JPH0566045B2 - - Google Patents
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- JPH0566045B2 JPH0566045B2 JP63150280A JP15028088A JPH0566045B2 JP H0566045 B2 JPH0566045 B2 JP H0566045B2 JP 63150280 A JP63150280 A JP 63150280A JP 15028088 A JP15028088 A JP 15028088A JP H0566045 B2 JPH0566045 B2 JP H0566045B2
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- cmos
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- bipolar
- bipolar transistor
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Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、CMOSとバイポーラとを組合わせ
た低消費電力、高速の半導体集積回路装置に関
し、特にこれらの半導体集積回路装置の構成法に
関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a low power consumption, high speed semiconductor integrated circuit device that combines CMOS and bipolar, and particularly relates to a method for configuring these semiconductor integrated circuit devices. It is.
[従来の技術]
従来からCMOSとバイポーラ、トランジスタ
とを組合わせてCMOSの低消費電力とバイポー
ラの高速性とを兼ね備えた半導体回路を構成しよ
うという試みが知られている。第1図はその一例
の半導体回路でインバータである。この種の回路
としては、これと異なる構成のものも知られてい
るが、インバータが多い。[Prior Art] Attempts have been made to combine CMOS, bipolar, and transistors to construct a semiconductor circuit that combines the low power consumption of CMOS and the high speed of bipolar. FIG. 1 shows an inverter as an example of a semiconductor circuit. Although circuits of this type with different configurations are known, inverters are the most common.
上述の回路は、アイ・イー・イー・トランザク
シヨンズ・オン・エレトクロン・デバイシズ,
Vol.ED−16,No.11,1969年11月第945頁乃至第
951頁(IEEE TRANSACTION ON
ELECTRON DEVICES Vol.ED−16,No.11,
Nov,1969,PP.945〜951)に記載されている。 The circuit described above is manufactured by IE Transactions on Electrochron Devices,
Vol.ED-16, No.11, November 1969, pages 945-
Page 951 (IEEE TRANSACTION ON
ELECTRON DEVICES Vol.ED−16, No.11,
Nov. 1969, pp. 945-951).
この文献によれば、第950頁の(4)式および(5)式
から明らかなように、バイポーラ・CMOS複合
回路の遅延時間はその出力部のバイポーラ・トラ
ンジスタの電流増幅率hfeでCMOS回路の遅延時
間を割つた値となり、バイポーラ・CMOS複合
回路はCMOS回路より常に高速で動作するもの
と考えられている。 According to this document, as is clear from equations (4) and (5) on page 950, the delay time of a bipolar/CMOS composite circuit is determined by the current amplification factor h fe of the bipolar transistor in the output section of the CMOS circuit. It is considered that bipolar/CMOS composite circuits always operate faster than CMOS circuits.
第2図aはCMOSゲート回路21(例として
2入力NANDゲートを示している)と負荷容量
CLとの間にバイポーラ・CMOS複合回路22
(例えば第1図の回路)を付加して、高負荷駆動
能力のバイポーラ・CMOS複合回路22により
非常に重い負荷容量CLを比較的高速で駆動する
ものである。 Figure 2a shows the CMOS gate circuit 21 (a 2-input NAND gate is shown as an example) and the load capacitance.
Bipolar/CMOS composite circuit 22 between C and L
(For example, the circuit shown in FIG. 1) is added to drive a very heavy load capacitance C L at a relatively high speed using a bipolar/CMOS composite circuit 22 having a high load driving capability.
[発明が解決しようとする課題]
上記の如く第2図aのバイポーラ・CMOS複
合回路は非常に重い負荷容量CLを比較的高速で
駆動するものであるが、逆に負荷容量CL(配線容
量および駆動すべき次段ゲートの入力容量の和)
が小さいとき(たとえば0.1pF程度)には、
CMOSゲート回路21だけで充分に高速であり、
バイポーラ・CMOS複合バツフア回路22を付
加すれば、かえつて負荷駆動の応答は遅くなるこ
とが本発明者らの検討により明らかとされた。[ Problems to be Solved by the Invention] As mentioned above, the bipolar/ CMOS composite circuit shown in FIG. (sum of capacitance and input capacitance of the next stage gate to be driven)
When is small (for example, around 0.1pF),
The CMOS gate circuit 21 alone is sufficiently fast,
The inventors' studies have revealed that adding the bipolar/CMOS composite buffer circuit 22 actually slows down the load drive response.
しかし、バイポーラ・CMOS複合バツフア回
路22を省略した場合は、負荷容量CLが大きく
(たとえば1pF程度と)なると、CMOS回路21
は駆動能力が劣るため非常に遅くなり、遅延時間
は軽負荷のときの数倍(たとえば3倍以上)とな
ることも本発明者らの検討により明らかとされ
た。 However, if the bipolar/CMOS composite buffer circuit 22 is omitted, if the load capacitance C L becomes large (for example, about 1 pF), the CMOS circuit 21
The inventors' studies have also revealed that the delay time is several times (for example, three times or more) that when the load is light.
このような事情を、第2図bに示したCMOS
回路とバイポーラ・CMOS複合回路の伝播遅延
時間tpdの負荷容量依存性を参照して詳細に説明
する。 This situation can be explained using the CMOS shown in Figure 2b.
A detailed explanation will be given with reference to the load capacitance dependence of the propagation delay time t pd of the circuit and the bipolar/CMOS composite circuit.
まず、上述のように従来は、バイポーラ・
CMOS複合回路はCMOS回路より常に高速で動
作するものと考えられていた。しかし、本発明者
らの検討によると、第2図bに示すように、
2.0μmプロセスは約0.3pF、1.3μmプロセスでは約
0.2pFを境にして、両者の関係は逆転する。すな
わち、ある一定の負荷容量以下では、CMOS回
路の動作速度が速いのである。第2図bは第2図
aに示された回路を、ゲート幅WとゲートLとの
比W/L≒30のMOSトランジスタで構成した場
合のものであり、上述の数値自体は、具体的構成
によつて変化することは明らかであろう。 First, as mentioned above, conventionally, bipolar
CMOS composite circuits were thought to always operate faster than CMOS circuits. However, according to the inventors' study, as shown in FIG. 2b,
2.0μm process is approximately 0.3pF, 1.3μm process is approximately
At 0.2pF, the relationship between the two is reversed. In other words, the operating speed of the CMOS circuit is fast below a certain load capacity. Figure 2b shows the circuit shown in Figure 2a when it is constructed of MOS transistors with a ratio of gate width W to gate L of W/L≈30, and the above-mentioned numerical values themselves are not specific. Obviously, this will vary depending on the configuration.
従つて、本発明の目的は、重負荷を高速に駆動
することができるとともに軽負荷をも更に高速に
駆動することのでき半導体集積回路装置を提供す
ることにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device that can drive heavy loads at high speed and can also drive light loads at even higher speed.
[課題を解決するための手段]
上記目的を達成するため、上述の本発明者らに
より発見された負荷容量依存性におけるCMOS
回路とバイポーラ・CMOS複合回路の伝播遅延
時間の逆転が積極的に応用される。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the CMOS with load capacitance dependence discovered by the above-mentioned inventors
Inversion of propagation delay time of circuits and bipolar/CMOS composite circuits is actively applied.
すなわち、重い負荷容量はバイポーラ・
CMOS複合回路によつて駆動し、軽い負荷容量
はCMOS回路によつて駆動するようにしたもの
であり、本発明の代表的な実施形態による半導体
集積回路装置はLSI内で負荷の軽い回路部分は
CMOS回路で構成し、負荷の重い回路部分はバ
イポーラ・CMOS複合回路で構成したものであ
る。 That is, heavy load capacity is bipolar
The semiconductor integrated circuit device according to the typical embodiment of the present invention is driven by a CMOS composite circuit, and the light load capacity is driven by the CMOS circuit.
It is composed of CMOS circuits, and the heavy-load circuit parts are composed of bipolar/CMOS composite circuits.
[作用]
重負荷容量CLは高負荷駆動能力のバイポー
ラ・CMOS複合バツフア回路によつて駆動され
重負荷駆動時の遅延時間増大が回避される一方、
上述の負荷容量依存性におけるCMOS回路とバ
イポーラ・CMOS複合回路の伝播遅延時間の逆
転が有る負荷容量を境に生じるため、軽負荷容量
CLをCMOSゲート回路により駆動することでバ
イポーラ・CMOS複合回路により駆動する場合
よりも伝播遅延時間を小さくすることができる。[Function] The heavy load capacitance C L is driven by a bipolar/CMOS composite buffer circuit with high load driving capability, and while an increase in delay time when driving a heavy load is avoided,
Light load capacitor
By driving C L with a CMOS gate circuit, the propagation delay time can be made smaller than when driving with a bipolar/CMOS composite circuit.
[実施例]
以下、本発明の実施例を、図面に沿つて詳細に
説明する。[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず本発明の実施例で使用されるバイポーラ・
CMOS複合回路について、説明する。 First, the bipolar type used in the embodiment of the present invention
I will explain CMOS composite circuit.
ところで、第2図aに示すように、通常、
CMOS論理ゲート21は、NANDおNORが基本
回路となつており、これらのゲートにインバータ
回路を組合せると、AND,ORなど、否定を含ま
ない論理となる。第2図aはその1例を示し、
CMOSにより構成されたNANDゲート21の出
力に、第1図に示した如きバイポーラとCMOS
の複合のバツフア回路22が接続され、AND回
路が得られる。 By the way, as shown in Figure 2a, usually
The CMOS logic gate 21 has a basic circuit of NAND and NOR, and when an inverter circuit is combined with these gates, it becomes a logic that does not include negation, such as AND and OR. Figure 2a shows an example,
The output of the NAND gate 21 composed of CMOS is connected to bipolar and CMOS as shown in Figure 1.
A composite buffer circuit 22 is connected to obtain an AND circuit.
しかしながら、このような肯定の論理回路とな
る組合わせを多用したり、あるいは基本回路とし
てランダム論理を組むのは困難となる。したがつ
て、これらのバツフア回路として高速、低消費電
力のノンインバータ型のバツフア回路が望まれ
る。 However, it is difficult to frequently use such combinations that result in positive logic circuits, or to construct random logic as a basic circuit. Therefore, a non-inverter type buffer circuit with high speed and low power consumption is desired as these buffer circuits.
第3図は第9図および第10図の本発明の実施
例で使用されるノンインバータ型のバイポーラ・
CMOS複合バツフア回路の一例を示す回路図で
ある。この回路はnチヤネルMOSトランジスタ
QM1及びQM4、pチヤネルMOSトランジスタ
QM2、及びQM3、npnバイポーラトランジス
タQB1,QB2からなる。この回路は次のよう
に動作する。まず、入力、出力とも高レベルであ
る状態を考える。この時、QM2,QM3はオフ
であり、QM1,QM4がオンである。したがつ
てQB2はオフである。また、出力OUTの負荷は
容量性なので、定常状態ではQB1も殆んどオフ
である。この状態のもとで出力OUTが何かの原
因(たとえば出力に接続される負荷のリーク電流
等)で低レベルとなつたとするとQM1を経て
QB1にベース電流が供給され出力OUTは高レベ
ルに保たれる。OUTが高レベルにある限りほぼ
QB1はオフであり、従がつて定常状態では殆ん
ど電流は流れない。次に、入力INが高レベルか
ら低レベルに切換わる状態を考える。切換わつた
直後は出力OUTはまだ高レベルにある。この状
態ではQM2,QM3がオン、QM1,QM4は
オフである。QB1のベースに蓄積されていた電
荷はQM2により引抜かれQB1はオフとなり、
一方、QB2にはQM3を経てベース電流が供給
されるのでオンとなる。従がつて、QB2のコレ
クタにはそのベース電流のhFE倍の電流が流れる
ので、出力OUTは急速に低レベルに向かう。出
力OUTが低レベルになると、出力OUTからQB
2へのベース電流は供給されなくなり、QB2は
オフとなる。この状態ではQM2もオンとなつて
いるが、QB1のベース電荷は既に引抜かれてい
るので、電流は流れない。つまり、入出力とも低
レベルの定常状態にあつても、電流はリーク電流
以外は流れない。次に、入力が低レベルから高レ
ベルへと切換わる場合について考える。入力が切
換わつた直後は、出力はまだ低レベルにある。し
たがつて、QM1はオン,QM2オフ,QM3オ
フ,QM4オンとなり、QM1を経てQB1にベ
ース電流が供給される一方、QB2のベース電荷
はQM4により引抜かれる。したがつて、QB2
は急速にオフとなり、出力OUTはQB1により高
レベルと向かう。出力OUTが完全に高レベルと
なるとQM1を経てのベース電流は流れなくな
り、最初に説明した状態に戻る。 FIG. 3 shows a non-inverter type bipolar converter used in the embodiment of the present invention shown in FIGS. 9 and 10.
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a CMOS composite buffer circuit. This circuit is an n-channel MOS transistor
QM1 and QM4, p-channel MOS transistors
It consists of QM2, QM3, and npn bipolar transistors QB1 and QB2. This circuit operates as follows. First, consider a state where both input and output are at high levels. At this time, QM2 and QM3 are off, and QM1 and QM4 are on. Therefore QB2 is off. Furthermore, since the load on the output OUT is capacitive, QB1 is also mostly off in a steady state. Under this condition, if the output OUT becomes low level for some reason (for example, leakage current from the load connected to the output), then it will pass through QM1.
Base current is supplied to QB1 and the output OUT is kept at a high level. Almost as long as OUT is at a high level
QB1 is off, so almost no current flows in steady state. Next, consider a situation where the input IN switches from high level to low level. Immediately after switching, the output OUT is still at a high level. In this state, QM2 and QM3 are on, and QM1 and QM4 are off. The charge accumulated in the base of QB1 is extracted by QM2 and QB1 is turned off.
On the other hand, QB2 is turned on because the base current is supplied through QM3. Therefore, a current h FE times its base current flows through the collector of QB2, so that the output OUT quickly goes to a low level. When the output OUT goes to low level, QB is output from the output OUT.
The base current to QB2 is no longer supplied and QB2 is turned off. In this state, QM2 is also on, but the base charge of QB1 has already been extracted, so no current flows. In other words, even if both input and output are in a steady state with low levels, no current other than leak current flows. Next, consider the case where the input switches from low level to high level. Immediately after the input switches, the output is still at a low level. Therefore, QM1 is on, QM2 is off, QM3 is off, and QM4 is on, and the base current is supplied to QB1 via QM1, while the base charge of QB2 is extracted by QM4. Therefore, QB2
turns off rapidly, and the output OUT goes to a higher level due to QB1. When the output OUT reaches a completely high level, the base current no longer flows through QM1, returning to the state described at the beginning.
以上説明したように、第3図の回路では、入出
力が高または低レベルに留まつている限りはリー
ク電流が流れるだけで消費電力は殆んど零であ
り、電力は切換の過渡時に流れるだけである。し
たがつて、全体として消費電力は小さく、
CMOSと同じと考えてよい。一方、出力から見
るとMOSトランジスタのgmがhFE倍(すなわち
約2桁倍)してみえるので、出力の負荷容量が大
きくても充分に高速化できる。なお、高速化のた
めには、QM1(または場合によつてはQM3
も)はデプリーシヨン型であることが望ましい。 As explained above, in the circuit shown in Figure 3, as long as the input/output remains at a high or low level, only leakage current flows and the power consumption is almost zero, and power flows during the switching transition. Only. Therefore, overall power consumption is small;
You can think of it as the same as CMOS. On the other hand, when viewed from the output, the gm of the MOS transistor appears to be multiplied by h FE (that is, approximately two orders of magnitude), so even if the output load capacitance is large, the speed can be sufficiently increased. In addition, for faster speed, QM1 (or QM3 in some cases)
) is preferably of the depletion type.
第4図は第9図および第10図の本発明の実施
例で使用されるノンインバータ型のバイポーラ・
CMOS複合バツフア回路のもう一つの一例を示
すものである。この回路例と第3図の回路例との
違いは、第3図で出力OUTに接続されていた
QM2のドレーンが第4図ではOB2のベースに
接続されていた点だけである。第4図の回路で
は、入力が高レベルから低レベルへと切換わる時
に、QB1のベースから引抜かれた電荷はQB2
にベース電流として供給され、したがつてその分
だけQB2がオンとなる時間が早くなる。その他
の動作については、第4図と第3図は同じであ
る。 FIG. 4 shows a non-inverter type bipolar converter used in the embodiment of the present invention shown in FIGS. 9 and 10.
This shows another example of a CMOS composite buffer circuit. The difference between this circuit example and the circuit example in Figure 3 is that the
The only difference is that the drain of QM2 was connected to the base of OB2 in Figure 4. In the circuit of Figure 4, when the input switches from high level to low level, the charge drawn from the base of QB1 is QB2.
QB2 is supplied as a base current to QB2, and therefore the time for QB2 to turn on becomes earlier. Regarding other operations, FIG. 4 and FIG. 3 are the same.
ところで、第3,4図の回路例では、高速化の
ためにはQM1はデプリーシヨン型であることが
望ましい。デプリーシヨン型でなければ、入力が
高レベルであつても、出力を充分に高レベルにす
る程ベース電流を供給できないからである。した
がって、出力を充分に高レベルに保つことも高速
化することも困難となる。一方、第3,4図の他
のMOSトランジスタは一般にエンハンスメント
型(勿論、必要に応じてデプリーシヨン型にして
もさしつかえないことは言うまでもない)である
ため、第3,4図の回路例の場合、高性能化のた
めにはエンハンスメント型とデプリーシヨン型の
両型のMOSトランジスタを使用することが必要
となり、プロセス的に多少複雑となる。 By the way, in the circuit examples shown in FIGS. 3 and 4, it is desirable that QM1 be of the depletion type in order to increase the speed. This is because if the device is not of the depletion type, even if the input is at a high level, it will not be possible to supply enough base current to make the output at a sufficiently high level. Therefore, it is difficult to maintain the output at a sufficiently high level and to increase the speed. On the other hand, since the other MOS transistors shown in FIGS. 3 and 4 are generally enhancement type (of course, they can be made into depletion type if necessary), in the case of the circuit examples shown in FIGS. 3 and 4, In order to improve performance, it is necessary to use both enhancement type and depletion type MOS transistors, which makes the process somewhat complicated.
第5図は、第9図および第10図の本発明の実
施例で使用されるノンインバータ型のバイポー
ラ・CMOS複合バツフア回路のもう一つの一例
を示すものであり、上述のような欠点が除かれて
いる。 FIG. 5 shows another example of a non-inverter type bipolar/CMOS composite buffer circuit used in the embodiments of the present invention shown in FIGS. 9 and 10, which eliminates the above-mentioned drawbacks. It's dark.
第5図の回路はpチヤネルMOSトランジスタ
QM11,QM12およびQM13、nチヤネル
MOSトランジスタQM14、npnバイポーラトラ
ンジスタQB11およびQB12から成る。 The circuit in Figure 5 is a p-channel MOS transistor.
QM11, QM12 and QM13, n-channel
It consists of a MOS transistor QM14 and npn bipolar transistors QB11 and QB12.
この回路の動作を簡単に説明する。まず、入
力、出力とも高レベルである状態を考える。この
時、QM11,QM12,QM13はオフであり、
QM14のみがオンである。したがつて、QB1
1,QB12ともにオフである。この状態のもと
で出力OUTが何かの原因(たとえば出力に接続
される負荷のリーク電流等)で低レベルとなつた
とするとQM12がオンとなりQB11に入力端
INからベース電流が供給され出力OUTは高レベ
ルに保たれる。OUTが高レベルにある限りQB1
1はオフであり、従がつて定常状態では殆んど電
流は流れない。次に、入力INが高レベルから低
レベルに切換わる状態を考える。切換わつた直後
は出力OUTはまだ高レベルにある。この状態で
はQM11,QM13がオン、QM12,QM1
4はオフである。QB11のベースに蓄積されて
いた電荷はQM11により引抜かれQB11はオ
フとなり、一方、QB12にはQM13を経てベ
ース電流が供給されるのでオンとなる。従がつ
て、QB12のコレクタにはそのベース電流のhFE
倍の電流が流れるので、出力OUTは急速に低レ
ベルに向かう。出力OUTが低レベルになると、
出力OUTからQB12へのベース電流は供給され
なくなり、QB12はオフとなる。この状態では
QM11,QM12もオンとなつているが、QB
11のベース電荷は既に引抜かれているので、電
流は流れない。つまり、入出力ともに低レベルの
定常状態にあつても、電流はリーク電流以外は流
れない。次に、入力が低レベルから高レベルと切
換わる場合について考える。入力が切換わつた直
後は、出力はまだ低レベルにある。したがつて、
QM11はオフ、QM12はオン、QM13はオ
フ、QM14はオンとなり、QM12を経てQB
11にベース電流が供給される一方、QB12の
ベース電荷QM14により引抜かれる。したがつ
て、QB12は急速にオフとなり、出力OUTは
QB11により高レベルへと向かう。出力OUTが
完全に高レベルとなると、QM12はオフとな
り、最初に説明した状態に戻る。 The operation of this circuit will be briefly explained. First, consider a state where both input and output are at high levels. At this time, QM11, QM12, and QM13 are off,
Only QM14 is on. Therefore, QB1
Both QB1 and QB12 are off. Under this condition, if the output OUT becomes low level for some reason (for example, leakage current from the load connected to the output), QM12 turns on and QB11 connects the input terminal.
Base current is supplied from IN and the output OUT is kept at a high level. QB1 as long as OUT is at a high level
1 is off, and therefore almost no current flows in a steady state. Next, consider a situation where the input IN switches from high level to low level. Immediately after switching, the output OUT is still at a high level. In this state, QM11, QM13 are on, QM12, QM1
4 is off. The charge accumulated in the base of QB11 is extracted by QM11 and QB11 is turned off. On the other hand, QB12 is turned on because the base current is supplied through QM13. Therefore, the collector of QB12 has its base current h FE
Since twice as much current flows, the output OUT quickly goes to a low level. When the output OUT becomes low level,
The base current from the output OUT to QB12 is no longer supplied, and QB12 is turned off. In this state
QM11 and QM12 are also on, but QB
Since the base charge of No. 11 has already been extracted, no current flows. In other words, even if both input and output are in a steady state with low levels, no current flows except for leakage current. Next, consider the case where the input changes from low level to high level. Immediately after the input switches, the output is still at a low level. Therefore,
QM11 is off, QM12 is on, QM13 is off, QM14 is on, and QB passes through QM12.
While the base current is supplied to QB11, it is extracted by the base charge QM14 of QB12. Therefore, QB12 turns off quickly and the output OUT becomes
Heading to a higher level with QB11. When the output OUT goes completely high, QM 12 turns off and returns to the state described at the beginning.
以上説明したように、第5図の回路でも入出力
が高または低レベルに留まつている限りはリーク
電流が流れるだけで消費電力は殆んど零であり、
電力は切換の過渡時に流れるだけである。したが
つて、全体として消費電力は、第3,4図の回路
例と同様に、CMOSと同様と考えてよく、また
実効的にCMOSゲートのgmがhFE倍されると考え
てよいことは、第3,4図の実施例の場合と同じ
である。 As explained above, even in the circuit shown in Figure 5, as long as the input and output remain at a high or low level, only leakage current flows and the power consumption is almost zero.
Power only flows during switching transients. Therefore, the power consumption as a whole can be considered to be the same as that of CMOS, as in the circuit examples shown in Figures 3 and 4, and it can be considered that the gm of the CMOS gate is effectively multiplied by h FE . , the same as in the embodiments of FIGS. 3 and 4.
第6図は第9図および第10図の本発明の実施
例で使用されるノンインバータ型のバイポーラ・
CMOS複合バツフア回路のもう一つの一例を示
すものである。この回路例と第5図の回路例との
違いは、第5図で出力OUTに接続されていた
QM11のドレーンが第6図ではQB12のベー
スに接続されている点だけである。第6図の回路
では、入力が高レベルから低レベルと切換わる時
に、QB11のベースから引抜かれた電荷はQB
12にベース電流として供給され、したがつてそ
の分だけQB12がオンとなる時間が早くなる。
その他の動作については、第6図と第5図は同じ
である。なお、第5,6図の回路では、QB1の
ベース電流を前段回路が供給しなければならない
ので、第3,4図の場合に比べ前段に多少大きな
駆動能力が必要とされる。 FIG. 6 shows a non-inverter type bipolar converter used in the embodiment of the present invention shown in FIGS. 9 and 10.
This shows another example of a CMOS composite buffer circuit. The difference between this circuit example and the circuit example in Figure 5 is that
The only point in FIG. 6 is that the drain of QM11 is connected to the base of QB12. In the circuit shown in Figure 6, when the input switches from high level to low level, the charge drawn from the base of QB11 is QB
QB 12 is supplied as a base current, therefore, the time at which QB 12 is turned on becomes earlier.
Regarding other operations, FIG. 6 and FIG. 5 are the same. In the circuits shown in FIGS. 5 and 6, the base current of QB1 must be supplied by the front-stage circuit, so that the front-stage circuit requires a somewhat larger driving capability than in the case of FIGS. 3 and 4.
第7図は、第9図および第10図の本発明の実
施例で使用されるノンインバータ型のバイポー
ラ・CMOS複合バツフア回路のもう一つの一例
を示す回路図である。この回路例では、第3,4
図、または第5,6図においてQM1,QM2、
またはQM11,QM12をとり去り、QB1ま
たはQB11のベースを直接入力端子に接続した
形となつている。この場合、QB1は入力が極く
低レベルにある以外の時はオン状態にあるので、
入力に乗つた雑音は全て出力側に現われるという
欠点を有している。しかし、雑音余裕度が充分に
確保されている場合には、この回路を使用でき
る。なおこの回路の動作については、第3〜6図
の動作説明から明らかであるので、説明を省く。 FIG. 7 is a circuit diagram showing another example of a non-inverter type bipolar/CMOS composite buffer circuit used in the embodiment of the present invention shown in FIGS. 9 and 10. In this circuit example, the third and fourth
QM1, QM2 in the figure or Figures 5 and 6,
Alternatively, QM11 and QM12 are removed and the base of QB1 or QB11 is directly connected to the input terminal. In this case, QB1 is in the on state except when the input is at an extremely low level, so
It has the disadvantage that all the noise on the input appears on the output side. However, this circuit can be used if sufficient noise margin is ensured. Note that the operation of this circuit is clear from the explanation of the operation in FIGS. 3 to 6, so the explanation will be omitted.
以上説明した回路を用いた使用例について簡単
に述べる。第8図は3入力CMOSNANDゲート
Aと第6図の回路例Bとを組み合わせた例で、全
体として3入力NAND回路を構成している。こ
の回路の遅延時間を、現在高速バイポーラ論理回
路としても最も標準的なECL回路の遅延時間と、
同一レベルのプロセスを仮定して比較した。その
結果、負荷容量1pFに対して、第8図の回路の遅
延時間はECLとほぼ同一となることがわかつた。
またA,B両部分での遅延時間はほぼ等しく
ECLの遅延時間のそれぞれ約半分であつた。ま
た、この時の消費電力はスイツチング・サイクル
時間50nsを仮定してECLの約20分の1と極めて
僅かである。つまり、第8図の回路を使用すれ
ば、消費電力の点からはECLの約20倍高速集積
のLSIを構成し、単位ゲートの遅延時間を基本的
にはECLと同程度にできることになる。また、
実際に使用する際には、論理ゲート網に対するバ
イポーラ・CMOS複合バツフアとしては、ノン
インバータ型とインバータ型との両者を組合わせ
て使うこととなろうが、その場合インバータ型の
バツフアとしては従来型のどのようなものを本発
明のバツフアと組合わせて使用しても良い。 A usage example using the circuit described above will be briefly described. FIG. 8 shows an example in which the 3-input CMOS NAND gate A and the circuit example B in FIG. 6 are combined, and the whole constitutes a 3-input NAND circuit. The delay time of this circuit is compared to the delay time of the ECL circuit, which is currently the most standard high-speed bipolar logic circuit.
Comparisons were made assuming processes at the same level. As a result, it was found that for a load capacitance of 1 pF, the delay time of the circuit shown in FIG. 8 was almost the same as that of ECL.
Also, the delay time in both parts A and B is almost equal.
Each delay time was about half of the ECL delay time. Furthermore, the power consumption at this time is extremely small, about 1/20 of ECL, assuming a switching cycle time of 50 ns. In other words, by using the circuit shown in Figure 8, it is possible to construct an LSI with approximately 20 times faster integration than ECL in terms of power consumption, and the delay time of the unit gate can be basically the same as ECL. Also,
In actual use, a combination of non-inverter type and inverter type will be used as the bipolar/CMOS composite buffer for the logic gate network, but in that case, the conventional inverter type buffer will be used. Any of the following may be used in combination with the buffer of the present invention.
第9図は本発明の実施例による半導体集積回路
装置のブロツク図を示したもので、AはCMOS
ゲートを複数個組合わせた論理回路網であり、
B,B′等は先に説明したバイポーラ・CMOS複
合バツフア回路である。この場合、CMOSゲー
トの回路網Aは、各ゲートの出力の負荷容量が充
分軽いと考えられる程度の範囲でまとめられてお
り、各CMOSゲートは軽負荷(つまり負荷ゲー
トが近くに配置されており、配線容量等が少な
い)の条件で動作している。一方、チツプ内の遠
方に配置されているゲートへの入力を印加すると
か、またはフアンアウトが多いとかで負荷容量が
重い場合には、信号はバイポーラ・CMOS複合
バツフア回路B,B′等を介して伝達される。し
たがつて、負荷による遅延時間の増加は少ない。 FIG. 9 shows a block diagram of a semiconductor integrated circuit device according to an embodiment of the present invention, where A is a CMOS
It is a logic circuit network that combines multiple gates,
B, B', etc. are the bipolar/CMOS composite buffer circuits described above. In this case, the CMOS gate network A is grouped to the extent that the load capacitance of the output of each gate is considered to be sufficiently light, and each CMOS gate has a light load (that is, the load gates are placed close together). , low wiring capacitance, etc.). On the other hand, if the load capacitance is heavy due to applying an input to a gate located far away in the chip or due to a large fan-out, the signal is passed through bipolar/CMOS composite buffer circuits B, B', etc. It is transmitted by Therefore, the increase in delay time due to load is small.
第10図は本発明の他の実施例による半導体集
積回路装置のブロツク図を示したものである。こ
の場合、たとえばI2から入力された信号は、
CMOSゲートA1,A3,A4を経てバイポー
ラ・CMOS複合バツフア回路B2でバツフアさ
れて出力02へ出て行く。この場合、A1,A3,
A4の出力の負荷容量は軽いので各々ECLの約
1/2の遅延時間で動作する。また、出力02の負荷
が重くても、バイポーラ・CMOS複合バツフア
回路B2は約ECLの1/2の遅延時間で動作するの
で、全体としてECLの2倍の遅延時間でゲート
3段が動作することになる。この遅延時間の低減
は、CMOSゲート回路網部分での縦続ゲート数
が多い程大きくなる。しかし、一般にゲート数が
多くなると負荷も大きくなるので、どこかに最適
点がある。この最適点は、使用するプロセス・テ
クノロジー、回路設計技術のレベル等で決まる。
また、第9図に示した使用方法の場合、バイポー
ラ・CMOSバツフアの使用個数が減少するので、
バツフア使用によるチツプ面積増加も少なく押え
得る。また、実際に使用する際には、論理ゲート
網に対するバイポーラCMOS複合バツフアとし
ては、ノンインバータ型とインバータ型との両者
を組合わせて使うことになろうが、その場合イン
バータ型のバツフアとしては従来型のどのような
ものを本発明のバツフアと組合わせて使用しても
よい。 FIG. 10 shows a block diagram of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention. In this case, for example, the signal input from I2 is
It passes through CMOS gates A1, A3, and A4, is buffered by bipolar/CMOS composite buffer circuit B2, and goes out to output 02. In this case, A1, A3,
Since the load capacity of the output of A4 is light, each operates with a delay time about 1/2 that of ECL. In addition, even if the load on output 02 is heavy, the bipolar/CMOS composite buffer circuit B2 operates with a delay time that is approximately 1/2 of ECL, so the three stages of gates operate with a delay time that is twice ECL as a whole. become. This reduction in delay time becomes greater as the number of cascaded gates in the CMOS gate network increases. However, since the load generally increases as the number of gates increases, there is an optimum point somewhere. This optimum point is determined by the process technology used, the level of circuit design technology, etc.
In addition, in the case of the usage shown in Figure 9, the number of bipolar/CMOS buffers used is reduced, so
The increase in chip area due to the use of buffers can also be kept to a minimum. In addition, in actual use, a combination of both non-inverter type and inverter type will be used as a bipolar CMOS composite buffer for logic gate networks, but in that case, conventional inverter type buffers will be used. Any type of mold may be used in combination with the buffer of the present invention.
また、ここではバイポーラ・CMOS複合バツ
フア回路として第6図の実施例の回路を用いた
が、第3図ないし第7図の実施例の回路により構
成しても同様の効果が得られる。 Further, although the circuit of the embodiment shown in FIG. 6 is used here as the bipolar/CMOS composite buffer circuit, the same effect can be obtained by configuring the circuit of the embodiment shown in FIGS. 3 to 7.
なお、本発明においてMOSトランジスタのVTH
を変えることにより、速度、消費電力、出力レベ
ルなどを変え得るが、それは設計の問題であり、
本発明の範囲内にあることはいうまでもない。 Note that in the present invention, V TH of the MOS transistor
You can change the speed, power consumption, output level, etc. by changing the , but this is a matter of design.
It goes without saying that this is within the scope of the present invention.
また、npnトランジスタをpnpトランジスタに
変えpチヤンネルMOSトランジスタとnチヤン
ネルMOSトランジスタのとを入れ替えても、同
様な動作をさせ得ることは言うまでもない。 Furthermore, it goes without saying that the same operation can be achieved by replacing the npn transistor with a pnp transistor and replacing the p-channel MOS transistor with the n-channel MOS transistor.
第1図は従来のバイポーラ・CMOS複合バツ
フア回路を示し、第2図aはバイポーラ・
CMOS複合バツフア回路により負荷容量を駆動
する従来の回路構成を示し、第2図bは本発明の
原理による効果を説明するための特性図を示し、
第3図乃至第7図は本発明の実施例で使用される
バイポーラ・CMOS複合バツフア回路の回路例
を示し、第8図はバイポーラ・CMOS複合バツ
フア回路の使用例を示し、第9図は本発明の実施
例による半導体集積回路装置のブロツク図を示
し、第10図は本発明の他の実施例による半導体
集積回路装置のブロツク図を示す。
Figure 1 shows a conventional bipolar/CMOS composite buffer circuit, and Figure 2a shows a bipolar/CMOS composite buffer circuit.
A conventional circuit configuration in which a load capacitance is driven by a CMOS composite buffer circuit is shown, and FIG. 2b shows a characteristic diagram for explaining the effect of the principle of the present invention.
3 to 7 show circuit examples of the bipolar/CMOS composite buffer circuit used in the embodiments of the present invention, FIG. 8 shows an example of the use of the bipolar/CMOS composite buffer circuit, and FIG. 9 shows an example of the use of the bipolar/CMOS composite buffer circuit. A block diagram of a semiconductor integrated circuit device according to an embodiment of the invention is shown, and FIG. 10 is a block diagram of a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the invention.
Claims (1)
第2の極性のMOSトランジスタを少なくとも含
む第1、第2、第3および第4のCMOSゲート
と、 第1の極性のMOSトランジスタと第2の極性
のMOSトランジスタとその出力部に設けられる
バイポーラトランジスタとを少なくとも含む
BiCMOSバツフアとを、同一半導体チツプ上に
具備してなり、 上記第1のCMOSゲートの出力を上記
BiCMOSバツフアの入力に直接接続し、 上記BiCMOSバツフアの出力を上記第2の
CMOSゲートの入力に直接接続し、 上記第3のCMOSゲートの出力を上記第4の
CMOSゲートの入力に直接接続し、 上記第3のCMOSゲートの負荷容量は、上記
第3のCMOSゲートの負荷容量を上記第3の
CMOSゲートで駆動する際の伝播遅延時間が上
記第3のCMOSゲートの負荷容量を上記
BiCMOSバツフアで駆動する際の伝播遅延時間
より小さくなる領域に設定され、 かつ上記BiCMOSバツフアの負荷容量は上記
第3のCMOSゲートの負荷容量よりも大きく設
定されたことを特徴とする半導体集積回路装置。 2 上記BiCMOSバツフアの上記出力部の上記
バイポーラトランジスタは、コレクタ・エミツタ
経路が第1動作電位点と上記出力部の出力との間
に接続された第1のバイポーラトランジスタと、
コレクタ・エミツタ経路が上記出力と第2動作電
位点との間に接続された第2のバイポーラトラン
ジスタとからなることを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載の半導体集積回路装置。 3 上記第1のバイポーラトランジスタと上記第
2のバイポーラトランジスタとは同一極性であ
り、上記第1のバイポーラトランジスタのベース
と上記第2のバイポーラトランジスタのベースと
は互いに逆相で駆動されることを特徴とする特許
請求の範囲第2項記載の半導体集積回路装置。[Claims] 1. First, second, third and fourth CMOS gates each including at least a first polarity MOS transistor and a second polarity MOS transistor; and a first polarity MOS transistor; It includes at least a second polarity MOS transistor and a bipolar transistor provided at its output section.
A BiCMOS buffer is provided on the same semiconductor chip, and the output of the first CMOS gate is
Connect directly to the input of the BiCMOS buffer, and connect the output of the BiCMOS buffer to the second
Connect directly to the input of the CMOS gate, and connect the output of the third CMOS gate to the fourth
The load capacitance of the third CMOS gate is directly connected to the input of the CMOS gate.
The propagation delay time when driving with a CMOS gate is the load capacitance of the third CMOS gate above.
A semiconductor integrated circuit device set in a region smaller than a propagation delay time when driven by a BiCMOS buffer, and a load capacitance of the BiCMOS buffer is set to be larger than a load capacitance of the third CMOS gate. . 2. The bipolar transistor of the output section of the BiCMOS buffer includes a first bipolar transistor whose collector-emitter path is connected between a first operating potential point and the output of the output section;
2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the collector-emitter path comprises a second bipolar transistor connected between the output and a second operating potential point. 3. The first bipolar transistor and the second bipolar transistor have the same polarity, and the base of the first bipolar transistor and the base of the second bipolar transistor are driven in opposite phases to each other. A semiconductor integrated circuit device according to claim 2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63150280A JPS6427311A (en) | 1988-06-20 | 1988-06-20 | Semiconductor circuit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63150280A JPS6427311A (en) | 1988-06-20 | 1988-06-20 | Semiconductor circuit |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6427311A JPS6427311A (en) | 1989-01-30 |
| JPH0566045B2 true JPH0566045B2 (en) | 1993-09-21 |
Family
ID=15493520
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63150280A Granted JPS6427311A (en) | 1988-06-20 | 1988-06-20 | Semiconductor circuit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6427311A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07185772A (en) * | 1993-12-27 | 1995-07-25 | Rozai Kogyo Kaisha Ltd | Molten metal processing equipment |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5024788B2 (en) * | 1971-09-10 | 1975-08-19 | ||
| JPS4946099A (en) * | 1972-09-09 | 1974-05-02 | ||
| JPS5387187A (en) * | 1977-01-12 | 1978-08-01 | Hitachi Ltd | Semiconductor driving circuit |
| JPS5545259A (en) * | 1978-09-26 | 1980-03-29 | Mitsubishi Electric Corp | Transistor output circuit |
-
1988
- 1988-06-20 JP JP63150280A patent/JPS6427311A/en active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07185772A (en) * | 1993-12-27 | 1995-07-25 | Rozai Kogyo Kaisha Ltd | Molten metal processing equipment |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6427311A (en) | 1989-01-30 |
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