かまわない。本実施例では、NチヤネルMOSトランジ
スタのゲートしきい値電圧は、高い方が約0.5V 、低
い方が約0V、PチヤネルMOSトランジスタのゲート
しきい値電圧は絶対値の高い方が約−0.5V 、絶対値
の低い方が約0Vである。FIG. 3 shows another embodiment of the CMOS integrated circuit according to the present invention. In this embodiment, the number of types of threshold voltage of each conductivity type MOS transistor is plural in order to reduce the number of types of power supply. In the figure, the difference from the embodiment of FIG. 1 is that the N channel M that constitutes the drive circuit DRV3.
The absolute value of the gate threshold voltage of the OS transistor TN6 and the P-channel MOS transistor TP6, and the gate threshold voltage of the N-channel MOS transistor TN7 and the P-channel MOS transistor TP7 that form the transfer gate of the signal receiving unit REC4 of the MOS transistors that form another circuit. That is, it is lower than the absolute value of the gate threshold voltage. As a result, the power supply voltage of the drive circuit and the gate application voltage of the transfer gate can be made equal to VCL and VSL. In addition,
The back gate of TN6 and TN7 is VSS, TP6 and T
The back gates of P7 are connected to VCC, respectively, but they may be VSL and VCL, respectively. In the present embodiment, the gate threshold voltage of the N-channel MOS transistor is about 0.5 V when it is higher and about 0 V when it is lower, and the gate threshold voltage of the P-channel MOS transistor is about −V when the absolute value is higher. 0.5V, the lower absolute value is about 0V.
【0018】この回路の動作は図2に示した動作波形で
同様に説明される。ここでは、VCC=1.5V,VSS
=0V,VCL=1V,VSL=0.5Vの場合について
説明するが、これらの値に限るものでないことは自明で
ある。The operation of this circuit is similarly described with the operation waveforms shown in FIG. Here, VCC = 1.5V, VSS
The case of = 0 V, VCL = 1 V, VSL = 0.5 V will be described, but it is obvious that the values are not limited to these values.
【0019】時刻t0の以前、すなわち端子N5が1.
5V の間は、トランジスタTN6のゲート・ソース間
電圧は1V、トランジスタTP6のゲート・ソース間電
圧は0.5V になるため、TN6が導通、TP6が非導
通となり、駆動回路の出力、すなわち信号線SIG2に
はVSL=0.5V が出力される。同時に、受信回路R
EC4を構成する転送ゲートTN7のゲート・ソース間
電圧は0.5V、トランジスタTP7のゲート・ソース
間電圧は0Vになつているため、TN7が導通、TP7
が非導通となる。トランジスタTN7の駆動能力をTP
8に比べて充分大きく設計することにより、端子N6は
入力SIG2と等しい0.5V になつており、トランジ
スタTP9が導通している。一方、端子N7の電圧は
0.5V 以下になつているため、トランジスタTN9は
非導通となつており、端子N8は1.5V になつてい
る。したがつて、トランジスタTN8が導通し、端子N
7は結果的に0Vに設定される。これらのトランジスタ
の中で、TP7のゲート・ソース間電圧は0Vとなり、
ゲートしきい値電圧に一致するため、サブスレツシヨル
ド電流と呼ばれる微小な電流が流れるが、集積回路全体
のトランジスタに比べれば、このトランジスタの占める
割合は小さく、その電流は無視できるほど小さい。Before the time t0, that is, the terminal N5 is 1.
During 5V, the gate-source voltage of the transistor TN6 is 1V, and the gate-source voltage of the transistor TP6 is 0.5V, so that TN6 is conductive and TP6 is non-conductive, that is, the output of the drive circuit, that is, the signal line. VSL = 0.5V is output to SIG2. At the same time, the receiving circuit R
Since the gate-source voltage of the transfer gate TN7 constituting the EC4 is 0.5 V and the gate-source voltage of the transistor TP7 is 0 V, TN7 is conductive and TP7.
Becomes non-conducting. The drive capability of the transistor TN7 is TP
By designing the terminal N6 to be sufficiently larger than 8, the terminal N6 is set to 0.5V which is equal to the input SIG2, and the transistor TP9 is conductive. On the other hand, since the voltage of the terminal N7 is 0.5V or less, the transistor TN9 is non-conductive, and the terminal N8 is 1.5V. Therefore, the transistor TN8 becomes conductive and the terminal N
7 is consequently set to 0V. Among these transistors, the gate-source voltage of TP7 is 0V,
A minute current called a subthreshold current flows because it matches the gate threshold voltage, but this transistor occupies a smaller proportion than the transistor of the entire integrated circuit, and the current is negligibly small.
【0020】その他の時刻における動作も図1に示した
例と同様である。このように、各導電型に対して二種類
のゲートしきい値電圧のMOSトランジスタを用いるこ
とで、4つの電源電圧VCC,VSS,VCL,VSL
により回路を構成することができる。これらは全て外部
から供給しても良いし、VCCとVSSを装置外部から
与え、集積回路内部に設けた電圧変換回路によりVC
L、VSLなどを発生しても構わない。なお、この実施
例によつても先の実施例で述べた効果と同等の効果を得
ことができる。更に、駆動回路DRV3に含まれるMO
Sトランジスタのしきい値電圧を低くしているため、電
流駆動能力が増大し高速化が期待できる。The operation at other times is the same as that of the example shown in FIG. As described above, by using the MOS transistors having two types of gate threshold voltages for each conductivity type, the four power supply voltages VCC, VSS, VCL, and VSL are used.
The circuit can be configured by. All of these may be supplied from the outside, or VCC and VSS are given from the outside of the device, and VC is supplied by a voltage conversion circuit provided inside the integrated circuit.
L, VSL, etc. may be generated. In addition, according to this embodiment, the same effect as the effect described in the previous embodiment can be obtained. Furthermore, the MO included in the drive circuit DRV3
Since the threshold voltage of the S-transistor is lowered, the current driving capability is increased and higher speed can be expected.
【0021】次に、図5を用いて本発明の効果を具体的
に説明する。図4および図5は負荷容量(CL=2p
F)の駆動回路を従来の技術および本発明を用いて構成
した例を示している。いずれの場合にも、振幅(VCL
−VSL)の信号を入力して、負荷を振幅(VCL−V
SL)で駆動するようにしている。従来のCMOS集積
回路では、図4に示すように複数段のCMOSインバー
タにより駆動回路を構成している。CMOSインバータ
では電源電圧がそのまま信号振幅に等しくなるため、V
CLおよびVSLを電源として動作させている。一方本
発明では、図5に示すように入力信号の振幅を増幅する
レベル変換回路REC5と負荷を駆動するCMOSイン
バータ回路DRV5とにより構成している。REC5は
図3中のREC4と、またDRV5は図3中のDRV3
と、それぞれ基本的に同じである。また、各トランジス
タのゲートしきい値電圧も図3の説明で述べた値と同じ
である。MOSトランジスタのゲート酸化膜厚は7nm
(ナノメータ)、また各トランジスタのゲート長Lなら
びにゲート幅Wは以下のとおりである。Next, the effect of the present invention will be specifically described with reference to FIG. 4 and 5 show the load capacitance (CL = 2p
An example in which the drive circuit of F) is configured by using the conventional technique and the present invention is shown. In either case, the amplitude (VCL
-VSL) signal is input and the load amplitude (VCL-V
It is driven by SL). In the conventional CMOS integrated circuit, as shown in FIG. 4, a driving circuit is composed of a plurality of stages of CMOS inverters. In a CMOS inverter, the power supply voltage is equal to the signal amplitude as it is, so V
CL and VSL are used as power sources. On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 5, the level conversion circuit REC5 for amplifying the amplitude of the input signal and the CMOS inverter circuit DRV5 for driving the load are used. REC5 is the same as REC4 in FIG. 3, and DRV5 is DRV3 in FIG.
And each is basically the same. The gate threshold voltage of each transistor is also the same as the value described in the description of FIG. Gate oxide film thickness of MOS transistor is 7 nm
(Nanometer), and the gate length L and the gate width W of each transistor are as follows.
【0022】
これにより、従来回路と本発明の回路の待機時における
消費電力は、ほぼ同じ程度になる。[0022] As a result, the power consumption of the conventional circuit and the circuit of the present invention during standby becomes substantially the same.
【0023】図6は入力(IN)および出力(OUT)の
波形を示している。出力が10%から90%に達する時
間を出力立上り時間tr、90%から10%に達する時
間を出力立下り時間tf、入力が50%まで立ち上がつ
てから出力が50%まで立ち上がるまでの時間を立上り
伝播遅延時間tpdr、入力が50%まで立ち下がつてから
出力が50%まで立ち下がるまでの時間を立下り伝播遅
延時間tpdf、とそれぞれ定義する。FIG. 6 shows input (IN) and output (OUT) waveforms. The time when the output reaches 10% to 90% is the output rise time tr, the time when the output reaches 90% to 10% is the output fall time tf, and the time from when the input rises to 50% to when the output rises to 50%. Is defined as the rising propagation delay time tpdr, and the time from the input falling to 50% until the output falling to 50% is defined as the falling propagation delay time tpdf.
【0024】図7は出力立上り時間trの信号振幅(V
CL−VSL)依存性の計算機解析結果を示している。
従来のCMOSインバータによる駆動回路では信号振幅
が1.5V 以下で急激に立上り時間が増大する。信号振
幅と立上り時間の関係を代表的なものについて示すと
となる。速度性能の面からtr<2nsをひとつの目安
とすると、信号振幅の最小値は1.5Vとなる。一方、
本発明では信号振幅と立上り時間の関係は
となり、tr<2nsをひとつの目安とすると、信号振
幅の最小値は約0.12Vとなる。この解析結果より、
出力立上り時間trを基準に考えると、本発明により、
信号振幅を従来の1.5Vから約0.12Vへと約1桁
低減することができる。なお、ここには出力立上り時間
trの解析結果を示したが、出力立下がり時間tfにつ
いても同様の改善効果が得られる。FIG. 7 shows the signal amplitude (V
(CL-VSL) dependency computer analysis results are shown.
In a conventional drive circuit using a CMOS inverter, the rise time sharply increases when the signal amplitude is 1.5 V or less. A typical relationship between signal amplitude and rise time is shown below. Becomes Taking tr <2 ns as one guide from the viewpoint of speed performance, the minimum value of the signal amplitude is 1.5V. on the other hand,
In the present invention, the relationship between the signal amplitude and the rise time is Therefore, the minimum value of the signal amplitude is about 0.12 V when tr <2 ns is one guideline. From this analysis result,
Considering the output rise time tr as a reference, according to the present invention,
The signal amplitude can be reduced by about an order of magnitude from the conventional 1.5V to about 0.12V. Although the analysis result of the output rise time tr is shown here, the same improvement effect can be obtained for the output fall time tf.
【0025】図8は立上り伝播遅延時間tpdrの信号
振幅(VCL−VSL)依存性の計算機解析結果を示し
ている。従来のCMOSインバータによる駆動回路で
は、立上り時間と同様、信号振幅が1.5V以下で急激
に立上り伝播遅延時間が増大する。信号振幅と立上り伝
播遅延時間の関係を代表的なものについて示すと
となる。速度性能の面からtpdr<3nsをひとつの
目安とすると、信号振幅の最小値は約1.2Vとなる。一
方、本発明では信号振幅と立上り伝播遅延時間の関係は
となり、tpdr<3nsをひとつの目安とすると、信号振
幅の最小値は約0.31Vとなる。この解析結果より、
立上り伝播遅延時間tpdrを基準に考えると、本発明によ
り、信号振幅を従来の約1.2Vから約0.31V へと約
4分の1に低減することができる。なお、ここには立上
り伝播遅延時間trの解析結果を示したが、立下がり伝
播遅延時間tfについても同様の改善効果が得られる。FIG. 8 shows the result of computer analysis of the dependence of the rising propagation delay time tpdr on the signal amplitude (VCL-VSL). In the conventional drive circuit using the CMOS inverter, as in the rise time, when the signal amplitude is 1.5 V or less, the rise propagation delay time sharply increases. A typical relationship between signal amplitude and rising propagation delay time is shown below. Becomes Taking tpdr <3 ns as one guideline from the viewpoint of speed performance, the minimum value of the signal amplitude is about 1.2V. On the other hand, in the present invention, the relationship between the signal amplitude and the rising propagation delay time is Therefore, if tpdr <3 ns is used as a guideline, the minimum value of the signal amplitude is about 0.31V. From this analysis result,
Considering the rise propagation delay time tpdr as a reference, according to the present invention, the signal amplitude can be reduced from about 1.2V in the related art to about 0.31V by about 1/4. Although the analysis result of the rising propagation delay time tr is shown here, a similar improvement effect can be obtained for the falling propagation delay time tf.
【0026】図9は本発明によるCMOS集積回路の他
の一実施例である。図1あるいは図3の実施例では、信
号が高レベルと低レベルの間で遷移する際に、信号受信
部から信号線に、または信号線から信号受信部に微小な
直流電流が流れる。信号線の寄生抵抗および寄生容量の
影響で信号の立上りあるいは立ち下がり時間が大きい場
合、さらには一つの信号線に多くの信号受信回路が接続
されるような場合には、この電流が少ない方が回路動作
上好ましい。図9は、この直流電流を流さないようにす
る構成の一例を示している。この例では、他の回路ブロ
ツクからの小さな振幅の信号を受けて、大きな振幅の信
号に変換する信号受信部をCMOSインバータによる受
信回路REC8A、およびレベル変換回路REC8Bとによ
り構成している。REC8Aのインバータ回路は、図中
の駆動回路DRV7のインバータ回路と同様、VCL とV
SLを電源として動作する。レベル変換回路REC8B
は、基本的に図3中のREC4と同じものである。同図
において、駆動回路DRV7を構成するNチヤネルMO
SトランジスタTN16およびPチヤネルMOSトランジス
タTP16、受信回路REC8Aのインバータを成すN
チヤネルMOSトランジスタTN17およびPチヤネル
MOSトランジスタTP17、およびレベル変換回路R
EC8Bの転送ゲートを成すNチヤネルMOSトランジ
スタTN18およびPチヤネルMOSトランジスタTP
18のゲートしきい値電圧の絶対値を他の回路を構成す
るMOSトランジスタのゲートしきい値電圧の絶対値よ
りも低くしている。なお、TN16、TN17およびTN
18のバツクゲートはVSSに、TP16、TP17およ
びTP18のバツクゲートはVCCに、それぞれ接続し
ているが、これらは、それぞれVSLおよびVCLであ
つてもかまわない。図3の実施例と同様、NチヤネルM
OSトランジスタのゲートしきい値電圧は、高い方が約
0.5V 、低い方が約0V、PチヤネルMOSトランジ
スタのゲートしきい値電圧は絶対値の高い方が約−0.
5V 、絶対値の低い方が約0Vである。FIG. 9 shows another embodiment of the CMOS integrated circuit according to the present invention. In the embodiment of FIG. 1 or 3, when the signal transits between the high level and the low level, a minute DC current flows from the signal receiving portion to the signal line or from the signal line to the signal receiving portion. If the signal rise or fall time is long due to the influence of the parasitic resistance and capacitance of the signal line, or if many signal receiving circuits are connected to one signal line, this current should be smaller. It is preferable in terms of circuit operation. FIG. 9 shows an example of a configuration in which the direct current is prevented from flowing. In this example, a signal receiving unit that receives a signal with a small amplitude from another circuit block and converts it into a signal with a large amplitude is composed of a receiving circuit REC8A by a CMOS inverter and a level conversion circuit REC8B. The inverter circuit of REC8A is similar to the inverter circuit of drive circuit DRV7 in the figure, and VCL and V
It operates using SL as a power source. Level conversion circuit REC8B
Is basically the same as REC4 in FIG. In the figure, an N channel MO that constitutes the drive circuit DRV7
S transistor TN16, P channel MOS transistor TP16, and N forming the inverter of the receiving circuit REC8A
Channel MOS transistor TN17 and P channel MOS transistor TP17, and level conversion circuit R
N-channel MOS transistor TN18 and P-channel MOS transistor TP which form the transfer gate of EC8B
The absolute value of the gate threshold voltage of 18 is set lower than the absolute value of the gate threshold voltage of the MOS transistors forming the other circuits. In addition, TN16, TN17 and TN
The back gates of 18 are connected to VSS, and the back gates of TP16, TP17, and TP18 are connected to VCC, respectively, but these may be VSL and VCL, respectively. Similar to the embodiment of FIG. 3, N channel M
The higher gate threshold voltage of the OS transistor is about 0.5 V, the lower one is about 0 V, and the gate threshold voltage of the P-channel MOS transistor is about -0.
5V, the lower absolute value is about 0V.
【0027】この回路の動作は図10に示した動作波形
で説明される。図3に示した例との相違は、レベル変換
回路REC8Bの入力を信号線で直接駆動する代わり
に、インバータで反転した出力で駆動する点にある。し
たがつて、本実施例では端子N10の信号が端子N14
で反転しているが、基本的な動作に変わりはない。な
お、ここでは、VCC=1.5V,VSS=0V,VC
L=1V,VSL=0.5Vの場合について説明する
が、これらの値に限るものでないことは自明である。The operation of this circuit will be described with reference to the operation waveforms shown in FIG. The difference from the example shown in FIG. 3 is that the input of the level conversion circuit REC8B is driven by an output inverted by an inverter instead of being directly driven by a signal line. Therefore, in this embodiment, the signal at the terminal N10 is transmitted to the terminal N14.
It has been reversed by, but the basic operation is the same. Note that here, VCC = 1.5V, VSS = 0V, VC
The case of L = 1V and VSL = 0.5V will be described, but it is obvious that the values are not limited to these values.
【0028】このように、信号受信部をCMOSインバ
ータとレベル変換回路とで構成することにより、信号線
から信号受信部への直流電流の流入、あるいは信号受信
部から信号線への直流電流の流出を無くすことができ
る。なお、受信回路を構成するCMOSインバータにおいて
電源VCLからVSLに直流電流が流れる。しかし、イ
ンバータを構成する素子数および寸法は、集積回路全体
の素子数および寸法に対して無視できるほど小さいの
で、この電流が集積回路の消費電流に対して大きな影響
を及ぼすことはない。As described above, by configuring the signal receiving unit with the CMOS inverter and the level converting circuit, the direct current flows from the signal line to the signal receiving unit or the direct current flows from the signal receiving unit to the signal line. Can be eliminated. A direct current flows from the power source VCL to VSL in the CMOS inverter that constitutes the receiving circuit. However, since the number and size of elements forming the inverter are so small as to be negligible with respect to the total number and size of elements of the integrated circuit, this current does not have a great influence on the current consumption of the integrated circuit.
【0029】図11は本発明によるCMOS集積回路の
他の一実施例である。本実施例では、複数の小さな振幅
の信号を入力として、その論理演算結果を回路ブロツク
内部で使用する大きな信号振幅に変換するようにした信
号受信部を提供する。FIG. 11 shows another embodiment of the CMOS integrated circuit according to the present invention. In this embodiment, a signal receiving unit is provided which receives a plurality of signals of small amplitude and converts the logical operation result into a large signal amplitude used inside the circuit block.
【0030】この例では、信号受信部を、NANDゲー
トによる受信回路REC11A、およびレベル変換回路
REC11Bとにより構成している。REC11AのNAND
ゲートは、図9のREC8Aと同様、VCLとVSLを
電源として動作する。レベル変換回路REC11Bは、
基本的に図3中のREC4や図9中のREC8Bと同じ
ものである。In this example, the signal receiving section is composed of a receiving circuit REC11A having a NAND gate and a level conversion circuit REC11B. REC11A NAND
The gate operates using VCL and VSL as power supplies, as in the REC 8A in FIG. The level conversion circuit REC11B is
It is basically the same as REC4 in FIG. 3 or REC8B in FIG.
【0031】通常のCMOS回路の場合と同様、2つの
直列接続されたNチヤネルMOSトランジスタTN3
2、TN33と、2つの並列接続されたPチヤネルMO
SトランジスタTP32,TP33とからNANDゲー
トを構成している。これに、他の回路ブロツクBLK9
からの信号SIG4と、BLK10からの信号SIG5
とを入力し、そのNAND出力を端子N15に得ている。N
ANDゲートを構成するMOSトランジスタには、図9
中のREC8Aの場合と同様、しきい値電圧の絶対値の
低いものを用いている。このような構成をとることによ
り、複数の低振幅信号の論理演算結果を、大きな信号と
して回路ブロツク内に取り込むことができる。ここでは
論理演算の例として、2入力のNANDの場合について
説明したが、その他の、例えば3入力以上のNAND
や、2入力以上のNORや、EOR(排他的論理和)な
ど、どのような論理演算についても同様に適用できるこ
とは自明である。As in the case of a normal CMOS circuit, two N-channel MOS transistors TN3 connected in series are connected.
2, TN33 and two P-channel MO connected in parallel
A NAND gate is composed of the S transistors TP32 and TP33. In addition to this, another circuit block BLK9
Signal SIG4 from BLK10 and signal SIG5 from BLK10
And the NAND output is obtained at the terminal N15. N
As shown in FIG.
As in the case of the REC 8A, a low threshold voltage absolute value is used. With such a configuration, the logical operation result of a plurality of low-amplitude signals can be taken into the circuit block as a large signal. Here, the case of a 2-input NAND has been described as an example of the logical operation.
It is obvious that any logical operation such as NOR of two or more inputs, EOR (exclusive OR), or the like can be similarly applied.
【0032】図12は、外部電源電圧VCC、VSSを
もとにして、チツプ内部で電源電圧VCL、VSLを発
生する回路の構成の一実施例である。FIG. 12 shows an embodiment of a circuit configuration for generating the power supply voltages VCL and VSL inside the chip based on the external power supply voltages VCC and VSS.
【0033】図中、DIVは3つの抵抗R1,R2,R
3により構成した分圧回路、OP1,OP2は差動増幅
回路、TP40はVCL駆動用のPチヤネルMOSトラ
ンジスタ、TN40はVSL駆動用のNチヤネルMOS
トランジスタ、R4とR5はバイアス用の抵抗、C1〜
C3は平滑用の容量である。この回路によりVCLとV
SLには、それぞれ
VCL=(R2+R3)×(VCC−VSS)/(R1
+R2+R3)
VSL=R3×(VCC−VSS)/(R1+R2+R
3)
なる電圧が得られる。例えば、VCC=1.5V,VS
S=0V,R1=R2=R3の場合には、VCL=1
V,VSL=0.5Vが得られる。In the figure, DIV is three resistors R1, R2, R
3, a voltage dividing circuit configured by 3, OP1 and OP2 are differential amplifier circuits, TP40 is a P channel MOS transistor for driving VCL, and TN40 is an N channel MOS for driving VSL.
Transistors, R4 and R5 are bias resistors, C1 to
C3 is a smoothing capacitor. This circuit allows VCL and V
For SL, VCL = (R2 + R3) × (VCC-VSS) / (R1
+ R2 + R3) VSL = R3 × (VCC-VSS) / (R1 + R2 + R
3) The following voltage is obtained. For example, VCC = 1.5V, VS
When S = 0V, R1 = R2 = R3, VCL = 1
V, VSL = 0.5V is obtained.
【0034】図13は本発明による集積回路の他の一実
施例である。本実施例では、共通の電源VCL,VSL
を信号線の駆動回路に供給する代わりに、VCC,VS
Sを供給し、各駆動回路毎に信号振幅を低減するように
している。FIG. 13 shows another embodiment of the integrated circuit according to the present invention. In this embodiment, common power supplies VCL and VSL
Instead of being supplied to the drive circuit of the signal line, VCC, VS
S is supplied to reduce the signal amplitude for each drive circuit.
【0035】図13において、CHP5は集積回路チツ
プ、BLK12やBLK13はチツプを構成する回路ブ
ロツク、SIG6はBLK12からBLK13に小さな
振幅の信号を伝達するための信号線、DRV12は信号
線の駆動回路、REC13は信号の受信回路である。駆
動回路DRV12を除けば、基本的な構成は、図3に示
したものと同様である。In FIG. 13, CHP5 is an integrated circuit chip, BLK12 and BLK13 are circuit blocks constituting the chip, SIG6 is a signal line for transmitting a signal of a small amplitude from BLK12 to BLK13, DRV12 is a signal line drive circuit, The REC 13 is a signal receiving circuit. The basic configuration is the same as that shown in FIG. 3 except for the drive circuit DRV12.
【0036】駆動回路DRV12は、NチヤネルMOS
トランジスタTN40、PチヤネルMOSトランジスタ
TP40、NPN形バイポーラ・トランジスタQ1、P
NP形バイポーラ・トランジスタQ2、とから構成して
いる。2つのバイポーラ・トランジスタのコレクタ端子
は、それぞれ電源VCC、VSSに接続し、エミツタ端
子をCMOSインバータに接続している。各バイポーラ
・トランジスタのベース端子には、直流電圧VCLB,
VSLBを印加している。これらの値は、それぞれ
VCLB=VCL+VBE
VSLB=VSL−VBE
である。ここに、VBEはバイポーラ・トランジスタの
ベース・エミツタ間の順方向電圧降下であり、約0.7
5V である。このような接続にすることにより、端子
N20にはVCLが、端子N21にはVSLが、それぞれ
得られる。この回路方式によれば、VCLやVSLとい
つた電源は、図3の例ほど低インピーダンスにする必要
がない。したがつて、図12に示したような発生回路
も、大きな駆動能力を備える必要がなくなり、発生回路
自体の占有面積の増大や、消費電力の増大を招くことが
なくなる。なお、この例で用いたNPN形やPNP形の
バイポーラ・トランジスタの代わりに、それぞれNチヤ
ネルとPチヤネルのMOSトランジスタを用いても、同
様な効果を得ることができる。The drive circuit DRV12 is an N channel MOS.
Transistor TN40, P channel MOS transistor TP40, NPN type bipolar transistor Q1, P
It is composed of an NP type bipolar transistor Q2. The collector terminals of the two bipolar transistors are connected to the power supplies VCC and VSS, respectively, and the emitter terminals are connected to the CMOS inverter. At the base terminal of each bipolar transistor, a DC voltage VCLB,
Applying VSLB. These values are VCLB = VCL + VBE VSLB = VSL-VBE, respectively. Here, VBE is the forward voltage drop between the base and the emitter of the bipolar transistor and is about 0.7.
It is 5V. With such a connection, VCL is obtained at the terminal N20 and VSL is obtained at the terminal N21. According to this circuit system, it is not necessary for the VCL and VSL power supplies to have a low impedance as in the example of FIG. Therefore, the generating circuit as shown in FIG. 12 does not need to have a large driving ability either, and the occupying area of the generating circuit itself and the power consumption are not increased. Similar effects can be obtained by using N-channel and P-channel MOS transistors instead of the NPN-type and PNP-type bipolar transistors used in this example.
【0037】図14は、外部電源電圧VCC、VSSを
もとにして、チツプ内部で電源電圧VCL、VSLおよ
びVCLB、VSLBを発生する回路の構成の一実施例
である。FIG. 14 shows an embodiment of the configuration of a circuit for generating power supply voltages VCL, VSL and VCLB, VSLB inside the chip based on the external power supply voltages VCC, VSS.
【0038】図中、分圧回路は抵抗R10、R11、R
12とベースとエミツタを接続したNPN形およびPN
P形のバイポーラ・トランジスタQ3、Q4とにより構
成している。Q5はVCL駆動用のNPN形バイポーラ
・トランジスタ、Q6はVSL駆動用のPNP形バイポー
ラ・トランジスタ、R13はバイアス用の抵抗、C10
〜C12は平滑用の容量である。この回路によりVCL
とVSLには、それぞれ
VCL =((R11+R12)×VCC+(R10-R11-R12)×VBE)/(R10+
R11+R12)
VSL =(R12×VCC+(R10+R11-R12)×VBE)/(R10+R11+R1
2)
なる電圧が得られる。ただし、ここではVSS=0Vと
仮定している。また、VBEはバイポーラ・トランジス
タのベース・エミツタ間の順方向電圧降下であり約0.
75V 程度である。例えば、VCC=3V、0.25×
R11=R10=R12の場合には、VCL=2V、VS
L=1Vが得られる。In the figure, the voltage dividing circuit includes resistors R10, R11 and R.
NPN type and PN in which 12 and the base and the emitter are connected
It is composed of P-type bipolar transistors Q3 and Q4. Q5 is an NPN type bipolar transistor for driving VCL, Q6 is a PNP type bipolar transistor for driving VSL, R13 is a resistor for bias, C10
C12 are smoothing capacitors. This circuit allows VCL
VSL = ((R11 + R12) x VCC + (R10-R11-R12) x VBE) / (R10 +
R11 + R12) VSL = (R12 × VCC + (R10 + R11-R12) × VBE) / (R10 + R11 + R1
2) is obtained. However, it is assumed here that VSS = 0V. VBE is a forward voltage drop between the base and the emitter of the bipolar transistor, which is about 0.
It is about 75V. For example, VCC = 3V, 0.25 ×
When R11 = R10 = R12, VCL = 2V, VS
L = 1V is obtained.
【0039】図15は本発明による集積回路の他の一実
施例である。本実施例では、集積回路チツプ間の信号伝
達を低振幅の信号で行うようにしている。FIG. 15 shows another embodiment of the integrated circuit according to the present invention. In this embodiment, the signal transmission between the integrated circuit chips is carried out by a low amplitude signal.
【0040】同図において、CHP6とCHP7は集積
回路チツプ、SIG7はCHP6からCHP7に小さな
振幅の信号を伝達するための信号線、DRV16 は信号線の
駆動回路、REC17は信号の受信回路である。駆動回
路DRV16は図13中のDRV12に、受信回路RE
C17は図13中のREC13に示したものと、基本的
に同じである。In the figure, CHP6 and CHP7 are integrated circuit chips, SIG7 is a signal line for transmitting a signal of small amplitude from CHP6 to CHP7, DRV16 is a signal line drive circuit, and REC17 is a signal reception circuit. The drive circuit DRV16 is similar to the DRV12 shown in FIG.
C17 is basically the same as that shown in REC13 in FIG.
【0041】このような構成にすることにより、容量の
大きなチツプ間の信号線を駆動するのに必要な電力を低
減することができる。また、信号線の充放電に伴つて発
生するピーク電流を低く抑えることができ、信号配線の
信頼性や、電源線の雑音を小さくすることができる。し
たがつて、マイクロプロセツサなどの信号線数の多い集
積回路では、特に効果が大きい。With such a structure, it is possible to reduce the power required to drive the signal line between the chips having a large capacitance. Further, it is possible to suppress the peak current generated due to the charge and discharge of the signal line to a low level, and it is possible to reduce the reliability of the signal wiring and the noise of the power supply line. Therefore, the effect is particularly great in an integrated circuit having a large number of signal lines such as a microprocessor.
【0042】また、集積回路チツプの従来の入力回路で
は、TTLレベル(例えば、LOW判定レベル最大値V
ILMAX=0.8V、HIGH判定レベル最小値VIH
MIN=2.4V)の入力に対して、CMOSインバータに
貫通電流が流れるため、待機時の電流を小さくできな
い、という問題があつたが、本発明の受信回路を用いれ
ば、この待機時電流を著しく小さくすることができるた
め、集積回路チツプの消費電流低減に極めて有効であ
る。Further, in the conventional input circuit of the integrated circuit chip, the TTL level (for example, the LOW judgment level maximum value V
IL MAX = 0.8V, HIGH judgment level minimum value VIH
There is a problem in that a stand-by current cannot be reduced because a through current flows through the CMOS inverter with respect to an input of ( MIN = 2.4 V). However, if the receiver circuit of the present invention is used, this stand-by current is reduced. Since it can be made extremely small, it is extremely effective in reducing the current consumption of the integrated circuit chip.
【0043】図16は本発明による集積回路の他の一実
施例である。本実施例では、図15と同様、集積回路間
の信号伝達を低振幅の信号で行うようにしている。FIG. 16 shows another embodiment of the integrated circuit according to the present invention. In this embodiment, as in the case of FIG. 15, the signal transmission between the integrated circuits is performed by a signal having a low amplitude.
【0044】同図において、CHP8とCHP9は集積
回路チツプ、SIG8はCHP8からCHP9に小さな
振幅の信号を伝達するための信号線、DRV18 は信号線の
駆動回路、REC19は信号の受信回路である。駆動回
路DRV18はNPN形バイポーラ・トランジスタQ2
0およびPNP形バイポーラ・トランジスタQ21によ
る相補型インバータ回路、および、それらの入力である
ベース端子を駆動するように設けたCMOSインバータ
回路から構成している。CMOSインバータ回路の電源
電圧には、VCLBおよびVSLBを与えて、相補型イ
ンバータ回路の入力には高レベルとしてVCL+VB
E、低レベルとしてVSL−VBEを得るようにしてい
る。これにより、信号線の振幅には、(VCL−VS
L)を得ることができる。In the figure, CHP8 and CHP9 are integrated circuit chips, SIG8 is a signal line for transmitting a signal of small amplitude from CHP8 to CHP9, DRV18 is a signal line drive circuit, and REC19 is a signal reception circuit. The drive circuit DRV18 is an NPN type bipolar transistor Q2.
0 and a PNP bipolar transistor Q21 are used as a complementary inverter circuit, and a CMOS inverter circuit provided to drive the base terminal which is the input thereof. VCLB and VSLB are applied to the power supply voltage of the CMOS inverter circuit, and the input of the complementary inverter circuit is set to VCL + VB as a high level.
E, VSL-VBE is obtained as a low level. As a result, the amplitude of the signal line becomes (VCL-VS
L) can be obtained.
【0045】このような構成にすることにより、容量の
大きなチツプ間の信号線を駆動するのに必要な電力を低
減することができる。また、信号線の充放電に伴つて発
生するピーク電流を低く抑えることができ、信号配線の
信頼性や、電源線の雑音を小さくすることができる。特
に、出力回路が、バイポーラ・トランジスタのみで構成
されているため、図15の例に比べて、大きな負荷駆動
能力を得ることができる。With this structure, it is possible to reduce the electric power required to drive the signal line between the chips having a large capacitance. Further, it is possible to suppress the peak current generated due to the charge and discharge of the signal line to a low level, and it is possible to reduce the reliability of the signal wiring and the noise of the power supply line. In particular, since the output circuit is composed of only bipolar transistors, it is possible to obtain a larger load driving capability than the example of FIG.
【0046】図17から図20は本発明によるCMOS
集積回路の他の実施例を示している。これらの実施例で
は、複数の小さな振幅の信号を入力として、その論理演
算結果を回路ブロック内部で使用する大きな信号振幅に
変換するようにした信号受信部の他の方式を示してい
る。17 to 20 show a CMOS according to the present invention.
7 illustrates another embodiment of an integrated circuit. In these embodiments, other methods of the signal receiving section are shown in which a plurality of signals having small amplitudes are input and the logical operation result is converted into a large signal amplitude used inside the circuit block.
【0047】図17は2つの入力AとBの反転論理積
(NAND)の演算結果Qを出力するようにした信号受
信部の回路構成の一例である。すなわち、入力AとBが
共に高レベルのときに出力Qが低レベル、その他のとき
には出力Qが高レベルとなる。入力AとB、および信号
Bの反転信号B−barの信号振幅は、図3の実施例と
同様、その低レベルがVSL、高レベルがVCLであ
る。反転信号B−barは、駆動回路によって発生させ
てもよいし、受信部にインバ−タを設けて、入力Bから
発生させてもよい。この回路は図3中のREC4におい
て、そのレベル変換機能をそのまま活かし、新たに論理
演算機能を持たせるため、転送ゲ−トを4つのトランジ
スタ、TN70、TN71、TP70およびTP71に
より構成し、入力数を増やすと共に転送ゲ−トのゲ−ト
端子にも直流電圧の代わりに信号を印加するようにし
た。FIG. 17 shows an example of the circuit configuration of the signal receiving section which outputs the operation result Q of the inverted logical product (NAND) of the two inputs A and B. That is, when both inputs A and B are at high level, output Q is at low level, and at other times, output Q is at high level. As for the signal amplitudes of the inputs A and B and the inverted signal B-bar of the signal B, the low level is VSL and the high level is VCL, as in the embodiment of FIG. The inverted signal B-bar may be generated by a drive circuit, or may be generated from the input B by providing an inverter in the receiving section. In this circuit, in REC4 in FIG. 3, the transfer gate is composed of four transistors, TN70, TN71, TP70 and TP71, in order to utilize the level conversion function as it is and newly have a logical operation function. In addition to increasing the voltage, a signal is applied to the gate terminal of the transfer gate instead of the DC voltage.
【0048】次にこの回路の動作を説明する。入力Bが
低レベルのとき、すなわち入力B−barが高レベルの
ときには、トランジスタTN70が非導通状態、TN7
1が導通状態となり、端子N40は低レベルとなる。ま
た、トランジスタTP70が非導通状態、TP71が導
通状態となり、端子N41も低レベルとなる。したがっ
て、入力Aのレベルによらずに、出力Qは高レベルにな
る。一方、入力Bが高レベルのときには、トランジスタ
TN70が導通状態、TN71が非導通状態となり、端
子N40は入力Aに等しいレベルとなる。また、トラン
ジスタTP70が導通状態、TP71が非導通状態とな
り、端子N41も入力Aに等しいレベルとなる。したが
って、出力Qには入力Aの反転出力が得られる。これら
より、入力AとBがともに高レベルのときのみ出力が低
レベルとなり、それ以外の組合せでは、出力は高レベル
となる。すなわち、AとBの反転論理積(NAND)の
演算結果が出力Qに得られる。Next, the operation of this circuit will be described. When the input B is at the low level, that is, when the input B-bar is at the high level, the transistor TN70 is in the non-conducting state, TN7.
1 becomes conductive, and the terminal N40 becomes low level. Further, the transistor TP70 is turned off, the transistor TP71 is turned on, and the terminal N41 also goes low. Therefore, the output Q becomes high regardless of the level of the input A. On the other hand, when the input B is at the high level, the transistor TN70 is in the conductive state, the TN71 is in the non-conductive state, and the terminal N40 is at the same level as the input A. Further, the transistor TP70 is in a conductive state, the TP71 is in a non-conductive state, and the terminal N41 is also at a level equal to the input A. Therefore, the inverted output of the input A is obtained at the output Q. From these, the output becomes low level only when both inputs A and B are at high level, and the output becomes high level in the other combinations. That is, the operation result of the inverted logical product (NAND) of A and B is obtained at the output Q.
【0049】図18は2つの入力AとBの反転論理和
(NOR)の演算結果Qを出力するようにした信号受信
部の回路構成の一例である。すなわち、入力AとBが共
に低レベルのときに出力Qが高レベル、その他のときに
は出力Qが低レベルとなる。入力Bが高レベルのとき、
すなわち入力B−barが低レベルのときには、トラン
ジスタTN75が導通状態、TN76が非導通状態とな
り、端子N45は高レベルとなる。また、トランジスタ
TP75が導通状態、TP76が非導通状態となり、端
子N46も高レベルとなる。したがって、入力Aのレベ
ルによらずに、出力Qは低レベルになる。一方、入力B
が低レベルのときには、トランジスタTN75が非導通
状態、TN76が導通状態となり、端子N45は入力A
に等しいレベルとなる。また、トランジスタTP75が
非導通状態、TP76が導通状態となり、端子N46も
入力Aに等しいレベルとなる。したがって、出力Qには
入力Aの反転出力が得られる。これらより、入力AとB
がともに低レベルのときのみ出力が高レベルとなり、そ
れ以外の組合せでは、出力は低レベルとなる。すなわ
ち、AとBの反転論理和(NOR)の演算結果が出力Q
に得られる。FIG. 18 shows an example of a circuit configuration of a signal receiving section which outputs an operation result Q of an inverted logical sum (NOR) of two inputs A and B. That is, when both inputs A and B are at low level, output Q is at high level, and at other times, output Q is at low level. When input B is high level,
That is, when the input B-bar is low level, the transistor TN75 is conductive, the TN76 is nonconductive, and the terminal N45 is high level. Further, the transistor TP75 is turned on, the transistor TP76 is turned off, and the terminal N46 also goes high. Therefore, the output Q becomes a low level regardless of the level of the input A. On the other hand, input B
Is low, the transistor TN75 is non-conductive, the TN76 is conductive, and the terminal N45 is input A
The level is equal to. Further, the transistor TP75 is turned off, the transistor TP76 is turned on, and the terminal N46 is set to the same level as the input A. Therefore, the inverted output of the input A is obtained at the output Q. From these, inputs A and B
The output becomes high level only when both are low level, and the output becomes low level in other combinations. That is, the operation result of the inverted logical sum (NOR) of A and B is output Q
Can be obtained.
【0050】図19は3つの入力A、BおよびCの反転
論理積(NAND)の演算結果Qを出力するようにした
信号受信部の回路構成の一例である。図17の実施例と
同様、入力A、BおよびCが共に高レベルのときに端子
N50および端子N51が高レベルとなる。これらよ
り、入力AとBおよびCがともに高レベルのときのみ出
力が低レベルとなり、それ以外の組合せでは、出力は高
レベルとなる。すなわち、A、BおよびCの反転論理積
(NAND)の演算結果が出力Qに得られる。FIG. 19 shows an example of the circuit configuration of the signal receiving section which outputs the operation result Q of the inverted logical product (NAND) of the three inputs A, B and C. Similar to the embodiment of FIG. 17, when the inputs A, B and C are all at the high level, the terminals N50 and N51 are at the high level. From these, the output becomes low level only when the inputs A and B and C are all at high level, and the output becomes high level in the other combinations. That is, the operation result of the inverted logical product (NAND) of A, B and C is obtained at the output Q.
【0051】図20は2つの入力AとBの排他論理和
(Exclusive−OR=EOR)の演算結果Qを出力する
ようにした信号受信部の回路構成の一例である。すなわ
ち、入力AとBが同じレベルのときに出力Qが低レベ
ル、その他のときには出力Qが高レベルとなる。入力B
が高レベルのとき、すなわち入力B−barが低レベル
のときには、トランジスタTN85が導通状態、TN8
6が非導通状態となり、端子N55は入力Aと同じレベ
ルとなる。また、トランジスタTP85が導通状態、T
P86が非導通状態となり、端子N56も入力Aと同じ
レベルとなる。したがって、出力Qは入力Aの反転論理
になる。一方、入力Bが低レベルのときには、トランジ
スタTN85が非導通状態、TN86が導通状態とな
り、端子N55は入力A−barと同じレベルとなる。
また、トランジスタTP85が非導通状態、TP86が
導通状態となり、端子N56も入力A−barと同じレ
ベルとなる。したがって、出力Qは入力Aと同一論理に
なる。これらより、入力AとBの排他論理和(EOR)
の演算結果が出力Qに得られる。FIG. 20 shows an example of the circuit configuration of the signal receiving section which outputs the operation result Q of the exclusive OR of two inputs A and B (Exclusive-OR = EOR). That is, when the inputs A and B are at the same level, the output Q is low level, and at other times, the output Q is high level. Input B
Is at a high level, that is, when the input B-bar is at a low level, the transistor TN85 is in a conductive state and TN8
6 becomes non-conductive, and the terminal N55 becomes the same level as the input A. In addition, the transistor TP85 is conductive, and T
P86 becomes non-conductive, and the terminal N56 also becomes the same level as the input A. Therefore, the output Q has the inverted logic of the input A. On the other hand, when the input B is at the low level, the transistor TN85 is in the non-conductive state, the TN86 is in the conductive state, and the terminal N55 is at the same level as the input A-bar.
Further, the transistor TP85 is turned off, the transistor TP86 is turned on, and the terminal N56 is at the same level as the input A-bar. Therefore, the output Q has the same logic as the input A. From these, the exclusive OR (EOR) of inputs A and B
The calculation result of is obtained at the output Q.
【0052】以上の実施例に示したように、本発明によ
れば、小さな入力振幅を有する複数の信号から直接論理
演算を行うことが可能となるため、複数の入力を個々に
レベル変換した後に演算を行う場合に比べて、使用する
トランジスタの数を低減でき、さらに高集積の回路を構
成することが可能になる。また、本発明は以上の実施例
の他に、さらに多くの入力数や他のどのような論理演算
についても同様に適用できることは自明である。As shown in the above embodiments, according to the present invention, since it is possible to directly perform a logical operation from a plurality of signals having a small input amplitude, after performing a level conversion on a plurality of inputs individually, The number of transistors used can be reduced as compared with the case where calculation is performed, and a highly integrated circuit can be configured. Further, it is obvious that the present invention can be similarly applied to a larger number of inputs and any other logical operation other than the above embodiment.
【0053】図21から図23は本発明によるCMOS
集積回路の他の実施例を示している。これらの実施例で
は、小さな入力信号振幅に対しても論理レベルを正確に
判定することのできる入力回路に適用した例を示してい
る。一般に、CMOS集積回路のインタ−フェ−ス用信
号レベルとしては、CMOSレベルとTTLレベルの2
種類が広く用いられている。各インタ−フェ−ス用信号
レベルの出力高レベル(VOH)の最小値VOHmin
と出力低レベル(VOL)の最大値VOLmaxは、C
MOSレベルの場合、
VOHmin=VCC−0.1 (V)
VOLmax=0.1 (V)
TTLレベルの場合、
VOHmin=2.4 (V)
VOLmax=0.4 (V)
という値が一般的である。これらの信号振幅は小さいほ
ど高速で、負荷容量の充放電電流も小さくできるという
メリットがあるが、一方、信号を受信する回路のノイズ
マ−ジンが低下するという欠点がある。これらより低振
幅のインタ−フェ−スとしては、バイポ−ラLSIやバ
イCMOSLSIで用いられるECLインタ−フェ−ス
が知られている。この場合には、
VOHmin≒−1.0 (V)
VOLmax≒−1.6 (V)
であり、信号振幅は約0.6Vと小さい。CMOS集積
回路の高集積化、1つの集積回路あたりの信号数(ピン
数)の増加に伴い、高速化と低雑音化が強く望まれるよ
うになってきている。ところが、従来のECLインタ−
フェ−スは、バイポ−ラトランジスタをベ−スにしてい
るためCMOS回路では実現が難しい、入力回路に多大
なバイアス電流を必要とするため、消費電力(とくにス
タンバイ状態での消費電力)が大きいという問題があっ
た。これらの問題を克服して、ノイズマ−ジンが広く安
定に動作し、かつCMOSの特徴である低消費電力性能
を維持できる低振幅インタ−フェ−スが望まれていた。
こうした新しいインタ−フェ−スは以下の条件を満たす
必要がある。
(1)信号振幅が1V程度、あるいはそれ以下で、十分
なノイズマ−ジンを有すること。
(2)スタンバイ状態(入力がVIHmin以上あるい
はVILmax以下)ではほとんど電流消費がないこ
と。
こうした条件を満たすためには、小さな入力信号振幅を
確実に検出し、かつスタンバイ状態での電流消費のない
入力回路が必要とされる。このような入力回路の例は、
図15や図16に示したが、以下には他の例を示す。21 to 23 show a CMOS according to the present invention.
7 illustrates another embodiment of an integrated circuit. In these embodiments, examples are shown in which the present invention is applied to an input circuit that can accurately determine a logic level even with a small input signal amplitude. Generally, as the interface signal level of the CMOS integrated circuit, there are two levels of the CMOS level and the TTL level.
The types are widely used. The minimum value VOHmin of the output high level (VOH) of the signal level for each interface
And the maximum value VOLmax of the output low level (VOL) is C
In the case of MOS level, VOHmin = VCC-0.1 (V) VOLmax = 0.1 (V) In the case of TTL level, VOHmin = 2.4 (V) VOLmax = 0.4 (V) is there. The smaller the amplitude of these signals, the higher the speed and the smaller the charging / discharging current of the load capacitance, but the disadvantage is that the noise margin of the circuit that receives the signals is reduced. An ECL interface used in a bipolar LSI or a biCMOS LSI is known as an interface having a lower amplitude than these. In this case, VOHmin≈−1.0 (V) VOLmax≈−1.6 (V), and the signal amplitude is small at about 0.6V. With the high integration of CMOS integrated circuits and the increase in the number of signals (the number of pins) per integrated circuit, there has been a strong demand for higher speed and lower noise. However, the conventional ECL interface
Since the face is based on bipolar transistors, it is difficult to realize with a CMOS circuit. Since a large bias current is required for the input circuit, power consumption (especially power consumption in standby state) is large. There was a problem. There has been a demand for a low-amplitude interface that overcomes these problems and allows the noise margin to operate widely and stably and to maintain the low power consumption performance that is a characteristic of CMOS.
These new interfaces must meet the following conditions. (1) A signal amplitude of about 1 V or less, and sufficient noise margin. (2) There is almost no current consumption in the standby state (input is above VIHmin or below VILmax). In order to satisfy these conditions, an input circuit that reliably detects a small input signal amplitude and does not consume current in a standby state is required. An example of such an input circuit is
Although shown in FIG. 15 and FIG. 16, other examples will be shown below.
【0054】図21は本発明によるCMOS集積回路の
入力回路の一実施例を示している。本実施例は図15あ
るいは図16の2つの転送ゲ−トを4つのトランジスタ
TN90、TN91、TP90およびTP91で置き換
えたものである。TN90とTP91のゲ−トには、そ
れぞれ基準電圧VRNとVRPを印加している。VRN
とVRPは同図右に示すとおり、
VRN=VIH+VTN+VTP
VRP=VIL−VTN−VTP
なる値になるようにしている。ここに、VIHとVIL
は入力信号の高レベルと低レベル、VTNとVTPはN
チャネルトランジスタとPチャネルトランジスタのしき
い値電圧の絶対値である。FIG. 21 shows an embodiment of the input circuit of the CMOS integrated circuit according to the present invention. In this embodiment, the two transfer gates of FIG. 15 or 16 are replaced by four transistors TN90, TN91, TP90 and TP91. Reference voltages VRN and VRP are applied to the gates of TN90 and TP91, respectively. VRN
As shown on the right side of the figure, VRP and VRP are set to a value of VRN = VIH + VTN + VTP VRP = VIL-VTN-VTP. Where VIH and VIL
Is the high level and low level of the input signal, VTN and VTP are N
It is the absolute value of the threshold voltage of the channel transistor and the P-channel transistor.
【0055】入力INの電圧がVILよりも低いときに
は、TN91とTP91が非導通状態、TN90とTP
90が導通状態となって、端子N60が低レベルとな
る。その結果、出力OUTは高レベルとなり、端子N6
1は低レベルとなる。逆に、入力INの電圧がVIHよ
りも高いときには、TN91とTP91が導通状態、T
N90とTP90が非導通状態となって、端子N61が
高レベルとなる。その結果、出力OUTは低レベルとな
り、端子N60は高レベルとなる。このように、小さな
入力信号振幅に対しても、安定に応答する入力回路を構
成することができる。また、VCCからVSSにいたる
直流電流パスがないため、スタンバイ時の電流をほとん
ど零にすることができる。When the voltage of the input IN is lower than VIL, TN91 and TP91 are non-conductive, and TN90 and TP are
90 becomes conductive, and the terminal N60 becomes low level. As a result, the output OUT becomes high level and the terminal N6
1 is a low level. On the contrary, when the voltage of the input IN is higher than VIH, TN91 and TP91 are in the conductive state, T
N90 and TP90 become non-conductive, and the terminal N61 becomes high level. As a result, the output OUT goes low and the terminal N60 goes high. In this way, it is possible to configure an input circuit that responds stably to a small input signal amplitude. Further, since there is no DC current path from VCC to VSS, the current during standby can be made almost zero.
【0056】図22は本発明によるCMOS集積回路の
入力回路の他の一実施例を示している。ここでは、VI
L=0の場合の入力回路の構成例を示す。図中、TN1
00〜TN103はNチャネルトランジスタ、TP10
0〜TP102はPチャネルトランジスタである。TN
101のゲ−トには基準電圧VREF1を印加し、その
ソ−スにはTN100とTP100とからなるCMOS
インバ−タを接続している。また、入力はTN103
に、インバ−タで反転された出力はTN102に印加し
ている。これらTN102、TN103とTP101、
TP102とでレベル変換回路を構成している。基準電
圧VREF1の値は、
VREF1=VIH+VTN+VTP
なる値にしている。ここに、VIHは入力信号の高レベ
ル、VTNとVTPはNチャネルトランジスタとPチャ
ネルトランジスタのしきい値電圧の絶対値である。FIG. 22 shows another embodiment of the input circuit of the CMOS integrated circuit according to the present invention. Here, VI
An example of the configuration of the input circuit when L = 0 is shown. TN1 in the figure
00-TN103 is an N-channel transistor, TP10
0 to TP102 are P-channel transistors. TN
A reference voltage VREF1 is applied to the gate of 101, and its source is a CMOS composed of TN100 and TP100.
The inverter is connected. The input is TN103
In addition, the output inverted by the inverter is applied to the TN 102. These TN102, TN103 and TP101,
The TP 102 constitutes a level conversion circuit. The value of the reference voltage VREF1 is VREF1 = VIH + VTN + VTP. VIH is the high level of the input signal, and VTN and VTP are the absolute values of the threshold voltages of the N-channel transistor and the P-channel transistor.
【0057】入力INの電圧が0(V)のときには、イ
ンバ−タの出力N65は高レベルとなる。したがって、
TN103が非導通状態、TN102が導通状態となっ
て、端子N67が高レベル、端子N66が低レベルとな
る。その結果、出力OUTは高レベルとなる。逆に、入
力INの電圧がVIHよりも高いときには、インバ−タ
の出力N65は低レベルとなる。したがって、TN10
2が非導通状態、TN103が導通状態となって、端子
N66が高レベル、端子N67が低レベルとなる。その
結果、出力OUTは低レベルとなる。このように、小さ
な入力信号振幅に対しても、安定に応答する入力回路を
構成することができる。また、VCCからVSSにいた
る直流電流パスがないため、スタンバイ時の電流をほと
んど零にすることができる。When the voltage of the input IN is 0 (V), the output N65 of the inverter becomes high level. Therefore,
The TN 103 becomes non-conductive, the TN 102 becomes conductive, and the terminal N67 becomes high level and the terminal N66 becomes low level. As a result, the output OUT goes high. On the contrary, when the voltage of the input IN is higher than VIH, the output N65 of the inverter becomes low level. Therefore, TN10
2 becomes non-conductive, TN103 becomes conductive, the terminal N66 becomes high level, and the terminal N67 becomes low level. As a result, the output OUT becomes low level. In this way, it is possible to configure an input circuit that responds stably to a small input signal amplitude. Further, since there is no DC current path from VCC to VSS, the current during standby can be made almost zero.
【0058】図23は本発明によるCMOS集積回路の
入力回路の他の一実施例を示している。ここでは、図2
2に示した例と同様、VIL=0の場合の入力回路の構
成例を示す。図中、TN110〜TN112はNチャネ
ルトランジスタ、TP110〜TP113はPチャネル
トランジスタである。TN111のゲ−トには基準電圧
VREF2を印加している。入力はTN110とTP1
10に印加し、TP110のソ−スとTN111のソ−
スが接続されている。ここでは、入力の反転信号をつく
る代わりに、TN111とTP110でNチャネルトラ
ンジスタとは相補の動作、すなわち入力が低レベルのと
きに導通し、高レベルのときに非導通になるような動作
を実現している。これらTN110、TN111および
TP110に、さらにTP111、TP112を組合せ
てレベル変換機能も兼ね備えるようにしている。基準電
圧VREF2の値は、
VREF2=VIH+VTN+VTP
なる値にしている。ここに、VIHは入力信号の高レベ
ル、VTNとVTPはNチャネルトランジスタとPチャ
ネルトランジスタのしきい値電圧の絶対値である。FIG. 23 shows another embodiment of the input circuit of the CMOS integrated circuit according to the present invention. Here, in FIG.
Similar to the example shown in FIG. 2, a configuration example of the input circuit when VIL = 0 is shown. In the figure, TN110 to TN112 are N-channel transistors, and TP110 to TP113 are P-channel transistors. The reference voltage VREF2 is applied to the gate of the TN111. Input is TN110 and TP1
10 and the source of TP110 and the source of TN111.
Connected. Here, instead of creating an inverted signal of the input, the TN111 and TP110 realize an operation complementary to the N-channel transistor, that is, an operation that conducts when the input is at a low level and does not conduct when the input is at a high level. is doing. These TN110, TN111 and TP110 are further combined with TP111 and TP112 so as to have a level conversion function. The value of the reference voltage VREF2 is VREF2 = VIH + VTN + VTP. VIH is the high level of the input signal, and VTN and VTP are the absolute values of the threshold voltages of the N-channel transistor and the P-channel transistor.
【0059】入力INの電圧が0(V)のときには、T
N110が非導通状態、TN111とTP110が導通
状態となって、端子N70が低レベル、出力OUTが高
レベルとなる。逆に、入力INの電圧がVIHよりも高
いときには、TN111とTP110が非導通状態、T
N110が導通状態となって、端子N70が高レベル、
出力OUTは低レベルとなる。このように、小さな入力
信号振幅に対しても、安定に応答する入力回路を構成す
ることができる。また、VCCからVSSにいたる直流
電流パスがないため、スタンバイ時の電流をほとんど零
にすることができる。When the voltage of the input IN is 0 (V), T
N110 becomes non-conductive, TN111 and TP110 become conductive, the terminal N70 becomes low level, and the output OUT becomes high level. On the contrary, when the voltage of the input IN is higher than VIH, TN111 and TP110 are in the non-conduction state, T
N110 becomes conductive, terminal N70 is at high level,
The output OUT becomes low level. In this way, it is possible to configure an input circuit that responds stably to a small input signal amplitude. Further, since there is no DC current path from VCC to VSS, the current during standby can be made almost zero.
【0060】以上述べた入力回路を用いれば、十分なノ
イズマ−ジンを維持しながら、入力信号振幅を小さくす
ることができるため、信号の伝送を高速に行うことがで
きる。また、スイッチングに伴う過渡電流を低減できる
ため、電源電圧の変動を抑制でき、ノイズマ−ジンを大
きくすることができる。さらには、スタンバイ状態に直
流電流を消費しないため、低消費電力が要求される電池
動作への応用も可能となる。If the input circuit described above is used, the amplitude of the input signal can be reduced while maintaining a sufficient noise margin, so that the signal can be transmitted at high speed. Further, since the transient current accompanying switching can be reduced, the fluctuation of the power supply voltage can be suppressed and the noise margin can be increased. Further, since the direct current is not consumed in the standby state, it can be applied to the battery operation requiring low power consumption.
【0061】以上、各実施例によつて本発明の詳細を説
明したが、本発明の適用範囲はこれらに限定されるもの
ではない。例えば、ここではCMOSトランジスタおよ
びバイポーラトランジスタによりLSIを構成する場合
を主に説明したが、接合型FETを用いたLSI、さら
にはシリコン以外の材料、例えばガリウム砒素などの基
板に素子を形成したLSIなどでも、そのまま適用でき
る。Although the present invention has been described in detail with reference to the embodiments, the scope of application of the present invention is not limited to these. For example, here, the case where the LSI is composed of the CMOS transistor and the bipolar transistor has been mainly described, but the LSI using the junction type FET and further the material other than silicon, for example, the LSI in which the element is formed on the substrate such as gallium arsenide, etc. However, it can be applied as it is.
【0062】[0062]
【発明の効果】本発明によれば高速に動作するLSIを
提供できる。According to the present invention, an LSI that operates at high speed can be provided.
【図1】本発明の基本概念を説明する実施例。FIG. 1 is an embodiment for explaining the basic concept of the present invention.
【図2】図1における電圧波形図。FIG. 2 is a voltage waveform diagram in FIG.
【図3】本発明の基本概念を説明する実施例。FIG. 3 is an embodiment for explaining the basic concept of the present invention.
【図4】従来の回路。FIG. 4 is a conventional circuit.
【図5】図4の回路と比較するための本発明による回
路。5 shows a circuit according to the invention for comparison with the circuit of FIG.
【図6】入出力波形の定義。FIG. 6 is a definition of an input / output waveform.
【図7】本発明の効果を示すための図4と図5の回路で
の特性比較結果。FIG. 7 is a characteristic comparison result in the circuits of FIGS. 4 and 5 for showing the effect of the present invention.
【図8】本発明の効果を示すための図4と図5の回路で
の特性比較結果。FIG. 8 is a characteristic comparison result in the circuits of FIGS. 4 and 5 for showing the effect of the present invention.
【図9】本発明の基本概念を説明する他の実施例。FIG. 9 is another embodiment for explaining the basic concept of the present invention.
【図10】図9における電圧波形図。FIG. 10 is a voltage waveform diagram in FIG.
【図11】本発明をNANDゲート回路に適用した具体
的実施例。FIG. 11 is a specific example in which the present invention is applied to a NAND gate circuit.
【図12】本発明の内部電源電圧を発生する回路の具体
的実施例。FIG. 12 is a specific example of a circuit for generating an internal power supply voltage according to the present invention.
【図13】バイポーラトランジスタを用いた本発明の基
本概念を説明する他の実施例。FIG. 13 is another embodiment for explaining the basic concept of the present invention using a bipolar transistor.
【図14】VCL,VSL,VCLB,VSLB発生回
路の一例。FIG. 14 shows an example of a VCL, VSL, VCLB, VSLB generation circuit.
【図15】本発明をチツプ間の信号伝達に用いた他の実
施例。FIG. 15 shows another embodiment in which the present invention is used for signal transmission between chips.
【図16】本発明をチツプ間の信号伝達に用いた他の実
施例。FIG. 16 shows another embodiment in which the present invention is used for signal transmission between chips.
【図17】本発明を論理回路に用いた他の実施例。FIG. 17 shows another embodiment in which the present invention is applied to a logic circuit.
【図18】本発明を論理回路に用いた他の実施例。FIG. 18 shows another embodiment in which the present invention is applied to a logic circuit.
【図19】本発明を論理回路に用いた他の実施例。FIG. 19 shows another embodiment in which the present invention is applied to a logic circuit.
【図20】本発明を論理回路に用いた他の実施例。FIG. 20 shows another embodiment in which the present invention is applied to a logic circuit.
【図21】本発明を入力回路に用いた他の実施例。FIG. 21 shows another embodiment in which the present invention is used in an input circuit.
【図22】本発明を入力回路に用いた他の実施例。FIG. 22 shows another embodiment in which the present invention is used in an input circuit.
【図23】本発明を入力回路に用いた他の実施例。FIG. 23 is another embodiment in which the present invention is used in an input circuit.
CHP1〜CHP9…集積回路チツプ、BLK1〜BL
K13…集積回路ブロツク、INV1〜INV19…イ
ンバータ、DRV1〜DRV18…駆動回路、REC2
〜REC19…受信回路、R1〜R13…抵抗、Q1〜
Q21…バイポーラトランジスタ、OP1,OP2…差
動増幅回路、C1〜C12…平滑容量。CHP1 to CHP9 ... Integrated circuit chips, BLK1 to BLK
K13 ... Integrated circuit block, INV1 to INV19 ... Inverter, DRV1 to DRV18 ... Drive circuit, REC2
~ REC19 ... Receiving circuit, R1 to R13 ... Resistor, Q1
Q21 ... Bipolar transistors, OP1, OP2 ... Differential amplifier circuits, C1 to C12 ... Smoothing capacitors.
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−135224(JP,A) 特開 平1−190117(JP,A) 特開 平2−17714(JP,A) 特開 平1−125023(JP,A) 特開 平4−211515(JP,A) 特開 昭50−58958(JP,A) 特開 昭62−190923(JP,A) 特開 昭60−51327(JP,A) 特開 昭54−69949(JP,A) 特開 昭58−20034(JP,A) 特開 昭63−111720(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 19/0185 H01L 21/822 H01L 27/04 Continuation of the front page (56) Reference JP-A-1-135224 (JP, A) JP-A-1-190117 (JP, A) JP-A-2-17714 (JP, A) JP-A-125023 (JP , A) JP-A 4-211515 (JP, A) JP-A 50-58958 (JP, A) JP-A 62-190923 (JP, A) JP-A 60-51327 (JP, A) JP-A 54-69949 (JP, A) JP-A-58-20034 (JP, A) JP-A-63-111720 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H03K 19/0185 H01L 21/822 H01L 27/04
Claims (10)
って、第1回路ブロックと、 第2回路ブロックと、 前記第1回路ブロックと前記第2回路ブロックとの間で
信号を伝達する信号線とを有し、 前記第1回路ブロックは、 第1しきい値電圧を持つPチ
ャネルの第1MOSトランジスタと第2しきい値電圧を
持つNチャネルの第2MOSトランジスタとを含む第1
CMOS回路と、前記第1CMOS回路からの出力を受
けて前記信号線を駆動する第3しきい値電圧を持つPチ
ャネルの第3MOSトランジスタと第4しきい値電圧を
持つNチャネルの第4MOSトランジスタとを含む第2
CMOS回路とを有しており、 前記第3しきい値電圧の絶対値は、前記第1しきい値電
圧の絶対値よりも低く、 前記第4しきい値電圧の絶対値は、前記第2しきい値電
圧の絶対値よりも低く、 前記第3及び第4MOSトランジスタは、それぞれその
ソース・ゲート間電圧を0Vとした場合にサブスレッシ
ョルド電流の流れる特性を持つしきい値電圧を有する半
導体装置。1. A semiconductor device formed on a semiconductor substrate, a first circuit block, a second circuit block, between said first circuit block and the second circuit block
And a signal line for transmitting a signal, the first circuit block and a second 2MOS preparative transistor of N-channel having a first 1MOS transistor and the second threshold voltage of the P channel having the first threshold voltage First including
It receives the output from the CMOS circuit and the first CMOS circuit.
Only the second including a first 4MOS preparative transistor of N-channel having a first 3MOS transistor and the fourth threshold voltage of P-channel having a third threshold voltage for driving the signal line
A CMOS circuit , the absolute value of the third threshold voltage is lower than the absolute value of the first threshold voltage, and the absolute value of the fourth threshold voltage is the second threshold voltage. A semiconductor device having a threshold voltage lower than the absolute value of the threshold voltage and having a characteristic that a subthreshold current flows when the third and fourth MOS transistors each have a source-gate voltage of 0 V. .
は、前記第3及び第4MOSトランジスタが直列に接続
されたインバータである半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second CMOS circuit is an inverter in which the third and fourth MOS transistors are connected in series.
は、前記第1及び第2MOSトランジスタが直列に接続
されたインバータである半導体装置。3. The first CMOS circuit according to claim 1.
Is a semiconductor device which is an inverter in which the first and second MOS transistors are connected in series.
る前記第3しきい値電圧を持つPチャネルの第5MOS
トランジスタと前記第4しきい値電圧を持つNチャネル
の第6MOSトランジスタとを含む第3CMOS回路と
を有している半導体装置。 4. In any of claims 1 to 3, wherein the second circuit block includes a first 5MOS of P-channel having a third threshold voltage which receives the output from the signal line
A semiconductor device having a third CMOS circuit including a transistor and an N-channel sixth MOS transistor having the fourth threshold voltage.
の前記第3CMOS回路は、前記第5及び第6MOSト
ランジスタが直列に接続されたインバータまたはNAN
Dゲートである半導体装置。 5. The method of claim 4, wherein said first 3CMOS circuit of the second circuit block, said fifth and 6MOS transistor inverter or NAN connected in series
A semiconductor device which is a D gate.
た複数の論理回路を含む半導体装置であって、 前記複数の論理回路のそれぞれは、第1しきい値電圧を
持つPチャネルの第1MOSトランジスタと第2しきい
値電圧を持つNチャネルの第2MOSトランジスタとを
含む第1CMOS回路で形成されており、 前記多段に接続された複数の論理回路間の特定の信号伝
達経路において、第1信号を受けて第2信号を出力する
第1論理回路及び前記第2信号を受けて第3信号を出力
する第2の論理回路のそれぞれは、第3しきい値電圧を
持つPチャネルの第3MOSトランジスタと第4しきい
値電圧を持つNチャネルの第4MOSトランジスタとを
含む第2CMOS回路で形成されており、 前記第3しきい値電圧の絶対値は、前記第1しきい値電
圧の絶対値よりも低く、 前記第4しきい値電圧の絶対値は、前記第2しきい値電
圧の絶対値よりも低く、 前記第3及び第4MOSトランジスタは、それぞれその
ソース・ゲート間電圧を0Vとした場合にサブスレッシ
ョルド電流の流れる特性を持つしきい値電圧を有する半
導体装置。 6. A semiconductor device including a plurality of logic circuits formed on a semiconductor substrate and connected in multiple stages, wherein each of the plurality of logic circuits is a P-channel first circuit having a first threshold voltage. It is formed of a first CMOS circuit including one MOS transistor and an N-channel second MOS transistor having a second threshold voltage. In a specific signal transmission path between a plurality of logic circuits connected in multiple stages, Each of the first logic circuit that receives a signal and outputs a second signal and the second logic circuit that receives the second signal and outputs a third signal is a P-channel third MOS having a third threshold voltage. A second CMOS circuit including a transistor and an N-channel fourth MOS transistor having a fourth threshold voltage, wherein the absolute value of the third threshold voltage is the first threshold value. Lower than the absolute value of the voltage, the absolute value of the fourth threshold voltage is lower than the absolute value of the second threshold voltage, the third and fourth MOS transistors, respectively, the source-gate voltage A semiconductor device having a threshold voltage having a characteristic that a subthreshold current flows when is 0V.
記第2CMOS回路は、前記第3及び第4MOSトラン
ジスタが直列に接続されたインバータである半導体装
置。 7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the second CMOS circuit of the second logic circuit is an inverter in which the third and fourth MOS transistors are connected in series.
記第2CMOS回路は、前記第3及び第4MOSトラン
ジスタが直列に接続されたNANDゲートである半導体
装置。 8. The method of claim 6, wherein said 2CMOS circuit of the second logic circuit, a semiconductor device wherein the third and 4MOS transistors are NAND gates connected in series.
第1論理回路の前記第2CMOS回路は、前記第3及び
第4MOSトランジスタが直列に接続されたインバータ
である半導体装置。 9. The semiconductor device according to claim 6, wherein the second CMOS circuit of the first logic circuit is an inverter in which the third and fourth MOS transistors are connected in series.
記第1論理回路の前記第2CMOS回路の入力ノードに
前記第1信号を供給するその前段の前記複数の論理回路
のうちの一つは、前記第1及び第2MOSトランジスタ
が直列に接続されたインバータである半導体装置。 10. In any one of claims 6 to 9, one of the plurality of logic circuits of the preceding stage of supplying the first signal to an input node of said first 2CMOS circuit of the first logic circuit A semiconductor device which is an inverter in which the first and second MOS transistors are connected in series.
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